孫 明 周 磊

(湖南科技學院,湖南 永州 425199)

基于應用型“卓越計劃”的結構力學實踐化教改探索★

孫 明 周 磊

(湖南科技學院,湖南 永州 425199)

根據地方本科院校應用型“卓越計劃”的要求，通過對教學內容、教學形式實踐化教改的探索，從工程實例分析、應用軟件教學、結構建模實驗三個方面進行思考，提出教學實踐化改革的具體措施。

結構力學,教學形式，教學改革，工程實踐

0 引言

《結構力學》是土木工程專業(yè)中最重要的一門專業(yè)課程。這門課程主要任務是讓學生掌握結構組成規(guī)律、受力性能和合理形式的分析思路，理解結構內力和變形的計算方法，并了解結構穩(wěn)定性與結構在動力荷載作用下的反應等基礎知識[1]?！督Y構力學》作為一門以理論教學為主的課程，與高等數學、理論力學、材料力學等前置課程聯(lián)系緊密。由于這些前置公共課程的任課老師并非土木工程專業(yè)出身，授課中往往沒有考慮知識與后續(xù)專業(yè)課程的連貫性，而且地方應用型院校生源的基礎又都比較薄弱，多數學生對這些難度較大的理論課程都以通過考試為首要目標。因此導致學生在學習結構力學前對很多基礎概念模糊不清，探討更深入復雜的理論問題時極易產生畏難情緒，喪失學習積極性。學生對課程的學習目標又變?yōu)閼镀谀┛荚嚩皇钦莆罩R。這樣的教學效果與教育部推行“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”(簡稱“卓越計劃”)的要求背道而馳。

隨著我國城鎮(zhèn)化進程的飛速發(fā)展，無論房屋還是橋梁的結構形式都日趨復雜，計算機輔助設計與有限元分析已成為工程實踐中必不可少的應用手段。地方本科院校要實現(xiàn)“卓越計劃”中為社會培養(yǎng)應用型人才的目標，就需要提前向尚未走向工作崗位的土木專業(yè)學生傳授工程應用軟件的使用知識。通過近年對省內建筑業(yè)各用人單位的走訪調查，可以發(fā)現(xiàn)剛就業(yè)的土木畢業(yè)生普遍都只會用軟件依葫蘆畫瓢，直接套用計算機自動計算的數據進行結構設計，但不知道設計參數的設置原理，不知如何修改結構進行優(yōu)化設計，無法實現(xiàn)結構設計經濟性與安全性的有機結合，設計不出符合用戶需求的工程圖紙。究其原因，就是理論教學與實踐教學脫節(jié)，上機課程只教軟件使用，理論課程只講數據分析，讓沒有工程經驗的學生很難將二者聯(lián)系到一起。

因此在以培養(yǎng)應用型人才為主要任務的地方本科院校土木工程專業(yè)教學體系中，如何將以理論授課為核心的《結構力學》課程與實踐結合起來，探索一條符合時代需求的教學實踐化改革道路，已成為實行“卓越計劃”時必須要思考的問題。

1 《結構力學》教學內容實踐化

應用型地方院校學生的一大特點就是對抽象的理論學習缺乏興趣，對工程實踐知識充滿學習熱情。因此可以根據學生的這一心理，對《結構力學》課程的教學內容進行適當擴展延伸。因為結構力學的知識是構筑所有建筑結構的基本原理，所以授課老師對課堂上講授的每一個章節(jié)、每一個知識點都能夠找出相對應的工程應用案例或者規(guī)范條文要求。對這些案例或規(guī)范的解析應該要跳出單純敘述的桎梏，不能變成教師在課堂上講故事，學生在課堂下聽熱鬧的模式，而是應該將理論知識如何應用于工程實踐這一思想通過講述和練習相結合的方式進行傳授，課堂上提到的工程實例應該都能通過簡化變?yōu)榭梢杂蓪W生自行分析的結構，例如普通大橋對應多跨靜定梁，廠房對應剛架，鐵路橋對應桁架，多層結構抗震設計對應底部剪力法，框架結構設計對應彎矩分配法，將實際問題演變成可以讓學生利用書本就能解決的問題，引導他們主動去思索結構的優(yōu)化方略，從而實現(xiàn)對理論知識的融會貫通。

比如在講授桁架這一章內容時，可以圍繞工程史上有名的加拿大圣勞倫斯大橋建設事故進行分析。先讓學生了解桁架結構在實際工程中的應用，然后讓他們根據歷史資料，分析大橋的幾何形式，繪制對應的計算簡圖。再通過對該橋建設中兩次垮塌事故的描述，引出教材中桁架內力計算的相關理論。接著讓學生根據課堂上學習的桁架受力狀態(tài)分析知識，結合書本中關于不同桁架形式的受力特點進行分組討論，指出案例中結構垮塌的具體原因。最后由教師設定該橋轉換為計算簡圖后所受荷載狀況，讓學生在課后以此為基礎對原結構進行優(yōu)化改進，設計出在相同條件下，受力合理、保證安全的桁架結構形式。

這樣通過對工程實例的細致剖析，可以將有關聯(lián)的若干知識點都貫穿到一起，調動學生對書本理論的學習積極性，增進他們對實際工程設計的認識和理解。

2 《結構力學》教學形式實踐化

結構力學問題的研究手段包含理論研究、實驗研究、數值計算三個方面[2]。理論研究的內容通過實驗模擬和計算機數值分析兩種形式應用到工程實踐之中。在學生接觸結構力學之初，一方面需要鞏固對基礎內容的理解，另一方面需要有一種可靠的工具驗證自己手工進行的繁瑣計算是否正確，所以有必要利用專業(yè)軟件教學配合課堂理論知識的傳授。

從結構力學課程最早的結構幾何構造分析章節(jié)開始，就可以專門抽出少量課時將授課地點從教室轉移到機房，教學生使用清華大學研發(fā)的結構力學求解器。這個軟件的求解范圍涵蓋了結構力學本科階段的所有問題，可以畫出計算簡圖，分析二維平面結構的幾何組成、靜定結構、超靜定結構、自由振動、彈性穩(wěn)定等情況，并計算結構的位移、內力、影響線、包絡圖[3]，還可以求解工程實踐中的簡單結構。在每一章學習結束后，教導學生使用結構力學求解器解決相應的問題，可以極大地增強他們對課堂所學內容的認識和理解。而且由于這個軟件求出的都是精確解，所以可以用來與手工計算進行對比，驗證計算結果，開拓學生解題思路，強化他們的結構分析建模能力。

除了使用結構力學求解器輔助學習外，為了增強課程的實踐性，當課堂教學將靜定結構這一部分的知識講授完畢時，還可以通過對新軟件的教學將理論與應用聯(lián)系起來。工程應用軟件可以選用中國建筑科學研究院研發(fā)的PKPM系列軟件，目前全國有90%以上的結構設計均使用該軟件完成。PKPM的排架框架設計模塊(簡稱“PK”)主要用于鋼筋混凝土框架、框排架、連續(xù)梁、桁架結構計算與施工圖繪制，模塊本身就是一個二維平面桿系的結構計算軟件，適用于工業(yè)與民用建筑中各種規(guī)則或復雜類型，規(guī)模在30層，20跨以內的建筑[4]。通過對PK的教學，可以讓學生很直觀地看到運用書本知識分析實際結構會得到何種結果，教材中的理論習題用于對應什么樣的實踐問題。在知道看似枯燥的課本知識如何融入應用軟件進行實際工程設計、分析、優(yōu)化后，學生對結構力學課程的學習熱情明顯高漲。

無論是課堂學習還是計算機分析，處理的都是二維平面問題，而實際工程中構建的都是三維立體結構。如何將實際問題放在電腦或紙面上處理，如何將電腦或手工計算的結果落實到應用中去，這是一個專業(yè)工程師所應具備的能力，也是教學中要努力培養(yǎng)學生形成的能力。因此對結構力學這樣理論性強的課程，除了要強化應用能力的配套上機練習以外，還需要有對應的實驗安排，深化學生對結構組成的認識。

結構力學實驗應區(qū)別于其他力學課程實驗中學生操作儀器，記錄、處理數據的單一模式，重點體現(xiàn)課程特色，圍繞結構設計與優(yōu)化這個主題開展實驗活動?？紤]學生的能力，讓他們分組合作自行設計并裝配模型，模型以紙、木、竹為材料，實驗內容從最簡單的簡支梁設計開始，逐漸擴展為多跨橋、桁架屋頂等貼近實際工程的結構設計。由任課教師在課堂上提出設計要求，安排學生在實驗前先做好設計方案，確定結構形式，并分別采用手工計算，結構力學求解器求解，PK分析的手段計算結構的承載能力，在結構模型制作完成后通過靜載或動載實驗校核學生自己動手做出的結構是否滿足要求。

3 結語

《結構力學》課程通過一系列實踐化的教學改革措施，以培養(yǎng)應用型卓越工程師為目標，結合地方高校學生特點，將傳統(tǒng)理論授課與工程中常用設計分析軟件教學緊密地聯(lián)系起來，并且依托結構模型實驗讓學生可以將理論分析落實到工程運用之中，培養(yǎng)學生的團隊協(xié)作精神，鍛煉學生的創(chuàng)新能力與動手能力，為他們未來的專業(yè)課程學習和畢業(yè)后從事結構設計工作打下了堅實的基礎。

[1] 李廉錕.結構力學[M].第5版.北京：高等教育出版社，2010.

[2] 龍馭球，包世華，袁 駟.結構力學[M].第3版.北京：高等教育出版社，2012.

[3] 包世華，辛克貴.結構力學[M].武漢：武漢理工大學出版社，2012.

[4] 張宇鑫，劉海成，張星源.PKPM結構設計應用[M].上海：同濟大學出版社，2010.

Exploration on practice teaching reform ofStructuralMechanicsbased on applied “excellence program”★

Sun Ming Zhou Lei

(HunanUniversityofScienceandEngineering,Yongzhou425199,China)

According to the requirements of applied “excellence program” of local undergraduate universities, through the exploration on practice teaching reform of teaching contents, teaching forms, made thinking from engineering example analysis, application software teaching, structure modeling experiment three aspects, put forward specific measures of teaching practice reform.

structural mechanics, teaching form, teaching reform, engineering practice

1009-6825(2015)02-0231-02

2014-11-04★：湖南省教育廳教改項目(項目編號：湘教通[2012]401號第429項)

孫 明(1985- )，男，博士，講師; 周 磊(1984- )，男，工程師

G642.0

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