黃華恢 鑒倩倩

【摘要】全國(guó)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽開(kāi)展以來(lái)，為結(jié)構(gòu)力學(xué)課程教學(xué)提供了多渠道的學(xué)習(xí)方式，對(duì)應(yīng)用型本科教育教學(xué)工作有很大的幫助。文章剖析了結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題，探討了如何依托結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生結(jié)構(gòu)分析計(jì)算和理論聯(lián)系實(shí)踐能力。

【關(guān)鍵詞】結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)；結(jié)構(gòu)力學(xué)；教學(xué)改革

【基金項(xiàng)目】2016年校級(jí)教育教學(xué)研究與改革項(xiàng)目“以結(jié)構(gòu)競(jìng)賽促進(jìn)結(jié)構(gòu)力學(xué)課程教學(xué)改革”（ JG201607）。

一、前言

全國(guó)大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽由高等學(xué)校土木工程學(xué)科專(zhuān)業(yè)指導(dǎo)委員會(huì)與中國(guó)土木工程協(xié)會(huì)聯(lián)合主辦，各個(gè)高校輪流承辦，目的在于培養(yǎng)土木工程專(zhuān)業(yè)學(xué)生的實(shí)踐能力、創(chuàng)新意識(shí)和合作精神。在此背景下，我院也自主舉辦了三屆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽，得到了校領(lǐng)導(dǎo)的高度重視和相關(guān)專(zhuān)業(yè)師生的廣泛關(guān)注和積極參與。在競(jìng)賽舉辦的同時(shí)，結(jié)構(gòu)力學(xué)本科教學(xué)改革也開(kāi)始了嘗試和探索，希望通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽中的結(jié)構(gòu)模型給予結(jié)構(gòu)力學(xué)本科教學(xué)改革啟示，促進(jìn)該學(xué)科更好地發(fā)展。

二、目前結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)之不足

（一）教學(xué)現(xiàn)狀

結(jié)構(gòu)力學(xué)的研究對(duì)象主要是桿系結(jié)構(gòu)，其具體任務(wù)是研究結(jié)構(gòu)在何等因素作用下的內(nèi)力、位移、穩(wěn)定計(jì)算以及組成規(guī)則等。結(jié)構(gòu)力學(xué)是一門(mén)技術(shù)基礎(chǔ)課，它一方面要用到數(shù)學(xué)、理論力學(xué)和材料力學(xué)等課程的知識(shí)，另一方面又為學(xué)習(xí)建筑結(jié)構(gòu)、橋梁、隧道等專(zhuān)業(yè)課程提供了必要的基本理論和計(jì)算方法。目前的結(jié)構(gòu)力學(xué)課程教學(xué)狀況如何呢？是理論講解抽象枯燥還是計(jì)算模型的確定難以用言語(yǔ)表達(dá)？這些都是眼前結(jié)構(gòu)力學(xué)課程難以解決的教學(xué)問(wèn)題。因此，不少教師提出試圖將結(jié)構(gòu)模型融入到結(jié)構(gòu)力學(xué)課程教學(xué)當(dāng)中，這種想法無(wú)疑是好的。

眾所周知，土木工程課程體系內(nèi)開(kāi)設(shè)的力學(xué)課程分為理論力學(xué)、材料力學(xué)以及結(jié)構(gòu)力學(xué)，前兩門(mén)力學(xué)課程均為結(jié)構(gòu)力學(xué)課程做鋪墊。在這三門(mén)課程中，沒(méi)有任何一門(mén)課程具有相應(yīng)的模型教具，而力學(xué)課程抽象的理論恰恰需要這些結(jié)構(gòu)模型的引入作為其中一種形象的教學(xué)手段來(lái)引導(dǎo)啟發(fā)并解決學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中的疑惑?，F(xiàn)階段教學(xué)中仍然以教師為主體地位進(jìn)行課堂講授，學(xué)生被動(dòng)接受知識(shí)，沒(méi)有體現(xiàn)以學(xué)生為主體、教師為主導(dǎo)的先進(jìn)教學(xué)理念。

（二）常見(jiàn)問(wèn)題

在力學(xué)結(jié)構(gòu)的幾何構(gòu)造分析中，教材中介紹了兩種方法：平面幾何不變體系的組成規(guī)則和平面桿件體系的計(jì)算自由度。這兩種方法都能判定結(jié)構(gòu)體系的組成情況，計(jì)算自由度法更容易被學(xué)生接受。但是，對(duì)于瞬變體系，往往結(jié)構(gòu)自由度計(jì)算出結(jié)構(gòu)屬于幾何不變體系，在實(shí)際工程中，該體系在受荷前后的變形情況卻大不相同，并對(duì)結(jié)構(gòu)承載能力造成很大的影響。如果利用結(jié)構(gòu)模型將其實(shí)際受荷狀態(tài)進(jìn)行模擬，不難發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)在受荷后會(huì)由可變結(jié)構(gòu)變成不變結(jié)構(gòu)。若沒(méi)有結(jié)構(gòu)模型的模擬，學(xué)生憑空想象，很難將這一特殊體系牢記于心。為了尋找橋梁上行駛的火車(chē)和汽車(chē)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，橋梁某個(gè)內(nèi)力達(dá)到最大值的荷載位置，結(jié)構(gòu)力學(xué)中引入了影響線進(jìn)行求解。但在講授過(guò)程中，彎矩圖已在工程力學(xué)課程學(xué)習(xí)，并在學(xué)生內(nèi)心深處穩(wěn)穩(wěn)扎根，他們往往會(huì)將影響線繪制成彎矩圖。造成這樣的原因，一方面是對(duì)影響線的定義理解不透徹，另一方面是過(guò)于抽象的理論無(wú)法深入人心。

再者，在對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化計(jì)算中會(huì)出現(xiàn)不同類(lèi)型的節(jié)點(diǎn)，各個(gè)節(jié)點(diǎn)有各自的特點(diǎn)。例如剛節(jié)點(diǎn)、鉸節(jié)點(diǎn)、組合節(jié)點(diǎn)，對(duì)于這三種節(jié)點(diǎn)，其限制的約束力情況課本均已給出準(zhǔn)確無(wú)誤的結(jié)果，遺憾的是并沒(méi)有告訴我們其確定原則或依據(jù)，導(dǎo)致學(xué)生在后續(xù)的課程或?qū)嵺`中無(wú)法準(zhǔn)確確定某個(gè)實(shí)際結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)計(jì)算簡(jiǎn)圖。那么實(shí)際工程中這些節(jié)點(diǎn)構(gòu)造情況是如何的呢？鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)每一個(gè)看似相同，但在計(jì)算簡(jiǎn)圖上的確定大相徑庭。假若通過(guò)自己動(dòng)手制作搭接某一節(jié)點(diǎn)，或許這些看似外觀一樣但約束情況不同的節(jié)點(diǎn)會(huì)讓學(xué)生有更好的理解和掌握運(yùn)用。

綜上所述，結(jié)構(gòu)力學(xué)課程目前存在的兩個(gè)主要問(wèn)題為：理論內(nèi)容的抽象講解容易產(chǎn)生誤區(qū)；計(jì)算模型的確定沒(méi)有相應(yīng)的依據(jù)可尋。

三、結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)對(duì)結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)改革的啟發(fā)

為了解決上述問(wèn)題，本文根據(jù)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)內(nèi)容，提出制作結(jié)構(gòu)模型作為結(jié)構(gòu)力學(xué)課程輔助教學(xué)環(huán)節(jié)的設(shè)想。它彌補(bǔ)了結(jié)構(gòu)力學(xué)理論內(nèi)容的抽象空洞，同時(shí)也為學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中架起了“計(jì)算簡(jiǎn)圖”通向“實(shí)際結(jié)構(gòu)”的橋梁，為其課外科研活動(dòng)和拓展性學(xué)習(xí)奠定了基礎(chǔ)，培養(yǎng)了其最為缺失的創(chuàng)新意識(shí)。這一設(shè)想的提出，是對(duì)現(xiàn)階段結(jié)構(gòu)力學(xué)課程教學(xué)的補(bǔ)充，也是一項(xiàng)創(chuàng)新。

（一）實(shí)施方法

在教學(xué)過(guò)程中，我們應(yīng)該堅(jiān)持以學(xué)生為主體、教師為主導(dǎo)的教學(xué)理念。經(jīng)過(guò)反復(fù)調(diào)研與意見(jiàn)征詢(xún)，將在結(jié)構(gòu)力學(xué)教與學(xué)過(guò)程中增設(shè)模型制作環(huán)節(jié)。結(jié)合各章節(jié)結(jié)構(gòu)力學(xué)內(nèi)容的特點(diǎn)，選擇較為簡(jiǎn)單又具有代表性的模型結(jié)構(gòu)。讓學(xué)生自由組合，4或5人一組，自主設(shè)計(jì)制作加載模型。具體來(lái)說(shuō)，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)過(guò)程中融入結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，步驟如下。

1.理論學(xué)習(xí)。講解課程教學(xué)內(nèi)容，重點(diǎn)講解結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)及組成形式。將多種組成形式的結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比分析，進(jìn)行歸納總結(jié)。

2.制作模型。在各章節(jié)學(xué)習(xí)結(jié)束后，讓學(xué)生自由組合學(xué)習(xí)討論，自行繪制相應(yīng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，掌握模型制作要領(lǐng)，利用課外時(shí)間完成模型的分析與制作。

3.成果匯報(bào)。各小組在課堂上利用多媒體闡述模型方案及構(gòu)思，講解各組結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及制作技巧，展示模型及分析結(jié)構(gòu)。

4.模型加載實(shí)驗(yàn)。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行模型加載測(cè)試。

5.總結(jié)匯報(bào)。各組將模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行再次匯報(bào)，總結(jié)結(jié)構(gòu)模型實(shí)驗(yàn)的得失，并與原構(gòu)思分析進(jìn)行對(duì)比。

6.撰寫(xiě)報(bào)告。將整個(gè)結(jié)構(gòu)模型從構(gòu)思到模型制作再到加載結(jié)束進(jìn)行總結(jié)，分析利弊，從而掌握結(jié)構(gòu)的受荷特點(diǎn)。

（二）可行性分析

1.模型結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單。結(jié)構(gòu)模型是由桿件組成的力學(xué)結(jié)構(gòu)體系，而不是實(shí)物模型。它與實(shí)際工程模型相比形式簡(jiǎn)單，制作方便，傳力直接。這些都符合本科學(xué)生的學(xué)習(xí)水平，對(duì)后期的學(xué)習(xí)有較大幫助。

2.耗材成本較低，易于購(gòu)買(mǎi)。結(jié)構(gòu)模型的制作可以采用木條或者白卡紙，根據(jù)實(shí)際結(jié)構(gòu)模型按一定的比例進(jìn)行縮小制作，制作工期較短，場(chǎng)地所需較小。

3.安全性好，方便教學(xué)。由于結(jié)構(gòu)模型使用的材料均為白卡紙、木質(zhì)材料、剪刀和膠水等簡(jiǎn)易工具制作模型，操作簡(jiǎn)單安全，無(wú)需教師監(jiān)督管理，適合小組團(tuán)體進(jìn)行。

4.符合“寬口進(jìn)、應(yīng)用型人才培養(yǎng)”。結(jié)構(gòu)力學(xué)課程引入結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)，提高了學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力，培養(yǎng)了團(tuán)結(jié)協(xié)作精神，并通過(guò)課堂演講提高了口頭表達(dá)能力，在增加學(xué)生的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和提高創(chuàng)新能力的同時(shí)，滿(mǎn)足了當(dāng)前土木工程專(zhuān)業(yè)對(duì)應(yīng)用型人才的培養(yǎng)要求。

四、結(jié)語(yǔ)

總之，在結(jié)構(gòu)力學(xué)課程教學(xué)中加入結(jié)構(gòu)模型的設(shè)計(jì)會(huì)對(duì)本課程起到一定的促進(jìn)作用，讓學(xué)生在學(xué)中做，做中學(xué)，提高學(xué)生的實(shí)踐能力。因此，我們需結(jié)合結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)對(duì)結(jié)構(gòu)力學(xué)課程教學(xué)改革進(jìn)行重新審視，以全新的視野去評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)體系對(duì)于當(dāng)前結(jié)構(gòu)力學(xué)效果的影響。同時(shí)希望通過(guò)在課堂中開(kāi)設(shè)這樣的教學(xué)環(huán)節(jié)，使學(xué)生可以實(shí)現(xiàn)對(duì)力學(xué)知識(shí)的應(yīng)用，并鼓勵(lì)學(xué)生在課堂教學(xué)平臺(tái)上去創(chuàng)造各種創(chuàng)新性研究項(xiàng)目，發(fā)揮課程的輻射作用。

【參考文獻(xiàn)】

[1]王煥定，陳再現(xiàn).開(kāi)設(shè)實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)力學(xué)課程的設(shè)想[J].力學(xué)與實(shí)踐，2017，39（02）：196-198.

[2]侯文崎.從大學(xué)生結(jié)構(gòu)競(jìng)賽看結(jié)構(gòu)力學(xué)本科教學(xué)改革的探索和創(chuàng)新[J].教育教學(xué)論壇，2015（52）：175-176.

[3]龍馭球，包世華.結(jié)構(gòu)力學(xué)教程[M].北京： 高等教育出版社，2009.