黃華恢

【摘 要】《結(jié)構(gòu)力學(xué)》結(jié)構(gòu)力學(xué)課程是土木工程專業(yè)學(xué)習(xí)中的基礎(chǔ)課程，對(duì)后續(xù)課程的學(xué)習(xí)起到關(guān)鍵作用。本文針對(duì)該課程在教學(xué)過程中遇到的各種問題，從課程內(nèi)容應(yīng)用、實(shí)驗(yàn)融合、課時(shí)分配、考核體系四方面進(jìn)行課程改革，為今后《結(jié)構(gòu)力學(xué)》課程教學(xué)提供參考。

【關(guān)鍵詞】結(jié)構(gòu)力學(xué);虛擬仿真實(shí)驗(yàn);教學(xué)改革

中圖分類號(hào)： O342-4;G434文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2019）33-0028-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.33.012

結(jié)構(gòu)力學(xué)課程是土木工程專業(yè)重要的基礎(chǔ)課程之一。它以高等數(shù)學(xué)、靜力學(xué)、材料力學(xué)等課程為基礎(chǔ)，研究桿件組合體系的結(jié)構(gòu)在荷載作用下的受力情況。本課程的主要任務(wù)是研究結(jié)構(gòu)的組成規(guī)律、合理形式及結(jié)構(gòu)在外因作用下的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性的計(jì)算原理與計(jì)算方法，以保證結(jié)構(gòu)的安全并使之符合經(jīng)濟(jì)的要求。同時(shí)，該課程也為后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)做鋪墊。給專業(yè)課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)、畢業(yè)實(shí)習(xí)甚至今后畢業(yè)從事的相關(guān)工作提供必要的理論依據(jù)和計(jì)算方法。近年來，由于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)具備形象化和真實(shí)化，可將工程結(jié)構(gòu)實(shí)際狀況呈現(xiàn)在人們眼前，在視覺上將抽象的理論轉(zhuǎn)化成直觀和真實(shí)感較強(qiáng)的模型，而逐步作為高校教學(xué)輔助手段進(jìn)入課堂。這種教學(xué)方式培養(yǎng)了學(xué)生良好的工程意識(shí)和創(chuàng)新思維，完善知識(shí)結(jié)構(gòu)。因此，結(jié)合本課程的教學(xué)內(nèi)容，以及現(xiàn)階段學(xué)生學(xué)習(xí)的實(shí)際狀況，構(gòu)建以虛擬仿真試驗(yàn)為基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)力學(xué)翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)應(yīng)用模型，為達(dá)到培養(yǎng)適應(yīng)工程需求的實(shí)踐人員做準(zhǔn)備。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

我國有研究者以結(jié)構(gòu)力學(xué)實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，應(yīng)用Flash開發(fā)系統(tǒng)建立了結(jié)構(gòu)力學(xué)實(shí)驗(yàn)的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境和虛擬實(shí)驗(yàn)物理的模型[1]。也有學(xué)者認(rèn)為在結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)中，公式復(fù)雜，推導(dǎo)及求解過程中需要較多的數(shù)學(xué)運(yùn)算，因此特別需要數(shù)學(xué)應(yīng)用軟件的介入[2]。結(jié)構(gòu)力學(xué)課程教學(xué)涉及大量的公式推導(dǎo)、結(jié)構(gòu)分析與計(jì)算等內(nèi)容，學(xué)生理解起來較困難。將有限元軟件引入課堂教學(xué)，可以將抽象的應(yīng)力、應(yīng)變等概念具體化，將結(jié)構(gòu)的變形及應(yīng)力分布情況生動(dòng)、直觀地呈現(xiàn)在學(xué)生面前，既有利于學(xué)生的接受，又能夠?yàn)閷W(xué)生學(xué)習(xí)ANSYS一類的有限元軟件奠定基礎(chǔ)[3]。通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)幫助學(xué)生掌握力學(xué)中各變量的關(guān)系，觀察在變量變化的全過程模型的變形情況。在多次變量修改中找到最優(yōu)結(jié)構(gòu)形式，以優(yōu)化結(jié)構(gòu)。還有高校提出在教學(xué)過程中采用制作建筑模型來輔助學(xué)習(xí)的教學(xué)方式，以鞏固學(xué)生的理論知識(shí)，鍛煉學(xué)生的實(shí)踐操作能力，培養(yǎng)其獨(dú)立思考的能力，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。同時(shí)在實(shí)踐中能夠培養(yǎng)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的簡(jiǎn)化能力，從而通過學(xué)生解決建筑工程實(shí)際問題能力[5]。國外高校仍然側(cè)重結(jié)構(gòu)力學(xué)基本理論的講解，同時(shí)也將軟件應(yīng)用到日常的教學(xué)活動(dòng)。如麻省理工學(xué)院建成的微電子在線實(shí)驗(yàn)室，美國休斯敦大學(xué)的虛擬物理實(shí)驗(yàn)室[3]。美國的西點(diǎn)橋梁設(shè)計(jì)競(jìng)賽[6]，通過設(shè)計(jì)一座現(xiàn)實(shí)的橋梁，培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手和處理問題的能力，讓學(xué)生了解工程設(shè)計(jì)過程中所需要的數(shù)學(xué)與力學(xué)知識(shí)，并掌握使用計(jì)算機(jī)解決工程問題的方法。

2 課程教學(xué)特點(diǎn)和難點(diǎn)

《結(jié)構(gòu)力學(xué)》課程作為土建類重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程之一，其教學(xué)質(zhì)量對(duì)學(xué)生今后的應(yīng)用能力強(qiáng)起著舉足輕重的作用。結(jié)構(gòu)模型實(shí)驗(yàn)是課程中展現(xiàn)知識(shí)點(diǎn)應(yīng)用的關(guān)鍵。該實(shí)驗(yàn)多為破壞性試驗(yàn)，需耗費(fèi)大量試件，破壞過程短暫，難以觀察整個(gè)破壞過程。加上班級(jí)學(xué)生人數(shù)較多，實(shí)驗(yàn)具有一定的危險(xiǎn)性，難以保證學(xué)生有足夠的動(dòng)手操作機(jī)會(huì)。教學(xué)中理論知識(shí)向工程結(jié)構(gòu)的應(yīng)用轉(zhuǎn)化和結(jié)構(gòu)模型的優(yōu)化設(shè)計(jì)成為課堂中的兩大難點(diǎn)。所以，如何做好結(jié)構(gòu)力學(xué)的教學(xué)工作是擺在該專業(yè)教學(xué)工作者前面的重要課題。

3 改革目標(biāo)

3.1 理論知識(shí)可視化

日常教學(xué)中，結(jié)構(gòu)力學(xué)主要研究結(jié)構(gòu)的組成方式及在外荷載作用下的內(nèi)力、應(yīng)力、變形計(jì)算，當(dāng)中的理論性強(qiáng)，概念抽象，學(xué)生難以掌握。可通過虛擬軟件對(duì)構(gòu)件進(jìn)行建模和分析，繪制結(jié)構(gòu)的變形圖和應(yīng)力云圖等，用不同的色彩來表示結(jié)構(gòu)承載能力的強(qiáng)弱情況。借助這些軟件，以圖像的形式將其直觀、形象的展現(xiàn)，讓學(xué)生對(duì)這些概念有直觀的認(rèn)識(shí)，提高學(xué)習(xí)效率，增強(qiáng)學(xué)習(xí)效果。

3.2 力學(xué)實(shí)驗(yàn)的可視化

結(jié)構(gòu)力學(xué)課程最終需運(yùn)用到實(shí)踐中去，這必須在教學(xué)中將理論和實(shí)踐相融合。但受到課時(shí)少，加上實(shí)驗(yàn)具有一定破壞性，在實(shí)驗(yàn)前需準(zhǔn)備大量試件，實(shí)驗(yàn)過程短暫又具有危險(xiǎn)性，難以讓每位同學(xué)都觀察到結(jié)構(gòu)破壞過程。在這些不利承擔(dān)外界因素制約下，可將Abaqus和Flash等軟件引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，以動(dòng)畫的形式演示構(gòu)件實(shí)驗(yàn)的全過程，充分發(fā)揮軟件的建模和分析能力。并利用軟件模擬現(xiàn)場(chǎng)加載情況，找到最合理的結(jié)構(gòu)形式，將其制作成模型，在課堂中現(xiàn)場(chǎng)展示，以加深學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和過程的理解。

3.3 結(jié)構(gòu)模型在工程實(shí)踐中的應(yīng)用

力學(xué)課程中只是將工程結(jié)構(gòu)中的房屋、橋梁等復(fù)雜結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化的單跨形式，學(xué)生要真正掌握整體結(jié)構(gòu)的受力還有一定的差距。而讓學(xué)生畢業(yè)踏上相應(yīng)的工作崗位，會(huì)變得無從下手。借助于軟件模擬結(jié)構(gòu)實(shí)際工況可幫助學(xué)生將力學(xué)模型轉(zhuǎn)化為實(shí)際工程的結(jié)構(gòu)模型，以解決復(fù)雜的受力問題，進(jìn)而提高解決實(shí)際工程問題的能力。

4 課程改革措施

4.1 理論知識(shí)的應(yīng)用

結(jié)構(gòu)力學(xué)將傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)力學(xué)教材中的主要概念、知識(shí)點(diǎn)、計(jì)算模型與工程案相結(jié)合類比，讓其內(nèi)容趣味化、直觀化、感性化地，其目的是幫助學(xué)生理解抽象計(jì)算模型和概念。教學(xué)安排上，采用知識(shí)準(zhǔn)備、案例引導(dǎo)、內(nèi)容講授、模擬實(shí)驗(yàn)的教學(xué)模式，并且按照初步建模、實(shí)驗(yàn)制作、模型優(yōu)化三種形式進(jìn)行組織課后教學(xué)過程。結(jié)合工程案例講解理論知識(shí)點(diǎn)，讓學(xué)生建立起工程實(shí)際，計(jì)算模型、理論計(jì)算的工程思維，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用知識(shí)解決實(shí)際問題的能力。

4.2 教學(xué)內(nèi)容與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)相融合加以應(yīng)用

結(jié)構(gòu)力學(xué)理論性強(qiáng)，結(jié)構(gòu)形式多樣，分析對(duì)象均為實(shí)際工程中抽象后的結(jié)構(gòu)或構(gòu)件，公式推導(dǎo)、計(jì)算繁瑣乏味，學(xué)生難以保持學(xué)習(xí)興趣。通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)便可幫助學(xué)生建立復(fù)雜力學(xué)模型，解決復(fù)雜的力學(xué)問題。結(jié)合教學(xué)內(nèi)容嘗試讓學(xué)生利用現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)材料將虛擬優(yōu)化好的結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行制作并加以實(shí)驗(yàn)。進(jìn)而可以參加結(jié)構(gòu)相關(guān)類競(jìng)賽，如結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽、周培源力學(xué)競(jìng)賽通過競(jìng)賽等，鍛煉了學(xué)生建立抽象力學(xué)模型、結(jié)構(gòu)分析、電算軟件運(yùn)用、團(tuán)隊(duì)協(xié)作等能力。

4.3 內(nèi)容教學(xué)、虛擬軟件應(yīng)用、建模實(shí)驗(yàn)的課時(shí)分配

總學(xué)時(shí)是一定的，如何處理這三者之間的課時(shí)分配是關(guān)系到課程重點(diǎn)的問題。理論內(nèi)容是基礎(chǔ)，虛擬軟件教學(xué)是輔助，變抽象為具體，起到幫助學(xué)生理解理論知識(shí)的作用。建模實(shí)驗(yàn)是讓學(xué)生明白設(shè)計(jì)流程以及如何進(jìn)行結(jié)構(gòu)施工方式，分析結(jié)果的合理性等，使學(xué)生能更快的走上工作崗位。同時(shí)還需對(duì)課程教學(xué)大綱進(jìn)行修改完善。

4.4 健全課程考核評(píng)估體系

傳統(tǒng)力學(xué)課程考核方式是通過筆試方法，但這種方式過于單一化。為了反映多元化的考核方法，體現(xiàn)學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)與提高，突出學(xué)生自身學(xué)習(xí)特點(diǎn)有必要對(duì)結(jié)構(gòu)力學(xué)課程考核方式進(jìn)行調(diào)整。評(píng)價(jià)不再僅僅依據(jù)結(jié)課考試成績(jī)來評(píng)定優(yōu)良。在新的評(píng)價(jià)體系中，引入了課堂提問、考勤、平時(shí)作業(yè)、虛擬軟件的應(yīng)用、結(jié)構(gòu)建模實(shí)驗(yàn)、力學(xué)競(jìng)賽等方面，將考試成績(jī)分期中與期末兩次、課堂內(nèi)與課堂外兩個(gè)層面，分別引入不同的權(quán)重，設(shè)置了兩套考察方案（表1）。

5 總結(jié)

《結(jié)構(gòu)力學(xué)》課程土木工程教學(xué)中占據(jù)重要地位。在目前建設(shè)環(huán)境的需求指導(dǎo)下，對(duì)課程教學(xué)提出了創(chuàng)新性的要求。通過上述的關(guān)于課程內(nèi)容建設(shè)的一系列改革，并在實(shí)際教學(xué)中，融入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)，讓學(xué)生深入了解建模過程，逐步引入理論內(nèi)容，使教學(xué)內(nèi)容更加豐富。在不斷的更新和完善中，才能切實(shí)提高教學(xué)效果，促進(jìn)學(xué)生對(duì)理論的理解和掌握，提高學(xué)生的興趣，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)課程的積極性、主動(dòng)性和創(chuàng)造性，增加學(xué)生的自主科研能力，為今后的學(xué)習(xí)和工作打下良好的基礎(chǔ)。

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