《結構力學》教學中的能力培養

胡白香，李傳勛，蔡東升，陸春華

摘要：結構力學是土木工程專業的一門重要的基礎課。由于目前課程學時少、內容多，因此針對結構力學課程系統性強、概念多的特點，結合教學實踐，從教學內容安排、教學方法改進、教學手段優化等方面對結構力學教學進行了探索，以培養學生的學習興趣。從而為后續專業課程學習、畢業后從事土木工程結構設計及進一步深造打好基礎。

關鍵詞：學習興趣；教學改革；創新能力；能力培養

中圖分類號：G642.4 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2012）12-0260-03

結構力學是土木工程專業的一門重要的基礎課。它是學生學習混凝土結構、地基基礎等專業課的基礎，與工程實踐聯系緊密，是溝通基礎課和專業課的紐帶。為了滿足土木工程專業人才培養的要求，我們對當前《結構力學》的教學內容、方法及手段等方面進行了改革。

一、合理選擇教學內容，培養學生自學能力

結構力學教學的內容必須為培養工程師的高等工程教育服務。通過精選教學內容，簡化課內教學時間，給學生提供更多的自主學習的時間?！督Y構力學》課程內容多，主要分成基本和專題兩大部分?；静糠质钦n程的基礎，對這部分內容我們加強了課堂教學力度，但與材料力學課程重復的內容可以精簡教學。如平面體系幾何組成分析中的組成規則，我們先重點講解三剛片規則：平面內的三個剛片用不在一直線上的三個鉸兩兩相連，組成無多余約束的幾何不變體系。把組成規則中的關鍵詞一一詳解，再提問學生，逐步培養他們分析問題的能力，從中總結自學過程中該注意的一些問題。然后通過實鉸、虛鉸的作用；剛片與鏈桿的轉換得到兩剛片規則和二元體規則，因此后面兩個組成規則就可少講，留出時間給學生具體分析體系。結構彎矩圖的繪制，在材料力學中已講過梁，在結構力學中則著重強調荷載與內力的微分關系及對應于彎矩圖、剪力圖中的圖形特征，重點介紹疊加法繪制彎矩圖。在此基礎上強調剛架內力圖繪制時需要注意的問題，尤其是剛結點處橫梁和豎柱的彎矩關系。又如靜定結構的位移計算，雖然虛功原理十分重要，但其原理推導相當復雜，學生不容易理解，反而讓學生覺得結構力學很難學。目前我們的做法是略去繁雜的公式推導，重點講其物理意義，然后給出公式及其應用范圍，這樣可避免學生對結構力學學習的恐懼心理，還可壓縮授課時間。專題部分不可能像基礎部分那樣精講，我們是根據不同的專業來進行選學。通過合理選擇教學內容，教師可在有限的學時里把課講完，把基本知識傳授給學生。

二、多種教學方法結合，激發學生創新思維

在合理選擇教學內容的同時，也要改革教學方法?！皩W為主體，教為主導”是教學的原則和規律，教師必須認真研究如何引導學生主動學習。在今后的工作中，學生可能不會直接應用結構力學知識去解決某個具體問題，但所學到的分析和解決問題的思維方法，卻是他們今后工作所不可缺少的。在教學方法我們注意了以下幾方面：

1.發揮教師的主導作用，培養學生的創新意識。從結構力學的整個內容看，靜定結構的內力分析是關鍵，其分析方法仍然是材料力學中介紹過的截面法，但結構力學中桿件數目多，多數學生覺得難以迅速準確地選擇隔離體，以至有的學生覺得靜定結構內力計算沒有規律，從而產生害怕心理。事實上，按幾何不變體系的組成方式看，靜定結構是無多余約束的幾何不變體系，其構成模式不外“簡支”和“三鉸”兩種基本模式，再通過復合可構成其他靜定結構。在對靜定結構進行內力分析時，“簡支式結構”一般是利用平面一般力系的三個平衡方程求出全部反力再求內力；而“三鉸式結構”一般是先整體、再局部分析求出全部反力。規范化處理靜定結構內力分析的具體步驟是：①對結構進行幾何組成分析，掌握其組成方式，對于梁式結構，先找出其中的靜定梁；對于組合結構，先找出基本部分和附屬部分，這是靜定結構內力分析中的重要一步；②按幾何組成相反的順序選擇合適的內力求解步驟，例如，對有基本部分和附屬部分的結構，應從附屬部分入手；③由截面法求出控制截面的內力；④用分段疊加法繪制彎矩圖，軸力圖、剪力圖則可以根據外力直接繪制。為了幫助學生準確、熟練地掌握這部分內容，我們增加了習題討論課，把典型題目精選出來精講，讓學生從具體例子中總結各種方法的應用，逐步提高自己分析和自學的能力。我們以“討論”為中心來組織習題課教學，著重討論解題思路、方法，使學生逐步掌握解題的基本方法。課后留一些典型習題讓學生自己做，可以說做題實踐是學習結構力學最有效的方法之一。

2.多種教學手段并用，實現全方位立體教學模式。在教學過程中，為了增強教學效果，要充分利用多種教學手段。多媒體課件可將理論公式、圖片、動畫和講授內容有機結合在一起。我們在制作多媒體教案時搜集了大量的動畫圖片和工程實例，形象、生動、有效地幫助了學生理解和記憶。多媒體教學一方面能刺激學生的多個感官，使教學過程生動活潑，提高學生的學習興趣；另一方面，也節約了教師課堂板書的時間，可增大教學容量，提高教學效率，是解決教學時數少、教學內容多這一矛盾的有效手段。要利用好多媒體這一有效的輔助教學工具。傳統教學的優勢該保留，如教師與學生之間富有人情味的交流、教師提問以活躍氛圍等。多媒體教學與傳統黑板板書相結合，教學效果會更好，也可改善學生長時間盯著大屏幕給眼睛帶來的不適。對一些發展動態等，可以播放多媒體課件讓學生快速瀏覽一遍，以激發學生的學習積極性。

3.引入計算軟件，培養學生的電算能力。由于工程結構越來越復雜，隨著計算機計算速度的提高，模擬、分析軟件的功能增強，工程實踐中的結構分析與設計，已基本由電算取代了手算，學生工作后是否會用結構分析軟件已成為衡量其業務水平的標準之一。因此，我們在教學中注重培養學生應用計算機進行工程計算的能力，我們主要介紹的軟件有：①結構力學求解器。結構力學求解器面向教師、學生及工程技術人員，其求解內容包括平面結構的幾何組成分析、靜定及超靜定結構的內力與位移計算、影響線等經典結構力學課程中所涉及的問題，對于平面結構的內力計算，可繪制內力圖，位移計算可繪制位移圖；平面結構的自由振動分析可計算前若干階頻率，彈性穩定分析可計算屈曲荷載，并可靜態或動畫顯示各階振型和失穩模態。②MATLAB和Simulink。在超靜定結構的力法、位移法教學中可以介紹MATLAB軟件，讓學生應用結構力學知識，通過簡單的編程，即可完成相關問題的內力計算和內力圖繪制，激發了學生學習結構力學的興趣。在動力學教學中我們介紹了MATLAB軟件和其中的工具箱Simulink，主要是指導計算振動系統的自振頻率、阻尼、振型向量等動力特性，計算振動系統在簡諧荷載和一般荷載作用下的動力反應，并把計算結果用圖形或動畫表示出來。③有限元計算軟件。有限單元法是常用的數值分析方法，它可有效地解決復雜的工程計算。土木工程行業常用的有限元軟件有ANSYS、ABAQUS、SAP、ADINA等。在結構力學教學中我們簡單介紹了它們的應用。

4.以科研帶動教學，努力提高學生的工程應用能力。教師在授課時介紹了李春設計建造的趙州橋，茅以升造橋、炸橋等故事，葛洲壩工程，上海的環球金融中心，奧運會主會場-“鳥巢”工程，世博會中國館等大型結構的設計、施工，既增添了課程活力，又激發了學生的學習興趣。我們在教學中還十分注意將最新科研成果和工程應用融入教學，以科研帶動教學，提升教學層次。結構力學課程組成員先后主持、參與了國家和省部級基金項目8項，參與了十多項橫向課題的研究，如高鐵蘇州段技術支撐、泰州電廠及陳家港等電廠的鋼內筒吊裝技術研究。通過這些工程應用項目的研究，課程組成員可以深入淺出地將工程領域的技術問題融入到日常課堂教學中，不僅消除了學生對工程項目的畏懼心理，也直接激發了學生對書本知識的學習熱情和動力。課堂教學和課外研學有機結合，提高了學生的知識應用能力和創新能力。課程組十分注重指導學生將結構力學知識應用于大學生科研立項、大學生創新性實驗計劃，提高他們的工程素質和實踐能力。

《結構力學》是土木工程的重要專業基礎課，對土木工程專業學生的培養質量起著至關重要的作用。我們只有不斷進行結構力學教學改革，才能穩步提高教學質量，讓學生真正掌握結構力學的知識，為進一步學習專業課及今后的實際工作打下良好的力學基礎，培養出高素質的、與時俱進的土木工程專業人才。

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基金項目：江蘇大學“842工程”課程建設項目

作者簡介：胡白香（1964-），女，江蘇大學土木工程與力學學院教授，主要從事結構力學和鋼結構教學及研究。