土木工程專業(yè)結(jié)構(gòu)力學(xué)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐探討

孫旭峰 陶陽(yáng)

收稿日期：2013-04-27

作者簡(jiǎn)介：孫旭峰（1972-），男，揚(yáng)州大學(xué)建筑科學(xué)與工程學(xué)院副教授，博士，主要從事大跨度空間結(jié)構(gòu)研究，（Email）xfsun@yzu.edu.cn。

摘要：結(jié)構(gòu)力學(xué)課程是土木工程專業(yè)的主要專業(yè)基礎(chǔ)課。由于結(jié)構(gòu)力學(xué)實(shí)驗(yàn)介于材料力學(xué)和專業(yè)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)之間，所以長(zhǎng)期以來(lái)不準(zhǔn)確的定位導(dǎo)致多數(shù)學(xué)校的結(jié)構(gòu)力學(xué)課程教學(xué)忽視實(shí)驗(yàn)課。文章結(jié)合結(jié)構(gòu)力學(xué)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的建設(shè)實(shí)踐，探討了結(jié)構(gòu)力學(xué)實(shí)驗(yàn)在課程教學(xué)中的重要作用。

關(guān)鍵詞：土木工程專業(yè)；結(jié)構(gòu)力學(xué)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；教學(xué)改革

中圖分類(lèi)號(hào)：G642423文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：10052909（2013）05013304結(jié)構(gòu)力學(xué)課程是土木工程專業(yè)力學(xué)系列課程中一門(mén)非常重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，該課程的教學(xué)質(zhì)量對(duì)于實(shí)現(xiàn)土木工程專業(yè)的“寬口徑”，以及培養(yǎng)能力強(qiáng)、素質(zhì)高的土木工程師人才起著舉足輕重的作用。當(dāng)前，土木工程領(lǐng)域計(jì)算機(jī)技術(shù)的廣泛應(yīng)用拓寬了結(jié)構(gòu)力學(xué)的應(yīng)用領(lǐng)域，同時(shí)也對(duì)結(jié)構(gòu)力學(xué)課程的教學(xué)提出了新的、更高的要求。從課程設(shè)置來(lái)看，并不能因?yàn)橛?jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用而降低基礎(chǔ)力學(xué)概念教學(xué)所占的比重。從國(guó)內(nèi)外工科專業(yè)力學(xué)類(lèi)課程的設(shè)置情況來(lái)看[1]，國(guó)內(nèi)土木工程專業(yè)力學(xué)類(lèi)課程學(xué)分的比例基本上小于10%，而國(guó)外均大于10%，并且目前國(guó)際上比較注重學(xué)生對(duì)“基礎(chǔ)知識(shí)”的掌握，因此，力學(xué)類(lèi)課程全部為必修課。

從現(xiàn)代科學(xué)研究的角度看，應(yīng)用型基礎(chǔ)力學(xué)課程應(yīng)包括理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)兩方面，結(jié)構(gòu)力學(xué)課程也應(yīng)如此。但在長(zhǎng)期的教學(xué)實(shí)踐中，由于結(jié)構(gòu)力學(xué)實(shí)驗(yàn)介于材料力學(xué)和專業(yè)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)之間，這一不確定的定位導(dǎo)致其實(shí)驗(yàn)教學(xué)部分往往被忽視，而僅專注于課堂理論教學(xué)。正是這種忽視，造成了土木工程專業(yè)的學(xué)生很難從對(duì)單根構(gòu)件受力概念的形象理解，過(guò)渡到對(duì)整個(gè)平面結(jié)構(gòu)直至空間結(jié)構(gòu)受力概念的形象理解，對(duì)其后續(xù)結(jié)構(gòu)課程的學(xué)習(xí)及工作實(shí)踐，乃至進(jìn)一步的深造產(chǎn)生很大的負(fù)面影響。

一、 土木工程專業(yè)開(kāi)設(shè)結(jié)構(gòu)力學(xué)課程實(shí)驗(yàn)的必要性

力學(xué)概念是從實(shí)踐中來(lái)的，本科階段學(xué)習(xí)的應(yīng)用力學(xué)更是如此。作為一名長(zhǎng)期主講結(jié)構(gòu)力學(xué)課程的教師，筆者能夠深切地體會(huì)到結(jié)構(gòu)力學(xué)課程實(shí)驗(yàn)在幫助學(xué)生理解概念方面的重要意義和作用。以幾何組成分析為例，在學(xué)習(xí)這部分內(nèi)容時(shí)雖然課堂上已經(jīng)清楚講解了二元體的概念，但有一部分學(xué)生在遇到具體問(wèn)題時(shí)還是不清楚。如圖1a）所示，這些學(xué)生會(huì)將3-5-6當(dāng)作二元體來(lái)對(duì)待。究其原因，是沒(méi)有把“鏈桿的約束”這個(gè)概念搞清楚，如圖1b）所示，他們?cè)谧鲙缀谓M成分析時(shí)把2-4-6和3-5-6作為剛片，而將1-2和1-3作為鏈桿。又如圖2所示，三個(gè)剛片間以三對(duì)平行等長(zhǎng)鏈桿連接而成為幾何常變體系的情況，很多學(xué)生對(duì)此根本沒(méi)有一點(diǎn)感性認(rèn)識(shí)。諸如此類(lèi)的問(wèn)題，還出現(xiàn)在對(duì)“定向支座可以約束哪些方向的位移、約束反力如何”等等概念的理解上，這都是由于沒(méi)有提供實(shí)驗(yàn)條件讓學(xué)生親自動(dòng)手去“試一試”造成的。在建筑力學(xué)的課堂教學(xué)中，教師利用自己動(dòng)手制作的一部分桿件以及連接件，結(jié)合課程內(nèi)容當(dāng)場(chǎng)做演示實(shí)驗(yàn)，或者讓部分學(xué)生自己來(lái)做實(shí)驗(yàn)。從課程測(cè)試的結(jié)果可以看出，學(xué)生在這部分內(nèi)容的出錯(cuò)率有做實(shí)驗(yàn)的與未做實(shí)驗(yàn)的相比有大幅下降，這充分說(shuō)明了“動(dòng)手”的重要性。類(lèi)似的情況還出現(xiàn)在諸如彎矩圖需畫(huà)在受拉一側(cè)、剛結(jié)點(diǎn)處的彎矩平衡、互等定理、影響線、穩(wěn)定、動(dòng)力特性分析等，因此，需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)幫助學(xué)生形象而深入理解該課程概念部分的知識(shí)。

高等建筑教育2013年第22卷第5期

孫旭峰，陶陽(yáng)土木工程專業(yè)結(jié)構(gòu)力學(xué)課程實(shí)驗(yàn)的教學(xué)實(shí)踐

圖1

圖2

土木工程專業(yè)所涉及的主要是房屋建筑、橋梁、隧道等結(jié)構(gòu)體系。在理論講授及實(shí)驗(yàn)中如能緊密結(jié)合專業(yè)特色，對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)專業(yè)課知識(shí)與增加學(xué)習(xí)興趣都將起到事半功倍的效果。比如鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中“強(qiáng)柱弱梁”的概念，柱端先破壞時(shí)會(huì)形成幾何可變體系，而梁先破壞則還是幾何不變體系。這個(gè)概念一般在鋼筋混凝土專業(yè)課中講解，但如果在幾何組成分析部分將其列入實(shí)驗(yàn)課內(nèi)容，則會(huì)加強(qiáng)學(xué)生對(duì)專業(yè)知識(shí)的形象理解。類(lèi)似的例子還有：?jiǎn)螌訌S房中的縱、橫向支撐體系，頂點(diǎn)位移法計(jì)算房屋自振頻率，結(jié)構(gòu)抗震中的“鞭端效應(yīng)”等等。但是在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方面，由于學(xué)生此時(shí)還沒(méi)有學(xué)習(xí)專業(yè)課程，所以結(jié)構(gòu)力學(xué)實(shí)驗(yàn)和之后的專業(yè)課實(shí)驗(yàn)必須有所區(qū)別，不應(yīng)設(shè)置過(guò)高的難度，否則將適得其反。

結(jié)構(gòu)力學(xué)研究的對(duì)象是結(jié)構(gòu)體系的受力性能，而結(jié)構(gòu)體系的布置是非常靈活的，所以結(jié)構(gòu)力學(xué)實(shí)驗(yàn)還應(yīng)該與材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)有所區(qū)別。在實(shí)驗(yàn)中應(yīng)以提高學(xué)生的動(dòng)手能力、設(shè)計(jì)能力為目標(biāo)，可以自行設(shè)計(jì)構(gòu)件、連接支座裝置及結(jié)構(gòu)體系。以結(jié)構(gòu)體系為例，不一定要限定為平面桿件體系，而可以結(jié)合高層建筑、空間結(jié)構(gòu)（如網(wǎng)架、網(wǎng)殼、索結(jié)構(gòu)、開(kāi)合結(jié)構(gòu)、折疊結(jié)構(gòu)等）等，通過(guò)教師的適當(dāng)啟發(fā)，充分發(fā)揮學(xué)生的自主創(chuàng)新的能力。除完成基本實(shí)驗(yàn)外，結(jié)構(gòu)力學(xué)實(shí)驗(yàn)課程應(yīng)結(jié)合學(xué)科競(jìng)賽，為學(xué)生創(chuàng)造實(shí)驗(yàn)條件。

二、 土木工程專業(yè)結(jié)構(gòu)力學(xué)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐

2010年，筆者所在的揚(yáng)州大學(xué)對(duì)土木工程專業(yè)進(jìn)行了課程實(shí)驗(yàn)的教學(xué)改革，建立了土木工程專業(yè)本科系列開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，將材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、土木工程材料、土力學(xué)、混凝土基本理論等課程的實(shí)驗(yàn)整合為土木工程專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程，共1.5個(gè)學(xué)分，48學(xué)時(shí)（實(shí)驗(yàn)時(shí)數(shù)為學(xué)時(shí)數(shù)乘以2），分三個(gè)學(xué)期完成，并統(tǒng)一編寫(xiě)了相應(yīng)的課程教學(xué)大綱。實(shí)驗(yàn)課程分為基本型、提高型及創(chuàng)新型三個(gè)層次，其中基本型實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生在一個(gè)設(shè)計(jì)完整的實(shí)驗(yàn)框架下重新驗(yàn)證結(jié)果，讓學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證所學(xué)相關(guān)理論推導(dǎo)結(jié)論的正確性，從而加深對(duì)知識(shí)的理解，培養(yǎng)學(xué)生的推理能力、分析能力，訓(xùn)練其實(shí)驗(yàn)技能；提高型實(shí)驗(yàn)內(nèi)容涉及該課程的綜合知識(shí)或與該課程相關(guān)的知識(shí)，對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能進(jìn)行綜合訓(xùn)練，培養(yǎng)學(xué)生的綜合分析能力、實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力、數(shù)據(jù)處理以及查閱資料的能力，要求學(xué)生綜合運(yùn)用兩種以上的基本實(shí)驗(yàn)方法完成同一個(gè)實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用不同的思維方式和不同的實(shí)驗(yàn)原理綜合分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，掌握不同的實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)技能；創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生根據(jù)給定的實(shí)驗(yàn)?zāi)康囊蠛蛯?shí)驗(yàn)條件，自己設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，選擇實(shí)驗(yàn)器材，制定操作程序，學(xué)生必須運(yùn)用自己掌握的知識(shí)進(jìn)行問(wèn)題分析和探討，著重培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立解決實(shí)際問(wèn)題的能力、創(chuàng)新能力以及組織管理能力。

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中的結(jié)構(gòu)力學(xué)實(shí)驗(yàn)為新增設(shè)的模塊，按照實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)要求并參考相關(guān)文獻(xiàn)[2-4]將幾何組成實(shí)驗(yàn)、桁架及剛架靜內(nèi)力測(cè)定實(shí)驗(yàn)作為基本型實(shí)驗(yàn)（實(shí)驗(yàn)時(shí)數(shù)5，必選），將剛架穩(wěn)定實(shí)驗(yàn)、靜撓度測(cè)量實(shí)驗(yàn)、影響線繪制實(shí)驗(yàn)、結(jié)構(gòu)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)、自振頻率測(cè)定實(shí)驗(yàn)作為提高型實(shí)驗(yàn)（實(shí)驗(yàn)時(shí)數(shù)2，5選1），將自行加載的模型實(shí)驗(yàn)及其他實(shí)驗(yàn)作為創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)（實(shí)驗(yàn)時(shí)數(shù)2，結(jié)合結(jié)構(gòu)模型創(chuàng)新大賽，如獲獎(jiǎng)還可取得相應(yīng)的創(chuàng)新學(xué)分）。實(shí)驗(yàn)課程各模塊按五級(jí)記分，其中平時(shí)成績(jī)（包括實(shí)驗(yàn)理論及預(yù)習(xí)情況）占50%，實(shí)驗(yàn)操作及實(shí)驗(yàn)報(bào)告占50%，課程總成績(jī)以學(xué)期為單位按各模塊所得成績(jī)的平均值計(jì)分。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)要求，揚(yáng)州大學(xué)與南京航空航天大學(xué)合作研制了NHLX-GⅡ型剛架多功能實(shí)驗(yàn)裝置，如圖3所示。該裝置由支撐剛架、定位板、支座、加載系統(tǒng)、加載桿等組成，可根據(jù)需要很方便地將支座更換為固定支座、鉸支座及定向支座等，可自由設(shè)置加載點(diǎn)位置，不僅可以完成剛架靜內(nèi)力測(cè)定實(shí)驗(yàn)，還可完成撓曲線測(cè)定、影響線繪制等實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)中由學(xué)生自己粘貼應(yīng)變片以及完成接線，以提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能。在自主編寫(xiě)的實(shí)驗(yàn)報(bào)告中，除要求分析產(chǎn)生誤差的原因，還要求學(xué)生將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器的求解結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，培養(yǎng)其科研思維能力，如：“計(jì)算中是否考慮剪切變形及軸向變形有什么影響？”、“考慮支座的實(shí)際尺寸時(shí)計(jì)算簡(jiǎn)圖中計(jì)算長(zhǎng)度的取值對(duì)結(jié)果有什么影響？應(yīng)如何取值？”、“計(jì)算中是否考慮支座的實(shí)際彈性剛度對(duì)結(jié)果有什么影響？”等等。對(duì)這些問(wèn)題的分析解答都是課堂理論教學(xué)所無(wú)法完成的。

圖3NHLX-GⅡ型剛架實(shí)驗(yàn)裝置

在創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)部分，學(xué)校將結(jié)構(gòu)力學(xué)實(shí)驗(yàn)與結(jié)構(gòu)創(chuàng)新競(jìng)賽（包括校內(nèi)和校外競(jìng)賽活動(dòng)）相結(jié)合，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，如三維空間體系的幾何組成分析及內(nèi)力計(jì)算、簡(jiǎn)單有限元軟件的應(yīng)用（如sap2000）等等。圖4所示為學(xué)校舉辦結(jié)構(gòu)模型制作及加載試驗(yàn)比賽的場(chǎng)景，其中左圖為靜力加載，右圖為單向振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)。對(duì)于這些實(shí)驗(yàn)，學(xué)生們參與的熱情非常高，達(dá)到了在趣味中感受結(jié)構(gòu)力學(xué)的魅力，在趣味中提升對(duì)結(jié)構(gòu)整體受力的感性認(rèn)識(shí)的教學(xué)目的。

圖4結(jié)構(gòu)模型制作加載試驗(yàn)比賽

揚(yáng)州大學(xué)自2010年課程實(shí)驗(yàn)改革以來(lái)，結(jié)構(gòu)力學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)K的教學(xué)已在兩屆學(xué)生中得以實(shí)施。在課堂理論教學(xué)中可以明顯感到學(xué)生對(duì)結(jié)構(gòu)力學(xué)學(xué)習(xí)興趣的增強(qiáng)，如課堂注意力較集中、課間課后提問(wèn)較活躍等等。此外，與實(shí)驗(yàn)改革實(shí)施以前的兩屆學(xué)生（以每屆兩個(gè)教學(xué)班為單位）相比，幾何組成部分的卷面平均出錯(cuò)率從19.3%下降為5.6%，做剛架彎矩圖時(shí)結(jié)點(diǎn)平衡概念的出錯(cuò)率也大為降低，這從一個(gè)側(cè)面反映了結(jié)構(gòu)力學(xué)課程實(shí)驗(yàn)的教學(xué)成果。此外，學(xué)生還在各類(lèi)結(jié)構(gòu)創(chuàng)新大賽中屢獲佳績(jī)；以“減小支座彎矩”為概念的“抗震樓梯”設(shè)計(jì)還申報(bào)了國(guó)家專利，初步展現(xiàn)了創(chuàng)新型結(jié)構(gòu)力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的成果。

三、 結(jié)語(yǔ)

學(xué)校土木工程專業(yè)本科系列實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的專項(xiàng)建設(shè)，推動(dòng)了結(jié)構(gòu)力學(xué)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)質(zhì)量的提升。結(jié)構(gòu)力學(xué)課程實(shí)驗(yàn)的教學(xué)實(shí)踐成果主要體現(xiàn)在以下幾方面。

（1）實(shí)驗(yàn)教學(xué)打破了結(jié)構(gòu)力學(xué)課程課堂理論教學(xué)一統(tǒng)天下的局面，讓學(xué)生能真正參與課程教學(xué)互動(dòng)，幫助學(xué)生學(xué)會(huì)獨(dú)立思考，并能靈活應(yīng)用所學(xué)知識(shí)，與課堂理論教學(xué)形成良性互動(dòng)。

（2）改革前后學(xué)生成績(jī)的對(duì)比，客觀上顯示了基礎(chǔ)型和提高型實(shí)驗(yàn)在促進(jìn)學(xué)生對(duì)課程基本概念的形象理解、基本技能和動(dòng)手能力的提升方面的重要作用。

（3）創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)的設(shè)置，激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)造性和自主學(xué)習(xí)的能力，增強(qiáng)了學(xué)生對(duì)專業(yè)的感性認(rèn)識(shí)和學(xué)習(xí)興趣，取得了較好的實(shí)踐成果。

參考文獻(xiàn)：

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Teaching practice in construction of structural mechanics course for civil engineering

SUN Xufeng， TAO Yang

（Architectural Science and Technology Institute， Yangzhou University， Yangzhou 225127， P. R. China）

Abstract： Structural mechanics is the main professional basic course in civil engineering. For a long time， the role of structural mechanics experiment is not so clear because it is something between the material mechanics experiment and the professional structural experiment. Therefore， most universities neglect the experimental teaching in the structural mechanics course. Based on the construction of experimental teaching platform for civil engineering undergraduates， we discussed the important role of experiment during the teaching and learning of structural mechanics.

Keywords： civil engineering specialty； structural mechanics； experiment teaching； teaching reform

（編輯王宣）