基于應(yīng)用型“卓越計劃”的結(jié)構(gòu)力學(xué)實踐化教改探索★

孫 明 周 磊

(湖南科技學(xué)院,湖南 永州 425199)

基于應(yīng)用型“卓越計劃”的結(jié)構(gòu)力學(xué)實踐化教改探索★

孫 明 周 磊

(湖南科技學(xué)院,湖南 永州 425199)

根據(jù)地方本科院校應(yīng)用型“卓越計劃”的要求，通過對教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)形式實踐化教改的探索，從工程實例分析、應(yīng)用軟件教學(xué)、結(jié)構(gòu)建模實驗三個方面進(jìn)行思考，提出教學(xué)實踐化改革的具體措施。

結(jié)構(gòu)力學(xué),教學(xué)形式，教學(xué)改革，工程實踐

0 引言

《結(jié)構(gòu)力學(xué)》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(wù)是讓學(xué)生掌握結(jié)構(gòu)組成規(guī)律、受力性能和合理形式的分析思路，理解結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形的計算方法，并了解結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與結(jié)構(gòu)在動力荷載作用下的反應(yīng)等基礎(chǔ)知識[1]。《結(jié)構(gòu)力學(xué)》作為一門以理論教學(xué)為主的課程，與高等數(shù)學(xué)、理論力學(xué)、材料力學(xué)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(yīng)用型院校生源的基礎(chǔ)又都比較薄弱，多數(shù)學(xué)生對這些難度較大的理論課程都以通過考試為首要目標(biāo)。因此導(dǎo)致學(xué)生在學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)力學(xué)前對很多基礎(chǔ)概念模糊不清，探討更深入復(fù)雜的理論問題時極易產(chǎn)生畏難情緒，喪失學(xué)習(xí)積極性。學(xué)生對課程的學(xué)習(xí)目標(biāo)又變?yōu)閼?yīng)付期末考試而不是掌握知識。這樣的教學(xué)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(jìn)程的飛速發(fā)展，無論房屋還是橋梁的結(jié)構(gòu)形式都日趨復(fù)雜，計算機輔助設(shè)計與有限元分析已成為工程實踐中必不可少的應(yīng)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(yīng)用型人才的目標(biāo)，就需要提前向尚未走向工作崗位的土木專業(yè)學(xué)生傳授工程應(yīng)用軟件的使用知識。通過近年對省內(nèi)建筑業(yè)各用人單位的走訪調(diào)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(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計，但不知道設(shè)計參數(shù)的設(shè)置原理，不知如何修改結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，無法實現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計經(jīng)濟性與安全性的有機結(jié)合，設(shè)計不出符合用戶需求的工程圖紙。究其原因，就是理論教學(xué)與實踐教學(xué)脫節(jié)，上機課程只教軟件使用，理論課程只講數(shù)據(jù)分析，讓沒有工程經(jīng)驗的學(xué)生很難將二者聯(lián)系到一起。

因此在以培養(yǎng)應(yīng)用型人才為主要任務(wù)的地方本科院校土木工程專業(yè)教學(xué)體系中，如何將以理論授課為核心的《結(jié)構(gòu)力學(xué)》課程與實踐結(jié)合起來，探索一條符合時代需求的教學(xué)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(jié)構(gòu)力學(xué)》教學(xué)內(nèi)容實踐化

應(yīng)用型地方院校學(xué)生的一大特點就是對抽象的理論學(xué)習(xí)缺乏興趣，對工程實踐知識充滿學(xué)習(xí)熱情。因此可以根據(jù)學(xué)生的這一心理，對《結(jié)構(gòu)力學(xué)》課程的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行適當(dāng)擴展延伸。因為結(jié)構(gòu)力學(xué)的知識是構(gòu)筑所有建筑結(jié)構(gòu)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(yīng)的工程應(yīng)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(yīng)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(xué)生在課堂下聽熱鬧的模式，而是應(yīng)該將理論知識如何應(yīng)用于工程實踐這一思想通過講述和練習(xí)相結(jié)合的方式進(jìn)行傳授，課堂上提到的工程實例應(yīng)該都能通過簡化變?yōu)榭梢杂蓪W(xué)生自行分析的結(jié)構(gòu)，例如普通大橋?qū)?yīng)多跨靜定梁，廠房對應(yīng)剛架，鐵路橋?qū)?yīng)桁架，多層結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計對應(yīng)底部剪力法，框架結(jié)構(gòu)設(shè)計對應(yīng)彎矩分配法，將實際問題演變成可以讓學(xué)生利用書本就能解決的問題，引導(dǎo)他們主動去思索結(jié)構(gòu)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(nèi)容時，可以圍繞工程史上有名的加拿大圣勞倫斯大橋建設(shè)事故進(jìn)行分析。先讓學(xué)生了解桁架結(jié)構(gòu)在實際工程中的應(yīng)用，然后讓他們根據(jù)歷史資料，分析大橋的幾何形式，繪制對應(yīng)的計算簡圖。再通過對該橋建設(shè)中兩次垮塌事故的描述，引出教材中桁架內(nèi)力計算的相關(guān)理論。接著讓學(xué)生根據(jù)課堂上學(xué)習(xí)的桁架受力狀態(tài)分析知識，結(jié)合書本中關(guān)于不同桁架形式的受力特點進(jìn)行分組討論，指出案例中結(jié)構(gòu)垮塌的具體原因。最后由教師設(shè)定該橋轉(zhuǎn)換為計算簡圖后所受荷載狀況，讓學(xué)生在課后以此為基礎(chǔ)對原結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，設(shè)計出在相同條件下，受力合理、保證安全的桁架結(jié)構(gòu)形式。

這樣通過對工程實例的細(xì)致剖析，可以將有關(guān)聯(lián)的若干知識點都貫穿到一起，調(diào)動學(xué)生對書本理論的學(xué)習(xí)積極性，增進(jìn)他們對實際工程設(shè)計的認(rèn)識和理解。

2 《結(jié)構(gòu)力學(xué)》教學(xué)形式實踐化

結(jié)構(gòu)力學(xué)問題的研究手段包含理論研究、實驗研究、數(shù)值計算三個方面[2]。理論研究的內(nèi)容通過實驗?zāi)M和計算機數(shù)值分析兩種形式應(yīng)用到工程實踐之中。在學(xué)生接觸結(jié)構(gòu)力學(xué)之初，一方面需要鞏固對基礎(chǔ)內(nèi)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(jìn)行的繁瑣計算是否正確，所以有必要利用專業(yè)軟件教學(xué)配合課堂理論知識的傳授。

從結(jié)構(gòu)力學(xué)課程最早的結(jié)構(gòu)幾何構(gòu)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(zhuǎn)移到機房，教學(xué)生使用清華大學(xué)研發(fā)的結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器。這個軟件的求解范圍涵蓋了結(jié)構(gòu)力學(xué)本科階段的所有問題，可以畫出計算簡圖，分析二維平面結(jié)構(gòu)的幾何組成、靜定結(jié)構(gòu)、超靜定結(jié)構(gòu)、自由振動、彈性穩(wěn)定等情況，并計算結(jié)構(gòu)的位移、內(nèi)力、影響線、包絡(luò)圖[3]，還可以求解工程實踐中的簡單結(jié)構(gòu)。在每一章學(xué)習(xí)結(jié)束后，教導(dǎo)學(xué)生使用結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器解決相應(yīng)的問題，可以極大地增強他們對課堂所學(xué)內(nèi)容的認(rèn)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(jìn)行對比，驗證計算結(jié)果，開拓學(xué)生解題思路，強化他們的結(jié)構(gòu)分析建模能力。

除了使用結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器輔助學(xué)習(xí)外，為了增強課程的實踐性，當(dāng)課堂教學(xué)將靜定結(jié)構(gòu)這一部分的知識講授完畢時，還可以通過對新軟件的教學(xué)將理論與應(yīng)用聯(lián)系起來。工程應(yīng)用軟件可以選用中國建筑科學(xué)研究院研發(fā)的PKPM系列軟件，目前全國有90%以上的結(jié)構(gòu)設(shè)計均使用該軟件完成。PKPM的排架框架設(shè)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(jié)構(gòu)計算與施工圖繪制，模塊本身就是一個二維平面桿系的結(jié)構(gòu)計算軟件，適用于工業(yè)與民用建筑中各種規(guī)則或復(fù)雜類型，規(guī)模在30層，20跨以內(nèi)的建筑[4]。通過對PK的教學(xué)，可以讓學(xué)生很直觀地看到運用書本知識分析實際結(jié)構(gòu)會得到何種結(jié)果，教材中的理論習(xí)題用于對應(yīng)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(yīng)用軟件進(jìn)行實際工程設(shè)計、分析、優(yōu)化后，學(xué)生對結(jié)構(gòu)力學(xué)課程的學(xué)習(xí)熱情明顯高漲。

無論是課堂學(xué)習(xí)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(gòu)建的都是三維立體結(jié)構(gòu)。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(jié)果落實到應(yīng)用中去，這是一個專業(yè)工程師所應(yīng)具備的能力，也是教學(xué)中要努力培養(yǎng)學(xué)生形成的能力。因此對結(jié)構(gòu)力學(xué)這樣理論性強的課程，除了要強化應(yīng)用能力的配套上機練習(xí)以外，還需要有對應(yīng)的實驗安排，深化學(xué)生對結(jié)構(gòu)組成的認(rèn)識。

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

3 結(jié)語

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

[1] 李廉錕.結(jié)構(gòu)力學(xué)[M].第5版.北京：高等教育出版社，2010.

[2] 龍馭球，包世華，袁 駟.結(jié)構(gòu)力學(xué)[M].第3版.北京：高等教育出版社，2012.

[3] 包世華，辛克貴.結(jié)構(gòu)力學(xué)[M].武漢：武漢理工大學(xué)出版社，2012.

[4] 張宇鑫，劉海成，張星源.PKPM結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)用[M].上海：同濟大學(xué)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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