地方院校結(jié)構(gòu)力學(xué)課程教學(xué)改革探索

陽令明　張儉民

摘要：在分析結(jié)構(gòu)力學(xué)課程教學(xué)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，結(jié)合課程建設(shè)的目標(biāo)和專業(yè)發(fā)展的需要，以課程教學(xué)改革為背景，從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、實(shí)踐教學(xué)及考核方式等幾個(gè)方面探討了提高結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)質(zhì)量的方法，為地方高校結(jié)構(gòu)力學(xué)課程的教學(xué)改革與創(chuàng)新提供參考。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)力學(xué)；教學(xué)方法；實(shí)踐教學(xué)；考核方式

中圖分類號：G642-0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1005-2909（2016）01-0088-04

一、結(jié)構(gòu)力學(xué)課程的教學(xué)現(xiàn)狀

結(jié)構(gòu)力學(xué)是土木工程專業(yè)一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，旨在培養(yǎng)學(xué)生掌握結(jié)構(gòu)力學(xué)的基本理論和方法，培養(yǎng)學(xué)生將工程實(shí)際問題抽象為相應(yīng)的力學(xué)模型，并運(yùn)用相關(guān)理論和計(jì)算分析軟件進(jìn)行分析和求解的基本能力。它既是前續(xù)理論力學(xué)、材料力學(xué)課程的深化與延續(xù)，也是后續(xù)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、鋼結(jié)構(gòu)等專業(yè)課程的基礎(chǔ)，在整個(gè)專業(yè)培養(yǎng)計(jì)劃中占有重要地位。但在現(xiàn)有的培養(yǎng)模式下，結(jié)構(gòu)力學(xué)課程教學(xué)內(nèi)容多，課時(shí)分配少；課堂講授多，實(shí)踐教學(xué)少，學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性不高，學(xué)習(xí)效率較低，常出現(xiàn)“理論易懂，題目難解”的現(xiàn)象，而且很多學(xué)生無法對實(shí)際結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析計(jì)算。許多教學(xué)工作者對以上問題進(jìn)行了研究與探討，主要集中在教學(xué)手段、實(shí)踐教學(xué)等方面[1-5]。結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)應(yīng)從單一的課堂教學(xué)為主逐步走向多種途徑的專業(yè)能力培養(yǎng)，實(shí)現(xiàn)課堂教學(xué)與課外培養(yǎng)、理論與實(shí)踐的統(tǒng)一與結(jié)合。

二、課程教學(xué)改革的思考

（一）優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容

1.課程內(nèi)容的刪減與弱化

隨著學(xué)科的發(fā)展，結(jié)構(gòu)力學(xué)課時(shí)在不斷減少，而課本教學(xué)內(nèi)容依然不變，如何在有限的時(shí)間里按時(shí)按質(zhì)完成基本教學(xué)任務(wù)，需要對課程內(nèi)容進(jìn)行合理的優(yōu)化和取舍。例如理論力學(xué)中詳細(xì)講解的靜定平面桁架內(nèi)力計(jì)算只需溫故一下，無需重復(fù)講解；材料力學(xué)中學(xué)習(xí)的靜定梁、靜定剛架的內(nèi)力計(jì)算及內(nèi)力圖的繪制，只需簡單帶過，側(cè)重于不同的繪制技巧便可。由于專業(yè)技術(shù)的發(fā)展，曾經(jīng)適用或有價(jià)值的理論可能變得不再適用或重要，而教材可能仍保留了這些內(nèi)容，因此，根據(jù)教學(xué)任務(wù)安排教學(xué)計(jì)劃時(shí)應(yīng)注重教學(xué)內(nèi)容的調(diào)整。如曾經(jīng)廣為流行

的彎矩分配法、剪力分配法、圖乘法，以及力法的簡化等技巧方法，均以手算為基礎(chǔ)，雖然技巧巧妙，但由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和工程軟件技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用，該內(nèi)容應(yīng)在教學(xué)過程中逐步弱化。

2.課程內(nèi)容的補(bǔ)充與加強(qiáng)

根據(jù)學(xué)科發(fā)展和社會(huì)現(xiàn)實(shí)需要，有必要對某些章節(jié)內(nèi)容提高認(rèn)識(shí)度。如靜定或超靜定結(jié)構(gòu)影響線的計(jì)算，影響線加載目前在局部加載中應(yīng)用相當(dāng)廣泛，又如位移法、矩陣位移法，這些現(xiàn)代工程結(jié)構(gòu)分析技術(shù)所必需的經(jīng)典理論內(nèi)容，盡管內(nèi)容抽象、難度較大，但結(jié)構(gòu)力學(xué)采用現(xiàn)代計(jì)算手段是發(fā)展的總趨勢，而矩陣正是實(shí)現(xiàn)機(jī)算的基礎(chǔ)，因此需要加強(qiáng)對位移法與矩陣位移法的基本原理、基本方法及基本應(yīng)用的講解，實(shí)現(xiàn)從手算逐步走向機(jī)算。另外，也可以根據(jù)學(xué)科發(fā)展的需要有針對性地補(bǔ)充完善相關(guān)的內(nèi)容，如增加結(jié)構(gòu)定性分析的內(nèi)容，講解結(jié)構(gòu)分析內(nèi)力圖的校核，從而培養(yǎng)學(xué)生定性分析、判斷內(nèi)力正確性和自我糾錯(cuò)的能力。

（二）優(yōu)選教學(xué)方法

教學(xué)方法多種多樣，每一種都有其優(yōu)勢所在，也有一定的局限性，通過各種教學(xué)方法科學(xué)合理地結(jié)合，教學(xué)才能達(dá)到較好的效果。

1. 歸納教學(xué)法

結(jié)構(gòu)力學(xué)課程概念性較強(qiáng)，課程知識(shí)點(diǎn)較多，學(xué)生學(xué)習(xí)時(shí)容易抓不住要點(diǎn)，計(jì)算時(shí)往往不知道如何下手，容易出現(xiàn)“理論易懂，題目難解”的現(xiàn)象。因此課堂講解計(jì)算基本理論與計(jì)算方法或技巧時(shí)，應(yīng)幫助學(xué)生構(gòu)成一個(gè)條理清晰的知識(shí)結(jié)構(gòu)體系，并輔以基本原理展開講解，通過基本理論與解題方法的結(jié)合，以及相似原理或方法的比較、串連，學(xué)生便可針對不同的結(jié)構(gòu)類型較快構(gòu)建對應(yīng)的解題思路，從而提高解題速度與效率。結(jié)構(gòu)力學(xué)教材中的主要知識(shí)體系如表1所示。

2.案例教學(xué)法

結(jié)構(gòu)力學(xué)課程具有概念抽象、邏輯性強(qiáng)的特點(diǎn)，雖然知識(shí)來源于工程實(shí)際，但又與實(shí)踐存在較大差距。在新概念教學(xué)或與工程實(shí)際聯(lián)系緊密的知識(shí)教學(xué)時(shí)，理論聯(lián)系實(shí)際，精選一些常見的、容易理解的工程案例，不僅可以提高學(xué)生興趣，還可以培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問題的能力。例如在講解工程結(jié)構(gòu)的簡化時(shí)，可聯(lián)系到該棟教學(xué)樓的梁柱、基礎(chǔ)、節(jié)點(diǎn)、荷載以及梁柱各部分的聯(lián)系等內(nèi)容如何簡化的問題；在講平面體系的幾何組成分析時(shí)，可聯(lián)系到生活中三角形穩(wěn)定性及平行四邊形不穩(wěn)定等日常知識(shí)；講解拱結(jié)構(gòu)的合理拱軸概念時(shí)，例舉橋梁鼻祖的趙州橋“為什么能屹立至今”的問題；講解組合結(jié)構(gòu)的受力分析時(shí)，聯(lián)系生活中的秋千或者吊床來加以說明如何正確區(qū)分鏈桿和梁式桿；講解移動(dòng)荷載和影響線的概念時(shí)，例舉火車和汽車通過橋梁的問題等；講解溫度作用下的位移計(jì)算，引入物體熱脹冷縮的案例。

3. 對比式教學(xué)法

對比式教學(xué)法可加深學(xué)生對知識(shí)點(diǎn)的理解和記憶，有利于活躍思維、擴(kuò)展知識(shí)，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生分析與解決問題的能力，因此在講解新概念或相關(guān)規(guī)定要求時(shí)優(yōu)先采用。例如講解結(jié)構(gòu)力學(xué)的內(nèi)力圖繪制要求時(shí)，可以與材料力學(xué)關(guān)于彎矩圖繪制的要求進(jìn)行對比，材料力學(xué)規(guī)定彎矩使桿件下部受拉時(shí)為正，彎矩圖應(yīng)標(biāo)明正負(fù)號，而結(jié)構(gòu)力學(xué)中不規(guī)定彎矩正負(fù)號，但彎矩圖應(yīng)繪制在受拉纖維一邊，不標(biāo)明正負(fù)號；講解軸力的正負(fù)號定義時(shí)，一般結(jié)構(gòu)（梁、剛架、組合結(jié)構(gòu)）規(guī)定以受拉為正，而在拱結(jié)構(gòu)中則規(guī)定以受壓為正[6]；講解靜定結(jié)構(gòu)的影響線時(shí)，可以與結(jié)構(gòu)的內(nèi)力圖進(jìn)行比較，影響線是指某個(gè)截面在移動(dòng)荷載作用下的內(nèi)力變化規(guī)律，而內(nèi)力圖是指結(jié)構(gòu)各個(gè)截面在固定荷載作用下的內(nèi)力值，尤其是圖形繪制的要求，區(qū)別很大。講解靜定梁、靜定剛架、靜定拱等結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算時(shí)，一般按結(jié)構(gòu)隔離體（桿件）結(jié)構(gòu)的拆合進(jìn)行分析，而靜定桁架則按結(jié)構(gòu)隔離體（結(jié)點(diǎn)、截面）結(jié)構(gòu)的拆合進(jìn)行分析；講解矩陣位移法解超靜定結(jié)構(gòu)時(shí)，可以與力法進(jìn)行比較，力法是將多余的約束去掉，暴露其所有的未知約束力，而原超靜定結(jié)構(gòu)已轉(zhuǎn)化為靜定結(jié)構(gòu)，矩陣位移法是將所有獨(dú)立結(jié)點(diǎn)的角位移及線位移約束住，即補(bǔ)充約束，將整體結(jié)構(gòu)問題轉(zhuǎn)化為單個(gè)桿件問題進(jìn)行求解。

（三） 強(qiáng)化實(shí)踐教學(xué)

1.培養(yǎng)結(jié)構(gòu)電算能力

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和現(xiàn)代數(shù)值計(jì)算方法的發(fā)展，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析、設(shè)計(jì)和研究已成為必然趨勢。計(jì)算分析軟件的使用，提高了超靜定結(jié)構(gòu)的計(jì)算速度，也解決了復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)簡化計(jì)算的難題。目前，結(jié)構(gòu)力學(xué)常用的計(jì)算分析軟件有結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器、ANSYS、Midas/Civil、ABAQUS、PKPM等，它們均適用于桁架、拱、梁和剛架等桿系結(jié)構(gòu)，其中ANSYS和 ABAQUS還適用于實(shí)體結(jié)構(gòu)分析，當(dāng)然也可以應(yīng)用C語言程序、MATLAB編寫通用程序進(jìn)行結(jié)構(gòu)內(nèi)力求解。地方本科院校土木工程專業(yè)結(jié)構(gòu)力學(xué)課程教學(xué)安排時(shí)，可適當(dāng)選擇一種或者幾種軟件納入教學(xué)環(huán)節(jié)，安排10個(gè)左右課時(shí)；同時(shí)，根據(jù)章節(jié)內(nèi)容，編制綜合類上機(jī)題目，階段性安排上機(jī)訓(xùn)練，通過對課后習(xí)題的電算，以及復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)的分析，加深對力學(xué)概念、計(jì)算方法的理解。上述方法既激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，又拓展了學(xué)生分析與解決問題的能力。

2.培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)分析能力

根據(jù)教育部制訂的“注重能力培養(yǎng)、注重素質(zhì)教育”的教學(xué)改革總方針，部分高校開展了結(jié)構(gòu)力學(xué)實(shí)驗(yàn)課，主要構(gòu)建了土木工程綜合性實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，即將結(jié)構(gòu)力學(xué)、材料力學(xué)、土力學(xué)、混凝土基本理論、土木工程材料等課程的實(shí)驗(yàn)整合成一門專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程。地方本科院校可根據(jù)學(xué)科發(fā)展的實(shí)際情況，將結(jié)構(gòu)力學(xué)實(shí)驗(yàn)劃分為基礎(chǔ)型、提高型及創(chuàng)造型三個(gè)層次，安排11個(gè)左右的實(shí)驗(yàn)課時(shí)。其中，基礎(chǔ)型實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證所學(xué)相關(guān)理論的正確性，可開展的實(shí)驗(yàn)有：結(jié)構(gòu)幾何組成分析以及簡支梁、多跨靜定梁、靜定平行弦桁架、懸臂剛架的內(nèi)力測試（實(shí)驗(yàn)時(shí)數(shù)為3學(xué)時(shí)，幾何組成必選，其他4選1）。提高型實(shí)驗(yàn)涉及該課程的綜合知識(shí)，要求學(xué)生綜合運(yùn)用兩種及以上的實(shí)驗(yàn)方法完成同一個(gè)實(shí)驗(yàn)，可開展的實(shí)驗(yàn)有：一次超靜定剛架內(nèi)力測試、結(jié)構(gòu)優(yōu)化試驗(yàn)、簡支梁的影響線（實(shí)驗(yàn)時(shí)數(shù)為2學(xué)時(shí)，3選1）。創(chuàng)造型實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生依據(jù)給定的實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮蛯?shí)驗(yàn)條件，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，選擇實(shí)驗(yàn)器材，制定操作程序，可開展的試驗(yàn)有：給定一個(gè)結(jié)構(gòu)增加部分桿件使其變成幾何不變體系、結(jié)構(gòu)模型創(chuàng)新大賽相關(guān)試題、結(jié)構(gòu)力學(xué)大賽相關(guān)試題（實(shí)驗(yàn)時(shí)數(shù)為5學(xué)時(shí)，3選1）。通過結(jié)構(gòu)方案的設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)受力的分析、結(jié)構(gòu)模型的制作、試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集，以及實(shí)測數(shù)據(jù)和電算結(jié)果的比較分析，既加深學(xué)生對基本理論和概念的理解，又提高學(xué)生分析與解決問題及科研探索的能力。

（四） 改革考核方式

目前結(jié)構(gòu)力學(xué)課程的成績評定有如下三種方法： ①期末考試卷面所得成績；②平時(shí)考核成績+期末考試卷面成績綜合（作業(yè)和平時(shí)測試、課堂紀(jì)律和提問、期末卷面成績的分?jǐn)?shù)比重為21%：9%：70%）；③期末考試卷面成績和課程教學(xué)過程中的過程考核成績綜合。

第一種方法以期末成績?yōu)閱我豢己耍讓?dǎo)致學(xué)生只關(guān)注期末的復(fù)習(xí)背誦。第二種方法是目前大多數(shù)院校采用的方法，它雖調(diào)動(dòng)了學(xué)生日常學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性，但期末考試成績比重依然較大，平時(shí)考核作用不突出，且考核內(nèi)容單一。第三種方法能較好引導(dǎo)學(xué)生在教學(xué)過程中的參與、思考，但由于過程成績的評定缺乏一個(gè)科學(xué)合理的量化標(biāo)準(zhǔn)，很多情況下變成了人為調(diào)整學(xué)生成績的機(jī)動(dòng)砝碼。

現(xiàn)在根據(jù)第三種方法，制定相應(yīng)的量化標(biāo)準(zhǔn)，其中平時(shí)成績引入筆記記錄情況指標(biāo)，期末考試引入定性分析考核指標(biāo)。結(jié)構(gòu)力學(xué)綜合成績采用“期末考試卷面成績+教學(xué)的過程考核成績”的形式（分?jǐn)?shù)比重50%：50%）。期末考試可采用開卷或閉卷形式，卷面分值采用“計(jì)算題型+定性分析題型”形式（分?jǐn)?shù)比重90%：10%）。過程考核成績采用“平時(shí)考核+實(shí)踐考核”的形式（分?jǐn)?shù)比重40%：60%）。平時(shí)考核采用“平時(shí)測試、提問和參與討論+課堂紀(jì)律和到課情況+作業(yè)、筆記記錄情況”形式（分?jǐn)?shù)比重30%：40%：30%）。實(shí)踐考核包括結(jié)構(gòu)手算與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比較分析報(bào)告、電算分析報(bào)告、分析程序編寫報(bào)告等三項(xiàng)，可任選一項(xiàng)，按五級評分，兩項(xiàng)以上取平均值。以上各分?jǐn)?shù)比重可上下浮動(dòng)10%。

三、結(jié)語

結(jié)構(gòu)力學(xué)課程教學(xué)改革的目的是為了提高結(jié)構(gòu)力學(xué)課程教學(xué)質(zhì)量，它一方面要求以適當(dāng)?shù)姆椒▽⒅R(shí)傳授給學(xué)生，另一方面要求培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、創(chuàng)新思維以及計(jì)算與分析的能力。隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展和時(shí)代的需要，只有不斷改進(jìn)結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)模式，提高學(xué)生的結(jié)構(gòu)分析能力和計(jì)算能力，增強(qiáng)學(xué)生的市場競爭力，才能實(shí)現(xiàn)應(yīng)用型專業(yè)人才的培養(yǎng)要求。

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（編輯 胡 玥）