結構力學課程教學應重視工程直覺的培養

鄭玉國

摘要：文章在分析結構力學課程的重要性，以及當前結構力學課程教學所面臨的挑戰的基礎上，論述了結構力學課程教學中培養工程直覺的重要性，從強化直觀感覺、加強結構力學實驗教學、重視工程案例教學等三個方面，闡述了在結構力學課程教學中培養學生工程直覺的路徑和方法，為結構力學課程教學的改革提供一些新思路，為創新型土木工程人才的培養提出一些思考。

關鍵詞：結構力學；土木工程；工程直覺；教學改革

中圖分類號：G642-0；TU311 文獻標志碼：A 文章編號：1005-2909（2016）01-0100-05

一、結構力學課程的重要性

作為土木工程專業承接基礎課和專業課的重要課程，結構力學課程歷來受到各高校、教學管理部門及專業協會、學會的重視[1]。結構力學是固體力學的一個分支，主要研究結構在外力和其他外界因素作用下的內力和變形，結構的強度、剛度、穩定性和動力響應，以及結構的組成規律等問題。

結構力學課程是大學本科土木工程專業一門非常重要的專業基礎課，是聯系基礎理論課程和專業課程的重要紐帶和橋梁[2]。通過結構力學的學習，一方面為學生學習諸如橋梁工程、結構設計原理、建筑結構設計等專業課程提供力學基礎和結構分析的基本方法，另一方面為學生在將來從事與土木工程相關的工作中解決實際工程問題提供思路和方法。因此，結構力學課程的教學直接影響大學本科土木工程專業后續專業課程的學習效果。此外，學生通過結構力學課程學習而獲得的結構力學素養，對學生綜合能力的提高和綜合素質的培養至關重要。

二、結構力學課程教學面臨的挑戰與壓力

近些年來，結構力學課程教學現狀不容樂觀，例如課程本身難度較大導致學生學習興趣低落、課程內容多而講授時間壓縮嚴重、教學內容與后續課程和工程實際脫節等[3]。在當今急劇變化的新時代下，結構力學課程教學所面臨的各方面的挑戰與壓力越來越大。

首先在個人計算機和個人網絡終端非常普及的大環境和互聯網+的新背景下，網絡信息的獲取非常便捷，網絡信息非常豐富，對大學生充滿吸引力，諸多網絡新、奇、特等信息急劇沖擊課堂教學，網絡信息本身的快餐性、易消化性、視覺性等特點[4]極大地吸引和消耗了學生的注意力和精力，也迎合了某些大學生不愿動腦、不愿動手、不勞而獲、急功近利、以最小的“網絡付出”換取最大現實成果等各種潛在心理。而所有這些，都與結構力學課程本身所具有的理性、深奧性、抽象性等特點形成了鮮明的對比，與結構力學課程學習必須經過理性思索、過程推導、步驟分析，以及必須經過艱苦探索才能獲得一定結果的常規模式形成了鮮明對照。顯而易見，結構力學課程教學要激發學生的興趣難度不小。

其次，大學生的心理本質決定了在豐富多變的大學生活中，大學生具有各方面素質綜合提高和全面完善的強烈需要，而大學生活本身也充滿了諸多的興趣點和分散點，從而導致大學生什么都想學、什么都想去嘗試，這必然大量分散大學生的精力，必定導致大學生在課程學習中所投入的精力十分有限。

最后，當今社會的一些負面思潮[5]對某些大學生的心理影響較大，某些大學生探索知識、科學的熱情在削減。對理性知識、抽象理論以及充滿邏輯的力學推理、需要動手實踐的學習興趣不大。很顯然，這些與結構力學課程學習需要付出大量精力才能取得較好效果的特性是矛盾的。

當然也應該看到，包括土木工程專業本科生在內的當代大學生普遍具有積極向上、樂觀進取的精神，具有強烈的獨立自主意識、社會參與意識與創新求變意識等優良品質[6]。如何在結構力學課程教學中充分發揮當代大學生的優良品質，揚長避短，銳意革新，是目前結構力學課程教學需要解決的問題。

三、工程直覺的重要性

土木工程專業學生普遍認為，結構力學課程知識是理性的、抽象的、深奧的。一直以來，結構力學課程教學也非常重視和強調從理性的角度側重客觀和抽象知識的教學，片面強調理性思維和抽象思維的培養，卻大大忽視了感性思維和工程直覺的重要作用。可是從認知和創新的本質與源泉來講，感性和直覺是非常重要的，在很多情況下它們甚至比理性思維和抽象思維更重要。

所謂直覺，是指對一個問題未經逐步分析，沒有完整的分析過程與邏輯程序，僅依據內因的感知、靈感或頓悟就能迅速地理解，并對問題的答案做出判斷和結論的一種思維活動。直覺具有直接性、敏捷性、簡縮性、跳躍性等特點，它是邏輯思維和邏輯過程最大程度的凝聚或簡縮[7]。很顯然，直覺的特性非常契合當代社會的特點和當代大學生的需求，可以跨越過程直接得到結果，而這個結果正好符合問題的性質和對研究對象的正確結論。因此，在結構力學課程教學中強調工程直覺的培養是必要的。

結構力學課程內容非常豐富，從大的方面來講主要包括結構的幾何組成分析、靜定結構受力分析、虛功原理及結構位移計算、影響線、超靜定結構受力分析、結構動力計算、結構穩定計算、結構的塑性分析及極限荷載等八大部分，除最后一部分結構的塑性分析及極限荷載通常作為選修內容之外，其他均為必修內容，是土木工程專業大學本科生必須了解、認知或者掌握的。而每個部分通常又包含諸多不同的研究對象及其不同的求解和分析方法。很顯然，要在有限的課時之內（通常為72學時或80學時）要求學生把所有的知識點、基本原理和基本方法都能深刻、透徹地掌握，且能融會貫通運用自如，這是難以做到的。所以必須對結構力學課程教學內容“剝皮抽筋露骨”，通過有限的“骨點”進行“連線”然后“帶面”。讓學生通過抓住關鍵的知識點再延伸、聯想或者擴展直至掌握結構力學所有重要的知識點。

眾所周知，從本質上來看，科學來源于經驗與實踐，但又高于經驗與實踐，而直覺是經經驗與實踐到達科學的重要橋梁，是創新的重要源泉。土木工程專業學生只有深入掌握了結構力學課程的重要知識點，才能在后續專業課程的學習中觸類旁通，在以后的工程實踐中如虎添翼。

當前，計算機和有限元的結合已經廣泛滲透到土木工程的各個角落，而且一臺非常普通的計算機其計算能力已經非常強大，幾乎可以解決大多數土木工程的常規計算問題。當幾乎所有土木工程的計算問題都交給計算機、交給有限元解決的時候，土木工程師或者人的作用在哪里？土木工程師的能動性和創造性在哪里？答案就是工程直覺和力學素養。沒有良好的工程直覺和力學素養，就沒辦法從根本上掌握結構的荷載特性、約束特性和結構特點，從而無法從本質上判斷計算模型或者有限元模型的合理性。當計算機或者有限元分析完成后，只有借助良好的工程直覺和力學素養，才能

判斷分析結果和計算結果的合理性及有效性。

四、工程直覺的培養

（一）強化直觀感覺

工程直覺的培養是一個漫長的過程，需要不斷地去感受、頓悟和強化，不能一蹴而就。從根本上來講，人從自身身體上獲得的或者通過肉眼獲得的感覺和認識是根深蒂固的，也是最深刻的，最容易向外擴展、演繹和衍伸。這些感覺和認識通常也是結果性的，一旦這些跨越邏輯分析過程的感覺和認識被不斷地加強，工程的直覺就會慢慢地被培養起來。

人的身體本身就是結構力學課程教學培養工程直覺的最好教具，也是結構力學中非常抽象的各類結構的最直觀的“工程”背景。例如雙腳緊縛于地的整體的人（將雙腳緊縛于地看作固定支座約束，將整體的人看作一直桿）就是一個“幾何不變體”，兩只握緊的手（不能平動、不能轉動）就是一個“剛結點”，平伸的緊繃手臂（手臂看作一直桿，手臂根部與身體看作固結）就是一個“懸臂梁”，雙腳緊縛于地的兩個人各平伸一只手臂且手緊握在一起（將雙腳緊縛于地看作固定支座約束，兩個人的身體看作柱式直桿，兩個手臂看作梁式直桿，手臂根部與身體看作固結，緊握的兩手看作剛結點）就是一個“平面剛架”，等等。通過這種最直觀最直接的感覺、認識和體驗，一方面培養了結構力學課程學習中學生必須要具有的形象思維和空間想象能力，另一方面學生對相關基本概念物理含義的理解將會非常深刻，對結構特點、約束特性和荷載特性的認識將非常到位。然后再進行抽象理論知識、邏輯分析、求解思路和求解步驟的學習，學生將非常樂于認同和接受結構力學[8]。

在結構力學課程教學中，雖然邏輯過程是獲取知識的一座橋梁，非常重要，但同時也應重視工程直覺的培養，特別是與直觀感覺、直觀認識血肉聯系的抽象理論知識、邏輯分析過程的結果和結論，它才是結構力學課程學習的根本目的，也是學生后續專業課程學習的基礎和從事工程實踐工作的基石。不斷進行“直觀感覺→邏輯過程→工程直覺”的訓練和強化，目的只有一個：跨越“邏輯過程”直接由“直觀感覺”達到“工程直覺”，即“直觀感覺→工程直覺”。近些年來，在結構力學課程教學中反復強調的不經邏輯分析和步驟求解而快速判斷結構的變形形狀、快速繪制結構的彎矩圖等應用能力的培養[9]，本質上都是工程直覺的直接體現。

（二）開展和加強結構力學實驗教學

一直以來，在結構力學課程教學中，結構力學課程實驗教學問題常常被忽視，但是對于結構力學這種工程實踐性非常強的專業基礎課程而言，課堂理論教學和實驗教學是相輔相成的，二者缺一不可。結構力學課堂理論教學可以為實驗教學提供理論指導和理論方法，這是毫無疑問的。開展結構力學實驗教學，可以使學生認識到實驗可以創造理論、實驗可以驗證理論、實驗可為實踐提供經驗，幫助學生認識結構力學實驗是保證工程結構的正確設計和安全運行必不可少的重要環節，能培養學生使用多種實驗儀器的能力，幫助學生掌握結構力學實驗的基本功，提高學生對結構力學綜合試驗的設計、組織和創新能力[10]。

在學生課堂理論學習的基礎上，通過學生親自動手開展結構力學實驗，能夠給學生以親身的體驗，以進一步明確和強化課堂教學的基本理論和基本概念，更能對課堂教學產生促進作用。

學生自己動手進行結構力學實驗設計、實驗儀器設備操作，并觀察實驗現象，這些都是直觀的、感性的；學生親自進行實驗數據的處理、實驗規律的整理、實驗結果和結論的推導，這些都是抽象的、理性的。當感性和理性緊密結合、當實驗的結果和結論與課堂教學的理論結果和結論對應起來，隨著切身體驗的不斷加強，結構力學實驗的實例到相關結果和結論的工程直覺就會被不斷強化。

在結構力學課程教學中，土木工程專業學生最開始接觸的兩個重要概念是“幾何不變體系”和“幾何可變體系”。教材通常對“幾何不變體系”的定義為：在不考慮材料應變的條件下，體系的幾何形狀和位置是不能改變的；對“幾何可變體系”的定義為：在不考慮材料應變的條件下，體系的幾何形狀和位置是可以改變的[11]。這兩個概念看似簡單，但對于剛接觸結構力學課程的土木工程專業學生而言卻非常抽象和難以理解，即使輔助于如圖1和圖2所示的兩個經典示例，學生仍會感到疑惑。

然而，如果預先設計好如圖3所示的帶圓孔桿件和螺栓[10]，在理論課程教學結束之后緊接著進行體驗試驗，由學生采用桿件和螺栓拼裝出與圖1和圖2對應的試驗體系（如圖4和圖5所示），情況就會有所不同。

根據拼裝完成的試驗體系的反應，學生就能理解“幾何不變體系”和“幾何可變體系”的基本概念，而且這種理解會非常直觀和深刻，課堂理論學習中的疑惑也將隨之煙消云散。

針對結構力學課程的重要概念和關鍵的典型實例，或者開展體驗試驗，或者開展力學試驗，這在當前的教學實踐中均是可以實現的。在結構力學試驗中逐漸獲得的工程直覺將會慢慢深入學生的骨髓，并對學生今后的工程實踐產生重要影響。

（三）加強工程案例教學

當前我國正處于土木工程大建設的新時期，各種不同的新材料、新結構、新建筑及其相關的各種問題如雨后春筍般層出不窮，這對從事土木工程行業的專業人員而言是最好的時代，也是機遇與挑戰并存的時代，有利于土木工程專業結構力學課程教學工作。

一直以來，土木工程“巨人”的騰飛得益于兩只強有力的“翅膀”，一只“翅膀”是數學，一只“翅膀”是力學。各種不同土木工程的建設及相關的各種問題，為結構力學課程的教學提供了最具營養的土壤，它們是結構力學課程教學的最好案例。工程案例對土木工程專業本科生結構力學課程學習提供了活生生的視覺沖擊和最直觀的結果。這些結果是能夠與工程直覺一一對應的，從而使得學生能夠發現結構力學的巨大魅力，提高對結構力學的學習興趣，使學生對結構力學基本原理、基本概念的理解更直接、更深刻，以進一步深化和強化學生的工程直覺。

工程案例教學和工程直覺的培養是相輔相成的。在工程直覺的指引下，土木工程專業學生會有意無意、情不自禁地關注相關工程案例，例如在車輛通行的條件下位于大跨度斜拉橋的跨中感受到的振動會非常明顯而且強烈；普通鋼筋混凝土簡支梁橋在長期超載條件下跨中截面下緣通常會出現橫橋向的水平裂縫等。運用結構力學基本理論、基本方法去分析這些工程案例相關問題，尋求問題產生的原因和結果。在此過程中，既加深了對結構力學課程知識的理解，也培養了工程直覺。

五、結語

結構力學課程作為土木工程專業最重要的專業基礎課，其重要性是毋庸置疑的。本文在分析當前結構力學課程教學所面臨的挑戰的基礎上，論述了結構力學課程教學中工程直覺的重要性，并從強化直觀感覺、開展和加強結構力學實驗教學、加強工程案例教學等三個方面，闡述了結構力學課程教學中工程直覺的培養路徑和方法，為結構力學課程教學的改革提供了新思路。應該指出的是，結構力學課程教學改革是一項極具復雜性、系統性的工程，必須要聚集更多的力量和智慧，在實際教學活動中不斷探索，才能進一步加快結構力學課程教學改革的步伐，切實提高結構力學課程教學質量。

參考文獻：

[1]蔡東升，劉榮桂. 土木工程大類專業結構力學教學探討[J]. 高等建筑教育，2012，21（4）：62-65.

[2]劉京紅，祝捷，何洪明，杜光乾. 改進結構力學教學方法提高學生實踐創新能力[J]. 河北農業大學學報：農林教育版，2011，13（3）：339-341.

[3]郭延華，鞏偉平，周書敬. 結構力學多媒體雙語教學改革的探索與實踐[J]. 河北工程大學學報：社會科學版，2008，25（2）：90-91.

[4]陳佳. 網絡文化對當代大學生價值觀的影響及教育引導對策研究[D]. 重慶：西南大學碩士學位論文，2013.

[5]薛林軍-論加強大學生人文素質教育的迫切性[J].山西財經大學學報：高等教育版，2006，9（2）：8-9.

[6]呂鵬，王振. 當代大學生的特點與思想政治教育策略[J]. 教育與職業，2014，3：52-53.

[7]王敏嘉. 試論科學發現中的直覺思維[D].長春：吉林大學碩士學位論文，2009.

[8]教育部全國高校教師網絡培訓中心. 朱慈勉主講在線培訓課程結構力學[Z/OL]. http：//www.enetedu.com/index.php/Course2/detail？id=182.

[9]嚴躍成，申繼紅. 結構力學定性分析的研究與實踐[J].高等建筑教育，2008，17（4）：79-81.

[10]劉禮華，歐珠光. 結構力學實驗[M]. 武漢大學出版社，2006.

[11]包世華，辛克貴. 結構力學（上冊）[M]. 武漢理工大學出版社，2012.

（編輯 王 宣）