以實際工程項目為背景的結構力學教學改革研究

劉勇兵,洪一紅

(衢州學院建筑工程學院,浙江 衢州 324000)

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以實際工程項目為背景的結構力學教學改革研究

劉勇兵,洪一紅

(衢州學院建筑工程學院,浙江 衢州 324000)

為適應應用型本科院校的辦學特色,著力培養一批能從事設計、施工、管理和研究等相關工作的高級工程應用型技術人才,特以實際工程項目為背景,以實際結構中的力學知識拆解分析為導向,從啟發式教學法、案例教學法、計算機軟件和傳統教學相結合、自學討論和課外實踐研究活動四個方面開展了結構力學課程教學和考核方式的改革研究,并取得了良好的教學改革效果。

結構力學；實際工程項目；教學改革

“卓越工程師教育培養計劃”是貫徹落實“國家中長期教育改革和發展規劃綱要(2010—2020年)”和“國家中長期人才發展規劃綱要(2010—2020年)”及今后10年內的中國工科院校高等教育重大改革項目[1-2]。土木工程專業著重培養掌握各類土木工程學科的基本理論和基本專業知識,能夠在房屋建筑、地下工程、道路、隧道、橋梁工程、水電站、港口及近海結構與設施、給水排水和地基處理等領域，從事規劃、設計、施工、管理和研究等相關工作的高級工程技術人才。

結構力學是土木工程專業的一門主要學科基礎課程,為固體力學的一個分支[3]。首先，它基于高等數學、理論力學、材料力學等課程之上;其次,它又為解決鋼筋混凝土結構、砌體結構、鋼結構等專業類課程的設計計算提供強有力的保障,于是它在整個土木工程專業課程體系中處于承上啟下的橋梁作用。它主要解決實際工程結構的受力分析與桿件的內力計算,以及進行工程結構的優化設計與計算等問題。

1 結構力學教學改革的緊迫性

結構力學不僅是一門歷史悠久的學科,更是一門發展非常迅速、應用前景更加廣闊的學科。以前,由于計算機應用以及有限元分析軟件等方面的限制,一些設計比較復雜的工程由于技術問題而不能成為現實,常把實際工程結構設計成比較規整,這樣可以大大簡化結構計算,同時便于更好地應用結構力學的方法進行手算的定量分析。因此,結構力學的教學更多注重求解方法和技巧方面。近年來，隨著新型工程材料和新施工工藝等的大量涌現,對結構力學提出新的更高要求,同時，也提供了新的研究內容。隨著工程結構越加復雜和計算機的普及,以及基于矩陣位移法建立的有限元軟件的快速發展,為結構力學提供了強有力的分析工具,使得借助計算機進行結構的定性分析與定量計算成為不可或缺的一部分。傳統的力學計算模型都是已經簡化假定好的,而學生在真正做到實際工程項目時就不知道該怎么處理。從多年指導畢業設計的情況來看,學生在做建筑施工圖時都能奇思妙想且做得還不錯,而真正到計算就不知怎么辦,基本上一兩周原地不動,無從下手。可見學生在學習過程中只會考試,而實際應用很是欠缺。在實際工程項目中應大力提倡注重結構的概念設計,一個好的結構設計師,不是體現在他計算得有多精確,而是關鍵看能否更好地注重結構的空間整體受力把握能力及判斷破壞的可能性等方面的能力。另外,結構力學也推動了其他學科的迅速發展,有限元方法的出現和發展就與其有著密切聯系[4]。本著適應卓越工程師培養的迫切需求,應在傳統的結構力學教學基礎上進行必要的且必須的改革。

2 結構力學教學方法的改革

土木工程專業的學生在其他專業課程的學習、畢業設計乃至參加工作后, 都會經常用到結構力學的基本理論和分析方法, 學生應當掌握本課程的基本概念、基本算法、基本技巧。結構力學的教學改革應以充分激發學生的學習興趣為基礎,以工程實踐為背景,以工程思維與創新實踐能力培養為目標。在改革傳統的教學方法上將主要從以下幾方面進行。

2.1 啟發式教學法

首先在上課前提出問題。如學生已經會計算單跨靜定梁的反力和內力,那么如何計算多跨靜定梁的反力和內力呢？讓學生去思考,學生就會想到如果能把多跨靜定梁分劃為單跨靜定梁,那么問題就解決了。接著再問如何把多跨靜定梁分劃為單跨靜定梁？學生又需要應用到幾何組成規則進行幾何分析。利用啟發式教學方法能引導學生積極思考,學生在面對問題時不得不充分查閱各方面的相關資料,這就進一步強化了學生的自主學習能力。

2.2 以工程實例為背景的案例教學法

在教學過程中以工程項目為背景,將實際工程結構中的力學知識進行分析,激發學生學習興趣,培養學生學以致用的本領。如以石板凳(圖1)(還有下水道擱板、空心樓板等)為例講解簡支梁的計算簡圖及其在自重(均布荷載)下的受力分析；以學生活動中心連廊(圖2)為基礎,引入超靜定概念,分析多跨超靜定梁的計算簡圖及受力情況；以涼亭(圖3)為基礎,講述超靜定剛架的計算簡圖選取及受力分析等簡單的框架結構概念。

圖1 石板凳及自重作用下的計算簡圖

圖2 學生活動中心連廊及計算簡圖

圖3 涼亭及計算簡圖

提出實際工程項目中所涉及到的所有力學問題,引導學生進行相關問題分析,如桿件、結點、荷載的具體簡化及計算簡圖選取的重要性,并進行不同計算模型的對比取舍。同樣，在進行桁架教學中引入屋架(或大跨度橋梁等)的概念,分析屋架(或大跨度橋梁等)的連接方式和簡化過程,最后得到理想的計算簡圖,同時可以借助動畫展示結構的拼裝連接過程,并進一步鞏固了結構的幾何組成分析過程。借助實際工程進行案例教學,進一步提高學生的感觀和識圖讀圖能力。通過案例教學呈現典型工程實例,利用課外時間進行實踐教學活動,讓學生參觀學校的實際工程,然后將工程實例簡化為力學模型加以計算,以此鍛煉學生的理論知識綜合應用能力和創新能力。

2.3 傳統教學與電算并舉

“力學求解器”是一款非常優秀的輔助分析計算軟件,為清華大學結構力學教研室研制開發,其求解內容囊括了本課程中所涉及的諸多問題。在教學過程中可以隨時傳授給學生“力學求解器”的使用方法,再以自己學校的工程為基礎,建立相應的計算模型進行相關的力學計算和變形分析。學生在今后的畢業設計過程中及結構模型設計競賽的計算中和將來的建筑結構設計崗位中，均可借助“力學求解器”進行相關力學問題的應用分析比較,從而進一步拉近了力學與工程實際應用的距離。

2.4 自學討論和開展結構競賽實踐活動

對于非重要和學生易掌握的知識點等章節內容,可設定讓學生通過閱讀教材、獨立完成相關知識點的習題來滿足大綱規定的內容。其效果可以通過提問、設置一些小題考核等方式予以檢驗。上課過程中,各種方法交叉使用,上述方法適用于所有參加本課程學習的同學,使學生受益。利用課余時間組織學生參加與本課程密切相關的力學競賽和科學研究活動,組織校級結構模型設計競賽和組織參加相關省級結構模型設計大賽。通過歷年的實踐活動鍛煉,并在本課程組有關教師的指導下,學生在這些競賽中表現出較為出色的結構分析和設計能力。

3 結構力學考試方式的改變

轉變傳統的考試觀念,建立靈活多樣、科學合理的課程考核評價體系,充分發揮考試在素質教育中的質量監控作用。結構力學課程考試根據其特點進行考試方式方法改革,結合企業對從業人員的能力要求,從班級中選出部分學生在期末考試之前采取每人一題的方式設置各種不同的工程項目進行考核。可從兩方面進行嘗試：1)隨機抽取1～2個實際工程案例(從梁、剛架、拱、桁架、組合結構五種結構類型中任意選擇),要求學生進行計算簡圖的選取、力學模型的簡化和受力的定性分析,綜合考查學生對基本知識的實際應用能力。2)將結構模型設計競賽納入結構力學成績的一部分。課程最終成績結合平時作業、課堂表現、期中測試、模型創新設計或實際工程案例力學分析和期末考試成績進行綜合評定。

經過多年的教學實踐,不斷更新教學理念,探討與實踐知識傳授—能力培養—工程意識—啟發創新相融合的教學新模式,形成一套完整的課程體系。通過教學改革,在教學過程中注意與專業課和工程實際的聯系,注重培養學生的工程意識。

4 結 語

通過以上教學方法的改革和考核方式的改變,本著力求使學生弄清基本概念,掌握基本內容,使學生完成理論力學、材料力學到結構力學的過渡,弄清單個構件到多個構件結構聯系,并在此基礎上對超靜定結構的內力、應力、變形計算分析方法有一個完整的認知。特別是加強引入實際工程項目的分析,使學生了解梁、剛架、拱、桁架及組合結構的靜定與超靜定的受力特點,掌握其桿件、結點、荷載的計算簡化和計算方法,為學習后續專業課程、工程結構設計和項目研究等奠定堅實基礎。通過借助實踐工程項目的結構力學教學, 逐漸培養了學生的計算能力(手算、機算、腦算)、創新能力(結構型式創新、計算方法創新)及善于綜合運用結構力學去分析、解決實際工程問題的能力,并取得了良好的教學改革效果。

[1] 林健. “卓越工程師教育培養計劃”通用標準詮釋[J]. 高等工程教育研究,2014(1):12-23．

[2] 周臻,陸金鈺,尹凌峰. 面向卓越土木工程師培養的結構力學教學改革與實踐[J]. 高等建筑教育,2012(4):74-77．

[3] 李國華,羅健,董軍. 結構力學教學方法研究[J]. 高等建筑教育,2012(1):81-83．

[4] 李榮軼,楊磊. 淺談結構力學在結構設計中的體現[J]. 山西建筑,2010(8):92-93．

Study on the Reformations of Structural Mechanics Teaching Which Takes the Actual Project as the Background

LIUYongbing,HONGYihong

2016-09-21

衢州學院校級課改項目“《結構力學》基于卓越工程師培養的教學改革”(KG201203);衢州市科技局項目“龍游艾公洞古洞室及其所在邊坡的加固保護研究”(2015Y011);2016年浙江省課堂教學改革項目“基于培養實踐工程能力的工程力學Ⅱ教學改革”。

劉勇兵(1978—)，男,江西新余人，講師,從事結構設計和教學工作。

TU311

B

1008-3707(2016)12-0047-03