建筑力學課程案例教學的研究與實踐

陳德先　董武　嚴先輝

摘要：建筑力學是高職高專土建類專業的一門核心專業基礎課，該課程理論性比較強，內容缺乏趣味，是土建類專業課程體系中教與學難度均大的一門課程。案例教學在高職土建專業建筑力學課程教學中的運用，不僅可以打破傳統教學方法的局限性，還能將力學理論與工程實際相結合，能提高學生解決實際工程中力學問題的能力。

關鍵詞：建筑力學；案例教學；實踐

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）29-0155-03

案例教學于20世紀80年代由美國引入中國高校。案例教學法是指由教師提煉的現實生活中已經發生的一些典型案例，讓學生把自己納入案例場景，通過討論來進行學習的一種教學方法。建筑力學課程是一門集理論分析、工程應用于一體的專業基礎課程。將案例教學應用于建筑力學課程教學，能因地制宜，因材施教。在很大程度上保證教學效果，提高學生積極性，培養學生的動手動腦能力。

一、建筑力學教學引入案例教學的必要性

近年來，隨著我國社會和經濟的快速發展，對技術應用型人才的需求不斷增加，使職業教育大眾化的進程不斷加快，同時，也為職業教育的發展帶來了新的契機。由于單招生招生人數的增多，職業教育出現了新的隱患，大部分單招生文化基礎知識薄弱，自主學習能力和組織紀律性不強，曠課現象頻繁，沉迷網絡，自我約束能力較差，自卑心理較重，學習的積極性不高，影響了人才培養的質量。建筑力學課程的理論性比較強，課程內容包含三大力學，該課程公式推導涉及諸多數學知識，是大家公認的一門教與學難度均大的課程。目前建筑力學理論教學課時大幅度縮減，以前建筑力學教學主要是教師講，學生聽，學生剛開始學習這門課程時，因教師介紹了該門課程的重要性，學生開始興趣還比較高昂，由于教學過程中缺乏師生互動，不讓學生自己思考、分析與總結，學生會慢慢感覺無聊、枯燥。以前的壞毛病又體現出來了。因此，在建筑力學的教學工程中如何使復雜的力學理論深入淺出，如何提高學生分析問題和解決問題的能力，如何激發學生的學習積極性，是本課程在教學過程中要解決的主要問題，而案例教學正是解決這一問題的最有效方法。

二、建筑力學教學中引入案例教學的作用

1.案例教學為學生提供自主學習的機會。傳統教學從書本到書本，從概念到概念的教學方式教給學生的是運用概念解決問題的現成答案，學生大部分時間只能被動地接受知識。案例教學將學生置身于真實的實際工程案例場景，改變了以往教師講學生聽的教學模式。案例教學十分注重學生學習的主體性與積極性。它通過師生互動，一起分析和討論工程案例，運用所學的力學知識解決案例中的力學問題，從而使學生獲得了自主學習的方法和機會[1]。

2.案例教學能培養學生的責任心。學生缺乏學習自覺性，根本原因是缺乏責任心，而責任心是每個社會成員尤其是工程技術人員必須具備的一種基本素質，對學生進行責任心教育也是學校進行素質教育的一個重要內容。建筑力學的任務是解決結構安全與經濟的矛盾，該課程有關內容對學生進行責任心教育有其獨特的優勢。工程事故案例，能提示啟發學生思考，除客觀因素外，從主觀因素來說其成因是什么？通過典型工程事故案例，學生們都能很好的認識到：“不負責任”，“水平低”。由此認識到培養責任心的重要，而培養責任心就應從現在做起，首先對自己的學習負責，認真學習才是負責任。同時，也只有認真學習，才能提高“水平”[2]。

3.案例教學能將理論與實踐相結合。建筑力學課程不但要求學生要正確理解基本概念，而且要求學生要學會用所學內容解決工程中的各種力學問題。建筑力學的主要任務可概括為解決工程結構安全與經濟這對矛盾。工程事故案例包含有豐富的力學知識，它能幫助學生了解力學理論與實際工程的聯系，使學生認識到工程結構的不同型式、結構的不同幾何形狀與尺寸等均與力學知識有關，從而使學生明確學習目的，提高了對力學課程的學習積極性。

4.案例教學是專業教師成長的階梯。案例教學過程中，雖然學生活動是處于主要地位，但教師卻起到了引導作用，如果沒有高水平的教師指導，學生獨立探討問題可能費時過多，亦容易產生盲目性和失去主動性。因而案例教學就要求教師具有精深的專業知識，具有豐富的教學與實踐經驗，懂得將理論與實踐融會貫通。所以，作為教師的我們，不能把視野僅僅局限于教材，應該利用身邊一切有益的媒體充實自己，不斷接受新知識、新理念，重視與外界交流[3]。

三、建筑力學案例教學應注意的問題

1.案例教學作為建筑力學教學的一種教學方法，其本質是為建筑力學教學目的服務的，案例教學應與建筑力學的理論知識有直接聯系，如果案例與建筑力學內容不相符，那么這樣的案例就沒有任何價值，這一點是建筑力學實施案例教學的前提條件。

2.由于很多高職生沉迷網絡，所選案例應具有新穎性，對所有學生應具有吸引力，能夠吸引所有學生積極參與其中，這樣才能讓所有學生很好的掌握所學內容，為今后的實踐打下扎實的理論基礎。

3.由于高職學生文化基礎水平較差，選擇的案例要注意案例中所涉及的力學知識不能太難，要讓每位學生都能參與分析與討論，讓他們從中體驗到學習的快樂。

四、典型案例分析

案例一：2008年1月，貴州及長江中下游地區長時間連陰雨雪，部分地區持續凍雨天氣，降雪降雨最終轉化為冰凌，隨著時間的推移，冰凌一層又一層地包裹高壓電線，致使電線上冰的厚度都超過了電線直徑的兩倍，最終被電線拉斷，鐵塔倒塌。

問題：連陰雨雪為何壓塌高壓線鐵塔？

分析：由于鐵的密度是7.8g/cm3，冰密度是0.9 g/cm3，而冰的厚度超過了電線直徑的兩倍，所以電線的自重相當于增加了0.5倍，電線的實際承受荷載超出了它的許可荷載而最終被拉斷。支撐高壓線的鐵塔被厚厚的冰塊包裹，加大了自重，并承受著比平時高若干倍的高壓電線拉力，而最終倒塌。

電線拉斷是軸向受拉破壞：電線因結冰而沿軸向的拉力增高若干倍，而電線由于熱脹冷縮已經超出設計限度，抗拉強度大大降低。

鐵塔壓垮的主要原因是局部壓桿失穩造成的：鐵塔是鋼結構的桁架，主要由受拉構件和受壓構件組成。受壓構件受到的軸向壓力不斷增加，超過其臨界力而局部失穩，從而導致整座鐵塔倒塌[4]。

案例二：甲乙兩隊進行拔河比賽，為了獲得比賽的勝利，各隊負責人在選擇參加比賽的隊員時，首先選擇一批力氣大的隊員，目的是有足夠大的拉力把對方拉過來；然后在力氣大的隊員中選擇體重大、鞋底表面較粗糙的隊員作為最后的參賽隊員，目的是有足夠大的摩擦力使腳不打滑。

問題：除了上述條件外，為了贏得比賽，為什么人體用力姿勢要往后傾斜？（如圖1所示）

分析：物體在力作用下，除產生移動效應外，還會產生轉動效應。力使物體產生轉動效應是用力矩來度量，力矩的大小等于力的大小與力臂的乘積。本案例中摩擦力足夠，腳不打滑，只能保證人體不產生移動，但不能保證不輸。因為當作用在人體上的拉力與人體自身的重力不變的前提下，人體如果直立，則拉力的力矩大，重力的力矩小，由于力矩不平衡而導致人體向前傾斜（即轉動）。所以為了增大獲勝機會，人體用力姿勢必須適當往后傾斜。

案例三：四川汶川地震造成了大量磚混結構嚴重破壞（如圖2所示）和人員重大傷亡，令人痛心。從建筑和結構上來說，磚混結構建筑由于墻與梁、柱的相互約束較弱，這就決定了此類建筑強度低，抗震性能較差。

問題：同樣地震烈度下為什么磚混結構破壞嚴重，而剛架結構卻較少破壞或局部破壞？

分析：對結構進行力學分析與計算前，為了使計算簡便，需將原結構進行多方面的簡化，得到一個代替原結構的結構計算簡圖，磚混結構的內部桿件相互約束較弱，桿件連接處通常簡化為鉸鏈連接（即鉸結點），鉸結點的受力特點是，不能承受彎矩與傳遞彎矩，所以對結構強度起決定作用的內力—彎矩分布不均勻，結構上最大彎矩較大，由于梁橫截面上的正應力與該截面上的彎矩成正比，所以結構最大正應力大，應力越大，越接近材料的極限應力，強度就越低，材料就越容易破壞。剛架結構中梁與柱用鋼筋混凝土現澆相連接，這種連接點稱剛結點，其特征是，桿件連接牢固，結構變形前后，匯交點處各桿之間的夾角不變。因此，結點可以承受和傳遞彎矩，因而在剛架中彎矩分布較均勻，最大彎矩相對于同樣尺寸的磚混結構要小。所以其強度大于磚混結構，不易破壞。實際工程中的剛架結構，桿件用剛結點連接，屬于高次超靜定結構，具有若干多余約束，該結構局部破發生破壞，一般不會引起結構整體破壞。

五、結語

教學實踐證明，將案例教學應用于建筑力學課程教學，能讓學生饒有興趣地在工程實例中發現問題，思考問題并最終獲得答案，它能激發學生的學習熱情，有利于對力學知識的理解和應用，能有效地培養學生的思維能力和創新能力。

參考文獻：

[1]夏雄，先禮瓊，王小平，等.案例教學法在土力學課程教學過程中的實際與思考[J].高等建筑教育，2013，（6）：56-59.

[2]陳德先，董武，嚴先輝.基于高職學生文化基礎背景下的建筑力學教學改革研究[J].教育教學論壇，2014，（45）：124-126.

[3]葉衛華.淺談案例教學法的作用[J].職業圈，2007，（10）：80-82.

[4]石立安.建筑力學[M].北京：北京大學出版社，2009.

Abstract：Architectural mechanics is a core specialized basic course of civil engineering specialty in higher vocational colleges. The course is relatively strong in theory and lack of interest. It is a difficult course both in teaching and learning in civil engineering curriculum system. The application of case teaching in the course of construction mechanics in civil engineering can not only break the limitation of the traditional teaching method，but also combine the mechanics theory with the engineering practice，which can improve the students' ability to solve the mechanical problems in practical engineering.

Key words：building mechanics；case teaching；practice