建筑學專業力學課程教學改革的實踐研究

齊欣+李翠娟+孟慶成

[摘 要]建筑學專業的培養目標主要為適應國家建筑和社會發展需要，培養基礎扎實、知識面廣、綜合素質高，具備建筑師職業素養，并富有創新精神的國際化高級專門人才及專業領導者。針對建筑學專業學生力學概念普遍較弱的現狀，我們在教學中引入定性分析，轉變教學理念，優化、豐富教材內容，改革教學手段，激發學生的學習興趣。實踐表明：合理調整后的教學內容，綜合了概念解析、工程案例、定性研究等教學方法，學生對抽象的知識點易于理解，學習熱情高，更利于培養應用型綜合型人才。

[關鍵詞]建筑力學；定性分析；教學改革

[中圖分類號] G642.0 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2017）08-0032-03

建筑學專業的培養目標主要為適應國家建筑和社會發展需要，培養基礎扎實、知識面廣、綜合素質高，具備建筑師職業素養，并富有創新精神的國際化高級專門人才及專業領導者。為實現該目標需要學生具有較好的力學素養，建筑力學是針對此而設立的一門重要的專業基礎課，其設置的具體目的在于：通過該課程的學習，使學生掌握平面桿系結構內力和位移的計算原理與方法，了解常用結構的受力性能，為學習工程結構方面專業課程以及進行結構設計提供一定的力學基本知識，培養學生一定的結構分析與計算能力。

傳統的建筑力學教學， 其教學方法和教學內容與其他力學課程大同小異， 主要以學生能夠掌握好書本上的理論和方法為培養目標， 整個教學活動圍繞著教材開展，這樣封閉的教學模式很不利于創新型人才的培養， 其原因在于給學生獨立思考的空間太小。隨著計算機技術的普及，力學研究從繁瑣的計算中解脫出來， 但這似乎并沒有帶來學生能力的全面提高。事實上，對計算軟件的過度依賴， 使得學生獨立思考的空間變得更小了， 一些學生甚至對基本的理論與概念也模糊起來，并且，隨著課時數的壓縮，學生很難形成系統的知識體系。因此，如何在有限的課時中提高教學質量，培養出具備堅實理論基礎的復合型人才值得討論。

力學課程的教學內容相對抽象。在以往的教學中教師往往只強調“力學計算”這一教學環節中的運算能力， 忽略了學生直接的感性經驗和直覺思維，致使學生難以理解結構構件的力學性能，因此學生接受程度較差。同時，又由于學生普遍認為結構分析可以由結構設計師完成，因而對其重視度不足。而建筑設計與力的分析是密不可分的，所有設計都是通過對力進行分析，再去尋求簡單而又經濟地表達它們相互作用的造型。因此，對建筑學專業的學生強化力學基礎尤為重要。

以電視塔為例（見圖1），將其簡化為懸臂構件，主要承受荷載水平風力作用，其內力主要體現為彎矩作用，其彎矩圖為拋物線，因而其合理的造型是上小下大按拋物線變化。對于建筑學的學生而言，端部彎矩具體大小不是關注的重點，但需要明確其彎矩圖的變化規律。而對于建筑師而言，定性的對結構物有整體把握非常重要。因此教學過程中教師應加強學生定性分析能力的培養， 拓展學生的思考空間， 使學生在學習經典力學的基礎上能夠進一步理解和運用力學的核心概念與基本方法去解決工程實際中的問題。

一、定性分析

所謂定性分析就是對研究對象進行“質”的方面的分析。具體地說是運用歸納與演繹、分析與綜合以及抽象與概括等方法，對獲得的結果進行思維加工，從而能去粗取精、去偽存真、由此及彼、由表及里，達到認識事物本質、揭示內在規律的目的。定性主要是解決研究對象“有沒有”或者“是不是”的問題，是一種最根本、最重要的分析研究過程。

建筑學專業設置力學課程的教學目的，在于使學生在掌握一部分理論知識的基礎上培養結構概念。因此，在認真分析和研究教材的基礎上，概要講授教材的重點和難點內容，根據建筑學專業學生的自身特點及學時限制的實際情況，在課堂上省略冗長繁瑣的公式及定理的推導過程，將教學重點放在學生運用公式和定理解決實際問題的能力上，學生課下通過自己看書能夠領會和理解的內容不做過多的解釋。同時，要加強力與建筑造型之間的關系的教學，重點培養學生的學習積極性和自覺性，逐步培養學生良好的自主學習習慣，從而提高學生的自學能力和領悟能力。

二、定性分析的內容構成

定性分析關注的是結構本身受力的特性分布，以往的定性分析強調的是由量變到質變，即通過大量的習題訓練后，歸納出相應的規律特征。這種方法需要花費較多精力。在課程改革過程中，我們將過程反轉，首先把相應的規律和特征拋給學生，通過習題進行驗證，避免了大量的習題訓練。它強調的是力學課程中各種方法與結論的綜合運用， 即利用多種理論、多種研究方法來對事實做最真實最全面的描述。因而，教師在教學中不應將定性分析的內容孤立起來， 而應將其融入課堂教學的全過程中。

（一）基于已知概念的定性分析

力學課程循序漸進，在每一章節都講述了相應的理論與計算方法。這些經典的解題方法不僅可以用于定量的計算，也是定性分析的重要手段。在教學過程中可以將定量計算與定性分析的內容結合起來，這既能加深學生對解題方法的理解，也能使學生養成定性分析的良好習慣。以封閉的框格為例（見圖2），上下受到荷載的擠壓作用，在對其進行內力分析時，這樣一個三次超靜定的結構，按照常規的方法進行計算，計算量較大。可根據結構特性進行分析，由于桿件的微分關系，其中AB、CD桿無外荷載作用，因此其上彎矩為直線，又由于框格上下對稱，因此AB、CD段彎矩為等直線M。根據剛結點無外荷載作用時，其彎矩滿足等值同側的原則，A、B、C、D四點處彎矩應保持一致均為M，AD、BC段由于受到均布荷載作用，相應疊加簡支梁的彎矩，最終畫出結構的彎矩圖。[1]

（二）關注結構體系特征

在桁架的內力求解中，桁架中零桿的判斷非常重要，但大多數學生僅是通過規則進行判斷，對于以下（見圖3）[2]桁架結構零桿的判斷方法，教學中通常采用節點法，根據特殊節點的受力特點進行判斷。除了這種方法，同樣可以根據合理的傳力途徑達到判斷零桿的目的。力的傳遞遵循最短路徑傳遞的原則，因此只有路徑上的桿件受力，而其余桿件均為零桿。當明確了力的傳遞路徑后，可快速的確定零桿。endprint

舉一反三，對各種結構進行對比分析也是定性分析的一種。如圖4所示，在進行靜定結構內力分析，學習完簡支梁的有關內容后，學生對于簡支梁內力分布已經明確。以此為基礎，對同跨度，等荷載的梁、三鉸拱以及桁架為例，其內力分布，梁為明顯的受彎構件，承受彎矩和剪力；三鉸拱則當其桿軸線滿足合理拱軸線時，僅受軸力作用；平行弦桁架中，當力作用在節點時，桁架均為二力桿。通過對比分析，明確了各種結構的受力特征，而采用定性分析的方法，則減少了大量的數學計算分析。

（三）應用疊加原理進行定性分析

考察結構受力時，除了直接對結構進行解析、分析，還可以應用疊加原理，將荷載分組，分別考察在單組荷載作用下，單工況下結構的受力特征，最后將各種工況疊加，從而得到各種工況的組合（見圖5）。

（四）結合有限元法的定性分析

計算機技術和現代數值計算方法的飛速發展進一步拓寬了力學的應用領域， 工程師可借助有限元軟件分析更為復雜的結構。但是， 計算機技術的普及也給學生帶來了重計算， 輕分析的后果。龍馭球院士曾指出： 在大型計算中， 如果不會定性判斷，不會抓錯、改錯， 那是很危險的。因此在教學過程中， 應該重視學生定性分析能力的培養， 使學生能夠認識到計算機技術是進行結構定性分析的重要工具，而定性分析更是計算機計算中不可或缺的環節。目前，結構力學課程的教學總學時數逐漸被壓縮，如何在有限的教學課時內，將計算機計算與定性分析的內容引入結構力學的課程教學中是很多力學教育工作者共同關心的問題。筆者在結構力學的課程教學中引入計算機仿真實驗內容，這既激發了學生學習的興趣，又拓展了學生的思維空間，使學生的分析能力與綜合素質得到了提高。計算機仿真實驗可以利用結構力學求解器，也可以利用一些通用的有限元計算軟件來完成。這些計算軟件結合多媒體技術為結構力學實驗提供了便利。

對于這樣一個三次超靜定的結構，對于建筑專業的學生而言，其內力的求解是較難的內容，但剛架也是工程實際中最常用的結構，其內力分布的特點是必須要掌握的內容。借助通用的有限元計算軟件，可以得到梁/柱的剛度比分別=0，1，4，∞時結構的彎矩分布，隨著梁柱的剛度比的不斷加大，梁端所承受的彎矩逐步的增大，柱上的反彎點逐步降低（見圖6），結合有限元軟件，學生可以直觀的得到剛架內力的分布情況。將有限元軟件的計算融入課堂教學過程中，使計算機技術與定性分析相結合，可以更進一步培養學生定性分析的能力，幫助學生運用計算機技術去解決工程實際問題。同時，這也是開展研究型教學的一條非常有效的途徑。

三、工程實例分析

目前的課堂教學都是按照知識點的分布安排教學內容，僅在緒論中描述了從工程實際模型到計算簡圖的建立方法，而后續的學習均是采用計算簡圖進行分析，概念比較抽象，學生在學習過程中會覺得晦澀難懂， 不易接受。尤其建筑學的學生，首先關注的是形狀特征，若能在實際的求解前，與建筑造型結合，跟實際問題聯系起來，有助于學生對相應結構的理解，而對抽象的計算模型，也應盡量都給出其實際對應的結構。

在連續梁的教學中， 可通過多媒體手段演示一些典型橋梁的實例（見圖7）， 使學生了解定性分析在橋梁初步設計中的應用。對此即可提出為什么采用這樣結構形式的疑問，回答這個問題就需要為學生講述簡支梁與連續梁的基本特點，比較不同支承方式對結構內力分布的影響，討論簡支梁與連續梁各自的優缺點與適用范圍，然后依據分析的結論，討論如何對結構的選型做出定性的判斷。經過對具體工程實例的定性分析，可以激發學生對力學課程的興趣，拓寬學生的視野，這樣不僅加強了學生對理論知識的理解和掌握，還能使學生學會運用新思想、新技術和新方法去研究和解決實際工程問題。

四、結語

通過教學改革，幫助學生在動態中去觀察、探索和發現結構構件的受力特征，使學生通過計算機從“做建筑力學題”轉變為全方位的掌握結構構件基本特性，從而為設計打下基礎。教學實踐表明，課程內容的及時更新，教學方法的多樣化，將定性分析的內容引入建筑力學教學的過程中，是培養學生創新能力，全面提高學生綜合素質的有效途徑。

[ 參 考 文 獻 ]

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[責任編輯：鐘 嵐]endprint