以結構模型設計促結構力學教學改革

黃華恢 鑒倩倩

【摘要】全國結構設計競賽開展以來，為結構力學課程教學提供了多渠道的學習方式，對應用型本科教育教學工作有很大的幫助。文章剖析了結構力學教學現狀及存在的問題，探討了如何依托結構模型設計，增強學生學習興趣，提高學生結構分析計算和理論聯系實踐能力。

【關鍵詞】結構模型設計；結構力學；教學改革

【基金項目】2016年校級教育教學研究與改革項目“以結構競賽促進結構力學課程教學改革”（ JG201607）。

一、前言

全國大學生結構設計競賽由高等學校土木工程學科專業指導委員會與中國土木工程協會聯合主辦，各個高校輪流承辦，目的在于培養土木工程專業學生的實踐能力、創新意識和合作精神。在此背景下，我院也自主舉辦了三屆結構設計競賽，得到了校領導的高度重視和相關專業師生的廣泛關注和積極參與。在競賽舉辦的同時，結構力學本科教學改革也開始了嘗試和探索，希望通過結構設計競賽中的結構模型給予結構力學本科教學改革啟示，促進該學科更好地發展。

二、目前結構力學教學之不足

（一）教學現狀

結構力學的研究對象主要是桿系結構，其具體任務是研究結構在何等因素作用下的內力、位移、穩定計算以及組成規則等。結構力學是一門技術基礎課，它一方面要用到數學、理論力學和材料力學等課程的知識，另一方面又為學習建筑結構、橋梁、隧道等專業課程提供了必要的基本理論和計算方法。目前的結構力學課程教學狀況如何呢？是理論講解抽象枯燥還是計算模型的確定難以用言語表達？這些都是眼前結構力學課程難以解決的教學問題。因此，不少教師提出試圖將結構模型融入到結構力學課程教學當中，這種想法無疑是好的。

眾所周知，土木工程課程體系內開設的力學課程分為理論力學、材料力學以及結構力學，前兩門力學課程均為結構力學課程做鋪墊。在這三門課程中，沒有任何一門課程具有相應的模型教具，而力學課程抽象的理論恰恰需要這些結構模型的引入作為其中一種形象的教學手段來引導啟發并解決學生在學習過程中的疑惑。現階段教學中仍然以教師為主體地位進行課堂講授，學生被動接受知識，沒有體現以學生為主體、教師為主導的先進教學理念。

（二）常見問題

在力學結構的幾何構造分析中，教材中介紹了兩種方法：平面幾何不變體系的組成規則和平面桿件體系的計算自由度。這兩種方法都能判定結構體系的組成情況，計算自由度法更容易被學生接受。但是，對于瞬變體系，往往結構自由度計算出結構屬于幾何不變體系，在實際工程中，該體系在受荷前后的變形情況卻大不相同，并對結構承載能力造成很大的影響。如果利用結構模型將其實際受荷狀態進行模擬，不難發現結構在受荷后會由可變結構變成不變結構。若沒有結構模型的模擬，學生憑空想象，很難將這一特殊體系牢記于心。為了尋找橋梁上行駛的火車和汽車在運動過程中，橋梁某個內力達到最大值的荷載位置，結構力學中引入了影響線進行求解。但在講授過程中，彎矩圖已在工程力學課程學習，并在學生內心深處穩穩扎根，他們往往會將影響線繪制成彎矩圖。造成這樣的原因，一方面是對影響線的定義理解不透徹，另一方面是過于抽象的理論無法深入人心。

再者，在對結構進行簡化計算中會出現不同類型的節點，各個節點有各自的特點。例如剛節點、鉸節點、組合節點，對于這三種節點，其限制的約束力情況課本均已給出準確無誤的結果，遺憾的是并沒有告訴我們其確定原則或依據，導致學生在后續的課程或實踐中無法準確確定某個實際結構的節點計算簡圖。那么實際工程中這些節點構造情況是如何的呢？鋼筋混凝土結構節點每一個看似相同，但在計算簡圖上的確定大相徑庭。假若通過自己動手制作搭接某一節點，或許這些看似外觀一樣但約束情況不同的節點會讓學生有更好的理解和掌握運用。

綜上所述，結構力學課程目前存在的兩個主要問題為：理論內容的抽象講解容易產生誤區；計算模型的確定沒有相應的依據可尋。

三、結構模型設計對結構力學教學改革的啟發

為了解決上述問題，本文根據現有結構力學教學內容，提出制作結構模型作為結構力學課程輔助教學環節的設想。它彌補了結構力學理論內容的抽象空洞，同時也為學生在學習過程中架起了“計算簡圖”通向“實際結構”的橋梁，為其課外科研活動和拓展性學習奠定了基礎，培養了其最為缺失的創新意識。這一設想的提出，是對現階段結構力學課程教學的補充，也是一項創新。

（一）實施方法

在教學過程中，我們應該堅持以學生為主體、教師為主導的教學理念。經過反復調研與意見征詢，將在結構力學教與學過程中增設模型制作環節。結合各章節結構力學內容的特點，選擇較為簡單又具有代表性的模型結構。讓學生自由組合，4或5人一組，自主設計制作加載模型。具體來說，在進行結構力學教學過程中融入結構模型設計環節，步驟如下。

1.理論學習。講解課程教學內容，重點講解結構受力特點及組成形式。將多種組成形式的結構進行對比分析，進行歸納總結。

2.制作模型。在各章節學習結束后，讓學生自由組合學習討論，自行繪制相應的結構簡圖，掌握模型制作要領，利用課外時間完成模型的分析與制作。

3.成果匯報。各小組在課堂上利用多媒體闡述模型方案及構思，講解各組結構特點及制作技巧，展示模型及分析結構。

4.模型加載實驗。學生在實驗室進行模型加載測試。

5.總結匯報。各組將模型實驗結果進行再次匯報，總結結構模型實驗的得失，并與原構思分析進行對比。

6.撰寫報告。將整個結構模型從構思到模型制作再到加載結束進行總結，分析利弊，從而掌握結構的受荷特點。

（二）可行性分析

1.模型結構形式簡單。結構模型是由桿件組成的力學結構體系，而不是實物模型。它與實際工程模型相比形式簡單，制作方便，傳力直接。這些都符合本科學生的學習水平，對后期的學習有較大幫助。

2.耗材成本較低，易于購買。結構模型的制作可以采用木條或者白卡紙，根據實際結構模型按一定的比例進行縮小制作，制作工期較短，場地所需較小。

3.安全性好，方便教學。由于結構模型使用的材料均為白卡紙、木質材料、剪刀和膠水等簡易工具制作模型，操作簡單安全，無需教師監督管理，適合小組團體進行。

4.符合“寬口進、應用型人才培養”。結構力學課程引入結構模型設計，提高了學生自主學習能力，培養了團結協作精神，并通過課堂演講提高了口頭表達能力，在增加學生的工程實踐經驗和提高創新能力的同時，滿足了當前土木工程專業對應用型人才的培養要求。

四、結語

總之，在結構力學課程教學中加入結構模型的設計會對本課程起到一定的促進作用，讓學生在學中做，做中學，提高學生的實踐能力。因此，我們需結合結構模型設計對結構力學課程教學改革進行重新審視，以全新的視野去評價結構力學教學體系對于當前結構力學效果的影響。同時希望通過在課堂中開設這樣的教學環節，使學生可以實現對力學知識的應用，并鼓勵學生在課堂教學平臺上去創造各種創新性研究項目，發揮課程的輻射作用。

【參考文獻】

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