“建筑力學與結構”案例情境教學法應用改革研究

邱燕紅

為了加強建筑力學與結構課程的理論與工程實際的聯系，突出該學科的實用功能，可以運用案例情境教學法，筆者以“靜定平面桁架結構”章節為例，創設試驗情境、案例情境、問題情境，使得案例教學與情境教學法相互融合，充分調動學生學習積極性，引導學生獨立思考，分組討論平面桁架結構模型的受力特征并總結規律。

一、案例情境教學法的提出背景

建筑工程專業是眾多高職院校的重頭專業，建筑工程的學習離不開對“建筑力學與結構”知識的充分理解和掌握。該課程理論性較強，但是它來源于實踐，又指導實踐。傳統教學偏重于理論，因此，該課程教學改革迫在眉睫。力學與結構作為抽象的理論知識點，應使教學緊密結合生活實際，讓學生學會從力學角度去觀察身邊的建筑結構，思考力學與結構問題應成為教學過程的重要環節之一。

在《大教學論》中，捷克教育家夸美紐斯就已提出了案例教學和情境教學的思想。為了培養學生理論聯系實踐的能力，筆者進行了案例情境化教學改革，使得案例教學與情境教學法實現融合，更好地輔助教學。幾個學期的教學實踐表明，這種教學模式能有效提高學生興趣，明顯比傳統的教學模式更受學生歡迎。案例情境教學法值得工作在一線的高職院校教師進一步探索和實踐。

筆者認為，高職高專“建筑力學與結構”案例情境教學法指在教學過程中以案例和情境為載體，圍繞教學目標創設與教學內容相輔相成的情境，以及供學生學習的工程案例，將理論知識轉化為學生的學習動機和興趣，幫助學生理解所學知識，引導學生進行探索，提升學生理論指導實踐的能力。因此，在“建筑力學與結構”課程中，“案例導入—情境模擬”教學是一個非常有效的方法，有助于培養學生的實踐與創新能力。

二、案例情境教學法——創設問題、試驗、案例情境

建筑力學與結構的教學應圍繞“案例導入—情境模擬”教學法開展，按照試驗—理論講解—實踐應用的認知規律，對課程教學模式進行整體設計，開展模型試驗情境模擬、工程實例情境模擬、問題情境模擬等教學研究。在這個過程中，教師作為課程的總設計師，預設實際問題，營造相關的工程實例情境，讓學生面對問題，獨立思考并進行創造性思維，提高創新能力和解決問題的能力，指導學生歸納、總結建筑力學與結構的相關原理與規律，加深對課程所學知識的理解，從而實現融會貫通。

基于上述考慮，筆者在教學工作中開展了一系列探索與研究。在此，以“靜定平面桁架結構”為例進行說明。“案例導入—情境模擬”的出發點是為了提高學生對建筑力學與結構課程的興趣。所以，案例情境模擬必須貫穿整個課堂教學設計，包括課前、課中、課后，教學方案設計必須植根于建筑力學與結構課程的理論基礎，同時又不能過于枯燥，應讓每一個學生參與其中。因此，案例情境模擬教學的方案設計是教學成功的前提。

（一）創設“問題”情境——實驗視頻、案例導入新課

如何引出新課是課堂教學的重要環節。在正式講授教學內容之前，教師通過一段與知識點相關的實驗視頻、微課視頻或工程案例等情境引入課堂，并據此提出與教學有關的一些問題，以引起學生的好奇與思考。這是激發學生認識興趣與求知欲的有效方法。“創設問題情境”是把有啟發性和需要解決的問題，有意識地、巧妙地與所要講的知識相聯系，在學生心理上造成一種懸念，引導學生提出問題，最大限度地調動學生的學習積極性，激勵學生克服困難去解決問題，在解決問題的求知欲驅使下，不斷探索完成解答，形成自身新的認知結構。

筆者在講授“靜定平面桁架結構”這個章節時，通過播放一段關于靜定簡支桁架結構三點抗彎實驗視頻，激發學生的求知欲。視頻結束，教師提示學生留意試驗現象，在跨中豎向荷載作用下靜定桁架的端柱和下弦桿首先發生破壞。要求學生在接下來的課堂教學中思考以下問題：①為什么靜定桁架簡支梁與同等跨徑的實腹梁相比，抗彎承載力更高；②端柱和下弦桿首先破壞的原因。這種與直觀內容相聯系的教學方式吸引了學生的注意力，激發了學生的學習興趣，同時也讓學生認識到建筑力學與結構還是一門很有實用價值的課程，從而調動了學生的學習積極性。

（二）創設“試驗”情境——靜定桁架模型試驗

基于“靜定平面桁架結構的內力計算”一章，為了培養學生創新精神和實踐能力，形成樂于研究、勤于動手、善于分析和解決問題的積極主動的學習方式，筆者提出“桁架橋模型情境模擬試驗教學”方案，此教學方法同樣適用于建筑力學與結構中梁、拱等桿系結構受力分析的教學。工程桁架是由若干直桿在兩端通過焊接、鉸接、鉚接所構成的幾何形狀不變的工程承載結構。“靜定簡支桁架橋”則是以桁架作為上部結構的簡支橋梁。

圖1簡支桁架橋模型實例圖

1.試驗情境模擬教學設計及實施方案

試驗情境模擬教學方案以“桁架橋梁模型制作比賽”形式開展，要求學生分組進行，5人一組，自主設計制作紙桁架橋模型、竹桁架橋模型或木桁架橋模型，制作模型的難點在于構件之間的連接。“桁架橋模型”的材料可以為竹簽、泡沫板、紙皮、紙張、線繩、白乳膠、502膠水等。考慮到競爭的平等，比賽規則規定了桁架桿件的基本材料是學生隨手可得的竹簽或方便筷，橋面板采用紙張，節點板采用泡沫板或者紙皮。為便于后期靜載試驗，學生應合理設計“桁架橋模型”尺寸大小，必須保證橋面跨度在30cm～50cm。

要求學生課前完成模型制作，在課堂上對簡支桁架橋模型進行豎向靜載逐級加載試驗，以20本建筑力學與結構教材（總重量約20kg）作為靜載，每次加載2本建筑力學與結構教材（約2kg），均勻緩慢地加載到學生的桁架橋模型上，查看模型的受力狀態和變形情況，并與課堂前三分鐘播放的靜定桁架模型抗彎試驗破壞現象做對比，引導學生發揮團隊合作精神，積極思考，總結模型破壞特征，分析模型破壞原因，利用本節所學知識點提出合理的模型優化方案。

為激發學生學習興趣，充分調動學生的積極性，鼓勵學生積極參與模型的制作，筆者在桁架橋情境模擬試驗中引入競爭、獎勵機制。最后按照評定標準測評豎向靜載和水平荷載的試驗結果，同時每個小組必須遞交一份制作說明書（注明小組作品的名稱、使用材料、設計理念、作品的受力性能及其受力簡圖、作品的特點及優勢等），評選出優秀獎項，獲獎小組成員的平時成績可加分。

2.試驗情境模擬測評標準——體現科學性、先進性、安全性、實用性、美觀性

（1）簡支桁架橋模型情境模擬試驗測評的主要指標——結構安全性。

①結構的整體安全性：幾何構成、結構整體穩定性。結構整體穩定性體現為節點的斷裂、橋體的搖晃等。

②構件（二力桿）的安全性指標：強度、剛度、穩定性；強度破壞表現為桿件的拉斷、壓壞；剛度破壞表現為橋面的豎向撓度變形過大；局部穩定性體現為桿件的壓屈失穩。

上述安全測評指標，實質就是高職建筑力學與結構課程的核心內容。因此在下達模型制作任務前，教師務必要向學生強調試驗模型結構安全的重要性。作為建筑工程類專業的學生，保證結構的安全性，是做好試驗模型的首要條件。

（2）結構美觀。

在保證結構安全的前提下，動員學生充分發揮創造性思維，賦予橋梁試驗模型更優美的外觀造型。

3.教師點評總結、師生互動

（1）課前準備：為了有效實施“試驗情境模擬教學法”，教師應提前做好教學準備。

（2）課前、課中輔導：針對課前模型制作過程中學生提出的問題，給予及時的幫助與指導；在課堂情境模擬教學中與學生進行交流互動，引導學生思考模型試驗破壞的特征與原因；同時在課堂教學中融入“二力桿、強度、剛度、側向失穩、整體穩定性以及局部穩定性”等基本概念，為枯燥的術語賦予生動的說明；結合學生自行制作的桁架模型，能更形象生動地介紹桁架結構特殊節點的識別方法及其受力特征，激發學生的學習情緒。

（3）教師點評：教師適時對學生的作品和發言進行點評，并針對試驗情境模擬結果，做出合理的歸納，總結出其規律、特點。

（三）創設“案例”情境——以實踐性問題擴展情境

以典型的工程案例為依托，設計一些貼合課堂教學目標和內容的案例，并向學生下達任務，可以督促學生積極分析和思考真實學習任務，在教師的啟發指導下，以小組討論的方式，各小組提出解決方案。創設“工程實例”情境教學法，能有效培養學生運用所學的理論知識分析、解決工程實際問題的能力。

例如講授“工程桁架”如何簡化為“建筑力學與結構平面理想桁架模型”及其內力分析時，可以設計一個學習案例“觀察圖片中廠房屋頂多邊形桁架結構，要求學生對它進行力學分析：畫出理想桁架的計算簡圖，找出結構中的特殊節點，判斷拉壓桿，判斷零桿，畫出上弦桿、下弦桿、腹桿、立柱的內力圖等”。以小組討論的形式，通過對學習案例的分析，教師引導學生思考、討論、分析，直至得到一個合理、準確的結論。通過創設“案例”情境，讓學生體會到運用書本所學的理論知識解決工程設計問題的樂趣，提高學生自主學習的積極性以及理論聯系實踐的能力。

圖2廠房多邊形桁架屋頂結構

三、結論

在課堂教學設計過程中，教師需要結合不同教材，根據理論聯系實際的教學方法，將情境模擬與案例教學法有機地糅合在一起，去精心設計問題情境、案例情境、試驗情境，合理運用案例，能有效提高教學效果。

實踐證明，在教學中引入“案例情境教學”可以收到化難為易，化抽象為具體，化枯燥為有趣的效果，為學生開啟了建筑力學與結構的探討之門，激發學生的學習興趣，并以此培養和激發學生的學習動機。在整個教學過程中，學生是主體，教師是主導，學生的學習動機、興趣是教學過程的核心。今后的教學改革研究中，運用信息化技術加強案例情境教學法在建筑工程專業課程教學中的應用是非常必要的。

[基金項目：廣東省高等教育學會高等教育科學研究十三五規劃課題“高職《建筑力學與結構》教學改革——培養學生實踐和創新能力”（16GYB095）。]

參考文獻：

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[2] 劉曉敏.建筑力學與結構[M].北京：高等教育出版社，2015.

[3] 李丙申.建筑力學[M].北京：機械工業出版社，2013.

責任編輯陳春陽