與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)相融合的結(jié)構(gòu)力學(xué)課程教學(xué)創(chuàng)新與實(shí)踐

繆志偉 馬棟梁

[摘 要] 分析目前結(jié)構(gòu)力學(xué)課程教學(xué)過(guò)程中存在的過(guò)多關(guān)注基礎(chǔ)性忽視專(zhuān)業(yè)應(yīng)用性的問(wèn)題，通過(guò)將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)融合進(jìn)傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)力學(xué)理論教學(xué)，進(jìn)行課程教學(xué)的創(chuàng)新和實(shí)踐，探索更靈活有效的教學(xué)模式，從而使結(jié)構(gòu)力學(xué)成為讓學(xué)生從土木工程中的力學(xué)基本理論過(guò)渡到工程實(shí)際應(yīng)用的重要橋梁。

[關(guān)鍵詞] 結(jié)構(gòu)力學(xué);虛擬仿真實(shí)驗(yàn);教學(xué)創(chuàng)新實(shí)踐

在土木工程教育的培養(yǎng)計(jì)劃和課程設(shè)置體系中，結(jié)構(gòu)力學(xué)課程具有十分重要的基礎(chǔ)性地位，它是聯(lián)系前期各基礎(chǔ)力學(xué)課程和后期各專(zhuān)業(yè)課程的紐帶，是讓學(xué)生從土木工程中的力學(xué)基本理論過(guò)渡到工程實(shí)際應(yīng)用的重要橋梁[1]。因此，在各高等工科院校的土木工程教育中，均將結(jié)構(gòu)力學(xué)作為最重要的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課。

一、結(jié)構(gòu)力學(xué)課程教學(xué)現(xiàn)狀與存在的問(wèn)題

筆者通過(guò)多年來(lái)的結(jié)構(gòu)力學(xué)課程教學(xué)實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)目前在結(jié)構(gòu)力學(xué)的課程教學(xué)過(guò)程中存在一個(gè)問(wèn)題，即作為一門(mén)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，其“基礎(chǔ)性”被過(guò)多的重視，而其“專(zhuān)業(yè)應(yīng)用性”則相對(duì)被忽視。具體來(lái)說(shuō)，體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面。

1.從教師“教”的角度而言，目前主要是通過(guò)課堂理論教學(xué)的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)課程基本概念、原理的講授和基本方法的訓(xùn)練。這一教學(xué)方式突出了課程知識(shí)的基礎(chǔ)性，卻相對(duì)忽視了其工程實(shí)踐的專(zhuān)業(yè)應(yīng)用性，無(wú)法有效激發(fā)起學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性。機(jī)械的教學(xué)手段也使得學(xué)生缺乏感性認(rèn)知，產(chǎn)生知識(shí)理解上的困難。更重要的是，實(shí)際工程中需要的應(yīng)當(dāng)是結(jié)構(gòu)力學(xué)概念清楚、工程思維性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)創(chuàng)新意識(shí)濃厚的優(yōu)秀專(zhuān)業(yè)人才。而偏重基礎(chǔ)知識(shí)的傳授，將無(wú)法使學(xué)生理解所學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)的意義，不能激發(fā)其學(xué)習(xí)興趣，使其在后續(xù)專(zhuān)業(yè)課程的學(xué)習(xí)中不能主動(dòng)地應(yīng)用本課程所學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)。

2.從學(xué)生“學(xué)”的角度而言，由于本課程屬專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，理論性很強(qiáng)，學(xué)生對(duì)于本課程產(chǎn)生了先入為主的“刻板”印象，并沿用過(guò)去學(xué)習(xí)公共基礎(chǔ)課的一些經(jīng)驗(yàn)，形成了被動(dòng)接受新的概念原理——機(jī)械掌握新的計(jì)算方法——通過(guò)題海戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練鞏固解題能力的學(xué)習(xí)模式。這樣，經(jīng)過(guò)一學(xué)年的課程學(xué)習(xí)，只培養(yǎng)了針對(duì)特定題型的定量計(jì)算能力，而缺乏對(duì)結(jié)構(gòu)概念原理的深入理解和靈活把握，沒(méi)有建立起工程思維和創(chuàng)新意識(shí)，不具備將所學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)應(yīng)用于解決專(zhuān)業(yè)的實(shí)際問(wèn)題的能力。這對(duì)于本專(zhuān)業(yè)的后續(xù)專(zhuān)業(yè)課程學(xué)習(xí)是很不利的。

綜上所述，現(xiàn)今的結(jié)構(gòu)力學(xué)課程教學(xué)應(yīng)更加注重培養(yǎng)學(xué)生能夠?qū)⒘W(xué)概念與實(shí)際工程進(jìn)行緊密聯(lián)系和有效融合，進(jìn)而在定性分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行合理結(jié)構(gòu)創(chuàng)新。為此，有必要通過(guò)引入更為生動(dòng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，并與傳統(tǒng)的課堂理論教學(xué)進(jìn)行有機(jī)的融合，以解決上述問(wèn)題。

二、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)于結(jié)構(gòu)力學(xué)課程教學(xué)改革的意義

土木工程專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)有其自身的特點(diǎn)。由于實(shí)驗(yàn)綜合性強(qiáng)、設(shè)備體量大、實(shí)驗(yàn)環(huán)境惡劣、資源消耗大、成本高，因此在實(shí)踐環(huán)節(jié)中往往存在一定的技術(shù)困難，特別是高危險(xiǎn)、大型復(fù)雜但與實(shí)際工程結(jié)合緊密的一些實(shí)驗(yàn)無(wú)法在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)讓本科生直接深入?yún)⑴c。

然而，隨著專(zhuān)業(yè)和學(xué)科的發(fā)展，特別是計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以利用專(zhuān)業(yè)仿真計(jì)算軟件和計(jì)算機(jī)平臺(tái)，構(gòu)建高度仿真的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)對(duì)象，并在虛擬環(huán)境中開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，從而克服上述技術(shù)困難。基于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，既可再現(xiàn)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室中的經(jīng)典試驗(yàn)，又可開(kāi)展傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室中難以進(jìn)行的高難度、高危險(xiǎn)、高成本試驗(yàn)，使學(xué)生對(duì)需要掌握的基本概念和原理產(chǎn)生直觀的認(rèn)識(shí)和理解，從而激發(fā)學(xué)生主動(dòng)探索學(xué)習(xí)的興趣，培養(yǎng)創(chuàng)新精神、實(shí)踐能力、自主學(xué)習(xí)能力以及獲取信息、運(yùn)用信息的能力[2-4]。

鑒于此，筆者通過(guò)將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)融合進(jìn)傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)力學(xué)課程理論教學(xué)，進(jìn)行課程教學(xué)的創(chuàng)新和實(shí)踐，探索更靈活有效的教學(xué)模式，同時(shí)與后續(xù)專(zhuān)業(yè)課程有效銜接過(guò)渡，從而激發(fā)學(xué)生對(duì)于結(jié)構(gòu)力學(xué)課程的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和工程思維，充分發(fā)揮本課程在聯(lián)系前期基礎(chǔ)力學(xué)課程和后期專(zhuān)業(yè)課程之間的紐帶作用。

三、與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)相融合的結(jié)構(gòu)力學(xué)課程教學(xué)創(chuàng)新與實(shí)踐舉措

筆者通過(guò)如下兩個(gè)方面的舉措，實(shí)現(xiàn)了將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)有效融合進(jìn)結(jié)構(gòu)力學(xué)課程的理論教學(xué)。

1.教學(xué)內(nèi)容方面，一是虛擬仿真實(shí)驗(yàn)案例的選取與設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)課程理論教學(xué)與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的有機(jī)融合，前提是實(shí)現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容上的緊密聯(lián)系，這就需要精心選擇虛擬仿真實(shí)驗(yàn)案例;二是實(shí)驗(yàn)案例的選取與設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)既能深刻反映所必須掌握的基本概念、原理和方法，同時(shí)又與專(zhuān)業(yè)工程應(yīng)用緊密聯(lián)系。通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生能夠?qū)⑺鶎W(xué)結(jié)構(gòu)力學(xué)知識(shí)應(yīng)用到具體的工程實(shí)例，從而在建立抽象的力學(xué)體系的同時(shí)，盡早建立起具體的工程性思維，從而為后續(xù)學(xué)習(xí)、后續(xù)與工程設(shè)計(jì)、分析等緊密相關(guān)的課程打下良好的基礎(chǔ)。因此，筆者通過(guò)廣泛的專(zhuān)業(yè)調(diào)研與資料整理，收集和選擇專(zhuān)業(yè)工程應(yīng)用中各種與結(jié)構(gòu)力學(xué)基本概念、原理和方法緊密相關(guān)的素材，并據(jù)此精心設(shè)計(jì)加工出若干虛擬仿真實(shí)驗(yàn)案例，如表1所示。

2.教學(xué)方式方面，實(shí)現(xiàn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)課堂理論教學(xué)方式的有機(jī)結(jié)合。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是一種新型的教學(xué)手段，引入這一新型教學(xué)手段的目的是為了取得更好的教學(xué)效果而不是嘩眾取寵，因此教師授課時(shí)必須立足本課程的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課地位，將傳統(tǒng)課堂理論教學(xué)方式與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，否則將顧此失彼，分散學(xué)生的學(xué)習(xí)注意力，產(chǎn)生“喧賓奪主”的負(fù)面效應(yīng)。筆者針對(duì)上述所選擇的實(shí)驗(yàn)案例，開(kāi)發(fā)了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。在該平臺(tái)中，包括總體介紹、參數(shù)查看、經(jīng)典案例、互動(dòng)試驗(yàn)、結(jié)果分析等多個(gè)環(huán)節(jié)，可以真實(shí)地覆蓋實(shí)驗(yàn)教學(xué)的全過(guò)程。在課堂教學(xué)中，利用多媒體條件，首先進(jìn)行教師為主導(dǎo)的課堂虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，主要用于演示虛擬仿真實(shí)驗(yàn)基本操作，深化課程知識(shí)體系中的基本概念，驗(yàn)證相關(guān)基本原理和方法，使學(xué)生獲得專(zhuān)業(yè)工程應(yīng)用上的直觀感性認(rèn)識(shí)，激發(fā)其課程學(xué)習(xí)的興趣和積極性，培養(yǎng)其應(yīng)用基礎(chǔ)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的工程思維和創(chuàng)新意識(shí)。然后，在課堂虛擬仿真教學(xué)的基礎(chǔ)上，通過(guò)教師引導(dǎo)，引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用所學(xué)結(jié)構(gòu)力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)手段在平臺(tái)上自主進(jìn)行較深入的專(zhuān)業(yè)課題研究，從而實(shí)現(xiàn)以學(xué)生主導(dǎo)的課外虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新能力。

四、結(jié)論

針對(duì)目前結(jié)構(gòu)力學(xué)課程教學(xué)過(guò)程中“基礎(chǔ)性”被過(guò)多重視而“專(zhuān)業(yè)應(yīng)用性”相對(duì)被忽視的問(wèn)題，筆者通過(guò)在傳統(tǒng)課堂理論教學(xué)的基礎(chǔ)上融入形式更新穎、內(nèi)容更豐富的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了更直觀的理論聯(lián)系實(shí)際，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，構(gòu)建了知識(shí)性、趣味性、工程性于一體的結(jié)構(gòu)力學(xué)課程創(chuàng)新性教學(xué)模式，從而充分發(fā)揮本課程在聯(lián)系前期基礎(chǔ)力學(xué)課程和后期專(zhuān)業(yè)課程之間的紐帶作用，使其成為讓學(xué)生從土木工程中的力學(xué)基本理論過(guò)渡到工程實(shí)際應(yīng)用的重要橋梁。

參考文獻(xiàn)

[1]周臻，陸金鈺，尹凌峰，等.面向卓越土木工程師培養(yǎng)的結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)改革與實(shí)踐[J].高等建筑教育，2012，21（4）：74-77.

[2]陳華，王鵬凱，趙軍，等.土木工程專(zhuān)業(yè)關(guān)于“虛實(shí)結(jié)合”教學(xué)體系改革與實(shí)踐的研究[J].科技創(chuàng)業(yè)月刊，2017，（1）：104-108

[3]仁偉杰，李春林，宋維源.結(jié)構(gòu)力學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究[J].力學(xué)與實(shí)踐，2015，37（2）：257-262

[4]徐明，熊宏齊，吳剛，等.土木工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2016，35（2）：139-142.