基于思維干預的結構力學II課程教學方法研究

吳瑤

[摘? ? ? ? ? ?要]? 對結構力學II課程內容進行難點解析，針對難點問題開展課程教學方法優化。從心理學的思維干預出發，轉變學生對課程難度的看法，消除學生畏難思想，提升學生學習的積極性和主動性，為各種創新型或實踐型教學模式在該課程中的開展做好鋪墊。

[關? ? 鍵? ?詞]? 結構力學;難點;思維干預;教學方法;歸納

[中圖分類號]? G642? ? ? ? ? ? ? ? ? ?[文獻標志碼]? A? ? ? ? ? ? ? ? ? ?[文章編號]? 2096-0603（2022）35-0144-03

一、引言

結構力學II是一門以理論力學、材料力學和結構力學I課程內容為基礎的土建類專業課程。它與材料力學及結構力學I課程的關聯度極強，關聯課程的學習掌握程度將直接影響本課程的學習。結構力學II課程通常在大三或大四開設，學習過程中需要運用高等數學的知識，但學生對大一及大二所學的高等數學及力學知識均已生疏，需花時間和精力進行回顧，加上該課程內容繁雜，理論理解有難度，解題過程需具備良好的力學基礎，因此，學生在學習過程中極易出現畏難思想。而一旦學生出現了畏難思想，會極大地降低學習的積極性。從心理學角度看，如果學生對該課程持有消極心態，會影響學生在學習過程中的一系列行為，表現為：學生對課程學習的興趣不高，常常處于被動學習狀態;上課不愿意聽講，課堂上的參與性和互動性弱;不深入探究基本原理，對理論知識點的掌握程度淺;不愛動腦筋思考和查閱資料，做題效果不理想。學生對該課程產生的消極倦怠情緒還將進一步影響一些新型教學理念及教學改革措施在該課程中的開展，諸如實踐型教學或混合型教學等將很難達到預期效果。從心理學的思維干預出發，如果能夠轉變學生對課程難度的看法，消除學生的畏難思想，一定程度上可以提升學生對該課程學習的積極性，變被動為主動，進而影響學生在該課程學習中的各種行為，達到較好的學習效果。因此，本文將心理學的思維干預應用于結構力學II課程的教學中，即以轉變學生對課程難度的看法為目標，針對章節內容進行難點解析，以優化教學方法為手段，引導學生積極對待該課程，達到提升教學效果的目的，并為各種創新型或實踐型教學模式在該課程中的開展做鋪墊。

二、課程難點思考

結構力學II課程共分為矩陣位移法、結構動力學、結構穩定計算及結構的塑性分析與極限荷載四個部分。

矩陣位移法以位移法為基礎，其中不涉及較難的力學和理論知識，即使對位移法知識有部分遺忘，通過牢記單元剛度矩陣也能較好地掌握該部分內容，按部就班地進行解題計算。

結構動力學常常是該課程學習的難點，章節包括單自由度體系的自由振動、單自由度體系的強迫振動、阻尼對振動的影響、雙自由度體系的自由振動、雙自由度體系在簡諧荷載下的強迫振動等。本章涵蓋內容多且節與節之間的內容關聯又需要加以區分，如果學習思路不清晰，各節知識點之間容易產生混淆。加上本章內容涉及的數學知識與力學知識較多，一旦學生對復雜的公式產生畏懼感，就會先入為主地認為課程內容太難，從而失去學習信心，開始產生消極心態。

結構穩定計算分為兩類穩定問題的概述、有限自由度體系的穩定計算和無限自由度體系的穩定計算。該章節的難點在于解題，對有限自由度體系的穩定計算，學生常常感覺原理易懂而題目難解。而無限自由度體系的穩定計算公式涉及材料力學和高等數學知識，看起來較復雜，令人望而生畏。

結構的塑性分析與極限荷載，其重點是利用機動法即虛功原理求解結構的極限荷載，當中準確判定結構的破壞機構對極限荷載求解的正確性起著關鍵性作用。然而，破壞機構的判定恰巧是學生在該章節學習過程中的難點。因此，教會學生如何準確判定破壞機構是本章教學中需要思考和解決的問題。

三、課程教學方法優化

學生對矩陣位移法的內容通常掌握得較好，將整體結構拆分成基本構件再集合成整體的思路應用于數值分析的實踐型教學難度也不大。

針對結構動力學的內容，采用歸納教學法和思維導圖的形式構建一個條理清晰的知識結構體系，能很好地幫助學生理清學習思路。此處以單自由度體系自由振動為例，單自由度體系的自由振動如文末表1所示。通過歸納比較，學生對該章節難度的看法有所降低，消除了畏懼心理并重拾學習信心，能夠以積極的心態進入后續章節知識的學習。

結構穩定計算即計算結構失穩時的臨界荷載。原理易懂而題目難解的原因在于講解原理時通常針對的是幾種基本結構類型，而習題中要求計算臨界荷載的結構是千變萬化的且復雜得多。但總體來說，復雜的結構類型總能簡化或等效成幾種基本結構類型，掌握了基本結構類型的臨界荷載求解方法，復雜結構的穩定計算也便迎刃而解。因此，對于復雜結構，關鍵是會識別結構，思考應該如何對復雜結構進行簡化或等效，可以簡化或等效成哪種基本結構類型，等效后如何計算彈簧的等效剛度系數。按這個思路進行思考，不管結構類型如何變化，總能找到求解辦法。對于無限自由度體系，靜力法求解臨界荷載其公式看似復雜，但對基本的結構類型，其求解過程都是相似的。歸納起來步驟是：（1）根據變形圖建立坐標系，取變形桿件的一部分作為隔離體建立平衡方程。（2）平衡方程是一個微分方程，根據高等數學知識可以寫成微分方程的解的形式，其中的常數為待求參數。（3）將桿件邊界條件代入微分方程的解中，列出關于待求常數的方程組。（4）根據待求常數不全為零，可推導出只包含臨界荷載這一個未知參數的穩定方程，根據該穩定方程即可求出臨界荷載。

無限自由度體系能量法求解臨界荷載的步驟為根據邊界條件選取桿件變形曲線形式，代入勢能計算公式得出勢能表達式，根據勢能駐值條件可求出臨界荷載的值。

可以看出，對無限自由度體系，無論是靜力法還是能量法計算臨界荷載，對求解步驟的歸納整理可以使學生思路清晰，基本原理更加明了、易懂。

利用虛功原理計算結構極限荷載的關鍵是準確判定結構的破壞機構，即判斷塑性鉸出現的位置。由于塑性鉸是不同于普通鉸的單向鉸，即塑性鉸只能沿彎矩增大的方向做有限的轉動，這就決定了有些破壞形式在該結構中不可能出現。如連續梁，根據連續梁彈性階段的彎矩圖可知，連續梁只能在各跨獨立形成破壞機構，不可能由相鄰幾跨聯合形成一個破壞機構。排除一些不可能出現的破壞形式，只針對合理的破壞形式采用機動法進行分析，這避免了學生盲目確定破壞機構而導致的極限荷載計算錯誤。機動法即虛功原理計算結構極限荷載的具體步驟是：（1）分析結構需要出現幾個塑性鉸才能變成機構。（2）根據彈性階段結構的彎矩圖判斷這些塑性鉸出現的位置（塑性鉸在彎矩較大的位置出現）。（3）由于塑性鉸只能沿彎矩增大的方向做有限的轉動，根據彈性階段結構的彎矩圖確定破壞機構的運動方向。（4）根據破壞形式得出結構破壞時各部分的虛位移。（5）在破壞機構上標出各部分的力，包括外荷載和塑性鉸上的彎矩（塑性鉸可以傳遞彎矩，其彎矩等于極限彎矩）。（6）計算剛性體虛功，根據剛性體虛功等于零計算極限荷載。

基于本文對該課程各部分進行的難點思考與解析，以上針對各個難點問題提出了具體的歸納方法進行課程教學優化，有效地弱化了課程難度，引發了學生思維的轉變。當學生發現這門課程并不像想象中的那么難學時，學生在課堂上的互動良好，參與度更高，對該門課程也更有信心和更有掌控感，認為可以通過自己的努力解決課程中遇到的難題，這是思維轉變的產物。

四、結語

本文從心理學的角度分析了結構力學II課程教學效果不理想的原因主要來自學生的畏難思想。因此，有效提升教學效果并為各種創新型或實踐型教學模式在該課程中的開展做好鋪墊的前提是消除學生的畏難思想。基于此，本文對該課程各部分進行難點思考與解析，針對各個難點問題提出具體的歸納方法進行課程教學方法優化。實踐表明，所采取的教學優化方法改變了學生的思維，一定程度上消除了學生的畏難思想。當學生不過高地看待該課程的難度時，學生在課堂上的表現更積極，參與性和互動性更高，教學效果有所提升。

參考文獻：

[1]郭彤，李愛群.結構力學II課程建設中數字化教學手段的探討與實踐[J].高等建筑教育，2008（6）：135-137.

[2]時金娜，郝贠洪，李元晨，等.不同授課方式下結構力學課程教學效果的調查研究[J].高等建筑教育，2015（5）：52-55.

[3]周海龍，安珍，李平，等.基于學科思維導圖的結構力學教學研究[J].高教學刊，2019（8）：94-96，99.

[4]李國華，羅健，董軍，等.結構力學教學方法研究[J].高等建筑教育，2012（1）：81-83.

[5]陽令明，張儉民.地方院校結構力學課程教學改革探索[J].高等建筑教育，2016（1）：88-91.

[6]曲激婷，陳廷國，黃麗華，等.結構力學課程建設與混合式教學研究[J].教育現代化，2019（17）：77-79.

Research on Teaching Methods of Structural Mechanics II Course Based on Mental Intervention

WU Yao

Abstract：Based on mental intervention in psychology，changing students views on the difficulty of Structural Mechanics II course and eliminating students fear of this course can improve students enthusiasm and initiative in learning. In this paper，this is achieved by analyzing the difficulties in contents of Structural Mechanics II course and optimizing the teaching method aiming to these difficulties，so that various innovative or practical teaching modes can be better carried out in this course.

Keywords：structural mechanics;difficulty;mental intervention; teaching method;induction

◎編輯 鄭曉燕