基于結構設計競賽的結構力學教學體系改革研究

余沛　高素芹　張煊銘

[摘 要]在以創新思維能力培養為基礎的高等院校結構力學教學體系中，可以結合大學生的結構設計競賽及教學實踐，在大學課堂的教學中注重培養大學生的創新思維，鼓勵大學生發揮主動創新精神，以期實現應用型和創新型人才培養的目標。

[關鍵詞]結構設計競賽;結構力學;創新思維

[中圖分類號]G434 [文獻標識碼]A [文章編號]1008-7656（2022）02-0081-04

引言

結構設計競賽是土木工程專業主要學科競賽之一，其主要形式是給定某種材料（竹材、木材、紙和有機玻璃等），設計并制作滿足賽題要求的結構模型，并撰寫模型分析計算書，最終通過對計算書、模型制作質量、現場陳述以及模型加載效果等分項評分相加得到綜合成績。該賽事為土木工程專業具有創新性和實踐性的學科競賽。商丘工學院和信陽學院土木工程學院在結構力學教學中，以結構設計競賽為基礎：一方面，以歷年競賽題目為導向，在課堂教學中傳輸創新理念;另一方面，積極探索創新理論，綜合理論、實踐及現場實操等多種教學手段，在結構力學教學過程中，注重培養大學生的創新思想，鼓勵大學生的創新思維，最終實現應用型和創新型人才培養的目標。

一、以創新思維為導向的廣譜分析

結構力學是一門發展迅速的學科，新型的工程材料和工程結構的大量出現，以及工程的相關問題，向結構力學提供了新的研究內容，并提出新的要求。結構力學對數學及其學科的發展也起到推動作用，適合進行大學生創新思維的訓練，在結構力學的教學過程中，教師應該依據結構力學的課程特點及學生接受知識的程度，向學生展示有趣和完整的學科廣譜分析，有助于大學生在結構力學學習過程中，轉變看問題的方式，從而把握結構力學問題的核心，促進大學生的創新思維能力的提升。

（一）結構力學教學的客觀性

結構力學的邏輯性較強[1]，大規模的工程結構需要精確的分析和計算。很多事物都可以顯化為某種結構，每一結構是一個模塊，可以用模塊組合的方法模擬復雜結構及其機理，這一觀點具有方法論的性質，它告訴我們，復雜結構可以由簡單結構組合生成，正如結構力學以桿件結構為主要研究對象，其中桁架結構由獨立的桿件組成。

結構力學主要內容包括四部分：靜定結構分析、超靜定結構分析、矩陣位移法和動力計算基礎。在教學中應從理論分析、實驗研究和數值計算三個方面對結構力學進行討論，把實際結構簡化為計算模型，然后對計算簡圖進行計算。在教學中，要求學生認識工程結構，要通過不同的“觀控方式”（如觀察方式、控制方式、觀察水平、控制水平），而且可以對“觀控方式”進行選擇，這表現了學習的主觀能動性。在結構力學計算方法中，對同一桿件可以用力系的平衡方程或運動方程、變形與位移的幾何方程、應力與變形間的物理方程等。另外，電子計算機的出現，對結構力學學科產生了巨大影響，由“手算”到“電算”，無論采取什么方式或計算方法，對桿件的簡圖、節點的受力分析等“觀控”方式的結果，不因學生人數的多少或觀察次數的增加而改變結構力學的計算，這正反映了結構力學的客觀性。

在例題講解過程中，按照客觀性的概念，同一工程的結構是在一定的“觀控方式”下，n個教師或學生，n次講解或聽講下結構的不變形。顯然，當“觀控方式”改變時（如條件改變），可以獲得不同的結果（客觀性），這正是教師在教學過程中應該反復強調的內容，鼓勵大學生主動分析問題、解決問題和創新問題，進而提升分析能力、計算能力、自學能力和表達能力。

（二）力學與結構設計競賽及工程的結合

房屋中的梁柱體系、水工建筑物中的閘門和水壩、公路和鐵路上的橋梁和隧洞等，都是工程結構的典型例子。實際工程結構很復雜，在結構力學教學中，很難完全按照結構的實際情況進行力學分析，只能用一個簡化的圖形來代替實際結構。大學生對實際結構過程缺少實踐認知，這一環節應在教學和課外獲得補充。在教學中，可以引入結構設計競賽的相關題目，因為結構設計競賽是最能體現專業知識運用和創新能力的環節，賽題全部來自工程實際。例如2017年河南省第六屆大學生結構設計競賽，賽題是完成塔吊結構模型的設計、制作，并進行吊裝測試。

塔吊按其回轉形式可分為上回轉（塔身不回轉）和下回轉（塔身回轉）兩種。下回轉塔式起重機具有結構簡單、重心低、運轉靈活、速度快、效率高等特點，適用于磚混砌塊結構和大板建筑的工業廠房、民用住宅的垂直運輸作業。在實際工作中，要防止塔吊倒塌事故的發生，避免財產損失和人員傷亡。因此，為保證安全，必須保證建筑塔吊的可靠性和安全性。此賽題能較好地培養和鍛煉參賽者在土木工程結構、材料、力學、設計、制作及專業軟件使用等方面的能力，學生通過結構選型工作，把專業知識付諸于實踐，甚至能提出新的結構類型。通過結構設計競賽與力學的緊密結合，增加了大學生的學習興趣，也在教學中貫徹創新思維奠定了基礎[2-3]。

（三）廣譜哲學的創新思維

哲學家維特根斯坦說過，“一旦新的思維方式建立起來，許多舊問題就會自動消失，這是一個值得每位所謂傳統的制造業者思考的問題”。按照廣譜哲學中的方法論，創新思維就是改變“觀控方式”，使研究對象顯現新的客觀屬性、功能或新的客觀關系。由于廣義的“觀控方式”是各種各樣的，而且還在不斷發展之中，因此，“改變觀控方式（換個角度看問題）”就是豐富多樣，這將使創新思維具有更加豐富多彩的模式與方法。

在廣譜哲學的方法論中，提及牛頓力學原理的共性、一般性，可舉例蓋房子和建橋梁，需要探索牛頓力學的原理在不同材料、不同條件下的表現形式，從而形成材料力學、結構力學、土力學等具體的學科知識。要應用這些知識解決具體的樓房或橋梁問題，要進入設計階段，而設計階段要把形成力學一般原理時所舍棄的各種次要因素、偶然因素一并考慮進去。在分析問題的時候，理論要聯系實踐，實踐結果是在理論指導下進行的，但有實踐結果的失敗卻不能反推理論指導是錯誤的，如工程施工中，若一座橋梁倒塌，不能推出結構力學是錯誤的，理論與實踐結果之間不是一對一的、單值的因果關系，原因在于它們之間跨越了若干不同的層次、經歷了許多環節。橋梁倒塌可能不是結構力學分析計算的錯誤，可能是在施工材料、施工方法、天氣等原因所致。046704F1-DA6B-49E1-91FE-B3AED629212D

在教學中要培養大學生的創新思維，創新起源于對某些認知的懷疑，要教會大學生要有理性的懷疑精神，要換個角度看問題，對問題要既堅持又發展，尋找新的“觀控方式”。

二、多葉客觀性及創新思維的激勵

創新思維的提升不僅是能解決結構力學的計算及分析，還能在實際工程中加以體現，學生本身要掌握創新的理論，能用這種理論在求實中創新，真正掌握科學精神的精髓，達到學習的更高境界。

（一）多葉客觀性教學

多葉客觀性反映的是，事物的客觀性伴隨著“觀控方式”的改變而呈現出來的多樣性、層次性。其中，每一個“葉片”標志著一種客觀性，對應著一種“觀控方式”，而n個“葉片”標志著n種客觀性，對應著n種“觀控方式”，示意圖如圖1所示。

圖1 多葉客觀性示意圖

在結構力學教學中，一方面教師要注重學生的主觀能動性的培養，培養大學生的創新意識，講解問題要從多方面入手轉變“觀控方式”，應以學生為中心，讓學生參與課堂教學，聽取學生的意見，引導學生主動思考。另一方面要發現新的客觀性，如工程中的鋼筋，已知鋼筋的體積和重量等客觀屬性，對應的尺子和秤等，如果在教學過程中想了解鋼筋的拉力、壓力及剪切力，就要增加拉伸試驗、壓力試驗及剪切試驗的方式。通過這種學習方式，培養大學生的主動創新能力，激發大學生的創新思維，可使后續的課程學習增添動力。

（二）結構設計競賽實踐教學

結構力學中提及的工程結構實際上都是空間結構，各部分相互連接成為一個空間整體，而在教學過程中忽略一些次要的空間約束而將實際結構分解為平面結構，也有一些結構具有明顯的空間特征而不宜簡化成平面結構，這就需要教師在教學的同時聯系實際，進行實踐教學，在理論教學的同時增加實踐課時，通過學生分組組隊設計制作結構模型，比如靜定結構模型、超靜定結構、可變結構及空間桁架等，把平面圖形變成空間模型，使得知識更形象化，在講解鋼架的整體剛度矩陣時，可以結合大學生結構設計競賽賽題引導學生建立模型，以工程實例為例，提高大學生課堂的趣味性，同時也激發學生的創新思維，把理論與實踐更好地結合起來。

商丘工學院和信陽學院的結構設計競賽，以河南省大學生結構競賽及全國大學生結構設計競賽為基礎，引導大學生利用理論知識解決工程實際的力學問題，通過動手制作模型，學生在一次次改進過程中，既能得到專業的實踐鍛煉，同時也能提高解決問題的能力。在這一過程中，學生能設計出許多巧妙新穎的構件或連接形式，對于創新能力的培養也大有幫助。完成一個好的模型需要組員通力合作，這對鍛煉學生溝通能力和團隊意識大有幫助。

大學生結構設計競賽為學生提供了一個良好的平臺[4]，采用手算的同時，鼓勵大學生學習軟件模擬，采用軟件進行比賽模型的結構分析，其優勢就是分析效率高。建立一個模型，可以通過改變截面尺寸參數或增減基本構件而得到同類型結構體系的一系列分析結果，特別適合優化設計。學生在自學有限元軟件過程中需要查閱大量的學習資料，這樣就主動獲得了類似于研究型教學的鍛煉，這種數值計算能力的訓練，對于找準解決實際工程問題的方向是大有裨益的。同時，在尋找理論計算結果與實際模型差距過程中，學生會加深對結構的認識。

三、結語

文章結合廣譜哲學、多葉客觀性的創新思維方法，以結構設計競賽為導向，積極開展結構力學課程的教學改革與實踐，意在培養大學生的創新思維能力，在實際結構力學教學中，在課堂上積極引導大學生看問題的角度，在繼承中培養創新能力，在學習中發現疑點，是走向解惑和創新的起點，從而達到結構力學的教與學的目的。

[參考文獻]

[1]張速，劉安中.幾種邏輯方法在理論力學課程教學中的應用[J].力學與實踐，2015（4）：543-546.

[2]曲激婷，陳廷國，黃麗華，等.以結構設計競賽促進結構力學教學改革的探索與實踐[J].中國科教創新導刊，2014（4）：62.

[3]程濤.結構模型設計競賽與土木工程專業教學改革[J].力學與實踐，2010（6）：91-94.

[4]魏德敏，王勇.以競賽促進“結構力學”課程教學改革[J].理工高教研究，2007（1）：105-106.

[作者簡介]余沛，信陽學院、信陽市裝配式建筑重點實驗室副教授、高級工程師，碩士，研究方向：土木工程施工管理與科研;高素芹，信陽學院、信陽市裝配式建筑重點實驗室工程師，研究方向：土木工程施工與檢測;張煊銘，商丘工學院講師、工程師，碩士，研究方向：土木工程教學與科研。

[責任編輯 韋志巧]046704F1-DA6B-49E1-91FE-B3AED629212D