談開設(shè)結(jié)構(gòu)模型制作課程的必要性和可行性

張婧媛 杜德潤 盧雯珺

(中國海洋大學(xué)工程學(xué)院，山東青島 266100)

0 引言

近年來，隨著土木工程教學(xué)越來越重視學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)，以此為目的的各種大學(xué)生競賽活動(dòng)也應(yīng)運(yùn)而生。結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)大賽便是其中較為成功的一例。面對(duì)該項(xiàng)賽事在高校中產(chǎn)生的良好影響，我們考慮是否能將結(jié)構(gòu)模型大賽的成功經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)化為教學(xué)資源，并以此為基礎(chǔ)創(chuàng)建土木本科教學(xué)的創(chuàng)新實(shí)踐平臺(tái)，使學(xué)生在實(shí)踐中綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，增強(qiáng)其創(chuàng)新意識(shí)和動(dòng)手能力。為此，我校土木工程專業(yè)擬開設(shè)《結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)與制作》這門課程。

然而，由于目前尚無高校開設(shè)此類課程，我們對(duì)于設(shè)立該課缺乏經(jīng)驗(yàn)指導(dǎo)，對(duì)課程形式、講授內(nèi)容以及同學(xué)們的期望均沒有明確答案。為此，我們面向?qū)W校土木工程系全體學(xué)生進(jìn)行了問卷調(diào)查(發(fā)放問卷314份，收回有效回饋287份)。以下我們將根據(jù)調(diào)查結(jié)果，對(duì)課程開設(shè)的必要性和可行性進(jìn)行分析。

1 課程開設(shè)的必要性

1.1 學(xué)生具有濃厚的興趣

我們對(duì)于“是否支持開設(shè)該課程”和“是否了解結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽”這兩個(gè)問題的答案進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。其中，250人支持該課程的開設(shè)，23人不支持，14人認(rèn)為無所謂。進(jìn)一步調(diào)查發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)人對(duì)于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽不了解，僅有少部分人有所了解，僅有9人對(duì)此非常了解。

具體結(jié)果如圖1所示。

圖1 課程開設(shè)調(diào)查結(jié)果圖

從調(diào)查結(jié)果可以得出兩點(diǎn)結(jié)論:

1)同學(xué)們對(duì)于實(shí)踐性課程具有較大需求，希望能通過實(shí)踐課程或者活動(dòng)來提高自己的專業(yè)水平和動(dòng)手能力。

2)我校土木專業(yè)大多數(shù)同學(xué)對(duì)于結(jié)構(gòu)模型和結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)并不了解，甚至從來沒聽說過。這說明我校在此方面的活動(dòng)投入力度和參與程度都較少。

3)對(duì)于該課程，還有極少部分同學(xué)持保留意見或不支持態(tài)度，如何更好地推進(jìn)該課程的實(shí)施，讓更多地同學(xué)都參與進(jìn)來也是本科教學(xué)應(yīng)當(dāng)多加考慮的問題。

1.2 完善實(shí)踐課程的建設(shè)

通過對(duì)各高校土木專業(yè)課程設(shè)置的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，目前土木專業(yè)本科開設(shè)的實(shí)踐課程可以分為:實(shí)驗(yàn)課和實(shí)習(xí)課兩大類。以土力學(xué)實(shí)驗(yàn)、建筑材料實(shí)驗(yàn)為代表的實(shí)驗(yàn)課程，旨在讓學(xué)生通過親自動(dòng)手增強(qiáng)對(duì)知識(shí)的理解。此類實(shí)驗(yàn)均為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，試驗(yàn)方法是固定的，實(shí)驗(yàn)結(jié)果是已知的。另一類以工程測(cè)量、工程制圖為代表的實(shí)習(xí)課程，目的是令學(xué)生在實(shí)踐中熟練掌握課上所學(xué)知識(shí)，通常為儀器使用的練習(xí)和制圖方法的練習(xí)。

從學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)角度來看，這兩方面的實(shí)踐都是不可或缺的。但這兩種實(shí)踐課程有一個(gè)共同的問題——學(xué)生在實(shí)踐中缺乏自主性，沒有自由發(fā)揮的空間。例如，大多數(shù)的實(shí)驗(yàn)課程多以實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書為指導(dǎo)，學(xué)生只需完成數(shù)據(jù)整理和處理即可，很少有同學(xué)能夠真正對(duì)實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的問題進(jìn)行思考和分析，成績?cè)u(píng)定也僅僅根據(jù)學(xué)生們給出的實(shí)驗(yàn)報(bào)告給出，評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)較為單一。而課程設(shè)計(jì)等方面的實(shí)習(xí)，因?yàn)樽陨項(xiàng)l件的限制，大多數(shù)學(xué)生也是照本宣科，許多學(xué)生都只是對(duì)著書本上的公式一通亂套，對(duì)于其中的原理大多都云里霧里，且由于課程設(shè)計(jì)題目較為單一，可能存在學(xué)生之間互相抄襲修改的現(xiàn)象。這顯然是與課程設(shè)計(jì)本身的教學(xué)目的相悖的。由此可見，傳統(tǒng)的實(shí)踐課程在教學(xué)模式、成績?cè)u(píng)定等方面都存在比較多的問題，這一方面遏制了同學(xué)們的創(chuàng)造力，另一方面也會(huì)使學(xué)生在重復(fù)的操作中失去興趣。而《結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)與制作》課程的開設(shè)恰恰能夠彌補(bǔ)二者的不足。在結(jié)構(gòu)模型的設(shè)計(jì)階段，同學(xué)們通過對(duì)不同體系的分析比較，能夠更加深刻地體會(huì)到不同結(jié)構(gòu)體系對(duì)力傳遞方式的影響。在此基礎(chǔ)上選擇最優(yōu)的方案，并根據(jù)自己的審美設(shè)計(jì)出形態(tài)各異的優(yōu)美造型。這不僅需要學(xué)生綜合運(yùn)用力學(xué)知識(shí)，而且需要最大限度地發(fā)揮其創(chuàng)造力。既能提高自己的動(dòng)手能力，也能增強(qiáng)團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)，有利于培養(yǎng)學(xué)生的綜合素質(zhì)。

1.3 增強(qiáng)學(xué)生的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)

例如，截面設(shè)計(jì)是大多數(shù)模型設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，在這個(gè)過程中，我們通常以材料力學(xué)的基本假定為理論依據(jù)進(jìn)行計(jì)算和比較，但學(xué)生實(shí)際制作時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)，木條的拼貼對(duì)于材料的性能影響比較大，膠水的均勻程度、厚度等都會(huì)對(duì)模型產(chǎn)生影響。即使我們考慮了結(jié)構(gòu)的長細(xì)比等穩(wěn)定性因素，把可能的理論上的破壞形式都想齊全了，但做加載試驗(yàn)的時(shí)候，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)有許多構(gòu)件是在接縫處劈裂破壞的，這都是在實(shí)踐中才能獲得的寶貴經(jīng)驗(yàn)。通過結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)這門課程，學(xué)生可以對(duì)以前學(xué)過的翹曲現(xiàn)象、裝配應(yīng)力概念等課本中的知識(shí)有更好更清晰的認(rèn)識(shí)，也增強(qiáng)了學(xué)生的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，意義重大。

1.4 學(xué)科建設(shè)意義

作為被教育部認(rèn)定的五大學(xué)科競賽之一，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽在各大高校的推廣和開展是十分必要的。而開設(shè)“結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)與制作”這門課程，可以使土木院校與校際、省級(jí)、全國結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)大賽直接對(duì)接。特別是全國結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)大賽是各高校土木專業(yè)的力量展示，我校有優(yōu)秀的師資和優(yōu)秀的學(xué)生，開設(shè)結(jié)構(gòu)模型制作課程，可以給學(xué)生提供到各競賽平臺(tái)去展示自己的機(jī)會(huì)，同時(shí)促使土木專業(yè)學(xué)生形成良好的學(xué)習(xí)、實(shí)踐氛圍，對(duì)土木專業(yè)建設(shè)將大有裨益。

2 課程開設(shè)的可行性

1)結(jié)構(gòu)形式簡單。在這里我們所說的結(jié)構(gòu)模型是指由桿件組成的力學(xué)結(jié)構(gòu)體系，而不是實(shí)物模型。所以相比于實(shí)際工程模型，這些模型具有形式簡單、傳力直接、便于分析等優(yōu)點(diǎn)，這正符合本科生的學(xué)術(shù)水平。因此，在本科教學(xué)中開設(shè)這門課程是非常恰當(dāng)、可行的。

2)成本較低，易于推廣。模型試驗(yàn)是土木工程研究的一種常用方法。為探究某種結(jié)構(gòu)形式的受力特性，研究者往往按照一定要求將實(shí)際結(jié)構(gòu)按比例縮小，并用與實(shí)際相同或性能相近的材料制作結(jié)構(gòu)模型，然后進(jìn)行加載試驗(yàn)。

然而，考慮到本科生人數(shù)較多且學(xué)術(shù)水平不高，沒有必要也沒有能力對(duì)大型實(shí)物模型進(jìn)行試驗(yàn)和研究。在《結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)與制作》這門課上，我們擬使用木條、白卡紙等廉價(jià)、方便的材料進(jìn)行模型制作。這一方面大大降低了模型的成本，保證了課程的順利開展。

3)安全性好，易于教學(xué)。用木質(zhì)材料、紙質(zhì)材料和膠水、剪刀等簡易工具制作模型，過程簡單安全，無需老師值守監(jiān)督，適合大小班分小組進(jìn)行。

4)符合“寬口徑、應(yīng)用型人才”的培養(yǎng)要求。結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)課程作為一種教學(xué)模式的創(chuàng)新，深入貫徹了以學(xué)生作為主體的理念，學(xué)生親自選型，親自動(dòng)手，完成一項(xiàng)項(xiàng)充滿挑戰(zhàn)性的工作，通過克服困難，自主解決問題，來增加學(xué)生的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和創(chuàng)新能力，切合了土木工程專業(yè)對(duì)應(yīng)用型人才的培養(yǎng)要求。

3 開設(shè)建議

1)建議課程采取分組形式進(jìn)行，3人～4人一組，成績考核方式可以以給定題目完成作品質(zhì)量為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行打分。

2)建議該課程設(shè)置在大三學(xué)年進(jìn)行。經(jīng)過材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)等學(xué)科基礎(chǔ)課的學(xué)習(xí)，可以使學(xué)生擁有較好的理論基礎(chǔ)，模型設(shè)計(jì)與制作也會(huì)更具專業(yè)性。

3)可嘗試實(shí)現(xiàn)該課程與建筑結(jié)構(gòu)試驗(yàn)課程的相互融合。建筑結(jié)構(gòu)試驗(yàn)中的模型試驗(yàn)對(duì)模型在材料、幾何等方面的可比性提出了要求，這與結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)與制作課程的許多思想不謀而合，因此可以將建筑結(jié)構(gòu)試驗(yàn)中理論性的內(nèi)容和知識(shí)運(yùn)用到結(jié)構(gòu)模型制作上。

［1］ 程 濤.結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)競賽與土木工程專業(yè)教學(xué)改革［J］.力學(xué)與實(shí)踐，2010(6):56-57.

［2］ 袁大偉，韓 春.將“結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)競賽”納入土木工程實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的探討［J］.新課程研究，2011(8):39-40.