結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)中工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)★

賈 程

(鹽城工學(xué)院，江蘇 鹽城 224000)

0 引言

土木工程專業(yè)應(yīng)用型“卓越計(jì)劃”的主要培養(yǎng)目標(biāo)是為社會培養(yǎng)掌握土木工程專業(yè)的基本知識和基本理論，獲得土木工程師的基本訓(xùn)練并具有創(chuàng)新能力，適應(yīng)我國經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展需要的實(shí)用型工程技術(shù)人才。鹽城工學(xué)院土木工程專業(yè)新的“2.5+1.5”培養(yǎng)模式正是適應(yīng)這一培養(yǎng)目標(biāo)而制定的。

在土木工程專業(yè)課程設(shè)置體系中，結(jié)構(gòu)力學(xué)課程具有不容置疑的重要地位，其教學(xué)質(zhì)量直接影響到學(xué)生工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)［1］。在結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)改革中，不僅要注重基本知識和基本理論的掌握，更要注重培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力。本文將從以下幾個方面重點(diǎn)介紹在結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)過程中提高學(xué)生分析問題、解決問題的能力，培養(yǎng)其工程實(shí)踐能力的措施。

1 強(qiáng)調(diào)定性分析

在進(jìn)行工程設(shè)計(jì)和處理實(shí)際工程問題時，需要設(shè)計(jì)人員具有對結(jié)構(gòu)合理形式、結(jié)構(gòu)的變形和內(nèi)力的總體概念和分析能力，還需要具有對工程計(jì)算數(shù)據(jù)、突發(fā)現(xiàn)象和問題做出迅速科學(xué)判斷的能力，這就是所謂的定性分析。要求在學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)力學(xué)時，不僅僅要掌握結(jié)構(gòu)力學(xué)的核心概念和基本方法，更重要的是讓學(xué)生能夠正確靈活地應(yīng)用各種方法，并具有對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行校核、對內(nèi)力分布的合理性等做出定性判斷的能力［2］。

教師在講授過程中，要重視引導(dǎo)學(xué)生逐步增強(qiáng)定性分析的意識，培養(yǎng)定性分析的習(xí)慣。

比如，結(jié)構(gòu)力學(xué)中的約束問題。約束包括桿件的連接結(jié)點(diǎn)和支座，不同類型的約束有其內(nèi)力和變形的特點(diǎn)。這些約束構(gòu)成了結(jié)構(gòu)分析的控制點(diǎn)。以單跨單層剛架為例，按支座以及結(jié)點(diǎn)的約束條件，剛架可分為無鉸剛架、兩鉸剛架和三鉸剛架。引導(dǎo)學(xué)生思考并得出這三種剛架的區(qū)別:無鉸剛架為3次超靜定結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)內(nèi)力小，剛度好，對基礎(chǔ)要求高;三鉸剛架為靜定結(jié)構(gòu)，內(nèi)力大，剛度差，對地基要求不高;兩鉸剛架介于兩者之間。學(xué)生就會有這樣的定性認(rèn)識:在設(shè)計(jì)中通過增加約束，可以提高結(jié)構(gòu)的承載力，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的剛度。又如，在教學(xué)中訓(xùn)練學(xué)生快速作彎矩圖。學(xué)生在訓(xùn)練時往往覺得無從下手，“快速”兩字更無從談起，這就要求學(xué)生“抓住本質(zhì)，化繁為簡”。這樣，一方面可以提高學(xué)生對結(jié)構(gòu)力學(xué)的興趣，另一方面可以提高其力學(xué)素養(yǎng)，對后期處理工程實(shí)際問題有著深遠(yuǎn)的意義。

2 實(shí)施案例教學(xué)

注重在課堂中進(jìn)行案例展示。教師要針對結(jié)構(gòu)力學(xué)的具體內(nèi)容，收集實(shí)踐工程案例，建立并完善工程案例資料庫。課堂上先通過圖片、視頻和動畫等動態(tài)元素，創(chuàng)設(shè)實(shí)際工程情境，讓學(xué)生對案例有直觀的了解，找出案例中的關(guān)鍵性問題，從而引出本部分教學(xué)內(nèi)容對應(yīng)的工程任務(wù)。

比如，在講解“結(jié)構(gòu)的幾何組成分析”這章內(nèi)容時，學(xué)生對“約束”“自由度”“幾何不變體系”“幾何可變體系”“瞬變體系”等一些概念理解不透，則可以以南京長江二橋等大跨度斜拉橋?yàn)槔齺斫榻B，還可以利用動畫來演示幾何可變體系的運(yùn)動現(xiàn)象［3］。又如，在講授三鉸拱的內(nèi)力計(jì)算時，首先給出幾座拱橋的圖片，讓學(xué)生思考拱形結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，然后給出一個曲梁的例子，引導(dǎo)學(xué)生比較拱與梁有何特點(diǎn)，進(jìn)一步得出在同樣荷載下，三鉸拱的彎矩比簡支曲梁的彎矩小的結(jié)論。再如，在講解超靜定結(jié)構(gòu)時，首先給出國家大劇院和奧運(yùn)會國家體育場鳥巢的圖片，展現(xiàn)其內(nèi)部復(fù)雜的桿件體系，引導(dǎo)學(xué)生思考并討論為什么工程中多選用超靜定結(jié)構(gòu)，再引出超靜定結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，讓學(xué)生了解超靜定結(jié)構(gòu)的難點(diǎn)，從而引出超靜定結(jié)構(gòu)的解題思路，讓學(xué)生考慮如何將求解復(fù)雜的超靜定問題轉(zhuǎn)化為比較簡單的靜定結(jié)構(gòu)來處理。

通過在課堂上介紹一些國內(nèi)外的實(shí)際工程，把學(xué)科前沿的知識傳遞給學(xué)生，進(jìn)行各種形式的討論，豐富學(xué)生的知識結(jié)構(gòu)，拓展學(xué)生的思維眼界，促使學(xué)生對結(jié)構(gòu)力學(xué)與工程實(shí)際的聯(lián)系進(jìn)行深入思考。實(shí)踐證明，這樣的教學(xué)方式大大提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性，很多學(xué)生認(rèn)真思考，積極求證，甚至課后還與教師交流討論，這種教學(xué)效果在傳統(tǒng)教學(xué)過程中是比較少見的。

3 重視實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)

3.1 鋼桁架實(shí)驗(yàn)

增設(shè)結(jié)構(gòu)力學(xué)實(shí)驗(yàn)，不僅可以大大激發(fā)學(xué)生的興趣、主動性和創(chuàng)造精神，還可以培養(yǎng)學(xué)生分析能力、動手能力，從而提高其工程實(shí)踐能力。根據(jù)鹽城工學(xué)院土木工程學(xué)院實(shí)驗(yàn)室的現(xiàn)有條件，靜定桁架加載實(shí)驗(yàn)是完全可以開展的。學(xué)生可以利用簡支鋼桁架靜載實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行桁架的應(yīng)變測試和撓度測試。該裝置中采用箔式電阻應(yīng)變計(jì)測量桿件應(yīng)變，采用百分表測量下弦桿結(jié)點(diǎn)撓度。通過實(shí)驗(yàn)，可以計(jì)算出桿件的內(nèi)力分布和撓度曲線，采用逐級加載的方式，讓學(xué)生掌握桿件內(nèi)力、位移與荷載的關(guān)系，并要求學(xué)生將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證比較。另外，還可以利用課余時間，進(jìn)行連續(xù)梁、簡單框架等結(jié)構(gòu)力學(xué)實(shí)驗(yàn)。這樣，不僅可以用實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證理論計(jì)算結(jié)果，鞏固結(jié)構(gòu)力學(xué)知識，還可以培養(yǎng)學(xué)生的動手能力和創(chuàng)新意識，培養(yǎng)其工程實(shí)踐能力。

3.2 結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器

結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器是一種計(jì)算機(jī)輔助分析計(jì)算軟件，其求解內(nèi)容包括二維平面結(jié)構(gòu)(體系)的幾何組成部分、靜定、超靜定、位移、內(nèi)力、影響線等問題，全部采用精確解答。在教學(xué)中引入結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器，讓學(xué)生將電算結(jié)果與手算結(jié)果相互驗(yàn)證，完成電算實(shí)驗(yàn)報告，培養(yǎng)學(xué)生使用軟件分析工程實(shí)際問題的能力。另外，對數(shù)值計(jì)算和編程感興趣的學(xué)生，教師還可以將源程序給出，鼓勵學(xué)生動手改編程序來分析各種典型問題，可以促進(jìn)學(xué)生對所學(xué)內(nèi)容的掌握和理解，訓(xùn)練使用計(jì)算機(jī)解決問題的能力，可以大大提高學(xué)生利用計(jì)算機(jī)分析工程實(shí)際問題的能力，但此環(huán)節(jié)有一定的難度，且比較耗時，教師可根據(jù)教學(xué)情況具體實(shí)施。

3.3 結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)與制作

為提高學(xué)生對結(jié)構(gòu)力學(xué)概念的應(yīng)用和工程實(shí)踐能力，可以在課外教學(xué)中進(jìn)行結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)與制作［4］。構(gòu)建柔性開放式結(jié)構(gòu)力學(xué)研學(xué)實(shí)踐平臺，針對教學(xué)重點(diǎn)，設(shè)計(jì)一定數(shù)量的模擬工程實(shí)踐的項(xiàng)目，如懸索橋、減震基礎(chǔ)、桁架等，供學(xué)生自主選擇。利用平臺積極開展研學(xué)活動，將力學(xué)概念與工程實(shí)踐緊密聯(lián)系。比如，讓學(xué)生自己動手設(shè)計(jì)和制作多層框架房屋模型，并利用實(shí)驗(yàn)室振動臺模擬地震波，讓學(xué)生真切感受地震對于結(jié)構(gòu)的破壞作用或者模擬在移動荷載作用下的橋梁結(jié)構(gòu)，讓學(xué)生對移動荷載對結(jié)構(gòu)的作用有明確的認(rèn)識。結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)制作，具有趣味性和概念性，大大地擴(kuò)展了師生們的視野，豐富了教學(xué)生活，讓學(xué)生在實(shí)踐中快樂的學(xué)習(xí)，有利于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)力學(xué)課程的熱情，激活學(xué)生用力學(xué)概念進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的潛質(zhì)，鍛煉工程思維能力。

4 完善考核體系

傳統(tǒng)的以閉卷考試和平時成績按一定比例確定的最終成績，很難全面反映學(xué)生的學(xué)習(xí)狀況。有些平時學(xué)習(xí)態(tài)度認(rèn)真，學(xué)習(xí)效果較好的學(xué)生可能會因考試發(fā)揮失常得低分，有些學(xué)習(xí)不認(rèn)真的學(xué)生，有可能投機(jī)取巧得高分。所以，結(jié)構(gòu)力學(xué)課程要加強(qiáng)平時考核力度，最終評定成績可以考慮期中考試、期末考試、結(jié)構(gòu)力學(xué)實(shí)驗(yàn)報告、結(jié)構(gòu)電算報告、平時成績等多個方面。另外，對部分工程實(shí)用性較強(qiáng)的內(nèi)容，可以采取布置項(xiàng)目作業(yè)的形式進(jìn)行考核。

5 開展課外知識講座

邀請教學(xué)名師開展“怎樣學(xué)好結(jié)構(gòu)力學(xué)”的講座，具體到針對結(jié)構(gòu)力學(xué)的不同章節(jié)的學(xué)習(xí)方法;邀請課程組教師針對教學(xué)過程中學(xué)生感興趣的主題，由淺入深、分層次開展系列專題講座。通過知識講座開闊學(xué)生的視野，活躍學(xué)生的思路，培養(yǎng)學(xué)生聯(lián)系實(shí)際的能力。

6 參加結(jié)構(gòu)力學(xué)競賽

結(jié)構(gòu)力學(xué)競賽是課堂教學(xué)的一種補(bǔ)充方式，有利于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)課程的興趣和與相關(guān)專業(yè)課結(jié)合的意識［5］。競賽內(nèi)容往往是課程教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)內(nèi)容，任課教師就必須不斷改進(jìn)教學(xué)方法，相互交流教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，促進(jìn)教學(xué)研究和教材建設(shè)方面的提高。另外，競賽還能增進(jìn)院校之間在課程教學(xué)方面的交流，所以，適當(dāng)開展結(jié)構(gòu)力學(xué)競賽活動，對結(jié)構(gòu)力學(xué)課程教學(xué)和專業(yè)課教學(xué)具有積極的意義。

以上是針對結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)中工程實(shí)踐能力培養(yǎng)的幾點(diǎn)想法。我們將虛心學(xué)習(xí)和借鑒兄弟學(xué)校的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，推動結(jié)構(gòu)力學(xué)課程教學(xué)改革，促進(jìn)我校土木工程專業(yè)結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)水平的提高。

［1］朱慈勉，張偉平.結(jié)構(gòu)力學(xué)［M］.第2版.北京:高等教育出版社，2009.

［2］崔清洋，張大長，朱 華.結(jié)構(gòu)力學(xué)［M］.第2版.武漢:武漢理工大學(xué)出版社，2010.

［3］賈 程，陳卉卉.應(yīng)用型本科結(jié)構(gòu)力學(xué)課程教學(xué)方法探討［J］.山西建筑，2012，38(13):279-280.

［4］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.

［5］魏德敏，王 勇.以競賽促進(jìn)“結(jié)構(gòu)力學(xué)”課程教學(xué)改革［J］.理工高教研究，2007，26(1):105-106.