加強(qiáng)土建類力學(xué)課程實(shí)踐教學(xué)

王輝明 趙文

［摘要］為適應(yīng)21世紀(jì)高等教育與工程建設(shè)的需要，土建類力學(xué)課程教學(xué)改革應(yīng)圍繞教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法及教學(xué)手段下工夫，充分利用現(xiàn)代先進(jìn)技術(shù)和手段，加強(qiáng)實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)，注重實(shí)驗(yàn)教學(xué)和學(xué)生動(dòng)手能力、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，使之在培養(yǎng)具有現(xiàn)代工程素質(zhì)的工程師方面發(fā)揮更大的作用。

［關(guān)鍵詞］力學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)教學(xué)改革

［中圖分類號(hào)］G642［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］A［文章編號(hào)］2095-3437（2014）10-0044-03一、引言

理論力學(xué)、材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)等力學(xué)課程是高等院校土建類專業(yè)的專業(yè)核心基礎(chǔ)課,對(duì)這些課程力學(xué)知識(shí)的了解和掌握透徹與否，直接關(guān)系到后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)和解決工程實(shí)際問題的能力。多年來，土建類力學(xué)課程的教學(xué)內(nèi)容以經(jīng)典的力學(xué)理論和傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法為主，課程的一些內(nèi)容已滯后于現(xiàn)代科學(xué)和工程技術(shù)的發(fā)展，在教學(xué)方法上雖然引入了多媒體教學(xué)，通過直觀形象的圖像、動(dòng)畫等來加強(qiáng)學(xué)生對(duì)概念、公式的理解，通過工程實(shí)例的圖片加深對(duì)一些工程實(shí)際應(yīng)用的感性認(rèn)識(shí)，但仍存在互動(dòng)性不足、知識(shí)面狹窄、缺乏新穎性等許多問題，主要體現(xiàn)在以下幾方面。

（一） 理論聯(lián)系實(shí)際不夠緊密

現(xiàn)在的學(xué)生工程知識(shí)較為貧乏，在力學(xué)課程教學(xué)和實(shí)踐中若不進(jìn)行這方面的補(bǔ)充訓(xùn)練，很容易將工程背景較強(qiáng)的力學(xué)課程教學(xué)偏向純理論性的推導(dǎo)和計(jì)算,而忽視了實(shí)踐內(nèi)容，結(jié)果是部分學(xué)生甚至看不懂習(xí)題中簡(jiǎn)圖的工作原理，理論與實(shí)際有較嚴(yán)重的脫節(jié)。同時(shí)當(dāng)前力學(xué)教材中選編的例題和習(xí)題，大多缺乏工程色彩，很難使學(xué)生得到對(duì)實(shí)際的工程問題經(jīng)過抽象、簡(jiǎn)化從而建立力學(xué)模型的訓(xùn)練。

（二） 實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容陳舊，不能反映現(xiàn)代科技的發(fā)展

目前力學(xué)實(shí)驗(yàn)主要為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生只能按部就班地完成既定的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，限制了學(xué)生學(xué)習(xí)能動(dòng)性的發(fā)揮，束縛了學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力。力學(xué)實(shí)驗(yàn)不僅具有傳授力學(xué)知識(shí)、為驗(yàn)證力學(xué)理論服務(wù)的作用, 同時(shí)肩負(fù)著全面培養(yǎng)學(xué)生掌握科學(xué)實(shí)驗(yàn)的基本技能、基本方法和獨(dú)立進(jìn)行實(shí)驗(yàn)以解決工程實(shí)際問題能力的責(zé)任，在培養(yǎng)學(xué)生的工程能力和科學(xué)素質(zhì)方面具有重要的作用。

（三）實(shí)踐內(nèi)容和方法陳舊單一

未能充分利用各種現(xiàn)代先進(jìn)技術(shù)和手段，例如在教學(xué)內(nèi)容和習(xí)題訓(xùn)練中大多沒有引入利用計(jì)算機(jī)和現(xiàn)代專業(yè)工具求解的內(nèi)容, 削弱了對(duì)學(xué)生借助現(xiàn)代先進(jìn)技術(shù)解決實(shí)際問題手段和能力的培養(yǎng)；在課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)中，多數(shù)仍然采用傳統(tǒng)的手算方式，即使應(yīng)用了像PKPM之類的專業(yè)工具，也由于缺乏對(duì)其內(nèi)在力學(xué)原理和方法較深入的理解和掌握，使學(xué)生知其然，而不知其所以然，不能有效地培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維與實(shí)踐動(dòng)手能力。

當(dāng)前，高校土建類專業(yè)建設(shè)必須適應(yīng)培養(yǎng)具有現(xiàn)代工程素質(zhì)的創(chuàng)新人才的需要，因此對(duì)其力學(xué)課程教學(xué)改革更要充分利用和發(fā)揮現(xiàn)代先進(jìn)技術(shù)和手段，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力、實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力，最大限度地提高學(xué)生的綜合素質(zhì)。

二、充分利用現(xiàn)代先進(jìn)技術(shù)和手段，加強(qiáng)力學(xué)課程實(shí)踐教學(xué)

（一） 應(yīng)用MATLAB/MAPLE現(xiàn)代數(shù)學(xué)工具，提高學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐能力

在力學(xué)課程教學(xué)和實(shí)踐中，嘗試引入一些新內(nèi)容、新方法，使學(xué)生了解如何用計(jì)算機(jī)建立問題的力學(xué)模型以及如何用計(jì)算機(jī)求解問題，改變和淡化傳統(tǒng)課程體系中對(duì)技巧性解題方法的過分強(qiáng)調(diào)，培養(yǎng)學(xué)生的現(xiàn)代工程素質(zhì)，使學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中同時(shí)加強(qiáng)動(dòng)手實(shí)踐能力。

MATLAB/MAPLE軟件是當(dāng)前廣泛使用的現(xiàn)代數(shù)學(xué)工具，提供了豐富強(qiáng)大的微積分、線性代數(shù)、矩陣運(yùn)算、數(shù)據(jù)處理、圖形繪制和圖像處理功能，命令表達(dá)式與標(biāo)準(zhǔn)教科書中的數(shù)學(xué)表達(dá)式相近，使用界面友好，易學(xué)易用，只需聽?zhēng)仔r(shí)課，上機(jī)練幾小時(shí)，就可以入門，以后自學(xué)也十分方便，對(duì)學(xué)生而言，是一個(gè)真正的集成化的計(jì)算工具環(huán)境。在理論力學(xué)教學(xué)中，借助MATLAB/MAPLE的強(qiáng)大功能，可以大大豐富多媒體教學(xué)的手段，理論力學(xué)涉及大量的受力分析圖、運(yùn)動(dòng)分析圖，常規(guī)教學(xué)中畫這些圖需要占用大量課堂時(shí)間，并且畫的圖也很不規(guī)范，特別是涉及復(fù)雜運(yùn)動(dòng)，絕對(duì)運(yùn)動(dòng)分解為牽連運(yùn)動(dòng)和相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，要表明運(yùn)動(dòng)軌跡之間、速度之間的關(guān)系，常規(guī)教學(xué)方法不易表達(dá)清楚,利用MATLAB/MAPLE的圖片、動(dòng)畫演示功能, 可以將許多機(jī)械運(yùn)動(dòng)——如牛頭刨床、蕩木機(jī)構(gòu)、搖桿運(yùn)動(dòng)、曲柄滑塊、車床車削、彈簧系統(tǒng)等運(yùn)動(dòng)形式做成生動(dòng)的課件，使學(xué)生對(duì)運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)有形象、生動(dòng)、直觀的了解，有利于學(xué)生學(xué)習(xí)和掌握。在材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)實(shí)踐中，構(gòu)件任意橫截面上的內(nèi)力計(jì)算以及構(gòu)件的內(nèi)力圖（剪力圖、彎矩圖等）繪制是學(xué)生必須熟練掌握的基本功之一，利用MATLAB/MAPLE的符號(hào)計(jì)算功能，可以直觀地列出任意橫截面上的剪力方程、彎矩方程，并據(jù)此利用繪圖功能方便地繪制相應(yīng)的內(nèi)力圖。力學(xué)的傳統(tǒng)教學(xué)是通過做習(xí)題方式來培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算能力的，在課堂教學(xué)和習(xí)題訓(xùn)練中應(yīng)用MATLAB/MAPLE，使學(xué)生可以直觀地學(xué)習(xí)到，如何以理論公式為基礎(chǔ)對(duì)問題進(jìn)行分析求解，其分析思考過程與傳統(tǒng)教學(xué)方式是一致的，但是將紙和筆換成了計(jì)算機(jī)和專業(yè)工具軟件，這樣不僅強(qiáng)化了傳統(tǒng)教學(xué)模式著力培養(yǎng)的分析推理能力，同時(shí)激發(fā)了學(xué)生采用新方法、新手段解決工程問題的學(xué)習(xí)積極性，是集問題力學(xué)建模、分析和計(jì)算于一體的綜合訓(xùn)練，是一種面向能力培養(yǎng)的教學(xué)模式。

當(dāng)然將MATLAB/MAPLE現(xiàn)代數(shù)學(xué)工具應(yīng)用于土建類力學(xué)課程教學(xué)和實(shí)踐的課時(shí)數(shù)畢竟是極其有限的，只能起到引導(dǎo)學(xué)生入門的作用，但這對(duì)培養(yǎng)學(xué)生如何把實(shí)際問題表示成計(jì)算機(jī)能處理的力學(xué)模型是有積極的推動(dòng)作用的，同時(shí)也能更加激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，學(xué)生從中學(xué)到的不僅僅是會(huì)用MATLAB/MAPLE數(shù)學(xué)工具畫圖、公式求解和做數(shù)值計(jì)算，他們真正學(xué)到的是如何運(yùn)用這些現(xiàn)代化的先進(jìn)手段去學(xué)習(xí)掌握知識(shí)和研究解決實(shí)際問題，而具備這種能力才符合全面素質(zhì)教育的要求，符合知識(shí)經(jīng)濟(jì)時(shí)代的需要。

（二）利用計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）手段，拓展學(xué)生現(xiàn)代工程知識(shí)

計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展而興起的信息與工程技術(shù)，借助計(jì)算機(jī)和相關(guān)的專業(yè)軟件，科技工作者、工程技術(shù)人員可以完成以前很難通過手工計(jì)算實(shí)現(xiàn)的重大工程和工業(yè)產(chǎn)品的分析計(jì)算、模擬仿真與優(yōu)化設(shè)計(jì)等過程，是輔助人類進(jìn)行創(chuàng)新研究、創(chuàng)新設(shè)計(jì)的重要手段，在科學(xué)研究、工程建設(shè)和學(xué)習(xí)教育方面有著廣泛的應(yīng)用前景。當(dāng)前，象ANSYS、ABAQUS、LS-DYNA、SAP等CAE軟件在高等院校和工程界都使用的相當(dāng)普遍，已成為人們解決各類問題必不可少的輔助工具。

力學(xué)的各門課程因其教學(xué)內(nèi)容和體系結(jié)構(gòu)不同，宜采用相應(yīng)的CAE工具加強(qiáng)其實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，例如對(duì)于材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)，由于它們是實(shí)踐性比較強(qiáng)的課程，在教學(xué)手段上更要積極引入計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)、計(jì)算機(jī)仿真模擬。在這方面，ANSYS軟件是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。目前該軟件在土木工程、機(jī)械制造、航空航天、交通運(yùn)輸、石油化工、能源及醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，許多高等院校將ANSYS作為本科生和研究生教學(xué)的一項(xiàng)重要內(nèi)容。利用ANSYS軟件的優(yōu)勢(shì)，將力學(xué)課程的教學(xué)內(nèi)容與ANSYS軟件的數(shù)值仿真技術(shù)結(jié)合起來，能有效地提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和分析創(chuàng)新能力。材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)課程的主要任務(wù)是研究桿件、桿系結(jié)構(gòu)在外力作用下的受力變形和破壞規(guī)律，強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性條件的表達(dá)形式，從而為合理確定桿件的材料和截面提供必要的理論基礎(chǔ)和計(jì)算方法。在學(xué)習(xí)材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)時(shí)，學(xué)生對(duì)工程結(jié)構(gòu)及其構(gòu)件尚缺乏必要的了解，對(duì)桿件受到的約束、荷載以及簡(jiǎn)化過程沒有感性認(rèn)識(shí)，對(duì)桿件的各種變形、結(jié)構(gòu)的振動(dòng)和屈曲很難想象。通過ANSYS軟件建模功能和直觀形象的圖形顯示，能真實(shí)地模擬出各種實(shí)際工程結(jié)構(gòu)，能夠直觀地顯示梁彎曲中心的位置，精確計(jì)算出梁的截面特性，如截面慣性矩、極慣性矩、扭轉(zhuǎn)剛度等，給出截面的形心、剪心位置，可直觀地展示實(shí)際構(gòu)件的受力與約束情況以及建模過程，同時(shí)形象地演示結(jié)構(gòu)變形、結(jié)構(gòu)振動(dòng)和屈曲的過程?？傊?，利用ANSYS強(qiáng)大的數(shù)值分析以及逼真的圖形顯示功能，將其與材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)的課堂教學(xué)和課程實(shí)踐結(jié)合起來，使得學(xué)生更易于理解和掌握該課程的基本概念，提高空間想象能力、形象思維能力，從而有效地解決學(xué)習(xí)過程中的一些疑難問題，可以有效地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際，拓寬知識(shí)面，熟悉工程應(yīng)用背景，增強(qiáng)學(xué)生的工程觀念，為工程結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計(jì)打下較為堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

（三）加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，培養(yǎng)學(xué)生工程能力和創(chuàng)新意識(shí)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高等院校工科專業(yè)整個(gè)教學(xué)內(nèi)容中極其重要的組成部分，對(duì)于鞏固學(xué)生的理論知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手操作能力，提高學(xué)生觀察問題、分析問題的能力，養(yǎng)成獨(dú)立思考、科學(xué)謹(jǐn)慎的作風(fēng)，增強(qiáng)學(xué)生的工程意識(shí)都具有十分重要的意義。

力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革應(yīng)以培養(yǎng)學(xué)生的探究能力和創(chuàng)新能力為目標(biāo)，對(duì)傳統(tǒng)內(nèi)容進(jìn)行精選，建立實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的新體系。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革中，綜合性、工程設(shè)計(jì)性和前沿性教學(xué)實(shí)驗(yàn)是改革的重點(diǎn)，綜合性實(shí)驗(yàn)是基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的補(bǔ)充和延續(xù)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容涉及面廣，綜合性、思考性強(qiáng)， 可以培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用基礎(chǔ)知識(shí)的能力，具有承前啟后的作用。工程設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)是從工程中簡(jiǎn)化而來的實(shí)驗(yàn)問題，有利于加強(qiáng)學(xué)生的工程意識(shí)，鍛煉學(xué)生用實(shí)驗(yàn)手段解決工程問題的能力， 是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神的重要途徑，對(duì)于提高學(xué)生的社會(huì)適應(yīng)性也非常重要。前沿性教學(xué)實(shí)驗(yàn)是指引入新的材料、結(jié)構(gòu)形式、實(shí)驗(yàn)技術(shù)的力學(xué)實(shí)驗(yàn)，是面向少數(shù)優(yōu)秀學(xué)生和在實(shí)驗(yàn)方面具有潛能和興趣的學(xué)生，目的是為了開闊眼界，培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用高新技術(shù)發(fā)揮創(chuàng)造性的能力。近年來，借助計(jì)算機(jī)輔助工程技術(shù)、虛擬儀器開發(fā)技術(shù)（如LabVIEW軟件等）和多媒體技術(shù)，設(shè)計(jì)各力學(xué)課程仿真試驗(yàn)系統(tǒng)是提高力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)層次和教學(xué)質(zhì)量的有效途徑之一。在試驗(yàn)教學(xué)手段中將計(jì)算機(jī)技術(shù)與儀器設(shè)備有機(jī)結(jié)合，構(gòu)成虛擬實(shí)驗(yàn)室，學(xué)生可以隨時(shí)在計(jì)算機(jī)上選擇實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)框架、模擬實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景等，計(jì)算機(jī)虛擬實(shí)驗(yàn)、網(wǎng)絡(luò)虛擬現(xiàn)實(shí)以及虛擬儀器技術(shù)不是取代傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的操作和過程，而是拓展實(shí)驗(yàn)教學(xué)形式，豐富實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。通過仿真模擬實(shí)驗(yàn),可以讓學(xué)生更多地學(xué)習(xí)了解在一次實(shí)驗(yàn)課中無法反復(fù)觀察和實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容，提升教學(xué)效果。由于基于計(jì)算機(jī)的模擬實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)設(shè)備和儀器具有不可破壞性，因此學(xué)生的實(shí)驗(yàn)不再都是教師操作的復(fù)制，而是自己動(dòng)手、動(dòng)腦去解決一些與生活、工程密切相關(guān)的實(shí)際問題，讓學(xué)生主動(dòng)去探索、試驗(yàn)解決問題的方法，獲取更多的知識(shí)，培養(yǎng)他們的應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力，使力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)更加符合工程素質(zhì)教育的要求。

三、結(jié)語

為了適應(yīng)21世紀(jì)高等教育與工程建設(shè)需要，培養(yǎng)理論基礎(chǔ)扎實(shí)、實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力強(qiáng)的高素質(zhì)人才，土建類力學(xué)課程的教學(xué)改革應(yīng)圍繞教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法及教學(xué)手段下功夫，充分利用和發(fā)揮現(xiàn)代先進(jìn)技術(shù)，加強(qiáng)實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)，使之在培養(yǎng)具有現(xiàn)代工程素質(zhì)的工程師方面發(fā)揮更大的作用。

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［責(zé)任編輯：碧瑤］