土木工程結(jié)構(gòu)試驗的教學改革研究

陳云等

摘要：文章介紹了目前土木工程結(jié)構(gòu)試驗的教學現(xiàn)狀，剖析了其不足之處，提出了結(jié)構(gòu)試驗課程教學改革的一些措施，并特別指出利用計算機仿真分析和改進結(jié)構(gòu)試驗考核辦法對結(jié)構(gòu)試驗的教學改革具有重要意義，對結(jié)構(gòu)試驗的教學改革內(nèi)容和方向具有重要指導價值。

關(guān)鍵詞：教學改革；教學研究；結(jié)構(gòu)試驗；仿真分析

中圖分類號：G642.0；U317 文獻標志碼：A 文章編號：1005-2909（2014）04-0133-04

土木工程是一門實踐性很強的學科，僅通過書本上的理論學習很難使學生對土木工程有深入的理解和認識。鑒于此，土木工程實習和試驗是學生對土木工程獲得感性認識的重要途徑，并且可以增強學生的學習興趣。除此之外，結(jié)構(gòu)試驗還具有理論聯(lián)系實踐的重要作用，學生在書本上學習了半理論半經(jīng)驗的計算公式后，非常有必要通過一些簡單的試驗進行驗證，通過試驗可以使學生了解試驗和理論的各自優(yōu)點和不足，也可以使學生對書本上的公式和理論有更深入的理解，還能培養(yǎng)學生的探索精神，并掌握科學試驗的方法和技術(shù)手段。

土木工程結(jié)構(gòu)試驗是土木工程專業(yè)的一門專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課程，其目的是通過實驗手段測量結(jié)構(gòu)的實際工作性能，是本科生應該掌握的一項基本技能。但目前土木工程結(jié)構(gòu)試驗教學中存在一些不足之處，有必要探索切實可行的結(jié)構(gòu)試驗教學方法。筆者曾在博士期間進行了大量的結(jié)構(gòu)試驗，包括大型結(jié)構(gòu)模型地震模擬振動臺試驗、大型結(jié)構(gòu)試件擬靜力低周反復加載試驗，除此之外還參與了一些擬動力試驗，在結(jié)構(gòu)試驗方面積累了較為豐富的經(jīng)驗。因此，文章擬結(jié)合現(xiàn)有結(jié)構(gòu)試驗課程的教學現(xiàn)狀，根據(jù)筆者的研究經(jīng)驗，探索一些結(jié)構(gòu)試驗的教學改革方法。

一、結(jié)構(gòu)試驗的任務和分類

工程結(jié)構(gòu)試驗的任務就是在結(jié)構(gòu)物或試驗對象上，利用設(shè)備儀器，以各種實驗技術(shù)為手段，在荷載（重力荷載、地震作用和風荷載等）或其他因素（溫度、變形）作用下，通過量測與結(jié)構(gòu)工作性能有關(guān)的各種參數(shù)（變形、撓度、應變、振幅等），從強度（穩(wěn)定性）、剛度以及結(jié)構(gòu)實際破壞形態(tài)來判斷結(jié)構(gòu)的實際工作性能，估計結(jié)構(gòu)的承載力，并用以檢驗和發(fā)展結(jié)構(gòu)的計算和設(shè)計理論[1]。

按照試驗目的，工程結(jié)構(gòu)試驗可以分為科學研究性試驗和生產(chǎn)鑒定性試驗。科學研究性試驗的研究對象一般為縮尺結(jié)構(gòu)試驗模型（也有少部分全比例結(jié)構(gòu)試驗模型），目的是驗證結(jié)構(gòu)設(shè)計的某一理論，或驗證各種科學判斷、推理、假設(shè)及概念的正確性，或是創(chuàng)造某種新型結(jié)構(gòu)體系及其計算理論。生產(chǎn)鑒定性試驗的對象一般是真實的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，目的是檢驗結(jié)構(gòu)構(gòu)件是否符合結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范或施工驗收規(guī)范，并對檢驗結(jié)構(gòu)作出技術(shù)性結(jié)論[2]。

二、教學現(xiàn)狀及存在的不足

限于試驗條件限制，目前國內(nèi)各高校的土木工程結(jié)構(gòu)試驗教學實驗以靜力試驗為主。土木工程結(jié)構(gòu)試驗課程的教學包含理論與實驗兩部分，實驗與理論課程同步進行，其中理論教學占30學時左右，實驗教學占10學時左右。理論教學部分側(cè)重靜載試驗的教學，動載部分只簡單介紹，而實驗部分以靜載為主。根據(jù)筆者的課程教學經(jīng)驗，并參閱其他高校的教學現(xiàn)狀，目前結(jié)構(gòu)試驗教學中主要存在如下的不足之處[3-4]。

第一，學生學習上不夠重視。由于學分較少，部分學生缺乏學習該課程的主動性和積極性，甚至有學生認為結(jié)構(gòu)試驗課是一門無足輕重的輔助課程，所以學習態(tài)度不端正，積極性不足，導致對大學生實踐能力的培養(yǎng)不足。

第二，學生在試驗前的準備不夠，學生上課前只看看任務書，然后僅依賴教師講解、操作，學習比較被動。實際上，學生在上課前應做較詳細的、充分的準備工作，這樣才能在試驗時有的放矢，取得較好的效果。

第三，由于教學課時少，而內(nèi)容多，不能對該課程系統(tǒng)講授。目前國內(nèi)大多數(shù)高校的結(jié)構(gòu)試驗課程課時較少，一般在40課時以下，而教學內(nèi)容較多，導致很多重要的結(jié)構(gòu)試驗難以系統(tǒng)講授。

第四，傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)試驗教學不僅告訴學生試驗項目、詳細的試驗原理、使用儀器、測試方法、試驗步驟乃至數(shù)據(jù)記錄表格等，而且有的教師以試驗數(shù)據(jù)是否相符來判斷學生的試驗結(jié)果正確與否。

因此，結(jié)構(gòu)試驗課后，仍有很多學生還是既不會設(shè)計試驗，也不會在試驗中觀察、分析問題，試驗完畢，甚至連儀器、儀表的使用操作方法都沒多少印象。學生處于被動學習狀態(tài)， 缺少現(xiàn)場試驗前的動手鍛煉，這種教學方法僅能傳授知識，而不利于培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神和思維能力。

三、提高結(jié)構(gòu)試驗課程教學的一些改革措施

針對目前結(jié)構(gòu)試驗課程教學中存在的一些不足之處，提出如下一些改革方案。

（一）增強學生對結(jié)構(gòu)試驗課程重要性的認識

通常來講，結(jié)構(gòu)試驗課程學生還是比較感興趣的，畢竟相對理論教學的枯燥，試驗課程還是比較有吸引力的。但學生在主觀認識上對試驗課程重視不夠，認為試驗課程就是去玩。針對這個問題，必須對學生講清楚，土木工程是一門實踐性強的學科，在土木工程學科發(fā)展中非常依賴試驗科學的進步。除此之外，應向?qū)W生闡明在設(shè)計計算的時候已對計算模型進行了較多簡化，所以有必要通過試驗來進一步加深對理論計算公式的理解，并增強自己的感性認識和試驗創(chuàng)新能力。譬如即使將梁的鋼筋骨架構(gòu)成講得很詳細和生動，也不如試驗時學生獲得的直觀認識。

（二）增加試驗課時

該措施未必對所有的高校都適用，畢竟結(jié)構(gòu)試驗需要耗費大量的財力、物力和人力，以及受試驗條件的限制，進行較多的結(jié)構(gòu)試驗在有些高校也是不現(xiàn)實的。鑒于此，在試驗費用不增加的情況下，可以采取兩種辦法來增強結(jié)構(gòu)試驗的教學效果。第一，通常絕大多數(shù)學校的土木工程專業(yè)都有碩士點，很多研究生做了大量的結(jié)構(gòu)試驗，學校可以將所有的試驗資料（包括試驗圖片、錄像、數(shù)據(jù)）在學生畢業(yè)之后收集在一起。在結(jié)構(gòu)試驗的課堂教學上，可以講解一些已做過的試驗，講解試驗的研究目的、內(nèi)容、方法和技術(shù)手段，并總結(jié)試驗的不足，啟發(fā)學生思考改進措施。第二，很多學校的實驗室都有開放日，在開放日可以帶學生去觀摩別人的試驗，在試驗現(xiàn)場對學生講解，在不增加費用的情況下使學生獲得較好的感性認識。開放性試驗室就是給有興趣的學生提供一個充分開放和自由的實驗環(huán)境， 充分發(fā)揮學生的主體作用。目前海南大學土木工程試驗中心在211建設(shè)中得到了長足的發(fā)展， 不論硬件還是軟件建設(shè)上都有了很大的進步， 在開放性試驗室方面更具條件。除了課程上的必做試驗外，試驗室教師每學期初會向?qū)W生公布本學期試驗室開放的試驗內(nèi)容、指導教師及試驗學時。學生可以利用業(yè)余時間， 學習到新的測試手段， 接觸到先進的試驗設(shè)備。這對豐富學生的課堂知識， 提高學生的學習興趣很有幫助。課內(nèi)的創(chuàng)新性、設(shè)計性試驗也與試驗室的開放是分不開的， 只利用課程時間不能完成復雜的設(shè)計性試驗。

（三）利用計算機仿真改進教學方法

結(jié)構(gòu)試驗是一門綜合性課程，這門課程要上好，涉及較多的方面，該課程通常在大四上學期進行，所以很多高校的本科生在此之前已經(jīng)學習了一款常用的結(jié)構(gòu)分析軟件，譬如ANY、ABAQU、ADINA等通用有限元分析軟件或AP2000、EAB、PKPM 等土木工程專用分析設(shè)計軟件。本科生可以利用上述常用的計算軟件進行簡單的結(jié)構(gòu)分析。

無論是科學研究性試驗還是生產(chǎn)鑒定性試驗，在試驗課之前都應讓學生進行如下工作：首先，清楚試驗研究目的。如工字型鋼截面的抗剪承載力試驗，這是一個簡單的試驗，應讓學生了解試驗的研究目的：復核工字型鋼截面受剪承載力計算公式、學習常用結(jié)構(gòu)分析軟件的有限元分析方法、了解工字型鋼構(gòu)件受剪破壞全過程、了解常用結(jié)構(gòu)試驗儀器的使用方法等。其次，將試驗模型的截面尺寸及材料屬性提前發(fā)給學生，學生可以提前根據(jù)書本上工字型鋼受剪承載力計算公式計算截面的屈服承載力，但承載力計算僅能得到較少的結(jié)果，不能預測試件的破壞順序和破壞形態(tài)，因此有必要通過數(shù)值仿真分析提前對試驗模型建模并進行初步分析。第三，讓學生根據(jù)自己掌握的分析軟件在試驗前進行數(shù)值仿真分析。利用數(shù)值仿真軟件進行結(jié)構(gòu)仿真試驗的過程可分為4個步驟：（1）根據(jù)所要模擬的結(jié)構(gòu)建立數(shù)值計算模型；（2）確定結(jié)構(gòu)構(gòu)件各相關(guān)幾何參數(shù)， 材料的本構(gòu)關(guān)系或物理模型；（3）模擬實際荷載作用施加過程和邊界條件；（4）選擇有效的數(shù)值分析方法進行分析。最后比較數(shù)值分析計算的承載力與理論公式計算的承載力，并整理分析結(jié)果，比如可能破壞的先后順序、結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的滯回曲線、關(guān)鍵受力構(gòu)件的應變發(fā)展等。在試驗前應先對結(jié)構(gòu)試件的反應進行預測，這樣在試驗中才能有的放矢。

這里特別指出，應充分利用和發(fā)揮好結(jié)構(gòu)仿真分析在結(jié)構(gòu)試驗教學中的重要作用和意義。結(jié)構(gòu)試驗在結(jié)構(gòu)工程理論的發(fā)展過程中起著非常重要的作用，結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范（《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》、《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》和《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》等）都是以大量的試驗數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)而建立的，建筑結(jié)構(gòu)中的大量計算和設(shè)計公式都是半理論半經(jīng)驗的計算公式，都是建立在試驗基礎(chǔ)上的。對體型特殊、受力體系復雜的結(jié)構(gòu)物還需進行結(jié)構(gòu)的模型試驗來驗證設(shè)計的可行性。但是大型結(jié)構(gòu)試驗受到場地和設(shè)備的限制， 大都只能進行縮尺模型試驗，此類試驗有縮尺效應，試驗結(jié)果會有某種程度的失真。若要研究某一物理參數(shù)對結(jié)構(gòu)的影響需要制作多個類似構(gòu)件，進行多次結(jié)構(gòu)試驗， 往往需要耗費大量的人力和財力。在此情況下，可進行少量的計算模型驗證性試驗，然后建立其數(shù)值計算模型，在試驗驗證數(shù)值模型的基礎(chǔ)上進行仿真分析，不僅可以節(jié)省費用，而且可獲得各種變參數(shù)下的分析結(jié)果。

結(jié)構(gòu)計算數(shù)值模擬的任務有兩方面： 一是構(gòu)件（或結(jié)構(gòu)）在加載過程中的荷載-變形關(guān)系的仿真分析，二是構(gòu)件（或結(jié)構(gòu)）破壞全過程的仿真模擬[5]?；炷两Y(jié)構(gòu)（構(gòu)件）荷載-變形關(guān)系的計算機仿真分析方法， 按材料性能和變形特征可分為彈性分析方法和彈塑性分析方法。彈性分析方法只適用于結(jié)構(gòu)（構(gòu)件） 開裂前且為小變形時的情況， 彈塑性（包括材料非線性和幾何非線性）分析方法則適用于結(jié)構(gòu)（構(gòu)件）開裂后或為大變形時的情況。破壞過程的計算機仿真可以反映結(jié)構(gòu)（構(gòu)件）的薄弱部位、破壞機理和破壞特征， 為結(jié)構(gòu)方案的比較、結(jié)構(gòu)性能的評估、事故原因的分析、結(jié)構(gòu)的修復和加固提供必要的理論依據(jù)。但需要指出的是，利用有限元軟件進行構(gòu)件的破壞全過程仿真分析的結(jié)果僅具有一定的參考意義，要審慎評估應用計算機仿真分析的結(jié)果。據(jù)筆者多年的仿真分析經(jīng)驗，仿真分析嚴重依賴于個人的理論水平、軟件精通程度以及積累的經(jīng)驗。所以，一般本科生僅需進行簡單構(gòu)件的簡單加載試驗的仿真分析，使其掌握正確的建模方法和分析過程，獲得合理的結(jié)果即可，無需吹毛求疵，主要目的是培養(yǎng)其正確的科學試驗研究方法。

（四）增加綜合性、創(chuàng)新性試驗項目

為培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力，試驗指導書中只需給出方向， 指導學生自己確定試驗目的， 設(shè)計試驗方案， 并制定試驗方法步驟， 經(jīng)指導教師檢查批準后， 由學生獨立完成。通過這種探索性試驗，使學生在加深對專業(yè)課理論知識理解的同時，初步將所學的專業(yè)知識用于實踐， 并了解本專業(yè)研究方向， 掌握一些必要的專業(yè)技能， 并通過試驗鍛煉其觀察能力、操作能力、分析和解決問題的能力。在掌握了一定的試驗方法和技能后， 應獨立設(shè)計試驗方案。其目的是鍛煉學生對專業(yè)知識的綜合應用能力和提高分析和解決問題的能力。 譬如，課題組需要進行某項研究，但做試驗人手短缺，可以發(fā)動學習較好、善于思考的高年級本科生參與試驗研究，鍛煉學生的實踐能力。在此基礎(chǔ)上，學生在參與試驗研究的過程中積累了研究經(jīng)驗，并對課題研究產(chǎn)生了濃厚的興趣，可以啟發(fā)學生自己獨立進行相關(guān)的研究探索，教師主要進行點撥指導。

除此之外，實驗室可成立學生課外科技活動指導小組，組織學生開展科研實驗。學生可以自擬課題，也可以參與教師課題。對自擬課題學院應給予一定的經(jīng)費資助。參加教師科研課題由于有經(jīng)費來源，學生按勤工儉學對待，給予適當補助。譬如，海南大學土木建筑工程學院建筑系組織的第一屆“陽光海島”國際砌塊空間構(gòu)成大賽就具有非常好的示范作用，高年級的本科生參與熱情很高，既鍛煉了學生的空間想象能力、動手能力，也增強了學生的繪圖能力和創(chuàng)新能力，對學生科研探索精神的培養(yǎng)具有非常積極的意義。

（五）改進結(jié)構(gòu)試驗考核辦法

實踐能力評價是課程考核的重要方面。因此，應對學生實踐環(huán)節(jié)專門評價，提高實踐環(huán)節(jié)所占分值比重。將學生成績分為課堂成績（10%）、數(shù)值仿真學習（20%）、實驗實踐成績（40%） 和理論考試成績（30%）四部分。其中，數(shù)值仿真學習主要是學生在教師指導下學習有限元軟件，并課后自學，能獨立地建立簡單試驗模型的計算模型，并會進行有限元分析和查看計算結(jié)果。實驗實踐成績主要對學生的實驗了解情況、參與次數(shù)和程度以及完成實驗大綱和報告的質(zhì)量作出評價。對學生的實驗大綱和報告進行評價可以采用答辯形式，課程所有任課教師組成答辯組，各組學生分工完成答辯匯報，由答辯組提問并評定成績。

（六）實驗與生產(chǎn)實際相結(jié)合

為了培養(yǎng)結(jié)構(gòu)工程師應具有的基本素養(yǎng)，提倡將教學、科研和社會服務有機地合， 讓學生參加符合工程實際狀況的實踐活動， 逐步培養(yǎng)解決工程實際問題的能力和意識，及吃苦耐勞的精神。實踐教學必須走產(chǎn)學研合作的道路，要在科研活動中積極為學生開展第二課堂活動， 建立業(yè)余科研小組， 讓學生利用節(jié)假日或業(yè)余時間參與科研活動， 使他們在科研活動中學到書本上學不到的知識， 以培養(yǎng)其實驗設(shè)計能力、實驗組織能力和知識應用能力。譬如，在檢測中心進行校外委托的橫向項目檢測時，可以讓高年級本科生參與檢測，并給予一定報酬。這樣既可以提高學生的實踐能力，使學生獲得一些常用結(jié)構(gòu)檢測儀器的使用方法（如回彈儀、經(jīng)緯儀等），又可以鍛煉學生處理數(shù)據(jù)的能力，增強學生的感性認識和學習興趣。

四、結(jié)語

土木工程是實踐性很強的專業(yè)之一，結(jié)構(gòu)試驗在結(jié)構(gòu)工程的發(fā)展過程中具有極其重要的地位和作用。因此，根據(jù)目前大多數(shù)本科院校結(jié)構(gòu)試驗教學中存在的不足，文章提出了一些結(jié)構(gòu)試驗的教學改革措施和建議，重點闡述了利用計算機仿真改進教學方法和改進結(jié)構(gòu)試驗考核辦法的具體措施，期望起到拋磚引玉的作用，促進結(jié)構(gòu)試驗的教學工作不斷進步。

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（編輯 周 沫）