基于趣味性和概念性的結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)改革

李效民

摘要：本文根據(jù)教學(xué)實(shí)踐及結(jié)構(gòu)力學(xué)課程的特點(diǎn)，對(duì)結(jié)構(gòu)力學(xué)趣味性和結(jié)構(gòu)力學(xué)概念性培養(yǎng)的必要性進(jìn)行了論述，對(duì)趣味性和概念性的實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行了探討，為激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和探索精神，培養(yǎng)結(jié)構(gòu)力學(xué)概念提出了相關(guān)的意見(jiàn)和建議，以期為提高結(jié)構(gòu)力學(xué)的教學(xué)藝術(shù)和教學(xué)效果提供一定的參考。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)力學(xué)；趣味性；概念性

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2017）05-0124-02

結(jié)構(gòu)力學(xué)是土木工程、機(jī)械工程、水利工程專業(yè)及工程管理、環(huán)境工程等相關(guān)專業(yè)的一門(mén)相當(dāng)重要專業(yè)基礎(chǔ)課，是進(jìn)入專業(yè)課程學(xué)習(xí)前的一門(mén)核心課程。學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)力學(xué)的主要任務(wù)和目標(biāo)是在對(duì)平面桿系結(jié)構(gòu)分析計(jì)算涉及的基本概念、基本原理和基本方法掌握的基礎(chǔ)上，了解連續(xù)梁、剛架、桁架等各類靜定和超靜定結(jié)構(gòu)的受力特性，培養(yǎng)學(xué)生在結(jié)構(gòu)建模、分析和計(jì)算等方面的能力，從而為合理設(shè)計(jì)工程結(jié)構(gòu)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。當(dāng)前《結(jié)構(gòu)力學(xué)》教材版本眾多，相較于很多課程教材具有內(nèi)容全面深入、涉及計(jì)算方法眾多、敘述邏輯嚴(yán)謹(jǐn)且層次分明的要求與特點(diǎn)。然而也正是由于這些要求及特點(diǎn)，一方面學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)力學(xué)，學(xué)生普遍存在畏難心理，另一方面長(zhǎng)期以定量計(jì)算為主的教學(xué)模式，造成相當(dāng)一部分學(xué)生過(guò)度關(guān)注計(jì)算過(guò)程和計(jì)算結(jié)果，而對(duì)于計(jì)算結(jié)果正確與否卻無(wú)從判斷。本文基于教學(xué)實(shí)踐及結(jié)構(gòu)力學(xué)課程本身的特點(diǎn)，從結(jié)構(gòu)力學(xué)趣味性學(xué)習(xí)和概念性培養(yǎng)兩方面對(duì)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)模式提出一點(diǎn)改進(jìn)建議。

一、結(jié)構(gòu)力學(xué)趣味性的培養(yǎng)

1.結(jié)構(gòu)力學(xué)趣味性培養(yǎng)的必要性。一門(mén)課程的學(xué)習(xí)，如果不能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，那么即使該課程再重要，也很難取得良好的教學(xué)效果，教學(xué)目標(biāo)亦很難實(shí)現(xiàn)。那么，結(jié)構(gòu)力學(xué)到底有沒(méi)有趣味？我的答案是有趣，而且相當(dāng)有趣。結(jié)構(gòu)力學(xué)的趣味性來(lái)源于很多方面，既有其研究對(duì)象的多樣性，包括連續(xù)梁、剛架、拱、桁架及組合結(jié)構(gòu)等，又有研究?jī)?nèi)容的系統(tǒng)性，還在于其研究方法的邏輯縝密性、解題方法和思路的靈活和多樣性。學(xué)好結(jié)構(gòu)力學(xué)課程，既能積累必要的知識(shí)，又能啟發(fā)心智、鍛煉思維，開(kāi)拓視野、提高能力，為今后的學(xué)習(xí)乃至工作打下良好基礎(chǔ)。因此，要想取得上述效果，一個(gè)重要的問(wèn)題就是教師“怎樣教”和學(xué)生“如何學(xué)”。一門(mén)有趣的課程，不見(jiàn)得人人都覺(jué)得有趣，學(xué)生如此，教師未必不如此。其中教師是主導(dǎo)方面，因此在教學(xué)過(guò)程中有意識(shí)地對(duì)結(jié)構(gòu)力學(xué)趣味性加以論述和使用是很有必要的，主動(dòng)去調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)力學(xué)的興趣。

2.如何培養(yǎng)結(jié)構(gòu)力學(xué)趣味性。要培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，講好緒論很關(guān)鍵。一般來(lái)說(shuō)，學(xué)生對(duì)于一門(mén)新課程的學(xué)習(xí)最初是抱有很大好奇心的，學(xué)習(xí)熱情也比較高，因此很想知道結(jié)構(gòu)力學(xué)這門(mén)課程主要研究對(duì)象是什么，主要的研究?jī)?nèi)容和研究方法有哪些，通過(guò)學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)力學(xué)最終能解決什么問(wèn)題，這些疑問(wèn)在第一章緒論中都應(yīng)該有很好的初步解答。也就是說(shuō)講好緒論部分是至關(guān)重要的，決不能認(rèn)為本章由于沒(méi)有實(shí)質(zhì)性的內(nèi)容，一帶而過(guò)，必須將緒論部分的講解提升到很高的高度，讓學(xué)生對(duì)結(jié)構(gòu)力學(xué)有著很好的第一印象。

學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)力學(xué)的熱情和好奇心若是在整個(gè)學(xué)習(xí)過(guò)程中有很好的保持，學(xué)習(xí)就會(huì)取得事半功倍的效果，因此作為結(jié)構(gòu)力學(xué)老師應(yīng)該能夠善于調(diào)動(dòng)并激發(fā)這種情緒。講解中可以首先從追溯結(jié)構(gòu)力學(xué)發(fā)展起源及發(fā)展歷程開(kāi)講，將結(jié)構(gòu)力學(xué)在日常生活常識(shí)和大量標(biāo)志性建筑物中的應(yīng)用進(jìn)行論述，使學(xué)生明白結(jié)構(gòu)力學(xué)理論源于實(shí)踐又用于指導(dǎo)實(shí)踐，結(jié)構(gòu)力學(xué)在工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中發(fā)揮著最重要的理論指導(dǎo)作用，是極其有用和有趣的一門(mén)課程。還有一點(diǎn)很重要，就是在教學(xué)過(guò)程中通過(guò)各種例題和結(jié)構(gòu)的講解讓學(xué)生懂得，在看似枯燥乏味的公式和原理背后實(shí)際上結(jié)構(gòu)力學(xué)之美無(wú)處不在。包括結(jié)構(gòu)力學(xué)的中結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性、方法的簡(jiǎn)潔性、原理中存在的對(duì)偶性等，作為教師要能夠把這種趣味性講解出來(lái)，讓學(xué)生發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)力學(xué)之美，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)力學(xué)的興趣。

3.結(jié)構(gòu)力學(xué)趣味性舉例。幾何組成分析是結(jié)構(gòu)力學(xué)中首先要講解的內(nèi)容也是其中一個(gè)很重要的章節(jié)，其應(yīng)用貫穿于后面所有分析之中。要讓學(xué)生明白實(shí)際工程是通過(guò)將一根一根桿件或者部件“組裝”起來(lái)的過(guò)程，通過(guò)一根根桿件組裝成小的剛片，然后再將多個(gè)剛片組裝成更大的剛片或者結(jié)構(gòu)。而結(jié)構(gòu)力學(xué)內(nèi)力的求解過(guò)程則是與其組裝過(guò)程完全相反的一個(gè)過(guò)程，也就是一種逆求解，是一種“拆分”的過(guò)程，從整體到各個(gè)部分這一拆一裝的過(guò)程就表現(xiàn)出非常完美的對(duì)偶性。一個(gè)最直接和簡(jiǎn)單的例子就是采用節(jié)點(diǎn)法對(duì)于桁架結(jié)構(gòu)的求解中，其求解過(guò)程就是按照在幾何組成分析中的二元體組成規(guī)律的反順序進(jìn)行求解。再比如對(duì)于連續(xù)多跨梁的幾何組成分析是先固定基本部分然后再固定附屬部分的一個(gè)過(guò)程，同樣在其內(nèi)力的計(jì)算分析中則是從附屬部分到基本部分的組成分析逆順序的逐步“拆分”的一個(gè)過(guò)程。

力法和位移法是求解超靜定結(jié)構(gòu)的兩種最基本的方法，是結(jié)構(gòu)力學(xué)學(xué)習(xí)的難點(diǎn)和重點(diǎn)，亦是考試必考內(nèi)容，學(xué)生普遍反映分析思路和計(jì)算步驟相當(dāng)繁瑣，很難掌握。因此在教學(xué)過(guò)程中可以從兩種方法在基本原理、基本未知量、基本結(jié)構(gòu)、基本體系、基本方程及應(yīng)用范圍等方面進(jìn)行對(duì)比，讓學(xué)生明白兩種方法存在的這種對(duì)偶性，了解雖然這兩種方法外在表現(xiàn)差異巨大，基本思想?yún)s存在一致性，要求解超靜定結(jié)構(gòu)先取一個(gè)基本體系，然后讓基本體系在受力方面和變形方面與原結(jié)構(gòu)完全一樣，即都是先將所要求解的超靜定結(jié)構(gòu)修改為已能夠求解的靜定結(jié)構(gòu)或者單根桿件體系然后再將其恢復(fù)到原結(jié)構(gòu)體系，也就是受力或變形要保持一致。

二、結(jié)構(gòu)力學(xué)概念性的培養(yǎng)

1.結(jié)構(gòu)力學(xué)概念性培養(yǎng)的必要性。傳統(tǒng)的經(jīng)典結(jié)構(gòu)力學(xué)讓我們相信，只要采用的基本計(jì)算原理準(zhǔn)確，計(jì)算步驟和方法正確，那么計(jì)算結(jié)構(gòu)將必然是正確的，也就是說(shuō)任務(wù)由于所計(jì)算的結(jié)構(gòu)體系是唯一確定的，那么計(jì)算結(jié)構(gòu)也必然是唯一的，不存在多個(gè)結(jié)果的可能性，因此就對(duì)計(jì)算結(jié)果的正確合理性缺乏校核驗(yàn)證。而實(shí)際結(jié)構(gòu)往往是十分復(fù)雜的，將結(jié)構(gòu)力學(xué)教材中的理論知識(shí)直接應(yīng)用于實(shí)際結(jié)構(gòu)的模擬計(jì)算是一件很難完成的任務(wù)。

同時(shí)隨著時(shí)代的發(fā)展進(jìn)步，當(dāng)前設(shè)計(jì)院對(duì)學(xué)生將所學(xué)到的專業(yè)知識(shí)直接應(yīng)用于實(shí)際問(wèn)題的解決提出了很高的要求，對(duì)計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力提出了新的要求。計(jì)算機(jī)計(jì)算能力的提升肯定是一件好事，滿足了學(xué)生對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)求解計(jì)算的雄心。同時(shí)新的問(wèn)題也隨之出現(xiàn)，一是對(duì)得到的結(jié)果缺少評(píng)判依據(jù)，二是對(duì)兩種數(shù)值計(jì)算模型所得結(jié)果的差異來(lái)源無(wú)從判斷，三是對(duì)計(jì)算機(jī)所得出的大量數(shù)據(jù)很難提取有價(jià)值的信息。由于對(duì)結(jié)構(gòu)計(jì)算過(guò)程中涉及基本原理的選取、計(jì)算方法、不同軟件的選擇、結(jié)構(gòu)體系和載荷的確定以及使用者的主觀原因，計(jì)算結(jié)果有差異甚至是錯(cuò)誤是必然會(huì)出現(xiàn)的。而能夠檢驗(yàn)判斷這些錯(cuò)誤的原因，不是基本原理和計(jì)算方法，也不是計(jì)算機(jī)本身，而只能是設(shè)計(jì)者自己，所以概念判斷能力的培養(yǎng)和提升是極其重要的。

2.結(jié)構(gòu)力學(xué)概念性的培養(yǎng)。如何培養(yǎng)學(xué)生對(duì)一個(gè)結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果定性判斷即從結(jié)構(gòu)概念上的這種判斷能力呢？筆者認(rèn)為主要來(lái)自兩方面，一是來(lái)自傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)力學(xué)知識(shí)，再一個(gè)就是來(lái)自基于軟件本身的計(jì)算結(jié)構(gòu)力學(xué)。在學(xué)習(xí)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)力學(xué)知識(shí)時(shí)，不只是要重視涉及的基本原理和方法，更要對(duì)結(jié)構(gòu)本身及其載荷條件的變化格外關(guān)注，尤其是要對(duì)結(jié)構(gòu)體系隨著載荷邊界條件的改變之后的變化趨勢(shì)進(jìn)行總結(jié)，從而逐步形成概念判斷的習(xí)慣，達(dá)到應(yīng)用結(jié)構(gòu)力學(xué)知識(shí)的目的。

培養(yǎng)結(jié)構(gòu)力學(xué)的概念性，就要從傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)力學(xué)中剔除那些不適合的內(nèi)容和方法。傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)力學(xué)更側(cè)重理性思維，突出強(qiáng)調(diào)約束與反力之間的等效關(guān)系；而概念結(jié)構(gòu)力學(xué)偏向于對(duì)結(jié)構(gòu)的直觀感覺(jué)，注重在計(jì)算之前從整體上把握結(jié)構(gòu)的類型和特征。傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)中經(jīng)常把受力與結(jié)構(gòu)變形分離開(kāi)來(lái)，受力方向可以任意假設(shè)；而概念結(jié)構(gòu)力學(xué)則對(duì)結(jié)構(gòu)受力變形規(guī)律更加注重，受力方向最好是其真實(shí)受力方向。

三、結(jié)語(yǔ)

要想讓學(xué)生學(xué)好結(jié)構(gòu)力學(xué)這門(mén)課程，首先要讓學(xué)生對(duì)其懷有濃厚的興趣和強(qiáng)烈的好奇心，使學(xué)生能夠通過(guò)在發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題過(guò)程中獲得滿足感，從而進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。同時(shí)在教學(xué)過(guò)程中，注重結(jié)構(gòu)力學(xué)概念性的培養(yǎng)，從而力求達(dá)到理論與實(shí)踐的結(jié)合。因此，作為結(jié)構(gòu)力學(xué)教師來(lái)說(shuō)激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)力學(xué)的興趣、培養(yǎng)學(xué)生在分析結(jié)構(gòu)中的整體概念性非常重要，若是能夠做好這兩點(diǎn)對(duì)提高結(jié)構(gòu)力學(xué)的教學(xué)就能起到事半功倍的效果。

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