以創(chuàng)新為導向的“結構力學”實踐教學體系研究★

張艷敏 溫立平 王素莉

(防災科技學院土木工程學院，河北 三河 065201)

隨著時代的發(fā)展，社會和行業(yè)對人才的要求越來越高，基礎知識厚，實踐能力強，上手快的應用性人才日益受到用人單位的青睞。傳統(tǒng)結構力學的教學圍繞課程的理論體系開展，比較注重理論知識的系統(tǒng)性講授，忽視理論知識與工程實踐的結合，嚴重影響了課程的教學效果和創(chuàng)新型人才培養(yǎng)質(zhì)量。我院結構力學課程組的老師以培養(yǎng)學生實踐能力和創(chuàng)新精神為導向，積極進行實踐教學體系的研究和探索，形成了以實驗教學為基礎、結構設計大賽為提高的實踐教學體系建設雛形。

1 建設結構力學實驗項目庫，開展課內(nèi)及課外開放性實驗

實踐教學是結構力學教學中的重要組成部分，和理論教學相輔相成，不可或缺，而實驗教學則是其最基礎核心的內(nèi)容。學生通過自己動手操作完成實驗，得到既定的實驗現(xiàn)象，甚至親自設計實驗以解決自己不懂的問題，不僅可以牢固地掌握知識，加深對知識的理解，還能激發(fā)學生自主探究的興趣，點燃學習結構力學的激情。

結構力學課題組的老師為豐富實驗內(nèi)容，滿足實驗教學需要，建設了實驗項目庫。項目庫包含實驗項目500個以上，內(nèi)容主要為結構模型靜動力實驗、結構力學求解器應用類實驗、工程實際項目建模實驗及結構設計類實驗(含結構設計大賽賽題)等四個方面，其中除包含基本理論相關的驗證性實驗外，多數(shù)為綜合設計性實驗和創(chuàng)新性實驗，給學生提供多重選擇。

“他山之石，可以攻玉”。在吸收其他院校實驗教學經(jīng)驗的基礎上，我院開展了結構力學分層次實驗教學。針對不同程度學生的學習情況，將結構力學實驗劃分為限制必修實驗和獎勵選修實驗兩個層次。

限制必修實驗為基礎性實驗，共8學時，在課內(nèi)開設，分別為靜定桁架模型靜載實驗、超靜定剛架模型靜載實驗、結構力學求解器應用實驗、模型共振及隔震演示實驗和多自由度體系的模態(tài)測試實驗，要求全體學生參與實驗，實驗成績計入課程考核成績；獎勵選修實驗則開設為課外開放性實驗，多為綜合設計性或創(chuàng)新性實驗，主要為滿足對結構力學實驗有濃厚興趣的學生需要開設，而開放實驗并不計入學生的學分中，為調(diào)動學生積極性，參與完成實驗的同學可給予適當?shù)钠綍r成績加分，此為“獎勵”之含義。

因我院結構力學課程分兩學期開設，故開放性實驗也是每學期都有，且實驗內(nèi)容與每學期的理論教學內(nèi)容相協(xié)調(diào)。春季學期開放實驗主要為結構力學求解器應用類實驗和結構模型靜載實驗，實驗項目遍及幾何構造分析、靜定及超靜定結構計算、影響線、位移計算等內(nèi)容，有效補充了學生學習理論基礎知識不扎實，自我檢驗校核能力的不足。秋季學期則為結構模型動力實驗和工程實際結構建模實驗，此時學生已具備初步的理論分析計算能力，則開放實驗著重在培養(yǎng)學生的工程實際應用能力。針對實際工程案例，力學簡化為計算簡圖，再利用結構力學求解器進行力學建模分析計算，一方面使學生學習和掌握了結構力學的理論和計算方法，另一方面使學生了解了工程結構的力學簡化思路和過程，培養(yǎng)了學生的實踐動手能力和工程意識。

2 開展課堂小實驗，彌補理論授課的不足

演示實驗是力學概念教學的重要組成部分。結構力學理論教學中也有部分概念或內(nèi)容，口頭講授學生理解不太容易，但非常適合用教具或簡單模型來演示。針對這一情況，我們開發(fā)制作了相關教具和模型，在課堂開展小實驗，輔助理論教學。如幾何構造分析中的常變體系、瞬變體系、瞬鉸等抽象概念，我們設計制作了不同尺寸的各種桿及約束，課堂上組裝出四連桿機構、帶斜撐的四連桿，形象展現(xiàn)了由幾何常變體系到幾何不變體系的過渡，同時還發(fā)動學生分組組裝出瞬變體系和教材中例題對應的結構模型，引起學生極大的興趣；又如，講解影響線中的機動法時，很多同學想象不出機構的虛位移圖，我們也制作出與例題相對應的桿系機構，直觀展示出其彎矩、支反力等所對應的虛位移形式，使學生對虛位移有了感性的認識；另外，在結構動力學部分，我們還制作出各種單自由度體系、兩自由度體系的模型，課堂展示質(zhì)量、剛度(主要為材料和桿件長度)對自振頻率、周期的影響、鞭梢效應的現(xiàn)象及動力吸振器等概念。通過開展課堂的小實驗，形象展示這些結構力學中的重點和難點，加深了學生對理論知識的理解和把握，同時鍛煉了學生的動手操作能力，有效彌補了理論講授的不足，提高了課堂教學趣味性。

3 以“結構設計大賽”為切入點，培養(yǎng)學生工程實踐能力和創(chuàng)新協(xié)作精神

“結構設計大賽”自1994年被清華大學土木系開創(chuàng)以來，經(jīng)多年發(fā)展其足跡已遍及全國，成為大土木類專業(yè)學生工程實踐的平臺，是培養(yǎng)大學生創(chuàng)新意識、團隊協(xié)同精神和工程實踐能力等綜合素質(zhì)的不可多得的途徑。大賽分全國性和地方性兩個層次，賽題包含橋、拱、塔、空間結構、公建、古建等多種結構類型，涉及方案比選、體系優(yōu)化、結構建模、分析計算、模型制作等多方面知識，檢驗學生對土木工程結構知識的綜合運用能力，極富創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)性。

我院從2010年開始已連續(xù)參加了九屆“北京市大學生結構設計競賽”，比賽分為選拔賽、晉級賽、校內(nèi)決賽和北京市決賽，在土木工程學院有著較高的影響力和知名度，也取得了優(yōu)異的成績，今年還初次參與了全國結構設計大賽。通過參與比賽項目，學生充分發(fā)揮想象力，積極開拓思維，努力查找資料，認真分析比對各種設計方案，進一步熟悉了梁、拱、組合結構、空間結構等各種體系的優(yōu)缺點，理解了各類荷載作用下各自的受力性能，了解了材料、截面等條件對結構受力的影響，模型制作與實際工程施工的關系等抽象的理論知識，拓寬了專業(yè)視野，真正提高了專業(yè)實踐能力，培養(yǎng)了學生創(chuàng)新和協(xié)作精神。目前，結構設計大賽已成為結構課程實踐教學體系中必不可少的一個環(huán)節(jié)。

實踐是理論的源泉。實踐教學要依據(jù)多元化個性化的教學理念來全方位培養(yǎng)學生的實踐創(chuàng)新能力。我院結構力學課題組以開展分層次的課內(nèi)外實驗教學及課堂小實驗為基礎，結構設計大賽為提高，形成了我院土木工程類專業(yè)的結構力學實踐教學體系，使之與理論授課相結合，提升了課程的教學效果。