文獻(xiàn)民

(浙江科技學(xué)院建筑工程學(xué)院,杭州310023)

形象思維,亦稱(chēng)藝術(shù)思維,是指以各種形象物象、景象、圖像、表象、心象、意象、想象等為手段進(jìn)行思考的一種思維形態(tài)[1]。形象思維與抽象思維相互滲透、相互補(bǔ)充,在人類(lèi)科學(xué)認(rèn)識(shí)活動(dòng)中起著重要的作用。形象思維的基本特征是以感性認(rèn)識(shí)為基礎(chǔ),始終不能脫離可感知的形象,始終以事物的形象說(shuō)話(huà)。形象思維的過(guò)程就是對(duì)形象的取舍、改造、關(guān)聯(lián)和建構(gòu)的過(guò)程。借助形象思維,可以通過(guò)某種形象更快地揭示客體的整體本質(zhì)。

在鋼結(jié)構(gòu)選修課程之一材料力學(xué)的教學(xué)中,就大量使用了形象思維的分析研究方法,如受彎構(gòu)件彎曲正應(yīng)力計(jì)算公式的推導(dǎo)過(guò)程,就是以形象思維為基礎(chǔ)、形象思維與抽象思維相互滲透的典型案例。

作為結(jié)構(gòu)工程專(zhuān)業(yè)的一門(mén)重要課程,鋼結(jié)構(gòu)課程不僅內(nèi)容多,涉及的理論知識(shí)多[2],而且與工程實(shí)際結(jié)合緊密,大量的問(wèn)題都是以具體、客觀的各種形象存在的,如構(gòu)件的變形、破壞、穩(wěn)定性,連接的構(gòu)造及失效形式,各種構(gòu)造關(guān)系等。教師在教學(xué)過(guò)程中都會(huì)采用教具、照片、參觀等各種手段讓學(xué)生初步認(rèn)識(shí)和了解構(gòu)件、連接、構(gòu)造等[3-5],但是卻沒(méi)有充分利用這些形象資料開(kāi)展形象思維的教學(xué),授課方式普遍采用課堂理論推演的教學(xué)方式,偏重于對(duì)理論公式的推導(dǎo),用抽象思維的方式認(rèn)識(shí)和理解形象信息十分豐富的具體問(wèn)題,忽視了對(duì)現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)和對(duì)本質(zhì)的理解,導(dǎo)致學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性不高,學(xué)習(xí)效果較差[6]。

由于鋼結(jié)構(gòu)具有與工程實(shí)際結(jié)合緊密的特點(diǎn),其構(gòu)件和連接的形式及破壞方式可以用大量的工程實(shí)例、模型、視頻等形象信息進(jìn)行演示和說(shuō)明,因此特別適合采用形象思維的模式開(kāi)展教學(xué)。筆者在多年教學(xué)工作的基礎(chǔ)上,根據(jù)學(xué)生的實(shí)際情況逐漸嘗試采用形象思維的教學(xué)模式開(kāi)展鋼結(jié)構(gòu)課程教學(xué),取得了一些膚淺的認(rèn)識(shí)和體會(huì)。

1 形象思維教學(xué)模式的原則

形象思維教學(xué)模式的基本原則是:緊緊圍繞工程實(shí)際問(wèn)題學(xué)習(xí)鋼結(jié)構(gòu)基本理論,其模式就是先認(rèn)識(shí)、再理論、后應(yīng)用。先認(rèn)識(shí)就是通過(guò)形象對(duì)所研究的問(wèn)題建立感性認(rèn)識(shí);再理論就是結(jié)合材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)理論對(duì)形象進(jìn)行研討,學(xué)習(xí)如何運(yùn)用基本理論解釋和分析問(wèn)題產(chǎn)生的原因,發(fā)現(xiàn)形象背后的本質(zhì),提出解決方法和具體措施,進(jìn)而深刻理解鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算理論和規(guī)范;后應(yīng)用就是熟練運(yùn)用設(shè)計(jì)計(jì)算理論和規(guī)范對(duì)構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2 案例介紹

2.1 軸心受壓構(gòu)件的穩(wěn)定性

首先通過(guò)動(dòng)畫(huà)、工程照片和自制的教具演示工程實(shí)際壓桿的失穩(wěn)現(xiàn)象,建立對(duì)失穩(wěn)問(wèn)題的感性認(rèn)識(shí)。自制的教具充分考慮了構(gòu)件的基本屬性(材料,截面形狀,構(gòu)件外觀,實(shí)際加載、支撐/支座條件,殘余應(yīng)力等)對(duì)穩(wěn)定性的影響,采用獨(dú)特的教具模擬殘余應(yīng)力的產(chǎn)生過(guò)程,加深殘余應(yīng)力對(duì)穩(wěn)定性影響的認(rèn)識(shí)和理解。在演示過(guò)程中,通過(guò)討論的方式讓學(xué)生分析影響壓桿穩(wěn)定性的因素,并提出可有效提高穩(wěn)定性的具體措施。

關(guān)于構(gòu)件計(jì)算長(zhǎng)度的計(jì)算,教材和規(guī)范只給出不同支撐條件下的計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)表,但如何真正掌握并做到靈活運(yùn)用是令許多學(xué)生深感困惑的,其難點(diǎn)在于對(duì)支撐條件的作用的理解。為此設(shè)計(jì)了相應(yīng)的漫畫(huà),說(shuō)明支撐條件對(duì)構(gòu)件穩(wěn)定性的影響,如圖1所示。其中圖1(a)表示底部固定、頂部自由條件下可能的失穩(wěn)形式;圖1(b)表示底部固定、頂部布置一道側(cè)向支撐條件下可能的失穩(wěn)形式;圖1(c)表示底部固定、頂部和中間各布置一道側(cè)向支撐條件下可能的失穩(wěn)形式。通過(guò)對(duì)這三組漫畫(huà)的對(duì)比分析和研討,學(xué)生就可以非常容易理解和掌握構(gòu)件計(jì)算長(zhǎng)度的計(jì)算方法了。

在充分理解的基礎(chǔ)上,以單層工業(yè)廠房抗風(fēng)柱計(jì)算長(zhǎng)度為案例,如圖2(a)所示,分析構(gòu)造和連接關(guān)系的作用,使學(xué)生加深對(duì)構(gòu)造與支撐/支座對(duì)應(yīng)關(guān)系的理解,同時(shí)學(xué)習(xí)如何建立計(jì)算簡(jiǎn)圖,真正掌握實(shí)際構(gòu)件長(zhǎng)度的計(jì)算,如圖2(b)、(c)、(d)、(e)所示。通過(guò)圖2(b)和(c),學(xué)生可以理解抗風(fēng)柱關(guān)于強(qiáng)軸為兩端鉸支柱,抗風(fēng)柱關(guān)于強(qiáng)軸的計(jì)算長(zhǎng)度等于柱子的幾何長(zhǎng)度;通過(guò)圖2(d)和(e),學(xué)生可以理解抗風(fēng)柱被側(cè)向支撐分隔為3段兩端鉸接柱。因此,柱子關(guān)于若軸的整體穩(wěn)定性就轉(zhuǎn)換為每一柱段的整體穩(wěn)定性,相應(yīng)的計(jì)算長(zhǎng)度等于柱段的幾何長(zhǎng)度。

2.2 格構(gòu)式軸心受壓構(gòu)件的虛軸抗剪能力

格構(gòu)式軸心受壓構(gòu)件設(shè)計(jì)中的主要問(wèn)題是關(guān)于虛軸換算長(zhǎng)細(xì)比的計(jì)算及斜綴條的受力特性,教材中大都會(huì)提及虛軸的抗剪能力弱,但沒(méi)有采用材料力學(xué)的剪切理論進(jìn)行解釋。

為了讓學(xué)生更好地理解構(gòu)件關(guān)于虛軸抗剪能力減弱的原因,筆者設(shè)計(jì)了由撲克牌制成的疊合模型供學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)觀察,如圖3所示。其中圖3(a)撲克牌間光滑接觸,在水平荷載作用下,層間產(chǎn)生錯(cuò)動(dòng),抗剪能力最弱;圖3(b)撲克牌間通過(guò)膠水黏結(jié),層間的錯(cuò)動(dòng)被完全抑制,層間存在剪力,抗剪能力最高;圖3(c)撲克牌間通過(guò)大頭針連結(jié),層間錯(cuò)動(dòng)受到一定程度的限制,大頭針承受剪力,抗剪能力與大頭針橫截面抗剪能力有關(guān);圖3(d)撲克牌間通過(guò)綴板連結(jié),層間錯(cuò)動(dòng)同樣受到一定程度的限制,綴板承受剪力,抗剪能力與綴板的抗剪能力有關(guān)。

圖3 不同腹板形式對(duì)抗剪能力的影響Fig.3 Shear capacity of different columns

通過(guò)對(duì)不同的結(jié)合方式所組成的構(gòu)件抗剪能力的對(duì)比觀察,學(xué)生可以非常直觀地認(rèn)識(shí)不同結(jié)合方式所起的作用及作用的強(qiáng)弱,同時(shí)結(jié)合剪切理論,對(duì)虛軸換算長(zhǎng)細(xì)比計(jì)算的必要性有新的認(rèn)識(shí)。

為了直觀地認(rèn)識(shí)斜腹桿(綴條)的受力特性,筆者結(jié)合大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽活動(dòng),制作了結(jié)構(gòu)在豎向和橫向荷載共同作用下的變形實(shí)驗(yàn)錄像,如圖4所示,使學(xué)生可以非常直觀地觀察到斜綴條在結(jié)構(gòu)剪切變形中所起的作用及受力特點(diǎn),同時(shí)結(jié)合材料力學(xué)中剪切變形理論予以說(shuō)明,使學(xué)生學(xué)習(xí)和掌握運(yùn)用材料力學(xué)知識(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行概念性設(shè)計(jì)和分析。

圖4 結(jié)構(gòu)剪切變形與斜綴條受力Fig.4 Shear deformation and web member

2.3 簡(jiǎn)支梁的整體、局部穩(wěn)定

教師可以通過(guò)動(dòng)畫(huà)和工程照片使學(xué)生對(duì)梁的穩(wěn)定性建立感性認(rèn)識(shí),如圖5所示;根據(jù)材料力學(xué)關(guān)于彎曲正應(yīng)力分布的特點(diǎn),如圖6所示,分析發(fā)生整體失穩(wěn)和翼緣板局部失穩(wěn)現(xiàn)象的內(nèi)因;通過(guò)圖解的方式使學(xué)生了解影響穩(wěn)定性的外因,如圖7所示,理解側(cè)向支撐的作用;結(jié)合結(jié)構(gòu)力學(xué)的知識(shí),分析鋼結(jié)構(gòu)框架梁端部隅撐的作用,如圖8所示。筆者設(shè)計(jì)了模型實(shí)驗(yàn)裝置,演示剪應(yīng)力場(chǎng)作用下的腹板局部穩(wěn)定現(xiàn)象,如圖9和圖10所示,使學(xué)生更好地理解和掌握腹板橫向加勁肋的作用。在教授應(yīng)用梁的彎曲理論和剪切理論時(shí),教師通過(guò)對(duì)工程實(shí)際中受彎構(gòu)件翼緣和腹板局部失穩(wěn)現(xiàn)象進(jìn)行分析,組織學(xué)生討論可采取的提高局部穩(wěn)定的措施。

2.4 壓彎構(gòu)件的整體失穩(wěn)現(xiàn)象

壓彎構(gòu)件整體穩(wěn)定的難點(diǎn)在于對(duì)壓彎構(gòu)件的彎矩作用平面內(nèi)的失穩(wěn)和彎矩作用平面外的失穩(wěn)現(xiàn)象的理解。為了形象地說(shuō)明兩者的特點(diǎn),便于對(duì)相關(guān)理論的認(rèn)識(shí)和理解,筆者制作了影像資料,如圖11所示。其中圖11(b)和(c)表示構(gòu)件在彎矩作用平面內(nèi)失穩(wěn)情況下的變形情況,通過(guò)圖示可以清晰地表明軸心受壓條件下強(qiáng)軸失穩(wěn)與彎矩作用情況下彎曲變形的組合結(jié)果;圖11(d)和(e)表示構(gòu)件在彎矩作用平面外失穩(wěn)情況下的變形情況,是為軸心受壓條件下弱軸失穩(wěn)與彎矩作用情況下彎扭失穩(wěn)的組合結(jié)果。

圖11 壓彎構(gòu)件的失穩(wěn)形式Fig.11 Instability of beam-column

3 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)大量的影像資料和模型實(shí)驗(yàn)演示,首先使學(xué)生對(duì)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)中所涉及的主要問(wèn)題產(chǎn)生清晰的感性認(rèn)識(shí),為進(jìn)一步的學(xué)習(xí)掃清障礙;再結(jié)合材料力學(xué)的基本理論知識(shí),啟發(fā)學(xué)生利用形象思維方式對(duì)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)中所涉及的主要問(wèn)題進(jìn)行深刻的研討,使學(xué)生加深對(duì)設(shè)計(jì)理論及規(guī)范要求的內(nèi)在本質(zhì)的理解,提高了運(yùn)用理論知識(shí)解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力。這種教學(xué)模式的實(shí)施,大大調(diào)動(dòng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和參與意識(shí),營(yíng)造了師生雙向互動(dòng)的教學(xué)環(huán)境,取得了較好的教學(xué)效果。

[1] 賀善侃.形象思維?抽象思維?科學(xué)認(rèn)識(shí)[J].復(fù)旦學(xué)報(bào):社會(huì)科學(xué)版,1998(4):87-90.

[2] 張磊,李忠學(xué),趙偉.面向土木工程創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)班的鋼結(jié)構(gòu)教學(xué)改革構(gòu)想[J].高等建筑教育,2009,18(2):110-113.

[3] 劉堅(jiān),黃襄云.鋼結(jié)構(gòu)教學(xué)體會(huì)[J].高等建筑教育,2005,14(3):49-51.

[4] 王小平,萬(wàn)紅霞.《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)》課程教學(xué)的實(shí)踐與思考[J].理工高教研究,2007,26(1):101-102.

[5] 余躍.《鋼結(jié)構(gòu)》課程教學(xué)改革的探索與實(shí)踐[J].常州工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),2008(3):32-34.

[6] 付濤,嚴(yán)鈞.虛擬模型實(shí)驗(yàn)在鋼結(jié)構(gòu)教學(xué)中的應(yīng)用[J].高等建筑教育,2006,15(4):93-96.