陶 燕，劉 錚，陳 進，李耕勤，王 奇

（昆明理工大學(xué) 建筑工程學(xué)院，云南 昆明 650224）

在《朗文辭典》中，“概念”被定義為原理或者觀點，原理是指那些已被認(rèn)可的，并可作為推理或行動基礎(chǔ)的事實或信念[1]。在土木工程領(lǐng)域，結(jié)構(gòu)概念是學(xué)習(xí)、分析和設(shè)計的重要基礎(chǔ)?；炷两Y(jié)構(gòu)設(shè)計原理課程是土木專業(yè)學(xué)生接觸的第一門面向工程技術(shù)運用的課程，不僅要傳授理論知識，還要培養(yǎng)學(xué)生的工程思維。理解結(jié)構(gòu)概念、講授結(jié)構(gòu)概念以及的工程中運用結(jié)構(gòu)概念是十分重要的。過去，概念主要通過手算和工程經(jīng)驗積累所得。而現(xiàn)在，大量的工作由計算機替代，這就需要借助新的方法來獲取結(jié)構(gòu)概念。借助多媒體技術(shù)，采用形象化教學(xué)方法，使得我們對抽象的結(jié)構(gòu)原理直接能夠感知到。

一、多媒體動畫效果，讓復(fù)雜理論變?nèi)菀?/h2>

混凝土受彎構(gòu)件正截面承載力計算是課程中接觸的到比較重要的一部分內(nèi)容。在適筋梁破壞試驗中，三個階段的中混凝土應(yīng)力——應(yīng)變的發(fā)展是教學(xué)難點。雖然課程中詳盡描述了各個階段的特征，但是同學(xué)并沒有很深刻的印象，并不理解講這些的用意何在？尤其是基本假設(shè)提出后，建立了混凝土承載力極限狀態(tài)的基本模型，采用等效方法簡化模型時，一系列公式的推導(dǎo)更讓很多同學(xué)陷入了茫然。針對此現(xiàn)象，在公式推導(dǎo)前，引入混凝土非線性應(yīng)力分布等效為均不應(yīng)力的轉(zhuǎn)化為均勻分布的動畫，如圖1所示，使得學(xué)生從單一的理論介紹中激發(fā)興趣觀看動畫，同時思考觀看動畫前教師提出的啟發(fā)性問題，并從中去努力尋找答案。經(jīng)過動畫演示，同學(xué)可以自己提出承載力大小不變下的等效條件：兩圖形不但壓應(yīng)力合力的大小相等，而且合力的作用位置完全相同，奠定了該門課程后續(xù)理論介紹的堅實基礎(chǔ)。

圖1 非線性應(yīng)力分布的等效轉(zhuǎn)化

二、多媒體展示工程實際，感知結(jié)構(gòu)中的力學(xué)

“一切工程問題歸結(jié)為力學(xué)問題。”；“自然界的事物基本上很簡單，所有的基礎(chǔ)原理及主要問題都可以用數(shù)學(xué)方式表達，這是應(yīng)用數(shù)學(xué)家的一個信仰。——林家翹”。[2]每當(dāng)講述完受壓構(gòu)件后，都會將這句話顯示在幻燈片屏幕上。同學(xué)先是驚奇，接著是嘆氣。一提數(shù)學(xué)或者是力學(xué)問題大多同學(xué)都覺得恐懼，但是力學(xué)模型又是聯(lián)系實際和理論的基本橋梁，是將實踐升華為理論的關(guān)鍵。所建立的基本模型結(jié)構(gòu)和基本假設(shè)應(yīng)既能反映工程實際情況，又能使力學(xué)模型簡潔明了以便用數(shù)學(xué)問題解答。為了讓學(xué)生消除這樣的恐懼感，在教學(xué)中采用多媒體展示工程實際圖片，讓學(xué)生去感知力學(xué)的存在，例如圖2[3]。圖片所示為Kio雙塔之一，高144m，夠26層，位于馬德里市，以“歐洲之門”而聞名。是相互傾斜的兩建筑物，每個塔德豎向傾斜角是15°，讓同學(xué)思考這一實際工程中面蘊含著什么樣的力學(xué)問題，猜想工程中會如何解決？

圖2 馬德里Kio雙塔之一

圖3 受壓構(gòu)件破壞形式

與我們學(xué)習(xí)的受壓構(gòu)件的破壞形式（圖3）有何聯(lián)系？結(jié)果，同學(xué)們的反映很積極。經(jīng)過熱烈討論，都認(rèn)為這是力學(xué)中質(zhì)心與穩(wěn)定問題，這樣的傾斜會引起建筑物的傾覆。所以對其中的受壓構(gòu)件，不是我們所說的強度條件滿足即可，對構(gòu)件的傾覆也是不容忽視的。當(dāng)告知同學(xué)們，該建筑為減小這種傾覆所采取的措施之一是在建筑的地下室增加巨大的平衡配重，不僅降低了建筑物的質(zhì)心，還能使建筑物的質(zhì)心向基礎(chǔ)中心的正上方移動后，同學(xué)們就更興奮了。有同學(xué)還聯(lián)想到了北京首都的中央電視臺新樓。據(jù)此，再將教材第二章中混凝土結(jié)構(gòu)極限設(shè)計方法的理論內(nèi)容回顧一下，終于可以體會短短文字所描述原理的深刻含義了。課程中隨著不斷類似工程實例的引入，逐步消除了同學(xué)認(rèn)為運用力學(xué)思想解決工程實際問題是一種高深、難把握的方法的認(rèn)識，幫助他們逐步建立和習(xí)慣將力學(xué)思維貫穿在結(jié)構(gòu)工程中，加深了結(jié)構(gòu)概念，為后續(xù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計課程打下了良好基礎(chǔ)。

三、多媒體實驗演示，感知復(fù)雜計算原理

在課程的教授和學(xué)習(xí)中會碰到很多計算原理。除了運用力學(xué)、數(shù)學(xué)區(qū)解決工程實際問題外，更重要的對計算原理本身的深刻理解，如果能用可以感知的場景去理解計算原理，那么對其在工程中運用會達到一種創(chuàng)造的境界。以預(yù)應(yīng)力混凝土部分為例。

在學(xué)習(xí)完普通混凝土原理后，同學(xué)們都建立了普通混凝土的通常情況下都是帶裂縫工作的這一概念。但是施加對預(yù)應(yīng)力可以是混凝土不開裂難以理解，并且認(rèn)為工藝復(fù)雜，理論高深，在學(xué)習(xí)中帶有畏難情緒。為幫助同學(xué)更好感知預(yù)應(yīng)力的概念，特用一組實驗演示來加以說明。

圖4[3]為一組中心帶小孔的木塊，通過金屬線將它們連接在一起。金屬線一端固定在支架上，另一端穿過支架。無預(yù)應(yīng)力狀態(tài)（a圖）不能承受任何荷載；如果在金屬線端部懸掛重物使繩張緊，木塊彼此擠壓形成可承受外荷載的結(jié)構(gòu)（b圖）。

圖4 預(yù)應(yīng)力作用試驗之一——梁

圖5[3]同樣為為一組中心帶小孔的木塊，把它們堆成柱子，一更松弛的松緊繩一段固定在底座，另一端出穿過木塊。很明顯，在繩松弛下（無預(yù)應(yīng)力），施加水平推力，柱子會倒塌（a圖）；施加預(yù)應(yīng)力后（（b圖），再次施加水平推力（c圖），柱子很難被推倒。

圖5 預(yù)應(yīng)力作用試驗之二——柱

在此基礎(chǔ)上進一步引入預(yù)應(yīng)力的理論推導(dǎo)和闡述就可以使該部分內(nèi)容易于理解，并且可以擴寬預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)用范圍和領(lǐng)域。

四、網(wǎng)絡(luò)多媒體創(chuàng)新實驗引入，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣

該門課程的教學(xué)形成了完善的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺，便于不同層次學(xué)生根據(jù)自身學(xué)習(xí)能力有所選擇的進行自主學(xué)習(xí)。利用網(wǎng)絡(luò)信息更新快的特點，結(jié)合學(xué)生大創(chuàng)項目和全國結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽項目，在網(wǎng)絡(luò)中設(shè)有創(chuàng)新實驗?zāi)K，及時將每個相關(guān)混凝土結(jié)構(gòu)的新項目的設(shè)計、分析、實驗結(jié)果及時發(fā)布網(wǎng)絡(luò)，發(fā)起相應(yīng)的討論，大大激發(fā)了同學(xué)的學(xué)習(xí)興趣。例如：CFRP加固鋼筋混凝土梁剛度試驗。從實驗?zāi)Ｐ驮O(shè)計開始到制作、加固的全過程均有詳細的圖片（圖6——圖8）和說明。實驗完成后獲得的結(jié)果（圖10、圖12）和課程教學(xué)中的理論相結(jié)合（圖11、圖13），對課程中涉及的幾組曲線有了更深刻的理解和運用。并有部分同學(xué)表示希望能夠參與到類似的項目中來。

圖6 實驗梁尺寸和配筋示意圖

圖7 試件澆筑完成

圖8 拆模后實驗梁

圖9 碳纖維布加固方式

圖10 某幾組實驗梁跨中撓度曲線

圖11 彎矩—撓度曲線[4]

圖12 B03梁截面應(yīng)變、01梁截面應(yīng)變

圖13 梁截面應(yīng)變[4]

五、結(jié) 語

混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理中的大部分都蘊含了和力學(xué)、數(shù)學(xué)相關(guān)的設(shè)計原理，同時也是從工程實際中歸納和提煉出來的科學(xué)理論，該理論又可應(yīng)用于工程實際。結(jié)構(gòu)概念的建立和正確理解關(guān)系到實際工程的合理應(yīng)用。通過這樣現(xiàn)代多媒體技術(shù)的手段將力學(xué)的問題、數(shù)學(xué)的問題、復(fù)雜的理論公式、復(fù)雜的計算原理得以形象化，激發(fā)了同學(xué)的課程學(xué)習(xí)興趣，更深刻的讓學(xué)生感知了結(jié)構(gòu)概念，為將來設(shè)計和建造優(yōu)秀結(jié)構(gòu)打下堅實的基礎(chǔ)。

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[1]林筑英.多媒體教學(xué)應(yīng)用原理與開發(fā)技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2005.

[2]李永梅，孫國富，等.結(jié)構(gòu)點算在土木工程專業(yè)課程設(shè)計教學(xué)中的運用[J].高等建筑教育，2009（5）：112-115.

[3]季天健，Adrian Bell.感知結(jié)構(gòu)概念[M].北京：高等教育出版社，2009.

[4]沈蒲生，梁興文.混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理[M].北京：高等教育出版社，2007.