孫旭峰 陶陽

收稿日期：2013-04-27

作者簡介：孫旭峰（1972-），男，揚州大學(xué)建筑科學(xué)與工程學(xué)院副教授，博士，主要從事大跨度空間結(jié)構(gòu)研究，（Email）xfsun@yzu.edu.cn。

摘要：結(jié)構(gòu)力學(xué)課程是土木工程專業(yè)的主要專業(yè)基礎(chǔ)課。由于結(jié)構(gòu)力學(xué)實驗介于材料力學(xué)和專業(yè)結(jié)構(gòu)實驗之間，所以長期以來不準(zhǔn)確的定位導(dǎo)致多數(shù)學(xué)校的結(jié)構(gòu)力學(xué)課程教學(xué)忽視實驗課。文章結(jié)合結(jié)構(gòu)力學(xué)課程實驗教學(xué)平臺的建設(shè)實踐，探討了結(jié)構(gòu)力學(xué)實驗在課程教學(xué)中的重要作用。

關(guān)鍵詞：土木工程專業(yè)；結(jié)構(gòu)力學(xué)；實驗教學(xué)；教學(xué)改革

中圖分類號：G642423文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：10052909（2013）05013304結(jié)構(gòu)力學(xué)課程是土木工程專業(yè)力學(xué)系列課程中一門非常重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，該課程的教學(xué)質(zhì)量對于實現(xiàn)土木工程專業(yè)的“寬口徑”，以及培養(yǎng)能力強(qiáng)、素質(zhì)高的土木工程師人才起著舉足輕重的作用。當(dāng)前，土木工程領(lǐng)域計算機(jī)技術(shù)的廣泛應(yīng)用拓寬了結(jié)構(gòu)力學(xué)的應(yīng)用領(lǐng)域，同時也對結(jié)構(gòu)力學(xué)課程的教學(xué)提出了新的、更高的要求。從課程設(shè)置來看，并不能因為計算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用而降低基礎(chǔ)力學(xué)概念教學(xué)所占的比重。從國內(nèi)外工科專業(yè)力學(xué)類課程的設(shè)置情況來看[1]，國內(nèi)土木工程專業(yè)力學(xué)類課程學(xué)分的比例基本上小于10%，而國外均大于10%，并且目前國際上比較注重學(xué)生對“基礎(chǔ)知識”的掌握，因此，力學(xué)類課程全部為必修課。

從現(xiàn)代科學(xué)研究的角度看，應(yīng)用型基礎(chǔ)力學(xué)課程應(yīng)包括理論教學(xué)和實驗教學(xué)兩方面，結(jié)構(gòu)力學(xué)課程也應(yīng)如此。但在長期的教學(xué)實踐中，由于結(jié)構(gòu)力學(xué)實驗介于材料力學(xué)和專業(yè)結(jié)構(gòu)實驗之間，這一不確定的定位導(dǎo)致其實驗教學(xué)部分往往被忽視，而僅專注于課堂理論教學(xué)。正是這種忽視，造成了土木工程專業(yè)的學(xué)生很難從對單根構(gòu)件受力概念的形象理解，過渡到對整個平面結(jié)構(gòu)直至空間結(jié)構(gòu)受力概念的形象理解，對其后續(xù)結(jié)構(gòu)課程的學(xué)習(xí)及工作實踐，乃至進(jìn)一步的深造產(chǎn)生很大的負(fù)面影響。

一、 土木工程專業(yè)開設(shè)結(jié)構(gòu)力學(xué)課程實驗的必要性

力學(xué)概念是從實踐中來的，本科階段學(xué)習(xí)的應(yīng)用力學(xué)更是如此。作為一名長期主講結(jié)構(gòu)力學(xué)課程的教師，筆者能夠深切地體會到結(jié)構(gòu)力學(xué)課程實驗在幫助學(xué)生理解概念方面的重要意義和作用。以幾何組成分析為例，在學(xué)習(xí)這部分內(nèi)容時雖然課堂上已經(jīng)清楚講解了二元體的概念，但有一部分學(xué)生在遇到具體問題時還是不清楚。如圖1a）所示，這些學(xué)生會將3-5-6當(dāng)作二元體來對待。究其原因，是沒有把“鏈桿的約束”這個概念搞清楚，如圖1b）所示，他們在作幾何組成分析時把2-4-6和3-5-6作為剛片，而將1-2和1-3作為鏈桿。又如圖2所示，三個剛片間以三對平行等長鏈桿連接而成為幾何常變體系的情況，很多學(xué)生對此根本沒有一點感性認(rèn)識。諸如此類的問題，還出現(xiàn)在對“定向支座可以約束哪些方向的位移、約束反力如何”等等概念的理解上，這都是由于沒有提供實驗條件讓學(xué)生親自動手去“試一試”造成的。在建筑力學(xué)的課堂教學(xué)中，教師利用自己動手制作的一部分桿件以及連接件，結(jié)合課程內(nèi)容當(dāng)場做演示實驗，或者讓部分學(xué)生自己來做實驗。從課程測試的結(jié)果可以看出，學(xué)生在這部分內(nèi)容的出錯率有做實驗的與未做實驗的相比有大幅下降，這充分說明了“動手”的重要性。類似的情況還出現(xiàn)在諸如彎矩圖需畫在受拉一側(cè)、剛結(jié)點處的彎矩平衡、互等定理、影響線、穩(wěn)定、動力特性分析等，因此，需要通過實驗幫助學(xué)生形象而深入理解該課程概念部分的知識。

高等建筑教育2013年第22卷第5期

孫旭峰，陶陽土木工程專業(yè)結(jié)構(gòu)力學(xué)課程實驗的教學(xué)實踐

圖1

圖2

土木工程專業(yè)所涉及的主要是房屋建筑、橋梁、隧道等結(jié)構(gòu)體系。在理論講授及實驗中如能緊密結(jié)合專業(yè)特色，對學(xué)生學(xué)習(xí)專業(yè)課知識與增加學(xué)習(xí)興趣都將起到事半功倍的效果。比如鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計中“強(qiáng)柱弱梁”的概念，柱端先破壞時會形成幾何可變體系，而梁先破壞則還是幾何不變體系。這個概念一般在鋼筋混凝土專業(yè)課中講解，但如果在幾何組成分析部分將其列入實驗課內(nèi)容，則會加強(qiáng)學(xué)生對專業(yè)知識的形象理解。類似的例子還有：單層廠房中的縱、橫向支撐體系，頂點位移法計算房屋自振頻率，結(jié)構(gòu)抗震中的“鞭端效應(yīng)”等等。但是在實驗設(shè)計方面，由于學(xué)生此時還沒有學(xué)習(xí)專業(yè)課程，所以結(jié)構(gòu)力學(xué)實驗和之后的專業(yè)課實驗必須有所區(qū)別，不應(yīng)設(shè)置過高的難度，否則將適得其反。

結(jié)構(gòu)力學(xué)研究的對象是結(jié)構(gòu)體系的受力性能，而結(jié)構(gòu)體系的布置是非常靈活的，所以結(jié)構(gòu)力學(xué)實驗還應(yīng)該與材料力學(xué)實驗有所區(qū)別。在實驗中應(yīng)以提高學(xué)生的動手能力、設(shè)計能力為目標(biāo)，可以自行設(shè)計構(gòu)件、連接支座裝置及結(jié)構(gòu)體系。以結(jié)構(gòu)體系為例，不一定要限定為平面桿件體系，而可以結(jié)合高層建筑、空間結(jié)構(gòu)（如網(wǎng)架、網(wǎng)殼、索結(jié)構(gòu)、開合結(jié)構(gòu)、折疊結(jié)構(gòu)等）等，通過教師的適當(dāng)啟發(fā)，充分發(fā)揮學(xué)生的自主創(chuàng)新的能力。除完成基本實驗外，結(jié)構(gòu)力學(xué)實驗課程應(yīng)結(jié)合學(xué)科競賽，為學(xué)生創(chuàng)造實驗條件。

二、 土木工程專業(yè)結(jié)構(gòu)力學(xué)課程實驗教學(xué)實踐

2010年，筆者所在的揚州大學(xué)對土木工程專業(yè)進(jìn)行了課程實驗的教學(xué)改革，建立了土木工程專業(yè)本科系列開放性實驗教學(xué)平臺，將材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、土木工程材料、土力學(xué)、混凝土基本理論等課程的實驗整合為土木工程專業(yè)基礎(chǔ)實驗課程，共1.5個學(xué)分，48學(xué)時（實驗時數(shù)為學(xué)時數(shù)乘以2），分三個學(xué)期完成，并統(tǒng)一編寫了相應(yīng)的課程教學(xué)大綱。實驗課程分為基本型、提高型及創(chuàng)新型三個層次，其中基本型實驗要求學(xué)生在一個設(shè)計完整的實驗框架下重新驗證結(jié)果，讓學(xué)生通過實驗來驗證所學(xué)相關(guān)理論推導(dǎo)結(jié)論的正確性，從而加深對知識的理解，培養(yǎng)學(xué)生的推理能力、分析能力，訓(xùn)練其實驗技能；提高型實驗內(nèi)容涉及該課程的綜合知識或與該課程相關(guān)的知識，對學(xué)生的實驗技能進(jìn)行綜合訓(xùn)練，培養(yǎng)學(xué)生的綜合分析能力、實驗動手能力、數(shù)據(jù)處理以及查閱資料的能力，要求學(xué)生綜合運用兩種以上的基本實驗方法完成同一個實驗，培養(yǎng)學(xué)生運用不同的思維方式和不同的實驗原理綜合分析問題、解決問題的能力，掌握不同的實驗方法和實驗技能；創(chuàng)新型實驗要求學(xué)生根據(jù)給定的實驗?zāi)康囊蠛蛯嶒灄l件，自己設(shè)計實驗方案，選擇實驗器材，制定操作程序，學(xué)生必須運用自己掌握的知識進(jìn)行問題分析和探討，著重培養(yǎng)學(xué)生獨立解決實際問題的能力、創(chuàng)新能力以及組織管理能力。

實驗平臺中的結(jié)構(gòu)力學(xué)實驗為新增設(shè)的模塊，按照實驗平臺建設(shè)要求并參考相關(guān)文獻(xiàn)[2-4]將幾何組成實驗、桁架及剛架靜內(nèi)力測定實驗作為基本型實驗（實驗時數(shù)5，必選），將剛架穩(wěn)定實驗、靜撓度測量實驗、影響線繪制實驗、結(jié)構(gòu)優(yōu)化實驗、自振頻率測定實驗作為提高型實驗（實驗時數(shù)2，5選1），將自行加載的模型實驗及其他實驗作為創(chuàng)新型實驗（實驗時數(shù)2，結(jié)合結(jié)構(gòu)模型創(chuàng)新大賽，如獲獎還可取得相應(yīng)的創(chuàng)新學(xué)分）。實驗課程各模塊按五級記分，其中平時成績（包括實驗理論及預(yù)習(xí)情況）占50%，實驗操作及實驗報告占50%，課程總成績以學(xué)期為單位按各模塊所得成績的平均值計分。

根據(jù)實驗平臺建設(shè)要求，揚州大學(xué)與南京航空航天大學(xué)合作研制了NHLX-GⅡ型剛架多功能實驗裝置，如圖3所示。該裝置由支撐剛架、定位板、支座、加載系統(tǒng)、加載桿等組成，可根據(jù)需要很方便地將支座更換為固定支座、鉸支座及定向支座等，可自由設(shè)置加載點位置，不僅可以完成剛架靜內(nèi)力測定實驗，還可完成撓曲線測定、影響線繪制等實驗。在實驗中由學(xué)生自己粘貼應(yīng)變片以及完成接線，以提高學(xué)生的實驗技能。在自主編寫的實驗報告中，除要求分析產(chǎn)生誤差的原因，還要求學(xué)生將實驗結(jié)果與結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器的求解結(jié)果進(jìn)行對比分析，培養(yǎng)其科研思維能力，如：“計算中是否考慮剪切變形及軸向變形有什么影響？”、“考慮支座的實際尺寸時計算簡圖中計算長度的取值對結(jié)果有什么影響？應(yīng)如何取值？”、“計算中是否考慮支座的實際彈性剛度對結(jié)果有什么影響？”等等。對這些問題的分析解答都是課堂理論教學(xué)所無法完成的。

圖3NHLX-GⅡ型剛架實驗裝置

在創(chuàng)新型實驗部分，學(xué)校將結(jié)構(gòu)力學(xué)實驗與結(jié)構(gòu)創(chuàng)新競賽（包括校內(nèi)和校外競賽活動）相結(jié)合，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，如三維空間體系的幾何組成分析及內(nèi)力計算、簡單有限元軟件的應(yīng)用（如sap2000）等等。圖4所示為學(xué)校舉辦結(jié)構(gòu)模型制作及加載試驗比賽的場景，其中左圖為靜力加載，右圖為單向振動臺試驗。對于這些實驗，學(xué)生們參與的熱情非常高，達(dá)到了在趣味中感受結(jié)構(gòu)力學(xué)的魅力，在趣味中提升對結(jié)構(gòu)整體受力的感性認(rèn)識的教學(xué)目的。

圖4結(jié)構(gòu)模型制作加載試驗比賽

揚州大學(xué)自2010年課程實驗改革以來，結(jié)構(gòu)力學(xué)實驗?zāi)K的教學(xué)已在兩屆學(xué)生中得以實施。在課堂理論教學(xué)中可以明顯感到學(xué)生對結(jié)構(gòu)力學(xué)學(xué)習(xí)興趣的增強(qiáng)，如課堂注意力較集中、課間課后提問較活躍等等。此外，與實驗改革實施以前的兩屆學(xué)生（以每屆兩個教學(xué)班為單位）相比，幾何組成部分的卷面平均出錯率從19.3%下降為5.6%，做剛架彎矩圖時結(jié)點平衡概念的出錯率也大為降低，這從一個側(cè)面反映了結(jié)構(gòu)力學(xué)課程實驗的教學(xué)成果。此外，學(xué)生還在各類結(jié)構(gòu)創(chuàng)新大賽中屢獲佳績；以“減小支座彎矩”為概念的“抗震樓梯”設(shè)計還申報了國家專利，初步展現(xiàn)了創(chuàng)新型結(jié)構(gòu)力學(xué)實驗教學(xué)的成果。

三、 結(jié)語

學(xué)校土木工程專業(yè)本科系列實驗教學(xué)平臺的專項建設(shè)，推動了結(jié)構(gòu)力學(xué)實驗課程教學(xué)質(zhì)量的提升。結(jié)構(gòu)力學(xué)課程實驗的教學(xué)實踐成果主要體現(xiàn)在以下幾方面。

（1）實驗教學(xué)打破了結(jié)構(gòu)力學(xué)課程課堂理論教學(xué)一統(tǒng)天下的局面，讓學(xué)生能真正參與課程教學(xué)互動，幫助學(xué)生學(xué)會獨立思考，并能靈活應(yīng)用所學(xué)知識，與課堂理論教學(xué)形成良性互動。

（2）改革前后學(xué)生成績的對比，客觀上顯示了基礎(chǔ)型和提高型實驗在促進(jìn)學(xué)生對課程基本概念的形象理解、基本技能和動手能力的提升方面的重要作用。

（3）創(chuàng)新型實驗的設(shè)置，激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)造性和自主學(xué)習(xí)的能力，增強(qiáng)了學(xué)生對專業(yè)的感性認(rèn)識和學(xué)習(xí)興趣，取得了較好的實踐成果。

參考文獻(xiàn)：

[1] 黃再興，胡海巖.國內(nèi)外大學(xué)工科專業(yè)力學(xué)課程設(shè)置情況對比[J].力學(xué)與實踐，2003，1：44-46.

[2] 劉禮華，等.以基本內(nèi)容為核心創(chuàng)建結(jié)構(gòu)力學(xué)實驗體系[J].理工高教研究，2007，26（1）：116-117.

[3] 張乃群，等.分層次開放性實驗教學(xué)模式探索[J].南陽師范學(xué)院學(xué)報， 2009，8（6）：105-108.

[4] 申靜波，等.初探開放性實驗對學(xué)生能力的培養(yǎng)[J].高校實驗室工作研究， 2008，95（1）：56-57.

Teaching practice in construction of structural mechanics course for civil engineering

SUN Xufeng， TAO Yang

（Architectural Science and Technology Institute， Yangzhou University， Yangzhou 225127， P. R. China）

Abstract： Structural mechanics is the main professional basic course in civil engineering. For a long time， the role of structural mechanics experiment is not so clear because it is something between the material mechanics experiment and the professional structural experiment. Therefore， most universities neglect the experimental teaching in the structural mechanics course. Based on the construction of experimental teaching platform for civil engineering undergraduates， we discussed the important role of experiment during the teaching and learning of structural mechanics.

Keywords： civil engineering specialty； structural mechanics； experiment teaching； teaching reform

（編輯王宣）