劉勇兵,洪一紅

(衢州學(xué)院建筑工程學(xué)院,浙江 衢州 324000)

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以實(shí)際工程項(xiàng)目為背景的結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)改革研究

劉勇兵,洪一紅

(衢州學(xué)院建筑工程學(xué)院,浙江 衢州 324000)

為適應(yīng)應(yīng)用型本科院校的辦學(xué)特色,著力培養(yǎng)一批能從事設(shè)計(jì)、施工、管理和研究等相關(guān)工作的高級(jí)工程應(yīng)用型技術(shù)人才,特以實(shí)際工程項(xiàng)目為背景,以實(shí)際結(jié)構(gòu)中的力學(xué)知識(shí)拆解分析為導(dǎo)向,從啟發(fā)式教學(xué)法、案例教學(xué)法、計(jì)算機(jī)軟件和傳統(tǒng)教學(xué)相結(jié)合、自學(xué)討論和課外實(shí)踐研究活動(dòng)四個(gè)方面開(kāi)展了結(jié)構(gòu)力學(xué)課程教學(xué)和考核方式的改革研究,并取得了良好的教學(xué)改革效果。

結(jié)構(gòu)力學(xué)；實(shí)際工程項(xiàng)目；教學(xué)改革

“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”是貫徹落實(shí)“國(guó)家中長(zhǎng)期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要(2010—2020年)”和“國(guó)家中長(zhǎng)期人才發(fā)展規(guī)劃綱要(2010—2020年)”及今后10年內(nèi)的中國(guó)工科院校高等教育重大改革項(xiàng)目[1-2]。土木工程專(zhuān)業(yè)著重培養(yǎng)掌握各類(lèi)土木工程學(xué)科的基本理論和基本專(zhuān)業(yè)知識(shí),能夠在房屋建筑、地下工程、道路、隧道、橋梁工程、水電站、港口及近海結(jié)構(gòu)與設(shè)施、給水排水和地基處理等領(lǐng)域，從事規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、管理和研究等相關(guān)工作的高級(jí)工程技術(shù)人才。

結(jié)構(gòu)力學(xué)是土木工程專(zhuān)業(yè)的一門(mén)主要學(xué)科基礎(chǔ)課程,為固體力學(xué)的一個(gè)分支[3]。首先，它基于高等數(shù)學(xué)、理論力學(xué)、材料力學(xué)等課程之上;其次,它又為解決鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、砌體結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)等專(zhuān)業(yè)類(lèi)課程的設(shè)計(jì)計(jì)算提供強(qiáng)有力的保障,于是它在整個(gè)土木工程專(zhuān)業(yè)課程體系中處于承上啟下的橋梁作用。它主要解決實(shí)際工程結(jié)構(gòu)的受力分析與桿件的內(nèi)力計(jì)算,以及進(jìn)行工程結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)與計(jì)算等問(wèn)題。

1 結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)改革的緊迫性

結(jié)構(gòu)力學(xué)不僅是一門(mén)歷史悠久的學(xué)科,更是一門(mén)發(fā)展非常迅速、應(yīng)用前景更加廣闊的學(xué)科。以前,由于計(jì)算機(jī)應(yīng)用以及有限元分析軟件等方面的限制,一些設(shè)計(jì)比較復(fù)雜的工程由于技術(shù)問(wèn)題而不能成為現(xiàn)實(shí),常把實(shí)際工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成比較規(guī)整,這樣可以大大簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)計(jì)算,同時(shí)便于更好地應(yīng)用結(jié)構(gòu)力學(xué)的方法進(jìn)行手算的定量分析。因此,結(jié)構(gòu)力學(xué)的教學(xué)更多注重求解方法和技巧方面。近年來(lái)，隨著新型工程材料和新施工工藝等的大量涌現(xiàn),對(duì)結(jié)構(gòu)力學(xué)提出新的更高要求,同時(shí)，也提供了新的研究?jī)?nèi)容。隨著工程結(jié)構(gòu)越加復(fù)雜和計(jì)算機(jī)的普及,以及基于矩陣位移法建立的有限元軟件的快速發(fā)展,為結(jié)構(gòu)力學(xué)提供了強(qiáng)有力的分析工具,使得借助計(jì)算機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)的定性分析與定量計(jì)算成為不可或缺的一部分。傳統(tǒng)的力學(xué)計(jì)算模型都是已經(jīng)簡(jiǎn)化假定好的,而學(xué)生在真正做到實(shí)際工程項(xiàng)目時(shí)就不知道該怎么處理。從多年指導(dǎo)畢業(yè)設(shè)計(jì)的情況來(lái)看,學(xué)生在做建筑施工圖時(shí)都能奇思妙想且做得還不錯(cuò),而真正到計(jì)算就不知怎么辦,基本上一兩周原地不動(dòng),無(wú)從下手?？梢?jiàn)學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中只會(huì)考試,而實(shí)際應(yīng)用很是欠缺。在實(shí)際工程項(xiàng)目中應(yīng)大力提倡注重結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計(jì),一個(gè)好的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師,不是體現(xiàn)在他計(jì)算得有多精確,而是關(guān)鍵看能否更好地注重結(jié)構(gòu)的空間整體受力把握能力及判斷破壞的可能性等方面的能力。另外,結(jié)構(gòu)力學(xué)也推動(dòng)了其他學(xué)科的迅速發(fā)展,有限元方法的出現(xiàn)和發(fā)展就與其有著密切聯(lián)系[4]。本著適應(yīng)卓越工程師培養(yǎng)的迫切需求,應(yīng)在傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)基礎(chǔ)上進(jìn)行必要的且必須的改革。

2 結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)方法的改革

土木工程專(zhuān)業(yè)的學(xué)生在其他專(zhuān)業(yè)課程的學(xué)習(xí)、畢業(yè)設(shè)計(jì)乃至參加工作后, 都會(huì)經(jīng)常用到結(jié)構(gòu)力學(xué)的基本理論和分析方法, 學(xué)生應(yīng)當(dāng)掌握本課程的基本概念、基本算法、基本技巧。結(jié)構(gòu)力學(xué)的教學(xué)改革應(yīng)以充分激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣為基礎(chǔ),以工程實(shí)踐為背景,以工程思維與創(chuàng)新實(shí)踐能力培養(yǎng)為目標(biāo)。在改革傳統(tǒng)的教學(xué)方法上將主要從以下幾方面進(jìn)行。

2.1 啟發(fā)式教學(xué)法

首先在上課前提出問(wèn)題。如學(xué)生已經(jīng)會(huì)計(jì)算單跨靜定梁的反力和內(nèi)力,那么如何計(jì)算多跨靜定梁的反力和內(nèi)力呢？讓學(xué)生去思考,學(xué)生就會(huì)想到如果能把多跨靜定梁分劃為單跨靜定梁,那么問(wèn)題就解決了。接著再問(wèn)如何把多跨靜定梁分劃為單跨靜定梁？學(xué)生又需要應(yīng)用到幾何組成規(guī)則進(jìn)行幾何分析。利用啟發(fā)式教學(xué)方法能引導(dǎo)學(xué)生積極思考,學(xué)生在面對(duì)問(wèn)題時(shí)不得不充分查閱各方面的相關(guān)資料,這就進(jìn)一步強(qiáng)化了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力。

2.2 以工程實(shí)例為背景的案例教學(xué)法

在教學(xué)過(guò)程中以工程項(xiàng)目為背景,將實(shí)際工程結(jié)構(gòu)中的力學(xué)知識(shí)進(jìn)行分析,激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣,培養(yǎng)學(xué)生學(xué)以致用的本領(lǐng)。如以石板凳(圖1)(還有下水道擱板、空心樓板等)為例講解簡(jiǎn)支梁的計(jì)算簡(jiǎn)圖及其在自重(均布荷載)下的受力分析；以學(xué)生活動(dòng)中心連廊(圖2)為基礎(chǔ),引入超靜定概念,分析多跨超靜定梁的計(jì)算簡(jiǎn)圖及受力情況；以涼亭(圖3)為基礎(chǔ),講述超靜定剛架的計(jì)算簡(jiǎn)圖選取及受力分析等簡(jiǎn)單的框架結(jié)構(gòu)概念。

圖1 石板凳及自重作用下的計(jì)算簡(jiǎn)圖

圖2 學(xué)生活動(dòng)中心連廊及計(jì)算簡(jiǎn)圖

圖3 涼亭及計(jì)算簡(jiǎn)圖

提出實(shí)際工程項(xiàng)目中所涉及到的所有力學(xué)問(wèn)題,引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行相關(guān)問(wèn)題分析,如桿件、結(jié)點(diǎn)、荷載的具體簡(jiǎn)化及計(jì)算簡(jiǎn)圖選取的重要性,并進(jìn)行不同計(jì)算模型的對(duì)比取舍。同樣，在進(jìn)行桁架教學(xué)中引入屋架(或大跨度橋梁等)的概念,分析屋架(或大跨度橋梁等)的連接方式和簡(jiǎn)化過(guò)程,最后得到理想的計(jì)算簡(jiǎn)圖,同時(shí)可以借助動(dòng)畫(huà)展示結(jié)構(gòu)的拼裝連接過(guò)程,并進(jìn)一步鞏固了結(jié)構(gòu)的幾何組成分析過(guò)程。借助實(shí)際工程進(jìn)行案例教學(xué),進(jìn)一步提高學(xué)生的感觀(guān)和識(shí)圖讀圖能力。通過(guò)案例教學(xué)呈現(xiàn)典型工程實(shí)例,利用課外時(shí)間進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)活動(dòng),讓學(xué)生參觀(guān)學(xué)校的實(shí)際工程,然后將工程實(shí)例簡(jiǎn)化為力學(xué)模型加以計(jì)算,以此鍛煉學(xué)生的理論知識(shí)綜合應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力。

2.3 傳統(tǒng)教學(xué)與電算并舉

“力學(xué)求解器”是一款非常優(yōu)秀的輔助分析計(jì)算軟件,為清華大學(xué)結(jié)構(gòu)力學(xué)教研室研制開(kāi)發(fā),其求解內(nèi)容囊括了本課程中所涉及的諸多問(wèn)題。在教學(xué)過(guò)程中可以隨時(shí)傳授給學(xué)生“力學(xué)求解器”的使用方法,再以自己學(xué)校的工程為基礎(chǔ),建立相應(yīng)的計(jì)算模型進(jìn)行相關(guān)的力學(xué)計(jì)算和變形分析。學(xué)生在今后的畢業(yè)設(shè)計(jì)過(guò)程中及結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)競(jìng)賽的計(jì)算中和將來(lái)的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)崗位中，均可借助“力學(xué)求解器”進(jìn)行相關(guān)力學(xué)問(wèn)題的應(yīng)用分析比較,從而進(jìn)一步拉近了力學(xué)與工程實(shí)際應(yīng)用的距離。

2.4 自學(xué)討論和開(kāi)展結(jié)構(gòu)競(jìng)賽實(shí)踐活動(dòng)

對(duì)于非重要和學(xué)生易掌握的知識(shí)點(diǎn)等章節(jié)內(nèi)容,可設(shè)定讓學(xué)生通過(guò)閱讀教材、獨(dú)立完成相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的習(xí)題來(lái)滿(mǎn)足大綱規(guī)定的內(nèi)容。其效果可以通過(guò)提問(wèn)、設(shè)置一些小題考核等方式予以檢驗(yàn)。上課過(guò)程中,各種方法交叉使用,上述方法適用于所有參加本課程學(xué)習(xí)的同學(xué),使學(xué)生受益。利用課余時(shí)間組織學(xué)生參加與本課程密切相關(guān)的力學(xué)競(jìng)賽和科學(xué)研究活動(dòng),組織校級(jí)結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)競(jìng)賽和組織參加相關(guān)省級(jí)結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)大賽。通過(guò)歷年的實(shí)踐活動(dòng)鍛煉,并在本課程組有關(guān)教師的指導(dǎo)下,學(xué)生在這些競(jìng)賽中表現(xiàn)出較為出色的結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計(jì)能力。

3 結(jié)構(gòu)力學(xué)考試方式的改變

轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)的考試觀(guān)念,建立靈活多樣、科學(xué)合理的課程考核評(píng)價(jià)體系,充分發(fā)揮考試在素質(zhì)教育中的質(zhì)量監(jiān)控作用。結(jié)構(gòu)力學(xué)課程考試根據(jù)其特點(diǎn)進(jìn)行考試方式方法改革,結(jié)合企業(yè)對(duì)從業(yè)人員的能力要求,從班級(jí)中選出部分學(xué)生在期末考試之前采取每人一題的方式設(shè)置各種不同的工程項(xiàng)目進(jìn)行考核。可從兩方面進(jìn)行嘗試：1)隨機(jī)抽取1～2個(gè)實(shí)際工程案例(從梁、剛架、拱、桁架、組合結(jié)構(gòu)五種結(jié)構(gòu)類(lèi)型中任意選擇),要求學(xué)生進(jìn)行計(jì)算簡(jiǎn)圖的選取、力學(xué)模型的簡(jiǎn)化和受力的定性分析,綜合考查學(xué)生對(duì)基本知識(shí)的實(shí)際應(yīng)用能力。2)將結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)競(jìng)賽納入結(jié)構(gòu)力學(xué)成績(jī)的一部分。課程最終成績(jī)結(jié)合平時(shí)作業(yè)、課堂表現(xiàn)、期中測(cè)試、模型創(chuàng)新設(shè)計(jì)或?qū)嶋H工程案例力學(xué)分析和期末考試成績(jī)進(jìn)行綜合評(píng)定。

經(jīng)過(guò)多年的教學(xué)實(shí)踐,不斷更新教學(xué)理念,探討與實(shí)踐知識(shí)傳授—能力培養(yǎng)—工程意識(shí)—啟發(fā)創(chuàng)新相融合的教學(xué)新模式,形成一套完整的課程體系。通過(guò)教學(xué)改革,在教學(xué)過(guò)程中注意與專(zhuān)業(yè)課和工程實(shí)際的聯(lián)系,注重培養(yǎng)學(xué)生的工程意識(shí)。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)以上教學(xué)方法的改革和考核方式的改變,本著力求使學(xué)生弄清基本概念,掌握基本內(nèi)容,使學(xué)生完成理論力學(xué)、材料力學(xué)到結(jié)構(gòu)力學(xué)的過(guò)渡,弄清單個(gè)構(gòu)件到多個(gè)構(gòu)件結(jié)構(gòu)聯(lián)系,并在此基礎(chǔ)上對(duì)超靜定結(jié)構(gòu)的內(nèi)力、應(yīng)力、變形計(jì)算分析方法有一個(gè)完整的認(rèn)知。特別是加強(qiáng)引入實(shí)際工程項(xiàng)目的分析,使學(xué)生了解梁、剛架、拱、桁架及組合結(jié)構(gòu)的靜定與超靜定的受力特點(diǎn),掌握其桿件、結(jié)點(diǎn)、荷載的計(jì)算簡(jiǎn)化和計(jì)算方法,為學(xué)習(xí)后續(xù)專(zhuān)業(yè)課程、工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和項(xiàng)目研究等奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。通過(guò)借助實(shí)踐工程項(xiàng)目的結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué), 逐漸培養(yǎng)了學(xué)生的計(jì)算能力(手算、機(jī)算、腦算)、創(chuàng)新能力(結(jié)構(gòu)型式創(chuàng)新、計(jì)算方法創(chuàng)新)及善于綜合運(yùn)用結(jié)構(gòu)力學(xué)去分析、解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力,并取得了良好的教學(xué)改革效果。

[1] 林健. “卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”通用標(biāo)準(zhǔn)詮釋[J]. 高等工程教育研究,2014(1):12-23．

[2] 周臻,陸金鈺,尹凌峰. 面向卓越土木工程師培養(yǎng)的結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)改革與實(shí)踐[J]. 高等建筑教育,2012(4):74-77．

[3] 李國(guó)華,羅健,董軍. 結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)方法研究[J]. 高等建筑教育,2012(1):81-83．

[4] 李榮軼,楊磊. 淺談結(jié)構(gòu)力學(xué)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的體現(xiàn)[J]. 山西建筑,2010(8):92-93．

Study on the Reformations of Structural Mechanics Teaching Which Takes the Actual Project as the Background

LIUYongbing,HONGYihong

2016-09-21

衢州學(xué)院校級(jí)課改項(xiàng)目“《結(jié)構(gòu)力學(xué)》基于卓越工程師培養(yǎng)的教學(xué)改革”(KG201203);衢州市科技局項(xiàng)目“龍游艾公洞古洞室及其所在邊坡的加固保護(hù)研究”(2015Y011);2016年浙江省課堂教學(xué)改革項(xiàng)目“基于培養(yǎng)實(shí)踐工程能力的工程力學(xué)Ⅱ教學(xué)改革”。

劉勇兵(1978—)，男,江西新余人，講師,從事結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和教學(xué)工作。

TU311

B

1008-3707(2016)12-0047-03