鋼結構教學中的形象思維教學模式初探

文獻民

(浙江科技學院建筑工程學院,杭州310023)

形象思維,亦稱藝術思維,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、相互補充,在人類科學認識活動中起著重要的作用。形象思維的基本特征是以感性認識為基礎,始終不能脫離可感知的形象,始終以事物的形象說話。形象思維的過程就是對形象的取舍、改造、關聯(lián)和建構的過程。借助形象思維,可以通過某種形象更快地揭示客體的整體本質。

在鋼結構選修課程之一材料力學的教學中,就大量使用了形象思維的分析研究方法,如受彎構件彎曲正應力計算公式的推導過程,就是以形象思維為基礎、形象思維與抽象思維相互滲透的典型案例。

作為結構工程專業(yè)的一門重要課程,鋼結構課程不僅內容多,涉及的理論知識多[2],而且與工程實際結合緊密,大量的問題都是以具體、客觀的各種形象存在的,如構件的變形、破壞、穩(wěn)定性,連接的構造及失效形式,各種構造關系等。教師在教學過程中都會采用教具、照片、參觀等各種手段讓學生初步認識和了解構件、連接、構造等[3-5],但是卻沒有充分利用這些形象資料開展形象思維的教學,授課方式普遍采用課堂理論推演的教學方式,偏重于對理論公式的推導,用抽象思維的方式認識和理解形象信息十分豐富的具體問題,忽視了對現(xiàn)象的認識和對本質的理解,導致學生的學習積極性不高,學習效果較差[6]。

由于鋼結構具有與工程實際結合緊密的特點,其構件和連接的形式及破壞方式可以用大量的工程實例、模型、視頻等形象信息進行演示和說明,因此特別適合采用形象思維的模式開展教學。筆者在多年教學工作的基礎上,根據(jù)學生的實際情況逐漸嘗試采用形象思維的教學模式開展鋼結構課程教學,取得了一些膚淺的認識和體會。

1 形象思維教學模式的原則

形象思維教學模式的基本原則是:緊緊圍繞工程實際問題學習鋼結構基本理論,其模式就是先認識、再理論、后應用。先認識就是通過形象對所研究的問題建立感性認識;再理論就是結合材料力學、結構力學理論對形象進行研討,學習如何運用基本理論解釋和分析問題產(chǎn)生的原因,發(fā)現(xiàn)形象背后的本質,提出解決方法和具體措施,進而深刻理解鋼結構設計計算理論和規(guī)范;后應用就是熟練運用設計計算理論和規(guī)范對構件進行設計。

2 案例介紹

2.1 軸心受壓構件的穩(wěn)定性

首先通過動畫、工程照片和自制的教具演示工程實際壓桿的失穩(wěn)現(xiàn)象,建立對失穩(wěn)問題的感性認識。自制的教具充分考慮了構件的基本屬性(材料,截面形狀,構件外觀,實際加載、支撐/支座條件,殘余應力等)對穩(wěn)定性的影響,采用獨特的教具模擬殘余應力的產(chǎn)生過程,加深殘余應力對穩(wěn)定性影響的認識和理解。在演示過程中,通過討論的方式讓學生分析影響壓桿穩(wěn)定性的因素,并提出可有效提高穩(wěn)定性的具體措施。

關于構件計算長度的計算,教材和規(guī)范只給出不同支撐條件下的計算長度系數(shù)表,但如何真正掌握并做到靈活運用是令許多學生深感困惑的,其難點在于對支撐條件的作用的理解。為此設計了相應的漫畫,說明支撐條件對構件穩(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向支撐條件下可能的失穩(wěn)形式。通過對這三組漫畫的對比分析和研討,學生就可以非常容易理解和掌握構件計算長度的計算方法了。

在充分理解的基礎上,以單層工業(yè)廠房抗風柱計算長度為案例,如圖2(a)所示,分析構造和連接關系的作用,使學生加深對構造與支撐/支座對應關系的理解,同時學習如何建立計算簡圖,真正掌握實際構件長度的計算,如圖2(b)、(c)、(d)、(e)所示。通過圖2(b)和(c),學生可以理解抗風柱關于強軸為兩端鉸支柱,抗風柱關于強軸的計算長度等于柱子的幾何長度;通過圖2(d)和(e),學生可以理解抗風柱被側向支撐分隔為3段兩端鉸接柱。因此,柱子關于若軸的整體穩(wěn)定性就轉換為每一柱段的整體穩(wěn)定性,相應的計算長度等于柱段的幾何長度。

2.2 格構式軸心受壓構件的虛軸抗剪能力

格構式軸心受壓構件設計中的主要問題是關于虛軸換算長細比的計算及斜綴條的受力特性,教材中大都會提及虛軸的抗剪能力弱,但沒有采用材料力學的剪切理論進行解釋。

為了讓學生更好地理解構件關于虛軸抗剪能力減弱的原因,筆者設計了由撲克牌制成的疊合模型供學生進行實驗觀察,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)生錯動,抗剪能力最弱;圖3(b)撲克牌間通過膠水黏結,層間的錯動被完全抑制,層間存在剪力,抗剪能力最高;圖3(c)撲克牌間通過大頭針連結,層間錯動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;圖3(d)撲克牌間通過綴板連結,層間錯動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。

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

通過對不同的結合方式所組成的構件抗剪能力的對比觀察,學生可以非常直觀地認識不同結合方式所起的作用及作用的強弱,同時結合剪切理論,對虛軸換算長細比計算的必要性有新的認識。

為了直觀地認識斜腹桿(綴條)的受力特性,筆者結合大學生結構設計競賽活動,制作了結構在豎向和橫向荷載共同作用下的變形實驗錄像,如圖4所示,使學生可以非常直觀地觀察到斜綴條在結構剪切變形中所起的作用及受力特點,同時結合材料力學中剪切變形理論予以說明,使學生學習和掌握運用材料力學知識對結構構件進行概念性設計和分析。

圖4 結構剪切變形與斜綴條受力Fig.4 Shear deformation and web member

2.3 簡支梁的整體、局部穩(wěn)定

教師可以通過動畫和工程照片使學生對梁的穩(wěn)定性建立感性認識,如圖5所示;根據(jù)材料力學關于彎曲正應力分布的特點,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)象的內因;通過圖解的方式使學生了解影響穩(wěn)定性的外因,如圖7所示,理解側向支撐的作用;結合結構力學的知識,分析鋼結構框架梁端部隅撐的作用,如圖8所示。筆者設計了模型實驗裝置,演示剪應力場作用下的腹板局部穩(wěn)定現(xiàn)象,如圖9和圖10所示,使學生更好地理解和掌握腹板橫向加勁肋的作用。在教授應用梁的彎曲理論和剪切理論時,教師通過對工程實際中受彎構件翼緣和腹板局部失穩(wěn)現(xiàn)象進行分析,組織學生討論可采取的提高局部穩(wěn)定的措施。

2.4 壓彎構件的整體失穩(wěn)現(xiàn)象

壓彎構件整體穩(wěn)定的難點在于對壓彎構件的彎矩作用平面內的失穩(wěn)和彎矩作用平面外的失穩(wěn)現(xiàn)象的理解。為了形象地說明兩者的特點,便于對相關理論的認識和理解,筆者制作了影像資料,如圖11所示。其中圖11(b)和(c)表示構件在彎矩作用平面內失穩(wěn)情況下的變形情況,通過圖示可以清晰地表明軸心受壓條件下強軸失穩(wěn)與彎矩作用情況下彎曲變形的組合結果;圖11(d)和(e)表示構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)的組合結果。

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

3 結 語

通過大量的影像資料和模型實驗演示,首先使學生對鋼結構構件設計中所涉及的主要問題產(chǎn)生清晰的感性認識,為進一步的學習掃清障礙;再結合材料力學的基本理論知識,啟發(fā)學生利用形象思維方式對鋼結構構件設計中所涉及的主要問題進行深刻的研討,使學生加深對設計理論及規(guī)范要求的內在本質的理解,提高了運用理論知識解決實際工程問題的能力。這種教學模式的實施,大大調動了學生學習的主動性和參與意識,營造了師生雙向互動的教學環(huán)境,取得了較好的教學效果。

[1] 賀善侃.形象思維?抽象思維?科學認識[J].復旦學報:社會科學版,1998(4):87-90.

[2] 張磊,李忠學,趙偉.面向土木工程創(chuàng)新設計實驗班的鋼結構教學改革構想[J].高等建筑教育,2009,18(2):110-113.

[3] 劉堅,黃襄云.鋼結構教學體會[J].高等建筑教育,2005,14(3):49-51.

[4] 王小平,萬紅霞.《鋼結構設計》課程教學的實踐與思考[J].理工高教研究,2007,26(1):101-102.

[5] 余躍.《鋼結構》課程教學改革的探索與實踐[J].常州工程職業(yè)技術學院學報,2008(3):32-34.

[6] 付濤,嚴鈞.虛擬模型實驗在鋼結構教學中的應用[J].高等建筑教育,2006,15(4):93-96.