土木工程學(xué)科結(jié)構(gòu)力學(xué)課程教學(xué)改革的實踐

閆晗

摘?要：結(jié)構(gòu)力學(xué)是土木工程學(xué)科介于以純理論為主的力學(xué)與應(yīng)用學(xué)科之間的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，一方面強調(diào)對基本原理、基本方法的理解、掌握與訓(xùn)練，另一方面又必須加強工程計算能力的培養(yǎng)。而當(dāng)前高校減少學(xué)時和精簡內(nèi)容已是大勢所趨，必然導(dǎo)致這兩方面能力培養(yǎng)的矛盾。本文針對這個問題，提出了關(guān)于結(jié)構(gòu)力學(xué)課程改革幾點建議。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)力學(xué)?教學(xué)改革?工程應(yīng)用

中圖分類號：G64 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2012）10（a）-0169-01

結(jié)構(gòu)力學(xué)是研究工程結(jié)構(gòu)在靜力、動力等各種荷載和溫度變化、支座位移等因素作用下強度、剛度和穩(wěn)定性的計算原理和計算方法以及結(jié)構(gòu)組成規(guī)律和合理形式的一門科學(xué)[1]。在教學(xué)過程中，既強調(diào)對基本原理與基本方法的熟練掌握，又強調(diào)工程應(yīng)用能力的培養(yǎng)?；驹砼c基本方法的學(xué)習(xí)要求熟練掌握基礎(chǔ)力學(xué)中的概念、理論和知識；工程應(yīng)用能力的培養(yǎng)強調(diào)如何將基礎(chǔ)力學(xué)中的概念、理論和知識充分調(diào)動起來，靈活、合理、巧妙、綜合地應(yīng)用于單個桿件組成的復(fù)雜結(jié)構(gòu)中去，特別是利用現(xiàn)代計算方法解決工程實際問題。但是，從當(dāng)前各高校的改革實踐來看，減少學(xué)時和精簡內(nèi)容是大勢所趨，學(xué)時減少和內(nèi)容精簡是對傳統(tǒng)教學(xué)模式的挑戰(zhàn)，它促使人們對新內(nèi)容體系的建立這一更深層次上的改革進(jìn)行認(rèn)真的思考、探索與實踐[2]。目前，結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)中有兩種趨勢，其一是強調(diào)基本理論與基本方法的學(xué)習(xí)，即傳統(tǒng)教學(xué)模式。傳統(tǒng)教學(xué)模式主要體現(xiàn)為“精講多練”，要求學(xué)生在基礎(chǔ)理論與基本方法上加強訓(xùn)練。其二是強調(diào)電算能力的培養(yǎng)，以培養(yǎng)學(xué)生解決利用計算機(jī)實際工程問題能力為主。這兩種趨勢各有利弊，應(yīng)該綜合考慮，協(xié)調(diào)發(fā)展。

1通過課程體系改革使教學(xué)模式更適應(yīng)現(xiàn)代科學(xué)的發(fā)展

1.1課程體系中存在的問題

經(jīng)過多年的教學(xué)與實踐，結(jié)構(gòu)力學(xué)課程已經(jīng)形成了基本穩(wěn)定的模式，教學(xué)大綱與內(nèi)容也基本不變。從課程內(nèi)容上可以將結(jié)構(gòu)力學(xué)分成兩大部分，一部分是基礎(chǔ)理論與基本方法，包括結(jié)構(gòu)的幾何組成分析、靜定結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分析、靜定結(jié)構(gòu)的位移計算、力法、位移法等。這些內(nèi)容是結(jié)構(gòu)力學(xué)的經(jīng)典部分，是學(xué)生必須熟練掌握與深刻領(lǐng)會的內(nèi)容。另一部分涉及計算方法，如力矩分配法、近似計算、矩陣位移法等。其中力矩分配法、近似計算對于手算來說相對重要的內(nèi)容。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電算的普及，其重要性已大大降低，甚至可能被淘汰。但在目前各版本的結(jié)構(gòu)力學(xué)教材中仍然占有很大的比重。而矩陣位移法是電算的重要基礎(chǔ)，與桿件體系有限元有密切聯(lián)系，但這些內(nèi)容還屬于簡單介紹部分。多數(shù)教材只是簡單介紹了矩陣位移法的基本理論，而有關(guān)如何進(jìn)行程序設(shè)計的內(nèi)容完全沒有介紹。特別是缺乏適合于初學(xué)者借助計算機(jī)，利用結(jié)構(gòu)力學(xué)的基本理論，解決實際問題的教學(xué)內(nèi)容。

1.2 課程體系改革

針對上述問題，應(yīng)該對大學(xué)力學(xué)課程體系進(jìn)行修改。根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)的內(nèi)容特點，以及大學(xué)中力學(xué)教學(xué)體系，可以將力學(xué)分成兩大部分，一部分是力學(xué)中的最基本的和最基礎(chǔ)性的概念和理論，可以稱為基礎(chǔ)力學(xué)部分；另一部分是基礎(chǔ)力學(xué)知識的應(yīng)用，即如何將基礎(chǔ)力學(xué)中的概念、理論和知識充分調(diào)動起來，靈活、合理、巧妙、綜合地應(yīng)用于單個桿件組成的復(fù)雜結(jié)構(gòu)中去。應(yīng)該說，基礎(chǔ)力學(xué)知識在理論力學(xué)、材料力學(xué)中已經(jīng)詳細(xì)介紹，而結(jié)構(gòu)力學(xué)應(yīng)比理論力學(xué)、材料力學(xué)更多地、更直接地面向工程設(shè)計、工程計算與工程應(yīng)用。因此，在進(jìn)行教學(xué)大綱修訂時，可以將結(jié)構(gòu)力學(xué)中的某些內(nèi)容統(tǒng)一編寫到理論力學(xué)、材料力學(xué)中，如靜定結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分析、位移計算等，而將工程應(yīng)用部分集中到結(jié)構(gòu)力學(xué)中。從教材內(nèi)容上強化工程應(yīng)用能力的培養(yǎng)，如從工程結(jié)構(gòu)中抽象出計算模型的能力、編寫計算程序的能力等。

2 改變傳統(tǒng)的教學(xué)方法提高教學(xué)效果

目前，結(jié)構(gòu)力學(xué)的教學(xué)方法與手段還沿用“精講多練”的傳統(tǒng)模式，一味注重學(xué)生對基本理論與基本方法的掌握，忽略學(xué)生解決實際問題能力的培養(yǎng)。結(jié)構(gòu)力學(xué)在過去長期的教學(xué)實踐中，已經(jīng)積累了系統(tǒng)的教學(xué)方法與經(jīng)驗。最具代表性的方法是“精講多練”，這樣一套教學(xué)方法是符合結(jié)構(gòu)力學(xué)課程教學(xué)規(guī)律的。過去工程上的結(jié)構(gòu)計算，主要依賴于手算?！熬v多練”教學(xué)法強調(diào)在講清、講透基本概念、基本原理的基礎(chǔ)上，通過“多練”對學(xué)生的解題與計算能力進(jìn)行強化訓(xùn)練。但是，隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析已經(jīng)廣泛應(yīng)用電算，對手算的要求已經(jīng)大大降低。因此，“精講多練”教學(xué)方法有待于改革。為了讓學(xué)生在相同的學(xué)習(xí)時間內(nèi)，既能掌握基本理論與基本方法，又能提高工程計算能力，可以將電算能力的培養(yǎng)貫穿到基礎(chǔ)理論的教學(xué)當(dāng)中。教師可以針對結(jié)構(gòu)力學(xué)中的幾個基本問題，形成計算程序的基本模式，并在講解基本理論的同時，介紹計算程序的基本算法原理。在選擇編程語言時，應(yīng)盡量選擇結(jié)構(gòu)化語言，如FORTRAN，這樣可以讓學(xué)生將精力集中在理論與算法的理解與掌握上。

3 注重工程計算能力的培養(yǎng)

結(jié)構(gòu)力學(xué)工程計算能力的培養(yǎng)涉及建立力學(xué)模型、合理選擇計算方法與開發(fā)計算程序三個方面。首先應(yīng)培養(yǎng)正確建立力學(xué)模型的能力。結(jié)構(gòu)力學(xué)是進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)，而實際結(jié)構(gòu)是復(fù)雜的，形式也是多種多樣的，必須經(jīng)過簡化抽象形成力學(xué)模型，才能進(jìn)行力學(xué)分析。力學(xué)模型是由實際結(jié)構(gòu)簡化得到的是實際結(jié)構(gòu)的“化身”或“替身”，體現(xiàn)該結(jié)構(gòu)的主要構(gòu)造特性和受力性能，便于進(jìn)行力學(xué)分析。只有熟悉結(jié)構(gòu)的組成規(guī)律和受力特性，善于正確地把實際結(jié)構(gòu)簡化為“替身”，才能做好建模工作。其次是培養(yǎng)選定合理計算方法的能力。選定合理的計算方法是計算、校核和檢驗結(jié)構(gòu)內(nèi)力及其分布與位移的重要前提，直接影響計算結(jié)果，與結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)合理性密切相關(guān)。因此，結(jié)構(gòu)分析應(yīng)重視計算方法的選擇。最后，應(yīng)培養(yǎng)開發(fā)計算程序的能力。要達(dá)到提高開發(fā)計算程序的能力，可以從三個步驟進(jìn)行培養(yǎng)。首先由教師提供典型問題的程序模板，然后讓學(xué)生根據(jù)不同問題進(jìn)行程序改編，再讓學(xué)生結(jié)合實際工程進(jìn)行應(yīng)用程序開發(fā)。通過這三個方面的培養(yǎng)，可以使學(xué)生在熟練掌握基本知識的基礎(chǔ)上，提高解決實際問題的能力。

4 結(jié)語

科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，結(jié)構(gòu)力學(xué)計算方法有了非常大的飛躍，對學(xué)生的工程計算能力的要求進(jìn)一步加強。從而使得傳統(tǒng)的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法顯現(xiàn)出許多不適應(yīng)性。特別針對這個問題，本文從課程體系改革、教學(xué)方法改進(jìn)與計算能力培養(yǎng)三個方面進(jìn)行分析，提出了相應(yīng)的措施，并在結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)中推行，取得了比較明顯的效果。

參考文獻(xiàn)

[1]范志良.結(jié)構(gòu)工程科學(xué)中若干計算結(jié)構(gòu)力學(xué)問題的研究展望[J].力學(xué)進(jìn)展，1994，24（5）：391-398.

[2]袁駟.一個基礎(chǔ)，兩座大廈——結(jié)構(gòu)力學(xué)課程的改革思路與實踐[J].力學(xué)與實踐，1998，20（1）：56-58.