基于應(yīng)用型“卓越計(jì)劃”的結(jié)構(gòu)力學(xué)實(shí)踐化教改探索★

孫 明 周 磊

(湖南科技學(xué)院,湖南 永州 425199)

基于應(yīng)用型“卓越計(jì)劃”的結(jié)構(gòu)力學(xué)實(shí)踐化教改探索★

孫 明 周 磊

(湖南科技學(xué)院,湖南 永州 425199)

根據(jù)地方本科院校應(yīng)用型“卓越計(jì)劃”的要求，通過(guò)對(duì)教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)形式實(shí)踐化教改的探索，從工程實(shí)例分析、應(yīng)用軟件教學(xué)、結(jié)構(gòu)建模實(shí)驗(yàn)三個(gè)方面進(jìn)行思考，提出教學(xué)實(shí)踐化改革的具體措施。

結(jié)構(gòu)力學(xué),教學(xué)形式，教學(xué)改革，工程實(shí)踐

0 引言

《結(jié)構(gòu)力學(xué)》是土木工程專業(yè)中最重要的一門專業(yè)課程。這門課程主要任務(wù)是讓學(xué)生掌握結(jié)構(gòu)組成規(guī)律、受力性能和合理形式的分析思路，理解結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形的計(jì)算方法，并了解結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與結(jié)構(gòu)在動(dòng)力荷載作用下的反應(yīng)等基礎(chǔ)知識(shí)[1]?！督Y(jié)構(gòu)力學(xué)》作為一門以理論教學(xué)為主的課程，與高等數(shù)學(xué)、理論力學(xué)、材料力學(xué)等前置課程聯(lián)系緊密。由于這些前置公共課程的任課老師并非土木工程專業(yè)出身，授課中往往沒(méi)有考慮知識(shí)與后續(xù)專業(yè)課程的連貫性，而且地方應(yīng)用型院校生源的基礎(chǔ)又都比較薄弱，多數(shù)學(xué)生對(duì)這些難度較大的理論課程都以通過(guò)考試為首要目標(biāo)。因此導(dǎo)致學(xué)生在學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)力學(xué)前對(duì)很多基礎(chǔ)概念模糊不清，探討更深入復(fù)雜的理論問(wèn)題時(shí)極易產(chǎn)生畏難情緒，喪失學(xué)習(xí)積極性。學(xué)生對(duì)課程的學(xué)習(xí)目標(biāo)又變?yōu)閼?yīng)付期末考試而不是掌握知識(shí)。這樣的教學(xué)效果與教育部推行“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”(簡(jiǎn)稱“卓越計(jì)劃”)的要求背道而馳。

隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化進(jìn)程的飛速發(fā)展，無(wú)論房屋還是橋梁的結(jié)構(gòu)形式都日趨復(fù)雜，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與有限元分析已成為工程實(shí)踐中必不可少的應(yīng)用手段。地方本科院校要實(shí)現(xiàn)“卓越計(jì)劃”中為社會(huì)培養(yǎng)應(yīng)用型人才的目標(biāo)，就需要提前向尚未走向工作崗位的土木專業(yè)學(xué)生傳授工程應(yīng)用軟件的使用知識(shí)。通過(guò)近年對(duì)省內(nèi)建筑業(yè)各用人單位的走訪調(diào)查，可以發(fā)現(xiàn)剛就業(yè)的土木畢業(yè)生普遍都只會(huì)用軟件依葫蘆畫(huà)瓢，直接套用計(jì)算機(jī)自動(dòng)計(jì)算的數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，但不知道設(shè)計(jì)參數(shù)的設(shè)置原理，不知如何修改結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)性與安全性的有機(jī)結(jié)合，設(shè)計(jì)不出符合用戶需求的工程圖紙。究其原因，就是理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)脫節(jié)，上機(jī)課程只教軟件使用，理論課程只講數(shù)據(jù)分析，讓沒(méi)有工程經(jīng)驗(yàn)的學(xué)生很難將二者聯(lián)系到一起。

因此在以培養(yǎng)應(yīng)用型人才為主要任務(wù)的地方本科院校土木工程專業(yè)教學(xué)體系中，如何將以理論授課為核心的《結(jié)構(gòu)力學(xué)》課程與實(shí)踐結(jié)合起來(lái)，探索一條符合時(shí)代需求的教學(xué)實(shí)踐化改革道路，已成為實(shí)行“卓越計(jì)劃”時(shí)必須要思考的問(wèn)題。

1 《結(jié)構(gòu)力學(xué)》教學(xué)內(nèi)容實(shí)踐化

應(yīng)用型地方院校學(xué)生的一大特點(diǎn)就是對(duì)抽象的理論學(xué)習(xí)缺乏興趣，對(duì)工程實(shí)踐知識(shí)充滿學(xué)習(xí)熱情。因此可以根據(jù)學(xué)生的這一心理，對(duì)《結(jié)構(gòu)力學(xué)》課程的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行適當(dāng)擴(kuò)展延伸。因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)力學(xué)的知識(shí)是構(gòu)筑所有建筑結(jié)構(gòu)的基本原理，所以授課老師對(duì)課堂上講授的每一個(gè)章節(jié)、每一個(gè)知識(shí)點(diǎn)都能夠找出相對(duì)應(yīng)的工程應(yīng)用案例或者規(guī)范條文要求。對(duì)這些案例或規(guī)范的解析應(yīng)該要跳出單純敘述的桎梏，不能變成教師在課堂上講故事，學(xué)生在課堂下聽(tīng)熱鬧的模式，而是應(yīng)該將理論知識(shí)如何應(yīng)用于工程實(shí)踐這一思想通過(guò)講述和練習(xí)相結(jié)合的方式進(jìn)行傳授，課堂上提到的工程實(shí)例應(yīng)該都能通過(guò)簡(jiǎn)化變?yōu)榭梢杂蓪W(xué)生自行分析的結(jié)構(gòu)，例如普通大橋?qū)?yīng)多跨靜定梁，廠房對(duì)應(yīng)剛架，鐵路橋?qū)?yīng)桁架，多層結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)底部剪力法，框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)彎矩分配法，將實(shí)際問(wèn)題演變成可以讓學(xué)生利用書(shū)本就能解決的問(wèn)題，引導(dǎo)他們主動(dòng)去思索結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方略，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)理論知識(shí)的融會(huì)貫通。

比如在講授桁架這一章內(nèi)容時(shí)，可以圍繞工程史上有名的加拿大圣勞倫斯大橋建設(shè)事故進(jìn)行分析。先讓學(xué)生了解桁架結(jié)構(gòu)在實(shí)際工程中的應(yīng)用，然后讓他們根據(jù)歷史資料，分析大橋的幾何形式，繪制對(duì)應(yīng)的計(jì)算簡(jiǎn)圖。再通過(guò)對(duì)該橋建設(shè)中兩次垮塌事故的描述，引出教材中桁架內(nèi)力計(jì)算的相關(guān)理論。接著讓學(xué)生根據(jù)課堂上學(xué)習(xí)的桁架受力狀態(tài)分析知識(shí)，結(jié)合書(shū)本中關(guān)于不同桁架形式的受力特點(diǎn)進(jìn)行分組討論，指出案例中結(jié)構(gòu)垮塌的具體原因。最后由教師設(shè)定該橋轉(zhuǎn)換為計(jì)算簡(jiǎn)圖后所受荷載狀況，讓學(xué)生在課后以此為基礎(chǔ)對(duì)原結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，設(shè)計(jì)出在相同條件下，受力合理、保證安全的桁架結(jié)構(gòu)形式。

這樣通過(guò)對(duì)工程實(shí)例的細(xì)致剖析，可以將有關(guān)聯(lián)的若干知識(shí)點(diǎn)都貫穿到一起，調(diào)動(dòng)學(xué)生對(duì)書(shū)本理論的學(xué)習(xí)積極性，增進(jìn)他們對(duì)實(shí)際工程設(shè)計(jì)的認(rèn)識(shí)和理解。

2 《結(jié)構(gòu)力學(xué)》教學(xué)形式實(shí)踐化

結(jié)構(gòu)力學(xué)問(wèn)題的研究手段包含理論研究、實(shí)驗(yàn)研究、數(shù)值計(jì)算三個(gè)方面[2]。理論研究的內(nèi)容通過(guò)實(shí)驗(yàn)?zāi)M和計(jì)算機(jī)數(shù)值分析兩種形式應(yīng)用到工程實(shí)踐之中。在學(xué)生接觸結(jié)構(gòu)力學(xué)之初，一方面需要鞏固對(duì)基礎(chǔ)內(nèi)容的理解，另一方面需要有一種可靠的工具驗(yàn)證自己手工進(jìn)行的繁瑣計(jì)算是否正確，所以有必要利用專業(yè)軟件教學(xué)配合課堂理論知識(shí)的傳授。

從結(jié)構(gòu)力學(xué)課程最早的結(jié)構(gòu)幾何構(gòu)造分析章節(jié)開(kāi)始，就可以專門抽出少量課時(shí)將授課地點(diǎn)從教室轉(zhuǎn)移到機(jī)房，教學(xué)生使用清華大學(xué)研發(fā)的結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器。這個(gè)軟件的求解范圍涵蓋了結(jié)構(gòu)力學(xué)本科階段的所有問(wèn)題，可以畫(huà)出計(jì)算簡(jiǎn)圖，分析二維平面結(jié)構(gòu)的幾何組成、靜定結(jié)構(gòu)、超靜定結(jié)構(gòu)、自由振動(dòng)、彈性穩(wěn)定等情況，并計(jì)算結(jié)構(gòu)的位移、內(nèi)力、影響線、包絡(luò)圖[3]，還可以求解工程實(shí)踐中的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)。在每一章學(xué)習(xí)結(jié)束后，教導(dǎo)學(xué)生使用結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器解決相應(yīng)的問(wèn)題，可以極大地增強(qiáng)他們對(duì)課堂所學(xué)內(nèi)容的認(rèn)識(shí)和理解。而且由于這個(gè)軟件求出的都是精確解，所以可以用來(lái)與手工計(jì)算進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果，開(kāi)拓學(xué)生解題思路，強(qiáng)化他們的結(jié)構(gòu)分析建模能力。

除了使用結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器輔助學(xué)習(xí)外，為了增強(qiáng)課程的實(shí)踐性，當(dāng)課堂教學(xué)將靜定結(jié)構(gòu)這一部分的知識(shí)講授完畢時(shí)，還可以通過(guò)對(duì)新軟件的教學(xué)將理論與應(yīng)用聯(lián)系起來(lái)。工程應(yīng)用軟件可以選用中國(guó)建筑科學(xué)研究院研發(fā)的PKPM系列軟件，目前全國(guó)有90%以上的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)均使用該軟件完成。PKPM的排架框架設(shè)計(jì)模塊(簡(jiǎn)稱“PK”)主要用于鋼筋混凝土框架、框排架、連續(xù)梁、桁架結(jié)構(gòu)計(jì)算與施工圖繪制，模塊本身就是一個(gè)二維平面桿系的結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件，適用于工業(yè)與民用建筑中各種規(guī)則或復(fù)雜類型，規(guī)模在30層，20跨以內(nèi)的建筑[4]。通過(guò)對(duì)PK的教學(xué)，可以讓學(xué)生很直觀地看到運(yùn)用書(shū)本知識(shí)分析實(shí)際結(jié)構(gòu)會(huì)得到何種結(jié)果，教材中的理論習(xí)題用于對(duì)應(yīng)什么樣的實(shí)踐問(wèn)題。在知道看似枯燥的課本知識(shí)如何融入應(yīng)用軟件進(jìn)行實(shí)際工程設(shè)計(jì)、分析、優(yōu)化后，學(xué)生對(duì)結(jié)構(gòu)力學(xué)課程的學(xué)習(xí)熱情明顯高漲。

無(wú)論是課堂學(xué)習(xí)還是計(jì)算機(jī)分析，處理的都是二維平面問(wèn)題，而實(shí)際工程中構(gòu)建的都是三維立體結(jié)構(gòu)。如何將實(shí)際問(wèn)題放在電腦或紙面上處理，如何將電腦或手工計(jì)算的結(jié)果落實(shí)到應(yīng)用中去，這是一個(gè)專業(yè)工程師所應(yīng)具備的能力，也是教學(xué)中要努力培養(yǎng)學(xué)生形成的能力。因此對(duì)結(jié)構(gòu)力學(xué)這樣理論性強(qiáng)的課程，除了要強(qiáng)化應(yīng)用能力的配套上機(jī)練習(xí)以外，還需要有對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)安排，深化學(xué)生對(duì)結(jié)構(gòu)組成的認(rèn)識(shí)。

結(jié)構(gòu)力學(xué)實(shí)驗(yàn)應(yīng)區(qū)別于其他力學(xué)課程實(shí)驗(yàn)中學(xué)生操作儀器，記錄、處理數(shù)據(jù)的單一模式，重點(diǎn)體現(xiàn)課程特色，圍繞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化這個(gè)主題開(kāi)展實(shí)驗(yàn)活動(dòng)?？紤]學(xué)生的能力，讓他們分組合作自行設(shè)計(jì)并裝配模型，模型以紙、木、竹為材料，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容從最簡(jiǎn)單的簡(jiǎn)支梁設(shè)計(jì)開(kāi)始，逐漸擴(kuò)展為多跨橋、桁架屋頂?shù)荣N近實(shí)際工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。由任課教師在課堂上提出設(shè)計(jì)要求，安排學(xué)生在實(shí)驗(yàn)前先做好設(shè)計(jì)方案，確定結(jié)構(gòu)形式，并分別采用手工計(jì)算，結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器求解，PK分析的手段計(jì)算結(jié)構(gòu)的承載能力，在結(jié)構(gòu)模型制作完成后通過(guò)靜載或動(dòng)載實(shí)驗(yàn)校核學(xué)生自己動(dòng)手做出的結(jié)構(gòu)是否滿足要求。

3 結(jié)語(yǔ)

《結(jié)構(gòu)力學(xué)》課程通過(guò)一系列實(shí)踐化的教學(xué)改革措施，以培養(yǎng)應(yīng)用型卓越工程師為目標(biāo)，結(jié)合地方高校學(xué)生特點(diǎn)，將傳統(tǒng)理論授課與工程中常用設(shè)計(jì)分析軟件教學(xué)緊密地聯(lián)系起來(lái)，并且依托結(jié)構(gòu)模型實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生可以將理論分析落實(shí)到工程運(yùn)用之中，培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神，鍛煉學(xué)生的創(chuàng)新能力與動(dòng)手能力，為他們未來(lái)的專業(yè)課程學(xué)習(xí)和畢業(yè)后從事結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

[1] 李廉錕.結(jié)構(gòu)力學(xué)[M].第5版.北京：高等教育出版社，2010.

[2] 龍馭球，包世華，袁 駟.結(jié)構(gòu)力學(xué)[M].第3版.北京：高等教育出版社，2012.

[3] 包世華，辛克貴.結(jié)構(gòu)力學(xué)[M].武漢：武漢理工大學(xué)出版社，2012.

[4] 張宇鑫，劉海成，張星源.PKPM結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)用[M].上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，2010.

Exploration on practice teaching reform ofStructuralMechanicsbased on applied “excellence program”★

Sun Ming Zhou Lei

(HunanUniversityofScienceandEngineering,Yongzhou425199,China)

According to the requirements of applied “excellence program” of local undergraduate universities, through the exploration on practice teaching reform of teaching contents, teaching forms, made thinking from engineering example analysis, application software teaching, structure modeling experiment three aspects, put forward specific measures of teaching practice reform.

structural mechanics, teaching form, teaching reform, engineering practice

1009-6825(2015)02-0231-02

2014-11-04★：湖南省教育廳教改項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：湘教通[2012]401號(hào)第429項(xiàng))

孫 明(1985- )，男，博士，講師; 周 磊(1984- )，男，工程師

G642.0

A