基于“卓越計(jì)劃”的結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)改革研究

郭青偉，李玉濤

（1.南陽(yáng)師范學(xué)院 土木建筑工程學(xué)院，河南 南陽(yáng) 473061；2.河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 南陽(yáng) 473009）

基于“卓越計(jì)劃”的結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)改革研究

郭青偉1，李玉濤2

（1.南陽(yáng)師范學(xué)院 土木建筑工程學(xué)院，河南 南陽(yáng) 473061；2.河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 南陽(yáng) 473009）

闡述了土木卓越工程師培養(yǎng)過(guò)程中結(jié)構(gòu)力學(xué)課程的重要地位，剖析了結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)過(guò)程中存在的問(wèn)題，提出了加強(qiáng)理論聯(lián)系實(shí)際、加強(qiáng)定性分析能力培養(yǎng)、加強(qiáng)力學(xué)教師隊(duì)伍建設(shè)等改進(jìn)措施，以期提高結(jié)構(gòu)力學(xué)課程的教學(xué)質(zhì)量。

卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃；結(jié)構(gòu)力學(xué)；教學(xué)改革；理論教學(xué)；實(shí)踐教學(xué)；定性分析；定量分析

0 引言

《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）》明確提出：將“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”（簡(jiǎn)稱“卓越計(jì)劃”）列為未來(lái)10年中國(guó)全日制工科高等教育的重大改革項(xiàng)目［1］。該計(jì)劃要求學(xué)生不僅要重視理論知識(shí)學(xué)習(xí)，還要注意培養(yǎng)自身發(fā)現(xiàn)、分析并解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力。土木工程在基礎(chǔ)建設(shè)行業(yè)中占有重要的地位，內(nèi)容涉及到房建、道橋、地下空間工程等，如何在順應(yīng)國(guó)內(nèi)外土木工程行業(yè)發(fā)展態(tài)勢(shì)并符合高等教育規(guī)律的基礎(chǔ)上，順利實(shí)施“卓越計(jì)劃”，培育一大批高質(zhì)量、高素質(zhì)的土木工程專業(yè)技術(shù)人才，是當(dāng)前及未來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)土木工程專業(yè)高等教育面臨的重要課題。

結(jié)構(gòu)力學(xué)課程是土木工程專業(yè)及相關(guān)專業(yè)的核心課程之一，是理論力學(xué)和材料力學(xué)的后續(xù)課程，同時(shí)又為后續(xù)開(kāi)展的彈性力學(xué)、混凝土結(jié)構(gòu)、砌體結(jié)構(gòu)及鋼結(jié)構(gòu)等專業(yè)課程提供了必需的力學(xué)知識(shí)基礎(chǔ)，起著承上啟下的作用［2］。眾多高校土木工程專業(yè)研究生入學(xué)考試的專業(yè)科目亦為結(jié)構(gòu)力學(xué)。畢業(yè)生走上工作崗位后，遇到的結(jié)構(gòu)問(wèn)題也需要用結(jié)構(gòu)力學(xué)知識(shí)來(lái)解決。這就對(duì)土木工程專業(yè)的學(xué)生提出了更高的要求。面對(duì)“卓越計(jì)劃”提出的人才培養(yǎng)要求，結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)改革勢(shì)在必行。筆者經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期實(shí)踐探索，對(duì)結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)過(guò)程中存在的問(wèn)題進(jìn)行了深入分析，并提出了相應(yīng)的改革措施。

1 結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)過(guò)程中存在的問(wèn)題

結(jié)構(gòu)力學(xué)課程內(nèi)容主要包括：桿件體系的幾何組成分析、靜定結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和位移計(jì)算、超靜定結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和位移計(jì)算、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析等。靜定結(jié)構(gòu)的計(jì)算細(xì)分為靜定梁、靜定剛架、靜定拱、靜定桁架、靜定組合結(jié)構(gòu)等五種結(jié)構(gòu)分別講解。超靜定結(jié)構(gòu)的計(jì)算細(xì)分為力法、位移法、力矩分配法、矩陣位移法等四種方法分別講解。在結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)過(guò)程中存在的主要問(wèn)題可歸結(jié)為以下4個(gè)方面。

1.1 重視理論教學(xué)，忽視實(shí)踐教學(xué)

結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)課時(shí)從原來(lái)的120學(xué)時(shí)改為75學(xué)時(shí)，教學(xué)時(shí)間大大縮減，無(wú)法保障教學(xué)內(nèi)容充分展開(kāi)。教師授課時(shí)，往往機(jī)械地把教材內(nèi)容悉數(shù)灌輸給學(xué)生，且各部分內(nèi)容均是在給出計(jì)算簡(jiǎn)圖和荷載的基礎(chǔ)上進(jìn)行講解，完全割裂了工程背景，無(wú)法真實(shí)還原工程實(shí)際，導(dǎo)致理論教學(xué)與工程實(shí)踐脫節(jié)，制約了學(xué)生技術(shù)應(yīng)用能力和職業(yè)素質(zhì)的提升，使之走上工作崗位后遇到實(shí)際問(wèn)題時(shí)無(wú)法順利解決。

1.2 重視定量計(jì)算，忽視定性分析

靜定結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析以及超靜定結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析方法有多種，求解方式靈活多變，技巧性很強(qiáng)。但大量工程實(shí)踐表明，定量計(jì)算并不能解決全部問(wèn)題，復(fù)雜力學(xué)問(wèn)題往往需要用定性分析指導(dǎo)定量計(jì)算、用定量計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證定性分析，甚至需要忽略次要部分，才能得到正確結(jié)果。而在實(shí)際教學(xué)中，整個(gè)學(xué)習(xí)過(guò)程表現(xiàn)為習(xí)題演算，缺乏對(duì)題目的定性分析進(jìn)而找出更優(yōu)的解題方法。

1.3 重視解題過(guò)程，忽視結(jié)果判斷

在“應(yīng)試教育”的現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，學(xué)生重視理論求解過(guò)程，認(rèn)為計(jì)算過(guò)程正確就萬(wàn)事大吉，缺乏對(duì)計(jì)算結(jié)果的分析判斷。而結(jié)構(gòu)力學(xué)需要計(jì)算出桿件結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布情況，判斷結(jié)構(gòu)荷載的最不利位置和控制截面、控制內(nèi)力等情況，對(duì)于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有很強(qiáng)的指導(dǎo)意義。

1.4 理論教學(xué)嚴(yán)重脫離工程實(shí)踐

在結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)過(guò)程中，教師重視對(duì)理論知識(shí)的講解，缺乏將理論知識(shí)應(yīng)用于工程實(shí)踐的鮮活例子，使得課堂枯燥無(wú)味。而結(jié)構(gòu)力學(xué)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)內(nèi)容聯(lián)系密切，計(jì)算結(jié)果可直接作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的依據(jù)，為結(jié)構(gòu)材料選擇、結(jié)構(gòu)各組成部分連接方式及構(gòu)造措施提供數(shù)據(jù)支持。

2 教學(xué)改革舉措

2.1 注重理論教學(xué)與工程實(shí)際相結(jié)合

結(jié)構(gòu)力學(xué)是將工程建造結(jié)構(gòu)中得到的經(jīng)驗(yàn)和感性認(rèn)識(shí)上升到理性認(rèn)識(shí)，并一步步完善而形成的理論體系，從工程實(shí)踐中來(lái)，最終還要回到工程實(shí)踐中去。教學(xué)活動(dòng)不能脫離工程實(shí)踐而只進(jìn)行理論知識(shí)的傳授，否則將割裂結(jié)構(gòu)力學(xué)與建筑構(gòu)造等相關(guān)課程的內(nèi)在聯(lián)系，所培養(yǎng)的學(xué)生必然不能滿足社會(huì)要求。因此，在結(jié)構(gòu)力學(xué)課程教學(xué)過(guò)程中，必須注重理論教學(xué)與工程實(shí)際相結(jié)合，加強(qiáng)二者之間的聯(lián)系，做到理論與實(shí)踐并重。在教學(xué)改革中，可采用項(xiàng)目教學(xué)法，實(shí)施任務(wù)驅(qū)動(dòng)，詳細(xì)介紹具體工程問(wèn)題，并根據(jù)計(jì)算理論將工程問(wèn)題簡(jiǎn)化，最終建立結(jié)構(gòu)計(jì)算簡(jiǎn)圖，進(jìn)行理論計(jì)算，求出所承受的荷載和構(gòu)件變形數(shù)據(jù)。教學(xué)活動(dòng)與工程實(shí)際結(jié)合，可以增強(qiáng)結(jié)構(gòu)力學(xué)與建筑構(gòu)造等課程的橫向聯(lián)系，大大激發(fā)學(xué)生的求知欲望，有效地提高學(xué)生整合理論知識(shí)、分析解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力［3］。理論知識(shí)講解結(jié)束后，應(yīng)通過(guò)典型案例分析強(qiáng)化知識(shí)點(diǎn)，將復(fù)雜的工程結(jié)構(gòu)引入課堂，用所學(xué)知識(shí)進(jìn)行分析。如圖1（a）所示，一根梁，兩端置于墻上，梁上放一重物。梁在重物作用下，可在梁軸所處的豎向平面內(nèi)產(chǎn)生彎曲變形，兩端的墻體對(duì)梁起到豎向約束作用，但不能約束梁端的轉(zhuǎn)角變形，故可將梁簡(jiǎn)化為一軸線方向的簡(jiǎn)支梁。由于重物的分布尺寸較小，可將其簡(jiǎn)化為一集中荷載，梁的自重可看成一個(gè)沿梁軸線的均布荷載，如圖1（b）所示［4］。如果梁的兩端置于柱上，則屬于框架結(jié)構(gòu)，與梁的兩端置于墻上是完全不同的結(jié)構(gòu)形式，計(jì)算簡(jiǎn)圖也就完全不同。確定了計(jì)算簡(jiǎn)圖和荷載，就可以用所學(xué)知識(shí)進(jìn)行計(jì)算分析，這樣學(xué)生就明白了結(jié)構(gòu)計(jì)算簡(jiǎn)圖和荷載并非隨意假定，而是根據(jù)工程特點(diǎn)，具體問(wèn)題具體分析，進(jìn)行適度簡(jiǎn)化，以滿足精度要求。這樣既增強(qiáng)了學(xué)生對(duì)結(jié)構(gòu)的理解和認(rèn)識(shí)，又培養(yǎng)了他們分析和解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力。

2.2 加強(qiáng)定性分析能力的培養(yǎng)

結(jié)構(gòu)力學(xué)分為經(jīng)典結(jié)構(gòu)力學(xué)、定性結(jié)構(gòu)力學(xué)和計(jì)算結(jié)構(gòu)力學(xué)。近幾年，定性結(jié)構(gòu)力學(xué)的概念受到普遍重視。定性結(jié)構(gòu)力學(xué)主要培養(yǎng)學(xué)生的定性分析、估算判斷能力［5］。應(yīng)將定性分析貫穿于結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)過(guò)程，培養(yǎng)學(xué)生定性分析問(wèn)題的能力。在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)日益普及的新形勢(shì)下，定性分析能力越來(lái)越重要，只有擁有這種能力，學(xué)生才能建立合理的結(jié)構(gòu)計(jì)算模型，分析處理好計(jì)算結(jié)果。

要提高學(xué)生綜合力學(xué)素養(yǎng)，定性分析能力的培養(yǎng)不可或缺。在結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)過(guò)程中，教師應(yīng)主動(dòng)給學(xué)生傳授定性結(jié)構(gòu)力學(xué)知識(shí)，增強(qiáng)學(xué)生的定性分析意識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的定性分析習(xí)慣。例如，要牢固掌握結(jié)構(gòu)力學(xué)的核心知識(shí)點(diǎn)，概念清晰是基礎(chǔ)，它可以讓學(xué)生在繁雜的工程結(jié)構(gòu)中保持一種智慧的眼光，看到結(jié)構(gòu)的本質(zhì)。一根梁在同樣的荷載作用下，兩端的約束情況不一樣，得到的彎矩圖不一樣，結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布特征也是完全不一樣的。這就涉及到約束的概念，當(dāng)牢固掌握約束概念之后，內(nèi)力分布特征也將清晰于心，因而也就容易理解約束會(huì)影響到結(jié)構(gòu)的其他力學(xué)和工程特性，如結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性等。這樣也就同時(shí)培養(yǎng)了學(xué)生的發(fā)散思維能力，使他們能夠把各部分相關(guān)知識(shí)融會(huì)貫通起來(lái)。

圖1 結(jié)構(gòu)計(jì)算簡(jiǎn)圖示例Fig.1 Structure calculation

圖2 溫度變化時(shí)的超靜定結(jié)構(gòu)Fig.2 Statically indeterm inate structure of tem perature variation

2.3 加強(qiáng)對(duì)計(jì)算結(jié)果的判斷

結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)不單要教會(huì)學(xué)生算題，更重要的是要教會(huì)他們對(duì)計(jì)算出的結(jié)果進(jìn)行判斷，知道為什么是這樣的結(jié)果，并能聯(lián)系工程實(shí)際加以應(yīng)用。圖2（a）所示剛架外側(cè)溫度t1升高了+25°C，內(nèi)側(cè)溫度t2升高了+35°C，EI為常數(shù)，矩形截面。此結(jié)構(gòu)為超靜定結(jié)構(gòu)，通過(guò)力法計(jì)算得到由于溫度變化引起的結(jié)構(gòu)彎矩，如圖（b）所示。對(duì)于這個(gè)結(jié)果，我們不能只是機(jī)械地計(jì)算出結(jié)果，而要對(duì)結(jié)果進(jìn)行合理的判斷。可以看到，溫度改變引起的內(nèi)力與各桿絕對(duì)剛度EI有關(guān)［6］。同時(shí)，由于超靜定結(jié)構(gòu)多余約束的作用，使結(jié)構(gòu)溫度低的一側(cè)受拉。此結(jié)論同樣適用于溫度引起的超靜定單跨梁。聯(lián)系到工程實(shí)際，在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中，應(yīng)特別注意由于溫度降低而可能產(chǎn)生的裂縫。相對(duì)而言，在靜定結(jié)構(gòu)中，由于溫度改變導(dǎo)致的結(jié)論卻相反?？梢钥闯黾訌?qiáng)對(duì)計(jì)算結(jié)果的判斷，有利于學(xué)生力學(xué)綜合素質(zhì)的培養(yǎng)，有助于他們從更高層次上認(rèn)識(shí)結(jié)構(gòu)。

2.4 加強(qiáng)力學(xué)教師隊(duì)伍的建設(shè)

教師對(duì)問(wèn)題的理解深度不同，會(huì)直接影響教學(xué)過(guò)程和效果?！白吭接?jì)劃”提出的人才培養(yǎng)要求，無(wú)疑對(duì)結(jié)構(gòu)力學(xué)任課教師的執(zhí)教能力提出了新挑戰(zhàn)。結(jié)構(gòu)力學(xué)既要理論與實(shí)踐相結(jié)合，又要定量分析與定性分析相協(xié)調(diào)。多數(shù)結(jié)構(gòu)力學(xué)教師都是高校畢業(yè)后直接進(jìn)入教學(xué)崗位的，缺乏工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”實(shí)施過(guò)程中，他們必須補(bǔ)齊工程實(shí)踐這一短板。在教學(xué)過(guò)程中，為了增加教師的知識(shí)量?jī)?chǔ)備，并做到融會(huì)貫通，我們采取了同一個(gè)教師教多門課程的做法，讓他們熟悉相關(guān)課程與結(jié)構(gòu)力學(xué)課程之間的知識(shí)聯(lián)系，引導(dǎo)他們自編講義，制訂授課計(jì)劃，備好教材、了解學(xué)情、熟悉課堂，實(shí)施精細(xì)化教學(xué)。鼓勵(lì)力學(xué)教師參加土木工程專業(yè)認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)、施工實(shí)習(xí)，使教師對(duì)工程實(shí)際有更深層次的認(rèn)識(shí)，并將這種認(rèn)識(shí)更好地運(yùn)用于教學(xué)。力學(xué)教師還可擔(dān)任結(jié)構(gòu)力學(xué)課程設(shè)計(jì)和本專業(yè)學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)的指導(dǎo)教師，在指導(dǎo)過(guò)程中再次檢驗(yàn)教學(xué)效果，形成結(jié)構(gòu)力學(xué)課程的“教學(xué)→考核→反饋→改進(jìn)”機(jī)制。

以上所述改革措施能有效提高任課教師的教學(xué)水平，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)欲望，取得了顯著成果。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上述教學(xué)改革舉措的實(shí)施，2015年本專業(yè)的學(xué)生參加中南地區(qū)結(jié)構(gòu)力學(xué)競(jìng)賽，獲得三等獎(jiǎng)；2016年學(xué)生參加河南省結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽，獲得二等獎(jiǎng)；多名學(xué)生考研結(jié)構(gòu)力學(xué)成績(jī)也非常喜人。綜上所述，南陽(yáng)師范學(xué)院、河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院在結(jié)構(gòu)力學(xué)課程的教學(xué)改革舉措還是卓有成效的，對(duì)其他課程的教學(xué)改革也有一定的借鑒作用。

［1]林健.卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃通用標(biāo)準(zhǔn)研制［J］.高等工程教育研究，2010（4）：21-29.

［2]文國(guó)治.結(jié)構(gòu)力學(xué)［M］.重慶：重慶大學(xué)出版社，2013：2-3.

［3]許衛(wèi)群.問(wèn)題式教學(xué)法在工程力學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用研究［J］.教育教學(xué)論壇，2015（35）：148-149.

［4]李廉錕.結(jié)構(gòu)力學(xué)［M］.北京：高等教育出版社，2011：2-3.

［5]陳景濤，任韋輝，管亞彬.“定性結(jié)構(gòu)力學(xué)”的內(nèi)容體系及其在工程中的應(yīng)用［J］.重慶工學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2007（4）：47-49。

［6]王洪波.高溫環(huán)境下超靜定結(jié)構(gòu)的受力分析［J］.安徽建筑，2008（3）：147-148.

[責(zé)任編輯 靳曉穎]

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10.13681／j.cnki.cn41-1282／tv.2017.01.020

2016-09-19

南陽(yáng)師范學(xué)院教學(xué)研究項(xiàng)目：基于“卓越工程師”培養(yǎng)體系下地方應(yīng)用型本科院校結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)改革研究。

郭青偉（1983-），女，河南南陽(yáng)人，講師，碩士，主要從事土木工程專業(yè)的教學(xué)與研究工作，研究方向?yàn)闃蛄嚎拐稹?/p>