建筑力學(xué)課程案例教學(xué)的研究與實(shí)踐

陳德先　董武　嚴(yán)先輝

摘要：建筑力學(xué)是高職高專土建類專業(yè)的一門核心專業(yè)基礎(chǔ)課，該課程理論性比較強(qiáng)，內(nèi)容缺乏趣味，是土建類專業(yè)課程體系中教與學(xué)難度均大的一門課程。案例教學(xué)在高職土建專業(yè)建筑力學(xué)課程教學(xué)中的運(yùn)用，不僅可以打破傳統(tǒng)教學(xué)方法的局限性，還能將力學(xué)理論與工程實(shí)際相結(jié)合，能提高學(xué)生解決實(shí)際工程中力學(xué)問題的能力。

關(guān)鍵詞：建筑力學(xué)；案例教學(xué)；實(shí)踐

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）29-0155-03

案例教學(xué)于20世紀(jì)80年代由美國引入中國高校。案例教學(xué)法是指由教師提煉的現(xiàn)實(shí)生活中已經(jīng)發(fā)生的一些典型案例，讓學(xué)生把自己納入案例場景，通過討論來進(jìn)行學(xué)習(xí)的一種教學(xué)方法。建筑力學(xué)課程是一門集理論分析、工程應(yīng)用于一體的專業(yè)基礎(chǔ)課程。將案例教學(xué)應(yīng)用于建筑力學(xué)課程教學(xué)，能因地制宜，因材施教。在很大程度上保證教學(xué)效果，提高學(xué)生積極性，培養(yǎng)學(xué)生的動手動腦能力。

一、建筑力學(xué)教學(xué)引入案例教學(xué)的必要性

近年來，隨著我國社會和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對技術(shù)應(yīng)用型人才的需求不斷增加，使職業(yè)教育大眾化的進(jìn)程不斷加快，同時，也為職業(yè)教育的發(fā)展帶來了新的契機(jī)。由于單招生招生人數(shù)的增多，職業(yè)教育出現(xiàn)了新的隱患，大部分單招生文化基礎(chǔ)知識薄弱，自主學(xué)習(xí)能力和組織紀(jì)律性不強(qiáng)，曠課現(xiàn)象頻繁，沉迷網(wǎng)絡(luò)，自我約束能力較差，自卑心理較重，學(xué)習(xí)的積極性不高，影響了人才培養(yǎng)的質(zhì)量。建筑力學(xué)課程的理論性比較強(qiáng)，課程內(nèi)容包含三大力學(xué)，該課程公式推導(dǎo)涉及諸多數(shù)學(xué)知識，是大家公認(rèn)的一門教與學(xué)難度均大的課程。目前建筑力學(xué)理論教學(xué)課時大幅度縮減，以前建筑力學(xué)教學(xué)主要是教師講，學(xué)生聽，學(xué)生剛開始學(xué)習(xí)這門課程時，因教師介紹了該門課程的重要性，學(xué)生開始興趣還比較高昂，由于教學(xué)過程中缺乏師生互動，不讓學(xué)生自己思考、分析與總結(jié)，學(xué)生會慢慢感覺無聊、枯燥。以前的壞毛病又體現(xiàn)出來了。因此，在建筑力學(xué)的教學(xué)工程中如何使復(fù)雜的力學(xué)理論深入淺出，如何提高學(xué)生分析問題和解決問題的能力，如何激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，是本課程在教學(xué)過程中要解決的主要問題，而案例教學(xué)正是解決這一問題的最有效方法。

二、建筑力學(xué)教學(xué)中引入案例教學(xué)的作用

1.案例教學(xué)為學(xué)生提供自主學(xué)習(xí)的機(jī)會。傳統(tǒng)教學(xué)從書本到書本，從概念到概念的教學(xué)方式教給學(xué)生的是運(yùn)用概念解決問題的現(xiàn)成答案，學(xué)生大部分時間只能被動地接受知識。案例教學(xué)將學(xué)生置身于真實(shí)的實(shí)際工程案例場景，改變了以往教師講學(xué)生聽的教學(xué)模式。案例教學(xué)十分注重學(xué)生學(xué)習(xí)的主體性與積極性。它通過師生互動，一起分析和討論工程案例，運(yùn)用所學(xué)的力學(xué)知識解決案例中的力學(xué)問題，從而使學(xué)生獲得了自主學(xué)習(xí)的方法和機(jī)會[1]。

2.案例教學(xué)能培養(yǎng)學(xué)生的責(zé)任心。學(xué)生缺乏學(xué)習(xí)自覺性，根本原因是缺乏責(zé)任心，而責(zé)任心是每個社會成員尤其是工程技術(shù)人員必須具備的一種基本素質(zhì)，對學(xué)生進(jìn)行責(zé)任心教育也是學(xué)校進(jìn)行素質(zhì)教育的一個重要內(nèi)容。建筑力學(xué)的任務(wù)是解決結(jié)構(gòu)安全與經(jīng)濟(jì)的矛盾，該課程有關(guān)內(nèi)容對學(xué)生進(jìn)行責(zé)任心教育有其獨(dú)特的優(yōu)勢。工程事故案例，能提示啟發(fā)學(xué)生思考，除客觀因素外，從主觀因素來說其成因是什么？通過典型工程事故案例，學(xué)生們都能很好的認(rèn)識到：“不負(fù)責(zé)任”，“水平低”。由此認(rèn)識到培養(yǎng)責(zé)任心的重要，而培養(yǎng)責(zé)任心就應(yīng)從現(xiàn)在做起，首先對自己的學(xué)習(xí)負(fù)責(zé)，認(rèn)真學(xué)習(xí)才是負(fù)責(zé)任。同時，也只有認(rèn)真學(xué)習(xí)，才能提高“水平”[2]。

3.案例教學(xué)能將理論與實(shí)踐相結(jié)合。建筑力學(xué)課程不但要求學(xué)生要正確理解基本概念，而且要求學(xué)生要學(xué)會用所學(xué)內(nèi)容解決工程中的各種力學(xué)問題。建筑力學(xué)的主要任務(wù)可概括為解決工程結(jié)構(gòu)安全與經(jīng)濟(jì)這對矛盾。工程事故案例包含有豐富的力學(xué)知識，它能幫助學(xué)生了解力學(xué)理論與實(shí)際工程的聯(lián)系，使學(xué)生認(rèn)識到工程結(jié)構(gòu)的不同型式、結(jié)構(gòu)的不同幾何形狀與尺寸等均與力學(xué)知識有關(guān)，從而使學(xué)生明確學(xué)習(xí)目的，提高了對力學(xué)課程的學(xué)習(xí)積極性。

4.案例教學(xué)是專業(yè)教師成長的階梯。案例教學(xué)過程中，雖然學(xué)生活動是處于主要地位，但教師卻起到了引導(dǎo)作用，如果沒有高水平的教師指導(dǎo)，學(xué)生獨(dú)立探討問題可能費(fèi)時過多，亦容易產(chǎn)生盲目性和失去主動性。因而案例教學(xué)就要求教師具有精深的專業(yè)知識，具有豐富的教學(xué)與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，懂得將理論與實(shí)踐融會貫通。所以，作為教師的我們，不能把視野僅僅局限于教材，應(yīng)該利用身邊一切有益的媒體充實(shí)自己，不斷接受新知識、新理念，重視與外界交流[3]。

三、建筑力學(xué)案例教學(xué)應(yīng)注意的問題

1.案例教學(xué)作為建筑力學(xué)教學(xué)的一種教學(xué)方法，其本質(zhì)是為建筑力學(xué)教學(xué)目的服務(wù)的，案例教學(xué)應(yīng)與建筑力學(xué)的理論知識有直接聯(lián)系，如果案例與建筑力學(xué)內(nèi)容不相符，那么這樣的案例就沒有任何價值，這一點(diǎn)是建筑力學(xué)實(shí)施案例教學(xué)的前提條件。

2.由于很多高職生沉迷網(wǎng)絡(luò)，所選案例應(yīng)具有新穎性，對所有學(xué)生應(yīng)具有吸引力，能夠吸引所有學(xué)生積極參與其中，這樣才能讓所有學(xué)生很好的掌握所學(xué)內(nèi)容，為今后的實(shí)踐打下扎實(shí)的理論基礎(chǔ)。

3.由于高職學(xué)生文化基礎(chǔ)水平較差，選擇的案例要注意案例中所涉及的力學(xué)知識不能太難，要讓每位學(xué)生都能參與分析與討論，讓他們從中體驗(yàn)到學(xué)習(xí)的快樂。

四、典型案例分析

案例一：2008年1月，貴州及長江中下游地區(qū)長時間連陰雨雪，部分地區(qū)持續(xù)凍雨天氣，降雪降雨最終轉(zhuǎn)化為冰凌，隨著時間的推移，冰凌一層又一層地包裹高壓電線，致使電線上冰的厚度都超過了電線直徑的兩倍，最終被電線拉斷，鐵塔倒塌。

問題：連陰雨雪為何壓塌高壓線鐵塔？

分析：由于鐵的密度是7.8g/cm3，冰密度是0.9 g/cm3，而冰的厚度超過了電線直徑的兩倍，所以電線的自重相當(dāng)于增加了0.5倍，電線的實(shí)際承受荷載超出了它的許可荷載而最終被拉斷。支撐高壓線的鐵塔被厚厚的冰塊包裹，加大了自重，并承受著比平時高若干倍的高壓電線拉力，而最終倒塌。

電線拉斷是軸向受拉破壞：電線因結(jié)冰而沿軸向的拉力增高若干倍，而電線由于熱脹冷縮已經(jīng)超出設(shè)計限度，抗拉強(qiáng)度大大降低。

鐵塔壓垮的主要原因是局部壓桿失穩(wěn)造成的：鐵塔是鋼結(jié)構(gòu)的桁架，主要由受拉構(gòu)件和受壓構(gòu)件組成。受壓構(gòu)件受到的軸向壓力不斷增加，超過其臨界力而局部失穩(wěn)，從而導(dǎo)致整座鐵塔倒塌[4]。

案例二：甲乙兩隊(duì)進(jìn)行拔河比賽，為了獲得比賽的勝利，各隊(duì)負(fù)責(zé)人在選擇參加比賽的隊(duì)員時，首先選擇一批力氣大的隊(duì)員，目的是有足夠大的拉力把對方拉過來；然后在力氣大的隊(duì)員中選擇體重大、鞋底表面較粗糙的隊(duì)員作為最后的參賽隊(duì)員，目的是有足夠大的摩擦力使腳不打滑。

問題：除了上述條件外，為了贏得比賽，為什么人體用力姿勢要往后傾斜？（如圖1所示）

分析：物體在力作用下，除產(chǎn)生移動效應(yīng)外，還會產(chǎn)生轉(zhuǎn)動效應(yīng)。力使物體產(chǎn)生轉(zhuǎn)動效應(yīng)是用力矩來度量，力矩的大小等于力的大小與力臂的乘積。本案例中摩擦力足夠，腳不打滑，只能保證人體不產(chǎn)生移動，但不能保證不輸。因?yàn)楫?dāng)作用在人體上的拉力與人體自身的重力不變的前提下，人體如果直立，則拉力的力矩大，重力的力矩小，由于力矩不平衡而導(dǎo)致人體向前傾斜（即轉(zhuǎn)動）。所以為了增大獲勝機(jī)會，人體用力姿勢必須適當(dāng)往后傾斜。

案例三：四川汶川地震造成了大量磚混結(jié)構(gòu)嚴(yán)重破壞（如圖2所示）和人員重大傷亡，令人痛心。從建筑和結(jié)構(gòu)上來說，磚混結(jié)構(gòu)建筑由于墻與梁、柱的相互約束較弱，這就決定了此類建筑強(qiáng)度低，抗震性能較差。

問題：同樣地震烈度下為什么磚混結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重，而剛架結(jié)構(gòu)卻較少破壞或局部破壞？

分析：對結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)分析與計算前，為了使計算簡便，需將原結(jié)構(gòu)進(jìn)行多方面的簡化，得到一個代替原結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)計算簡圖，磚混結(jié)構(gòu)的內(nèi)部桿件相互約束較弱，桿件連接處通常簡化為鉸鏈連接（即鉸結(jié)點(diǎn)），鉸結(jié)點(diǎn)的受力特點(diǎn)是，不能承受彎矩與傳遞彎矩，所以對結(jié)構(gòu)強(qiáng)度起決定作用的內(nèi)力—彎矩分布不均勻，結(jié)構(gòu)上最大彎矩較大，由于梁橫截面上的正應(yīng)力與該截面上的彎矩成正比，所以結(jié)構(gòu)最大正應(yīng)力大，應(yīng)力越大，越接近材料的極限應(yīng)力，強(qiáng)度就越低，材料就越容易破壞。剛架結(jié)構(gòu)中梁與柱用鋼筋混凝土現(xiàn)澆相連接，這種連接點(diǎn)稱剛結(jié)點(diǎn)，其特征是，桿件連接牢固，結(jié)構(gòu)變形前后，匯交點(diǎn)處各桿之間的夾角不變。因此，結(jié)點(diǎn)可以承受和傳遞彎矩，因而在剛架中彎矩分布較均勻，最大彎矩相對于同樣尺寸的磚混結(jié)構(gòu)要小。所以其強(qiáng)度大于磚混結(jié)構(gòu)，不易破壞。實(shí)際工程中的剛架結(jié)構(gòu)，桿件用剛結(jié)點(diǎn)連接，屬于高次超靜定結(jié)構(gòu)，具有若干多余約束，該結(jié)構(gòu)局部破發(fā)生破壞，一般不會引起結(jié)構(gòu)整體破壞。

五、結(jié)語

教學(xué)實(shí)踐證明，將案例教學(xué)應(yīng)用于建筑力學(xué)課程教學(xué)，能讓學(xué)生饒有興趣地在工程實(shí)例中發(fā)現(xiàn)問題，思考問題并最終獲得答案，它能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，有利于對力學(xué)知識的理解和應(yīng)用，能有效地培養(yǎng)學(xué)生的思維能力和創(chuàng)新能力。

參考文獻(xiàn)：

[1]夏雄，先禮瓊，王小平，等.案例教學(xué)法在土力學(xué)課程教學(xué)過程中的實(shí)際與思考[J].高等建筑教育，2013，（6）：56-59.

[2]陳德先，董武，嚴(yán)先輝.基于高職學(xué)生文化基礎(chǔ)背景下的建筑力學(xué)教學(xué)改革研究[J].教育教學(xué)論壇，2014，（45）：124-126.

[3]葉衛(wèi)華.淺談案例教學(xué)法的作用[J].職業(yè)圈，2007，（10）：80-82.

[4]石立安.建筑力學(xué)[M].北京：北京大學(xué)出版社，2009.

Abstract：Architectural mechanics is a core specialized basic course of civil engineering specialty in higher vocational colleges. The course is relatively strong in theory and lack of interest. It is a difficult course both in teaching and learning in civil engineering curriculum system. The application of case teaching in the course of construction mechanics in civil engineering can not only break the limitation of the traditional teaching method，but also combine the mechanics theory with the engineering practice，which can improve the students' ability to solve the mechanical problems in practical engineering.

Key words：building mechanics；case teaching；practice