建筑學(xué)專業(yè)力學(xué)課程教學(xué)改革的實(shí)踐研究

齊欣+李翠娟+孟慶成

[摘 要]建筑學(xué)專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)主要為適應(yīng)國家建筑和社會發(fā)展需要，培養(yǎng)基礎(chǔ)扎實(shí)、知識面廣、綜合素質(zhì)高，具備建筑師職業(yè)素養(yǎng)，并富有創(chuàng)新精神的國際化高級專門人才及專業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者。針對建筑學(xué)專業(yè)學(xué)生力學(xué)概念普遍較弱的現(xiàn)狀，我們在教學(xué)中引入定性分析，轉(zhuǎn)變教學(xué)理念，優(yōu)化、豐富教材內(nèi)容，改革教學(xué)手段，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。實(shí)踐表明：合理調(diào)整后的教學(xué)內(nèi)容，綜合了概念解析、工程案例、定性研究等教學(xué)方法，學(xué)生對抽象的知識點(diǎn)易于理解，學(xué)習(xí)熱情高，更利于培養(yǎng)應(yīng)用型綜合型人才。

[關(guān)鍵詞]建筑力學(xué)；定性分析；教學(xué)改革

[中圖分類號] G642.0 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A [文章編號] 2095-3437（2017）08-0032-03

建筑學(xué)專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)主要為適應(yīng)國家建筑和社會發(fā)展需要，培養(yǎng)基礎(chǔ)扎實(shí)、知識面廣、綜合素質(zhì)高，具備建筑師職業(yè)素養(yǎng)，并富有創(chuàng)新精神的國際化高級專門人才及專業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者。為實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)需要學(xué)生具有較好的力學(xué)素養(yǎng)，建筑力學(xué)是針對此而設(shè)立的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，其設(shè)置的具體目的在于：通過該課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握平面桿系結(jié)構(gòu)內(nèi)力和位移的計(jì)算原理與方法，了解常用結(jié)構(gòu)的受力性能，為學(xué)習(xí)工程結(jié)構(gòu)方面專業(yè)課程以及進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供一定的力學(xué)基本知識，培養(yǎng)學(xué)生一定的結(jié)構(gòu)分析與計(jì)算能力。

傳統(tǒng)的建筑力學(xué)教學(xué)， 其教學(xué)方法和教學(xué)內(nèi)容與其他力學(xué)課程大同小異， 主要以學(xué)生能夠掌握好書本上的理論和方法為培養(yǎng)目標(biāo)， 整個(gè)教學(xué)活動圍繞著教材開展，這樣封閉的教學(xué)模式很不利于創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)， 其原因在于給學(xué)生獨(dú)立思考的空間太小。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的普及，力學(xué)研究從繁瑣的計(jì)算中解脫出來， 但這似乎并沒有帶來學(xué)生能力的全面提高。事實(shí)上，對計(jì)算軟件的過度依賴， 使得學(xué)生獨(dú)立思考的空間變得更小了， 一些學(xué)生甚至對基本的理論與概念也模糊起來，并且，隨著課時(shí)數(shù)的壓縮，學(xué)生很難形成系統(tǒng)的知識體系。因此，如何在有限的課時(shí)中提高教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)出具備堅(jiān)實(shí)理論基礎(chǔ)的復(fù)合型人才值得討論。

力學(xué)課程的教學(xué)內(nèi)容相對抽象。在以往的教學(xué)中教師往往只強(qiáng)調(diào)“力學(xué)計(jì)算”這一教學(xué)環(huán)節(jié)中的運(yùn)算能力， 忽略了學(xué)生直接的感性經(jīng)驗(yàn)和直覺思維，致使學(xué)生難以理解結(jié)構(gòu)構(gòu)件的力學(xué)性能，因此學(xué)生接受程度較差。同時(shí)，又由于學(xué)生普遍認(rèn)為結(jié)構(gòu)分析可以由結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師完成，因而對其重視度不足。而建筑設(shè)計(jì)與力的分析是密不可分的，所有設(shè)計(jì)都是通過對力進(jìn)行分析，再去尋求簡單而又經(jīng)濟(jì)地表達(dá)它們相互作用的造型。因此，對建筑學(xué)專業(yè)的學(xué)生強(qiáng)化力學(xué)基礎(chǔ)尤為重要。

以電視塔為例（見圖1），將其簡化為懸臂構(gòu)件，主要承受荷載水平風(fēng)力作用，其內(nèi)力主要體現(xiàn)為彎矩作用，其彎矩圖為拋物線，因而其合理的造型是上小下大按拋物線變化。對于建筑學(xué)的學(xué)生而言，端部彎矩具體大小不是關(guān)注的重點(diǎn)，但需要明確其彎矩圖的變化規(guī)律。而對于建筑師而言，定性的對結(jié)構(gòu)物有整體把握非常重要。因此教學(xué)過程中教師應(yīng)加強(qiáng)學(xué)生定性分析能力的培養(yǎng)， 拓展學(xué)生的思考空間， 使學(xué)生在學(xué)習(xí)經(jīng)典力學(xué)的基礎(chǔ)上能夠進(jìn)一步理解和運(yùn)用力學(xué)的核心概念與基本方法去解決工程實(shí)際中的問題。

一、定性分析

所謂定性分析就是對研究對象進(jìn)行“質(zhì)”的方面的分析。具體地說是運(yùn)用歸納與演繹、分析與綜合以及抽象與概括等方法，對獲得的結(jié)果進(jìn)行思維加工，從而能去粗取精、去偽存真、由此及彼、由表及里，達(dá)到認(rèn)識事物本質(zhì)、揭示內(nèi)在規(guī)律的目的。定性主要是解決研究對象“有沒有”或者“是不是”的問題，是一種最根本、最重要的分析研究過程。

建筑學(xué)專業(yè)設(shè)置力學(xué)課程的教學(xué)目的，在于使學(xué)生在掌握一部分理論知識的基礎(chǔ)上培養(yǎng)結(jié)構(gòu)概念。因此，在認(rèn)真分析和研究教材的基礎(chǔ)上，概要講授教材的重點(diǎn)和難點(diǎn)內(nèi)容，根據(jù)建筑學(xué)專業(yè)學(xué)生的自身特點(diǎn)及學(xué)時(shí)限制的實(shí)際情況，在課堂上省略冗長繁瑣的公式及定理的推導(dǎo)過程，將教學(xué)重點(diǎn)放在學(xué)生運(yùn)用公式和定理解決實(shí)際問題的能力上，學(xué)生課下通過自己看書能夠領(lǐng)會和理解的內(nèi)容不做過多的解釋。同時(shí)，要加強(qiáng)力與建筑造型之間的關(guān)系的教學(xué)，重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和自覺性，逐步培養(yǎng)學(xué)生良好的自主學(xué)習(xí)習(xí)慣，從而提高學(xué)生的自學(xué)能力和領(lǐng)悟能力。

二、定性分析的內(nèi)容構(gòu)成

定性分析關(guān)注的是結(jié)構(gòu)本身受力的特性分布，以往的定性分析強(qiáng)調(diào)的是由量變到質(zhì)變，即通過大量的習(xí)題訓(xùn)練后，歸納出相應(yīng)的規(guī)律特征。這種方法需要花費(fèi)較多精力。在課程改革過程中，我們將過程反轉(zhuǎn)，首先把相應(yīng)的規(guī)律和特征拋給學(xué)生，通過習(xí)題進(jìn)行驗(yàn)證，避免了大量的習(xí)題訓(xùn)練。它強(qiáng)調(diào)的是力學(xué)課程中各種方法與結(jié)論的綜合運(yùn)用， 即利用多種理論、多種研究方法來對事實(shí)做最真實(shí)最全面的描述。因而，教師在教學(xué)中不應(yīng)將定性分析的內(nèi)容孤立起來， 而應(yīng)將其融入課堂教學(xué)的全過程中。

（一）基于已知概念的定性分析

力學(xué)課程循序漸進(jìn)，在每一章節(jié)都講述了相應(yīng)的理論與計(jì)算方法。這些經(jīng)典的解題方法不僅可以用于定量的計(jì)算，也是定性分析的重要手段。在教學(xué)過程中可以將定量計(jì)算與定性分析的內(nèi)容結(jié)合起來，這既能加深學(xué)生對解題方法的理解，也能使學(xué)生養(yǎng)成定性分析的良好習(xí)慣。以封閉的框格為例（見圖2），上下受到荷載的擠壓作用，在對其進(jìn)行內(nèi)力分析時(shí)，這樣一個(gè)三次超靜定的結(jié)構(gòu)，按照常規(guī)的方法進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算量較大?？筛鶕?jù)結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行分析，由于桿件的微分關(guān)系，其中AB、CD桿無外荷載作用，因此其上彎矩為直線，又由于框格上下對稱，因此AB、CD段彎矩為等直線M。根據(jù)剛結(jié)點(diǎn)無外荷載作用時(shí)，其彎矩滿足等值同側(cè)的原則，A、B、C、D四點(diǎn)處彎矩應(yīng)保持一致均為M，AD、BC段由于受到均布荷載作用，相應(yīng)疊加簡支梁的彎矩，最終畫出結(jié)構(gòu)的彎矩圖。[1]

（二）關(guān)注結(jié)構(gòu)體系特征

在桁架的內(nèi)力求解中，桁架中零桿的判斷非常重要，但大多數(shù)學(xué)生僅是通過規(guī)則進(jìn)行判斷，對于以下（見圖3）[2]桁架結(jié)構(gòu)零桿的判斷方法，教學(xué)中通常采用節(jié)點(diǎn)法，根據(jù)特殊節(jié)點(diǎn)的受力特點(diǎn)進(jìn)行判斷。除了這種方法，同樣可以根據(jù)合理的傳力途徑達(dá)到判斷零桿的目的。力的傳遞遵循最短路徑傳遞的原則，因此只有路徑上的桿件受力，而其余桿件均為零桿。當(dāng)明確了力的傳遞路徑后，可快速的確定零桿。endprint

舉一反三，對各種結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比分析也是定性分析的一種。如圖4所示，在進(jìn)行靜定結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析，學(xué)習(xí)完簡支梁的有關(guān)內(nèi)容后，學(xué)生對于簡支梁內(nèi)力分布已經(jīng)明確。以此為基礎(chǔ)，對同跨度，等荷載的梁、三鉸拱以及桁架為例，其內(nèi)力分布，梁為明顯的受彎構(gòu)件，承受彎矩和剪力；三鉸拱則當(dāng)其桿軸線滿足合理拱軸線時(shí)，僅受軸力作用；平行弦桁架中，當(dāng)力作用在節(jié)點(diǎn)時(shí)，桁架均為二力桿。通過對比分析，明確了各種結(jié)構(gòu)的受力特征，而采用定性分析的方法，則減少了大量的數(shù)學(xué)計(jì)算分析。

（三）應(yīng)用疊加原理進(jìn)行定性分析

考察結(jié)構(gòu)受力時(shí)，除了直接對結(jié)構(gòu)進(jìn)行解析、分析，還可以應(yīng)用疊加原理，將荷載分組，分別考察在單組荷載作用下，單工況下結(jié)構(gòu)的受力特征，最后將各種工況疊加，從而得到各種工況的組合（見圖5）。

（四）結(jié)合有限元法的定性分析

計(jì)算機(jī)技術(shù)和現(xiàn)代數(shù)值計(jì)算方法的飛速發(fā)展進(jìn)一步拓寬了力學(xué)的應(yīng)用領(lǐng)域， 工程師可借助有限元軟件分析更為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。但是， 計(jì)算機(jī)技術(shù)的普及也給學(xué)生帶來了重計(jì)算， 輕分析的后果。龍馭球院士曾指出： 在大型計(jì)算中， 如果不會定性判斷，不會抓錯(cuò)、改錯(cuò)， 那是很危險(xiǎn)的。因此在教學(xué)過程中， 應(yīng)該重視學(xué)生定性分析能力的培養(yǎng)， 使學(xué)生能夠認(rèn)識到計(jì)算機(jī)技術(shù)是進(jìn)行結(jié)構(gòu)定性分析的重要工具，而定性分析更是計(jì)算機(jī)計(jì)算中不可或缺的環(huán)節(jié)。目前，結(jié)構(gòu)力學(xué)課程的教學(xué)總學(xué)時(shí)數(shù)逐漸被壓縮，如何在有限的教學(xué)課時(shí)內(nèi)，將計(jì)算機(jī)計(jì)算與定性分析的內(nèi)容引入結(jié)構(gòu)力學(xué)的課程教學(xué)中是很多力學(xué)教育工作者共同關(guān)心的問題。筆者在結(jié)構(gòu)力學(xué)的課程教學(xué)中引入計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，這既激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，又拓展了學(xué)生的思維空間，使學(xué)生的分析能力與綜合素質(zhì)得到了提高。計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)可以利用結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器，也可以利用一些通用的有限元計(jì)算軟件來完成。這些計(jì)算軟件結(jié)合多媒體技術(shù)為結(jié)構(gòu)力學(xué)實(shí)驗(yàn)提供了便利。

對于這樣一個(gè)三次超靜定的結(jié)構(gòu)，對于建筑專業(yè)的學(xué)生而言，其內(nèi)力的求解是較難的內(nèi)容，但剛架也是工程實(shí)際中最常用的結(jié)構(gòu)，其內(nèi)力分布的特點(diǎn)是必須要掌握的內(nèi)容。借助通用的有限元計(jì)算軟件，可以得到梁/柱的剛度比分別=0，1，4，∞時(shí)結(jié)構(gòu)的彎矩分布，隨著梁柱的剛度比的不斷加大，梁端所承受的彎矩逐步的增大，柱上的反彎點(diǎn)逐步降低（見圖6），結(jié)合有限元軟件，學(xué)生可以直觀的得到剛架內(nèi)力的分布情況。將有限元軟件的計(jì)算融入課堂教學(xué)過程中，使計(jì)算機(jī)技術(shù)與定性分析相結(jié)合，可以更進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生定性分析的能力，幫助學(xué)生運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)去解決工程實(shí)際問題。同時(shí)，這也是開展研究型教學(xué)的一條非常有效的途徑。

三、工程實(shí)例分析

目前的課堂教學(xué)都是按照知識點(diǎn)的分布安排教學(xué)內(nèi)容，僅在緒論中描述了從工程實(shí)際模型到計(jì)算簡圖的建立方法，而后續(xù)的學(xué)習(xí)均是采用計(jì)算簡圖進(jìn)行分析，概念比較抽象，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中會覺得晦澀難懂， 不易接受。尤其建筑學(xué)的學(xué)生，首先關(guān)注的是形狀特征，若能在實(shí)際的求解前，與建筑造型結(jié)合，跟實(shí)際問題聯(lián)系起來，有助于學(xué)生對相應(yīng)結(jié)構(gòu)的理解，而對抽象的計(jì)算模型，也應(yīng)盡量都給出其實(shí)際對應(yīng)的結(jié)構(gòu)。

在連續(xù)梁的教學(xué)中， 可通過多媒體手段演示一些典型橋梁的實(shí)例（見圖7）， 使學(xué)生了解定性分析在橋梁初步設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。對此即可提出為什么采用這樣結(jié)構(gòu)形式的疑問，回答這個(gè)問題就需要為學(xué)生講述簡支梁與連續(xù)梁的基本特點(diǎn)，比較不同支承方式對結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布的影響，討論簡支梁與連續(xù)梁各自的優(yōu)缺點(diǎn)與適用范圍，然后依據(jù)分析的結(jié)論，討論如何對結(jié)構(gòu)的選型做出定性的判斷。經(jīng)過對具體工程實(shí)例的定性分析，可以激發(fā)學(xué)生對力學(xué)課程的興趣，拓寬學(xué)生的視野，這樣不僅加強(qiáng)了學(xué)生對理論知識的理解和掌握，還能使學(xué)生學(xué)會運(yùn)用新思想、新技術(shù)和新方法去研究和解決實(shí)際工程問題。

四、結(jié)語

通過教學(xué)改革，幫助學(xué)生在動態(tài)中去觀察、探索和發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的受力特征，使學(xué)生通過計(jì)算機(jī)從“做建筑力學(xué)題”轉(zhuǎn)變?yōu)槿轿坏恼莆战Y(jié)構(gòu)構(gòu)件基本特性，從而為設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)。教學(xué)實(shí)踐表明，課程內(nèi)容的及時(shí)更新，教學(xué)方法的多樣化，將定性分析的內(nèi)容引入建筑力學(xué)教學(xué)的過程中，是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力，全面提高學(xué)生綜合素質(zhì)的有效途徑。

[ 參 考 文 獻(xiàn) ]

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[責(zé)任編輯：鐘 嵐]endprint