“新工科”背景下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)踐課程的改進(jìn)

劉玉嵐, 彭齊馭

(中山大學(xué) 工學(xué)院, 廣州 廣東 510006)

近年來隨著我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展,以及互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等新技術(shù)的出現(xiàn),傳統(tǒng)工科教學(xué)已經(jīng)不能滿足需要,國家開始大力發(fā)展和探索“新工科”?！靶鹿た啤敝饕附瓿霈F(xiàn)的新技術(shù)與專業(yè)交叉融合產(chǎn)生的新興專業(yè),以及對傳統(tǒng)工科的升級(jí)改進(jìn),進(jìn)一步提高人才培養(yǎng)的實(shí)踐性與創(chuàng)新性[1-2]。

實(shí)踐教學(xué)、信息化教學(xué)等新興教學(xué)理念早在幾年前便引起了廣泛的討論和實(shí)踐[3-6]。相關(guān)學(xué)者提出了與工程實(shí)踐相結(jié)合、教學(xué)手段多樣化、培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算能力及表達(dá)能力的想法[7-9]；不少課程已在實(shí)踐探索中, 使用微博或微信支持線下的課程學(xué)習(xí)[10-11]以及使用虛擬模擬軟件的力學(xué)教學(xué)[12]。但在實(shí)際教學(xué)過程中,引導(dǎo)學(xué)生自主創(chuàng)新,提高理論應(yīng)用和實(shí)踐能力,還需要進(jìn)一步地完善與成熟。

1 教學(xué)設(shè)計(jì)思路

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)踐教學(xué)是參照力學(xué)結(jié)構(gòu)大賽的形式,讓學(xué)生通過軟件模擬設(shè)計(jì)，并實(shí)際制作承重模型結(jié)構(gòu),加強(qiáng)學(xué)生的理論應(yīng)用和實(shí)踐動(dòng)手能力。國內(nèi)外的結(jié)構(gòu)大賽以其趣味性和專業(yè)性吸引了廣大學(xué)生的積極參與[13],而本課程也以其趣味的形式和科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)牧鞒?吸引了較上次課程更多學(xué)生的參與。

本次課程為第三次開設(shè)。在上年的課程當(dāng)中,設(shè)置了微信信息平臺(tái),提高了學(xué)生信息交流、教學(xué)反饋和學(xué)習(xí)興趣。而本次課程,除了保留原有的材料強(qiáng)度測試、微信信息平臺(tái)等部分[14],增加了制作模型實(shí)驗(yàn)橋的環(huán)節(jié),使得在數(shù)值模擬的結(jié)果得到實(shí)際檢驗(yàn),并對計(jì)算所不能考慮的實(shí)際因素進(jìn)行補(bǔ)充,完成整個(gè)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和升級(jí)。

而在軟件模擬的教學(xué)過程中,不同于上次課程的基本操作介紹,這次以實(shí)際結(jié)構(gòu)比賽的模型為例子,教授學(xué)生如何選擇基本結(jié)構(gòu)類型,確定結(jié)構(gòu)的布置,細(xì)節(jié)改進(jìn)等優(yōu)化問題。

在桿件測試中,還鼓勵(lì)學(xué)生根據(jù)設(shè)計(jì)方案對特定規(guī)格桿件進(jìn)行相應(yīng)測試,以符合實(shí)際需求。

2 教學(xué)設(shè)計(jì)要求

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的題目是使用最少量的意粉設(shè)計(jì)并制作一個(gè)橋梁模型。要求橋梁跨度不得小于600 mm,寬度不得超過100 mm,高度在100 mm到150 mm范圍內(nèi)。加載時(shí)在橋梁中間放置一塊寬100 mm的木板。并把砝碼置于木板之上進(jìn)行豎向加載。標(biāo)準(zhǔn)加載上限為6 kg,極限加載沒有上限。要求分小組合作完成模型設(shè)計(jì)和制作,每組約5人。并提交相應(yīng)的結(jié)構(gòu)分析計(jì)算書和展示PPT。

本次課程的評(píng)分制度有所更改,加載成績?nèi)杂珊少|(zhì)比計(jì)算,但設(shè)計(jì)書分值占比提高到總成績的50%,增設(shè)加載極限預(yù)測誤差的占分項(xiàng)。主要是鼓勵(lì)學(xué)生更多地體會(huì)設(shè)計(jì)改進(jìn)的意義和過程,而非單純關(guān)注結(jié)構(gòu)承重結(jié)果,真正運(yùn)用所學(xué)知識(shí)到實(shí)踐中。

3 教學(xué)設(shè)計(jì)過程

3.1 設(shè)計(jì)教學(xué)、桿件制作與線上信息交流

通過PPT講解基本的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理和力學(xué)理論的應(yīng)用[15-16],以及現(xiàn)場演示桿件制作和親身實(shí)踐,大多數(shù)學(xué)生很快掌握了意粉橋設(shè)計(jì)的理論與實(shí)踐基礎(chǔ)。后續(xù)的信息共享和問題反饋也在微信平臺(tái)得到解決。

3.2 軟件數(shù)值模擬與設(shè)計(jì)

本次數(shù)值模擬教學(xué)采用SAP2000分析軟件,與上次課程不同,除了基本操作外,還分為選擇基本結(jié)構(gòu)類型和結(jié)構(gòu)優(yōu)化2方面來講解結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析。

3.2.1 選擇基本結(jié)構(gòu)類型

基本結(jié)構(gòu)類型有許多,根據(jù)后面材料強(qiáng)度測試中桿件抗拉不抗壓的性能,主要遵循在滿足形變要求的情況下,更多地使用受拉桿件的原則,以及考慮結(jié)構(gòu)耗材量和結(jié)構(gòu)復(fù)雜度是否手工允許等。

3.2.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

最終結(jié)構(gòu)的確定還要考慮結(jié)構(gòu)的具體方案,需要考慮如桁架的布置,桿件的長度、粗細(xì)和拼接角度等。而軟件模擬恰恰使得學(xué)生不需要耗費(fèi)精力去實(shí)際制作,就能得到不同方案的優(yōu)劣比較參考。

3.3 材料強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)

本次教學(xué)主要測試意粉桿件的抗拉、抗壓和抗彎強(qiáng)度。

3.3.1 抗拉強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)

測試桿件每小組至少要測試3組不同截面形狀和尺寸的意粉桿件,由儀器夾持加載測試,自動(dòng)讀取示數(shù)。同種尺寸桿件一般要測試3根。測得桿件平均每根抗拉強(qiáng)度,根據(jù)不同截面在20～40 N。

在本次材料強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)中,更加鼓勵(lì)學(xué)生根據(jù)作品設(shè)計(jì)需求,額外測試特定規(guī)格的桿件強(qiáng)度。而實(shí)際由于橋梁跨度大于單根意粉長度,其中的長桿件需要拼接處理,這就需要考慮實(shí)際不同拼接方法后的實(shí)際桿件強(qiáng)度。

3.3.2 抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)

抗壓實(shí)驗(yàn)由測試鋼片拉伸強(qiáng)度的裝置改裝。通過應(yīng)變儀記錄荷載示數(shù)。測試桿件長度至少包括10 cm和15 cm 兩種規(guī)格。與上次課程不同,本次課程各小組還要求測試20 cm桿件的抗壓能力(由于儀器限制,無法測試過長壓桿),同時(shí)鼓勵(lì)根據(jù)設(shè)計(jì)需求測試不同長度的桿件強(qiáng)度。

事實(shí)表明,這種測試非常有必要。根據(jù)學(xué)生測得的數(shù)據(jù)(見表1),同等截面桿件長度由15 cm變成20 cm,平均單根意粉抗壓能力下降了約50%。

由表1也可以看出,不同截面同樣長度桿件的平均每根抗壓能力也不同。在同樣長度下,3×3截面平均單根意粉抗壓強(qiáng)度是2×3截面的2倍左右。

表1 意粉桿件抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.3.3 抗彎強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)

測試一定跨度下桿件三點(diǎn)彎曲的抗彎強(qiáng)度。通過測試不同截面的桿件,獲得不同截面桿件的抗彎強(qiáng)度,以考慮在計(jì)算所得應(yīng)力下,所選桿件是否能承受彎矩。

3.4 模型結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)

模型實(shí)驗(yàn)為本次課程新增內(nèi)容。由于在實(shí)際結(jié)構(gòu)中,有許多計(jì)算所不能模擬或無法考慮的因素,因而需要通過實(shí)際結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

3.4.1 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性

顯然,對于壓桿失穩(wěn)的問題,是軟件模擬所不能得到的。如果說單根長細(xì)桿在失穩(wěn)限制下的極限強(qiáng)度可以由桿件測試獲得,那整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定和扭轉(zhuǎn)等問題就必須通過實(shí)際實(shí)驗(yàn)得到。因?yàn)椴煌瑮U件粗細(xì),角度和維持穩(wěn)定的桿件多少,都有可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞的不同。

第二組在橋梁正面梯形中位線處添加輔助桿件以防止梯形兩腰壓桿失穩(wěn)。而在實(shí)際實(shí)驗(yàn)情況下,承載力的確有所提升,但會(huì)出現(xiàn)另一個(gè)問題。如圖1所示,由于橋梁正面添加維穩(wěn)桿件后,上下幾何形狀仍為梯形,整體幾何穩(wěn)定性不足,最終四邊形失穩(wěn)受到破壞。這也是在立體結(jié)構(gòu)中軟件所不能定量模擬的整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定問題。

圖1 橋梁失穩(wěn)破壞

3.4.2 復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)

由于實(shí)際結(jié)構(gòu)在加載過程中是受到拉壓、彎曲、剪力等同時(shí)作用,而單向拉壓等簡單強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)并不能完全模擬實(shí)際情況。雖然桿件結(jié)構(gòu)以軸力為主,但在局部有可能受到較大彎矩或剪力的影響,需要通過實(shí)際模型加載驗(yàn)證。

第五組在制作實(shí)驗(yàn)橋梁時(shí),一方面由于儀器限制,尚未測試所有規(guī)格桿件的強(qiáng)度,另一方面在復(fù)雜應(yīng)力環(huán)境下,制作出相對保守的模型。而經(jīng)過實(shí)際加載后表明,壓桿和拉桿都未充分利用。因而最終作品減少了壓桿和拉桿的用料,作品達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)滿載的同時(shí),減輕了重量,提高了荷質(zhì)比。

3.4.3 實(shí)際制作因素

在實(shí)際制作過程中,還必須考慮手工誤差、拼裝方式和細(xì)節(jié)處理等問題。

在第三組的實(shí)驗(yàn)加載過程中,小組成員發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)最終破壞位置為頂部橫桿和斜桿的連接處。原因是斜桿與橫桿的接觸面積小,且難以完全貼合,錨固程度小于桿件抗壓和抗彎能力,從而受到破壞。因此小組成員在之后對接觸位置進(jìn)行打磨貼合以及貼片處理,增大錨固強(qiáng)度,在最終加載中以非節(jié)點(diǎn)破壞完成。

4 教學(xué)設(shè)計(jì)結(jié)果

4.1 最終加載結(jié)果

表2為本次課程最終加載結(jié)果。值得一提的是,對比上次課程的加載結(jié)果(如表3),可以看到,本次課程所有組別的標(biāo)準(zhǔn)荷質(zhì)比都要比上次課程的要高,平均成績提高42%。說明本次加入的結(jié)構(gòu)模型實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)在較大程度上彌補(bǔ)了計(jì)算模擬的不足和更多考慮了實(shí)際因素帶來的影響,不但提高了學(xué)生作品的成績,而且充分讓學(xué)生體會(huì)到實(shí)際操作與理論的不同與聯(lián)系,提高了學(xué)生的理論應(yīng)用和動(dòng)手實(shí)踐能力。另外,補(bǔ)充說明,極限荷質(zhì)比較小是由于較多根意粉黏合的單位面積強(qiáng)度要比較少意粉的桿件要高,從桿件強(qiáng)度測試數(shù)據(jù)可以看出。

表2 本次課程各組加載結(jié)果

表3 上次課程各組加載結(jié)果

4.2 結(jié)果分析

各組模型見圖2,從左至右依次為第一、二、三、四、五組。

圖2 最終各組加載模型

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜆蚝?各小組都對自己的結(jié)構(gòu)有了相當(dāng)?shù)牧私獠浹a(bǔ)了各自的缺陷。

除了第四組由于時(shí)間問題未來得及完成實(shí)驗(yàn)橋,導(dǎo)致橋梁過重,其他小組標(biāo)準(zhǔn)荷質(zhì)比都較好。

第二和第三小組在實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜆虍?dāng)中都由于側(cè)面壓桿失穩(wěn)破壞,而底部拉帶未充分利用。因而在最終加載中減少了拉帶的材料,因而最終加載值較小。

第五組在舍棄了較復(fù)雜的桁架結(jié)構(gòu)后,并通過模型橋?qū)嶒?yàn)確定了適當(dāng)?shù)臈U件規(guī)格,最終得到不錯(cuò)的成績。

5 教學(xué)成果亮點(diǎn)與不足

5.1 較完善的理論與實(shí)踐結(jié)合的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程

在原有軟件數(shù)值模擬、材料強(qiáng)度測試的基礎(chǔ)上,加上模型加載實(shí)驗(yàn),彌補(bǔ)了理論計(jì)算所未考慮的實(shí)際因素,進(jìn)一步完善了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的流程。這樣不但優(yōu)化了學(xué)生的設(shè)計(jì)方案,還培養(yǎng)了學(xué)生理論與實(shí)踐相結(jié)合的研究。

5.2 較深入的軟件模擬分析與創(chuàng)新教學(xué)

本次數(shù)值模擬軟件教學(xué)除了基本的結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析外,還進(jìn)行了特別教學(xué)結(jié)構(gòu)基本類型的比較以及具體結(jié)構(gòu)優(yōu)化的問題,引導(dǎo)和鼓勵(lì)學(xué)生對不同結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行優(yōu)化,激發(fā)學(xué)生的思考分析和設(shè)計(jì)創(chuàng)新能力。

5.3 激發(fā)學(xué)生的興趣與熱情

意粉橋承重的考查方式提高了學(xué)生的興趣,本次課程吸引了更多的學(xué)生參與,同時(shí)使得各小組內(nèi)互相協(xié)作與討論熱烈,激發(fā)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)和創(chuàng)新意識(shí)。

5.4 充分鍛煉學(xué)生的手動(dòng)實(shí)踐能力

通過實(shí)踐操作,較大提高了學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力。各小組自行摸索出模具桿件制作法、圖紙拼裝法、尺規(guī)拼裝法等實(shí)際模型制作方法。不但將理論應(yīng)用于實(shí)踐,更加在實(shí)踐中找到實(shí)施的有效方式,促進(jìn)學(xué)生向具備理論知識(shí)與實(shí)踐能力雙方面的綜合型人才發(fā)展。

5.5 信息共享與互動(dòng)平臺(tái)

本次課程同樣設(shè)置了微信資源信息共享平臺(tái)。通過發(fā)放課程動(dòng)態(tài),在線討論和課程反饋,不但及時(shí)調(diào)整課程安排,還激發(fā)了學(xué)生的興趣和靈感,以及拉近了師生關(guān)系。

5.6 測試儀器限制

由于實(shí)驗(yàn)儀器并非專業(yè)用于意粉強(qiáng)度測試,因而在精度和尺寸上會(huì)有所限制。如有部分小組因?yàn)闂U件兩端未能很好夾持而無法進(jìn)行特定桿件抗拉性能的測試。而在抗壓測試時(shí)較難使意粉完全垂直于加載面。

5.7 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指導(dǎo)仍可提升

學(xué)生設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)基本框架仍然偏相似,說明不同結(jié)構(gòu)的講解和引導(dǎo)仍然不足?？梢钥吹?雖然小組在設(shè)計(jì)中有過桁架結(jié)構(gòu)等方案,最終偏向于更穩(wěn)定的梯形拱橋方案。一方面可能由于同樣的題目,對師兄師姐的經(jīng)驗(yàn)有所借鑒。另一方面可以加強(qiáng)對不同結(jié)構(gòu)類型的視野拓寬,以及更多鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)行不同的嘗試與創(chuàng)新。

6 結(jié)論

本次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)踐課程中,有趣的意粉橋設(shè)計(jì)形式激發(fā)了學(xué)生較高的熱情和創(chuàng)造性。而數(shù)值模擬與實(shí)際實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的科學(xué)流程,還培養(yǎng)了學(xué)生的良好科學(xué)素養(yǎng)和科研習(xí)慣。整體設(shè)計(jì)與制作過程中還鍛煉了學(xué)生的理論應(yīng)用,手動(dòng)實(shí)踐,信息交流和團(tuán)隊(duì)合作能力。

在改進(jìn)的軟件數(shù)值模擬教學(xué)過程中,學(xué)生不但學(xué)會(huì)了基本的結(jié)構(gòu)受力分析,還通過比較不同方案,優(yōu)化設(shè)計(jì)和模擬解決實(shí)際問題,促進(jìn)了學(xué)生的自主思考、設(shè)計(jì)能力和創(chuàng)新意識(shí)。

而在新增的模型結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié),學(xué)生更能學(xué)會(huì)考慮更多實(shí)際因素,提高了理論應(yīng)用和實(shí)踐動(dòng)手能力。實(shí)際最終模型加載荷質(zhì)比相對上次課程平均提高42%。

課程仍有如測試儀器限制等缺點(diǎn),但整體效果良好,值得繼續(xù)完善和推廣。