基于虛擬仿真實驗的《結(jié)構(gòu)力學(xué)》課程改革

黃華恢

【摘 要】《結(jié)構(gòu)力學(xué)》結(jié)構(gòu)力學(xué)課程是土木工程專業(yè)學(xué)習(xí)中的基礎(chǔ)課程，對后續(xù)課程的學(xué)習(xí)起到關(guān)鍵作用。本文針對該課程在教學(xué)過程中遇到的各種問題，從課程內(nèi)容應(yīng)用、實驗融合、課時分配、考核體系四方面進(jìn)行課程改革，為今后《結(jié)構(gòu)力學(xué)》課程教學(xué)提供參考。

【關(guān)鍵詞】結(jié)構(gòu)力學(xué);虛擬仿真實驗;教學(xué)改革

中圖分類號： O342-4;G434文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）33-0028-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.33.012

結(jié)構(gòu)力學(xué)課程是土木工程專業(yè)重要的基礎(chǔ)課程之一。它以高等數(shù)學(xué)、靜力學(xué)、材料力學(xué)等課程為基礎(chǔ)，研究桿件組合體系的結(jié)構(gòu)在荷載作用下的受力情況。本課程的主要任務(wù)是研究結(jié)構(gòu)的組成規(guī)律、合理形式及結(jié)構(gòu)在外因作用下的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性的計算原理與計算方法，以保證結(jié)構(gòu)的安全并使之符合經(jīng)濟(jì)的要求。同時，該課程也為后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)做鋪墊。給專業(yè)課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計、畢業(yè)實習(xí)甚至今后畢業(yè)從事的相關(guān)工作提供必要的理論依據(jù)和計算方法。近年來，由于虛擬仿真實驗技術(shù)具備形象化和真實化，可將工程結(jié)構(gòu)實際狀況呈現(xiàn)在人們眼前，在視覺上將抽象的理論轉(zhuǎn)化成直觀和真實感較強(qiáng)的模型，而逐步作為高校教學(xué)輔助手段進(jìn)入課堂。這種教學(xué)方式培養(yǎng)了學(xué)生良好的工程意識和創(chuàng)新思維，完善知識結(jié)構(gòu)。因此，結(jié)合本課程的教學(xué)內(nèi)容，以及現(xiàn)階段學(xué)生學(xué)習(xí)的實際狀況，構(gòu)建以虛擬仿真試驗為基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)力學(xué)翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)應(yīng)用模型，為達(dá)到培養(yǎng)適應(yīng)工程需求的實踐人員做準(zhǔn)備。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

我國有研究者以結(jié)構(gòu)力學(xué)實驗為基礎(chǔ)，應(yīng)用Flash開發(fā)系統(tǒng)建立了結(jié)構(gòu)力學(xué)實驗的虛擬實驗環(huán)境和虛擬實驗物理的模型[1]。也有學(xué)者認(rèn)為在結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)中，公式復(fù)雜，推導(dǎo)及求解過程中需要較多的數(shù)學(xué)運算，因此特別需要數(shù)學(xué)應(yīng)用軟件的介入[2]。結(jié)構(gòu)力學(xué)課程教學(xué)涉及大量的公式推導(dǎo)、結(jié)構(gòu)分析與計算等內(nèi)容，學(xué)生理解起來較困難。將有限元軟件引入課堂教學(xué)，可以將抽象的應(yīng)力、應(yīng)變等概念具體化，將結(jié)構(gòu)的變形及應(yīng)力分布情況生動、直觀地呈現(xiàn)在學(xué)生面前，既有利于學(xué)生的接受，又能夠為學(xué)生學(xué)習(xí)ANSYS一類的有限元軟件奠定基礎(chǔ)[3]。通過虛擬仿真實驗技術(shù)幫助學(xué)生掌握力學(xué)中各變量的關(guān)系，觀察在變量變化的全過程模型的變形情況。在多次變量修改中找到最優(yōu)結(jié)構(gòu)形式，以優(yōu)化結(jié)構(gòu)。還有高校提出在教學(xué)過程中采用制作建筑模型來輔助學(xué)習(xí)的教學(xué)方式，以鞏固學(xué)生的理論知識，鍛煉學(xué)生的實踐操作能力，培養(yǎng)其獨立思考的能力，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。同時在實踐中能夠培養(yǎng)對建筑結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的簡化能力，從而通過學(xué)生解決建筑工程實際問題能力[5]。國外高校仍然側(cè)重結(jié)構(gòu)力學(xué)基本理論的講解，同時也將軟件應(yīng)用到日常的教學(xué)活動。如麻省理工學(xué)院建成的微電子在線實驗室，美國休斯敦大學(xué)的虛擬物理實驗室[3]。美國的西點橋梁設(shè)計競賽[6]，通過設(shè)計一座現(xiàn)實的橋梁，培養(yǎng)學(xué)生動手和處理問題的能力，讓學(xué)生了解工程設(shè)計過程中所需要的數(shù)學(xué)與力學(xué)知識，并掌握使用計算機(jī)解決工程問題的方法。

2 課程教學(xué)特點和難點

《結(jié)構(gòu)力學(xué)》課程作為土建類重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程之一，其教學(xué)質(zhì)量對學(xué)生今后的應(yīng)用能力強(qiáng)起著舉足輕重的作用。結(jié)構(gòu)模型實驗是課程中展現(xiàn)知識點應(yīng)用的關(guān)鍵。該實驗多為破壞性試驗，需耗費大量試件，破壞過程短暫，難以觀察整個破壞過程。加上班級學(xué)生人數(shù)較多，實驗具有一定的危險性，難以保證學(xué)生有足夠的動手操作機(jī)會。教學(xué)中理論知識向工程結(jié)構(gòu)的應(yīng)用轉(zhuǎn)化和結(jié)構(gòu)模型的優(yōu)化設(shè)計成為課堂中的兩大難點。所以，如何做好結(jié)構(gòu)力學(xué)的教學(xué)工作是擺在該專業(yè)教學(xué)工作者前面的重要課題。

3 改革目標(biāo)

3.1 理論知識可視化

日常教學(xué)中，結(jié)構(gòu)力學(xué)主要研究結(jié)構(gòu)的組成方式及在外荷載作用下的內(nèi)力、應(yīng)力、變形計算，當(dāng)中的理論性強(qiáng)，概念抽象，學(xué)生難以掌握?？赏ㄟ^虛擬軟件對構(gòu)件進(jìn)行建模和分析，繪制結(jié)構(gòu)的變形圖和應(yīng)力云圖等，用不同的色彩來表示結(jié)構(gòu)承載能力的強(qiáng)弱情況。借助這些軟件，以圖像的形式將其直觀、形象的展現(xiàn)，讓學(xué)生對這些概念有直觀的認(rèn)識，提高學(xué)習(xí)效率，增強(qiáng)學(xué)習(xí)效果。

3.2 力學(xué)實驗的可視化

結(jié)構(gòu)力學(xué)課程最終需運用到實踐中去，這必須在教學(xué)中將理論和實踐相融合。但受到課時少，加上實驗具有一定破壞性，在實驗前需準(zhǔn)備大量試件，實驗過程短暫又具有危險性，難以讓每位同學(xué)都觀察到結(jié)構(gòu)破壞過程。在這些不利承擔(dān)外界因素制約下，可將Abaqus和Flash等軟件引入實驗教學(xué)環(huán)節(jié)，以動畫的形式演示構(gòu)件實驗的全過程，充分發(fā)揮軟件的建模和分析能力。并利用軟件模擬現(xiàn)場加載情況，找到最合理的結(jié)構(gòu)形式，將其制作成模型，在課堂中現(xiàn)場展示，以加深學(xué)生對實驗現(xiàn)象和過程的理解。

3.3 結(jié)構(gòu)模型在工程實踐中的應(yīng)用

力學(xué)課程中只是將工程結(jié)構(gòu)中的房屋、橋梁等復(fù)雜結(jié)構(gòu)簡化的單跨形式，學(xué)生要真正掌握整體結(jié)構(gòu)的受力還有一定的差距。而讓學(xué)生畢業(yè)踏上相應(yīng)的工作崗位，會變得無從下手。借助于軟件模擬結(jié)構(gòu)實際工況可幫助學(xué)生將力學(xué)模型轉(zhuǎn)化為實際工程的結(jié)構(gòu)模型，以解決復(fù)雜的受力問題，進(jìn)而提高解決實際工程問題的能力。

4 課程改革措施

4.1 理論知識的應(yīng)用

結(jié)構(gòu)力學(xué)將傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)力學(xué)教材中的主要概念、知識點、計算模型與工程案相結(jié)合類比，讓其內(nèi)容趣味化、直觀化、感性化地，其目的是幫助學(xué)生理解抽象計算模型和概念。教學(xué)安排上，采用知識準(zhǔn)備、案例引導(dǎo)、內(nèi)容講授、模擬實驗的教學(xué)模式，并且按照初步建模、實驗制作、模型優(yōu)化三種形式進(jìn)行組織課后教學(xué)過程。結(jié)合工程案例講解理論知識點，讓學(xué)生建立起工程實際，計算模型、理論計算的工程思維，培養(yǎng)學(xué)生運用知識解決實際問題的能力。

4.2 教學(xué)內(nèi)容與虛擬仿真實驗相融合加以應(yīng)用

結(jié)構(gòu)力學(xué)理論性強(qiáng)，結(jié)構(gòu)形式多樣，分析對象均為實際工程中抽象后的結(jié)構(gòu)或構(gòu)件，公式推導(dǎo)、計算繁瑣乏味，學(xué)生難以保持學(xué)習(xí)興趣。通過虛擬仿真實驗便可幫助學(xué)生建立復(fù)雜力學(xué)模型，解決復(fù)雜的力學(xué)問題。結(jié)合教學(xué)內(nèi)容嘗試讓學(xué)生利用現(xiàn)有的實驗材料將虛擬優(yōu)化好的結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行制作并加以實驗。進(jìn)而可以參加結(jié)構(gòu)相關(guān)類競賽，如結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽、周培源力學(xué)競賽通過競賽等，鍛煉了學(xué)生建立抽象力學(xué)模型、結(jié)構(gòu)分析、電算軟件運用、團(tuán)隊協(xié)作等能力。

4.3 內(nèi)容教學(xué)、虛擬軟件應(yīng)用、建模實驗的課時分配

總學(xué)時是一定的，如何處理這三者之間的課時分配是關(guān)系到課程重點的問題。理論內(nèi)容是基礎(chǔ)，虛擬軟件教學(xué)是輔助，變抽象為具體，起到幫助學(xué)生理解理論知識的作用。建模實驗是讓學(xué)生明白設(shè)計流程以及如何進(jìn)行結(jié)構(gòu)施工方式，分析結(jié)果的合理性等，使學(xué)生能更快的走上工作崗位。同時還需對課程教學(xué)大綱進(jìn)行修改完善。

4.4 健全課程考核評估體系

傳統(tǒng)力學(xué)課程考核方式是通過筆試方法，但這種方式過于單一化。為了反映多元化的考核方法，體現(xiàn)學(xué)生實踐能力的培養(yǎng)與提高，突出學(xué)生自身學(xué)習(xí)特點有必要對結(jié)構(gòu)力學(xué)課程考核方式進(jìn)行調(diào)整。評價不再僅僅依據(jù)結(jié)課考試成績來評定優(yōu)良。在新的評價體系中，引入了課堂提問、考勤、平時作業(yè)、虛擬軟件的應(yīng)用、結(jié)構(gòu)建模實驗、力學(xué)競賽等方面，將考試成績分期中與期末兩次、課堂內(nèi)與課堂外兩個層面，分別引入不同的權(quán)重，設(shè)置了兩套考察方案（表1）。

5 總結(jié)

《結(jié)構(gòu)力學(xué)》課程土木工程教學(xué)中占據(jù)重要地位。在目前建設(shè)環(huán)境的需求指導(dǎo)下，對課程教學(xué)提出了創(chuàng)新性的要求。通過上述的關(guān)于課程內(nèi)容建設(shè)的一系列改革，并在實際教學(xué)中，融入虛擬仿真實驗技術(shù)，讓學(xué)生深入了解建模過程，逐步引入理論內(nèi)容，使教學(xué)內(nèi)容更加豐富。在不斷的更新和完善中，才能切實提高教學(xué)效果，促進(jìn)學(xué)生對理論的理解和掌握，提高學(xué)生的興趣，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)課程的積極性、主動性和創(chuàng)造性，增加學(xué)生的自主科研能力，為今后的學(xué)習(xí)和工作打下良好的基礎(chǔ)。

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