基于數(shù)值建模和分析的“結(jié)構(gòu)力學(xué)”教學(xué)方法研究

杜東寧 王舜 劉曉

【摘要】傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)力學(xué)課程教學(xué)是以基本原理和方法講授和習(xí)題講解為主要途徑，而結(jié)構(gòu)力學(xué)在工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析中的實(shí)用和實(shí)踐性較強(qiáng)，目前的教學(xué)方法已不能充分激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，滿足學(xué)生的學(xué)習(xí)需求。為培養(yǎng)學(xué)生學(xué)以致用的實(shí)踐能力，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新熱情，從課內(nèi)外引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用各類數(shù)值計(jì)算分析軟件，建立教材里例題的數(shù)值計(jì)算模型，將結(jié)構(gòu)計(jì)算過程的學(xué)習(xí)與數(shù)值建模和計(jì)算過程緊密結(jié)合，豐富結(jié)構(gòu)力學(xué)課程的教學(xué)手段，介紹在實(shí)際教學(xué)實(shí)踐過程中的方法和教學(xué)效果，初步形成基于數(shù)值分析和傳統(tǒng)習(xí)題講解相結(jié)合的結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)方法體系。

【關(guān)鍵詞】結(jié)構(gòu)力學(xué) ?數(shù)值建模 ?結(jié)構(gòu)分析 ?結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

【基金項(xiàng)目】教改項(xiàng)目：基于專業(yè)認(rèn)證的土木工程專業(yè)人才培養(yǎng)模式改革（項(xiàng)目編號(hào)：c9）。

【中圖分類號(hào)】G642 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-3089（2020）02-0188-02

引言

隨著我國土木工程的迅猛發(fā)展和電子計(jì)算機(jī)的普遍應(yīng)用，具有夯實(shí)的專業(yè)知識(shí)基礎(chǔ)和工程創(chuàng)新實(shí)踐能力的土木工程專業(yè)人才成為各類土木行業(yè)單位的主要需求趨勢(shì)，結(jié)構(gòu)力學(xué)作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)分析的基本專業(yè)能力顯得尤為重要。傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)力學(xué)課程大多關(guān)注于結(jié)構(gòu)力學(xué)課程的基本理論體系的講解，教學(xué)方法單一，以典型習(xí)題講解為主，往往對(duì)知識(shí)的應(yīng)用和與工程實(shí)踐結(jié)合不緊密，從而達(dá)不到較好的教學(xué)效果，無法實(shí)現(xiàn)工程專業(yè)人才的培養(yǎng)目標(biāo)。我院土木工程專業(yè)教研室教師為改革傳統(tǒng)教學(xué)模式，以學(xué)有所樂、學(xué)有所得、學(xué)以致用的教學(xué)理念為基本原則，努力探索結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)體系新的教學(xué)方法和模式，初步形成了以數(shù)值建模計(jì)算分析與傳統(tǒng)習(xí)題講授相結(jié)合的實(shí)踐教學(xué)體系。

1.建設(shè)結(jié)構(gòu)力學(xué)課程習(xí)題數(shù)值模型庫

習(xí)題講解是結(jié)構(gòu)力學(xué)課程教學(xué)環(huán)節(jié)的核心，是讓學(xué)生掌握基本原理和計(jì)算方法的關(guān)鍵。傳統(tǒng)教學(xué)方法僅僅依靠學(xué)生挺老師講解輔以一定量的實(shí)例進(jìn)行獨(dú)立計(jì)算，往往造成學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性不高，學(xué)生易出現(xiàn)因未理解或理解困難而嚴(yán)重影響學(xué)習(xí)的效果和積極性。將數(shù)值建模引入結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)環(huán)節(jié)后，學(xué)生可以自己親自根據(jù)習(xí)題中的已知條件建立數(shù)值模型，通過求解計(jì)算得到與教材習(xí)題中的計(jì)算結(jié)果，增強(qiáng)了學(xué)生對(duì)結(jié)構(gòu)計(jì)算過程的感性認(rèn)識(shí)和建模能力，提升了學(xué)生應(yīng)用數(shù)值計(jì)算軟件解決工程問題的能力，并且激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

通過數(shù)值建模和求解分析過程，不但加深了學(xué)生對(duì)于結(jié)構(gòu)計(jì)算簡(jiǎn)圖選用，不同支座類型約束特性，結(jié)點(diǎn)簡(jiǎn)化，內(nèi)力計(jì)算，位移變形計(jì)算過程的理解，而且喚起了學(xué)生對(duì)于專業(yè)知識(shí)學(xué)習(xí)的興趣和動(dòng)力，從而使學(xué)生更加牢固地掌握結(jié)構(gòu)力學(xué)相關(guān)原理和方法。

通過師生在結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)實(shí)踐中的練習(xí)的大量實(shí)例，初步建立了不同結(jié)構(gòu)類型結(jié)構(gòu)內(nèi)力和位移計(jì)算數(shù)值模型試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛶臁ＤＰ蛶旎竞w了教材中各類典型結(jié)構(gòu)類型結(jié)構(gòu)計(jì)算過程數(shù)值模型建模、求解、后處理、分析結(jié)果。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中包括工程實(shí)踐項(xiàng)目類和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)類項(xiàng)目，為今后學(xué)生對(duì)結(jié)構(gòu)力學(xué)學(xué)習(xí)提供了豐富的教育資源。

2.通過課堂數(shù)值模擬小試驗(yàn)提高學(xué)習(xí)趣味性

通過在課堂教學(xué)過程中借助CAE（計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)）軟件演示簡(jiǎn)單力學(xué)模型受力過程數(shù)值模擬小試驗(yàn)，輔助結(jié)構(gòu)計(jì)算理論教學(xué)。針對(duì)不同類型結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在數(shù)值建模過程中讓學(xué)生去體會(huì)各類支座，結(jié)點(diǎn)和荷載的約束和受力特征，深刻理解抽象的各個(gè)結(jié)構(gòu)力學(xué)基本概念。利用CAE（計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)）建模的靈活性和高效性，結(jié)合不同工況條件，將教材中的例題生動(dòng)化。對(duì)于幾何構(gòu)造分析中的一些難于理解的結(jié)構(gòu)體系，通過CAE（計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)）建模分析，更加形象地演示了常變體系，瞬變體系，幾何不變體系的受力變形過程，讓學(xué)生更直觀地理解各類結(jié)構(gòu)的特征。對(duì)于各類結(jié)構(gòu)位移計(jì)算，可以將計(jì)算結(jié)果與數(shù)值模型求解所提取的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，通過依據(jù)教材中例題已知條件建立數(shù)值分析模型，講枯燥的理論學(xué)習(xí)和習(xí)題生動(dòng)化，提高學(xué)生對(duì)于結(jié)構(gòu)力學(xué)學(xué)習(xí)的參與性和積極性。對(duì)于一些難于理解的原理和概念，如虛功原理、影響線、虛擬力狀態(tài)、虛擬位移狀態(tài)等學(xué)生不容易想象的概念原理，可以通過應(yīng)用CAE軟件建立模型，進(jìn)行求解，在后處理模塊中提取所需要的內(nèi)力和變形結(jié)果，使學(xué)生對(duì)理論知識(shí)有了感性的認(rèn)識(shí)。通過開展課上及課后的數(shù)值模擬小試驗(yàn)，更加生動(dòng)地演示這些重要而難于理解的概念原理和方法，同時(shí)又提高了學(xué)生作用所學(xué)的專業(yè)知識(shí)自己動(dòng)手建立簡(jiǎn)單的力學(xué)模型的能力，從而改進(jìn)了傳統(tǒng)課堂枯燥的理論學(xué)習(xí)的不足，增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)趣味性，達(dá)到了改善教學(xué)效果的目的。

3.以結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)數(shù)值建模競(jìng)賽為切入點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐和創(chuàng)新能力

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽現(xiàn)已在全國范圍內(nèi)開展得如火如荼，各高校的在校大學(xué)生的參與性和積極性高漲。作為一個(gè)培養(yǎng)土木工程專業(yè)學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐和團(tuán)隊(duì)協(xié)作意識(shí)的平臺(tái)和提高學(xué)生綜合素質(zhì)的必要途徑，通過設(shè)立各類不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)題目，讓學(xué)生在參賽過程中，運(yùn)用所學(xué)到的專業(yè)知識(shí)根據(jù)基本設(shè)計(jì)條件和要求，自主選擇合理的結(jié)構(gòu)形式，對(duì)不同的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行比對(duì)，優(yōu)化結(jié)構(gòu)體系，學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)數(shù)值建模和結(jié)構(gòu)分析方法，同時(shí)鍛煉了學(xué)生的創(chuàng)新和動(dòng)手能力。

近年來建筑工程學(xué)院的師生積極參與各類大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽，并取得了優(yōu)異的成績(jī)。學(xué)生通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)比賽開拓了專業(yè)視野，真正理解了不同結(jié)構(gòu)類型的受力和變形特性，增強(qiáng)了運(yùn)用專業(yè)知識(shí)解決實(shí)際工程問題的能力，保持了青年學(xué)生在專業(yè)領(lǐng)域里的創(chuàng)新性。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)數(shù)值建模競(jìng)賽也逐漸成為結(jié)構(gòu)力學(xué)課程培養(yǎng)體系中的一個(gè)重要的實(shí)踐環(huán)節(jié)。

理論源于實(shí)踐，實(shí)踐是創(chuàng)新的源泉，豐富多彩的結(jié)構(gòu)建模數(shù)值試驗(yàn)讓學(xué)生所學(xué)的專業(yè)知識(shí)學(xué)以致用，生動(dòng)的模型吸引了土木工程專業(yè)青年學(xué)子，基于數(shù)值建模分析的結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)氛圍熏陶了學(xué)生對(duì)專業(yè)的濃厚興趣，從理論基礎(chǔ)、基于數(shù)值建模與教材習(xí)題計(jì)算相結(jié)合的案例教學(xué)方法，輔以課外結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)數(shù)值建模競(jìng)賽的實(shí)踐環(huán)節(jié)，逐漸形成了一套完整的結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)體系。

4.結(jié)語

筆者以數(shù)值建模分析輔助結(jié)構(gòu)力學(xué)課堂講解的教學(xué)方法，建立了結(jié)構(gòu)力學(xué)課程習(xí)題數(shù)值模型庫，通過在土木工程專業(yè)的本科生教學(xué)過程中的實(shí)踐，在課堂上通過開展數(shù)值模擬小試驗(yàn)使艱澀難懂的力學(xué)原理和方法更加生動(dòng)有趣，增強(qiáng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，真正讓學(xué)生掌握通過計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件模擬工程結(jié)構(gòu)受力和變形過程，同時(shí)以結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)數(shù)值建模競(jìng)賽培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用所學(xué)的專業(yè)知識(shí)和CAE（計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)）軟件為工具模擬簡(jiǎn)單的工程實(shí)例，這樣初步形成了以結(jié)構(gòu)力學(xué)理論講解為主，以數(shù)值計(jì)算分析軟件為輔助，以數(shù)值建模競(jìng)賽為實(shí)踐環(huán)節(jié)的一套完整的教學(xué)體系。激發(fā)了學(xué)生對(duì)專業(yè)的濃厚興趣和學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，培養(yǎng)了學(xué)生親自動(dòng)手操作的實(shí)踐和創(chuàng)新能力，達(dá)到了讓學(xué)生靈活地運(yùn)用所學(xué)的專業(yè)知識(shí)思考并解決工程中的實(shí)際問題能力的良好教學(xué)效果，為新世紀(jì)土木工程專業(yè)人才的培養(yǎng)模式和教學(xué)改革探索一條新的途徑。

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作者簡(jiǎn)介：

杜東寧（1977-），男，博士，講師，主要從事土木工程專業(yè)的教學(xué)工作和土木、巖土工程及其災(zāi)害機(jī)理與控制的相關(guān)研究。