與虛擬仿真實驗相融合的結構力學課程教學創(chuàng)新與實踐

繆志偉 馬棟梁

[摘 要] 分析目前結構力學課程教學過程中存在的過多關注基礎性忽視專業(yè)應用性的問題，通過將虛擬仿真實驗融合進傳統(tǒng)的結構力學理論教學，進行課程教學的創(chuàng)新和實踐，探索更靈活有效的教學模式，從而使結構力學成為讓學生從土木工程中的力學基本理論過渡到工程實際應用的重要橋梁。

[關鍵詞] 結構力學;虛擬仿真實驗;教學創(chuàng)新實踐

在土木工程教育的培養(yǎng)計劃和課程設置體系中，結構力學課程具有十分重要的基礎性地位，它是聯(lián)系前期各基礎力學課程和后期各專業(yè)課程的紐帶，是讓學生從土木工程中的力學基本理論過渡到工程實際應用的重要橋梁[1]。因此，在各高等工科院校的土木工程教育中，均將結構力學作為最重要的專業(yè)基礎課。

一、結構力學課程教學現(xiàn)狀與存在的問題

筆者通過多年來的結構力學課程教學實踐，發(fā)現(xiàn)目前在結構力學的課程教學過程中存在一個問題，即作為一門專業(yè)基礎課，其“基礎性”被過多的重視，而其“專業(yè)應用性”則相對被忽視。具體來說，體現(xiàn)在以下兩個方面。

1.從教師“教”的角度而言，目前主要是通過課堂理論教學的方式實現(xiàn)對課程基本概念、原理的講授和基本方法的訓練。這一教學方式突出了課程知識的基礎性，卻相對忽視了其工程實踐的專業(yè)應用性，無法有效激發(fā)起學生學習的積極性和主動性。機械的教學手段也使得學生缺乏感性認知，產生知識理解上的困難。更重要的是，實際工程中需要的應當是結構力學概念清楚、工程思維性強、結構創(chuàng)新意識濃厚的優(yōu)秀專業(yè)人才。而偏重基礎知識的傳授，將無法使學生理解所學基礎知識的意義，不能激發(fā)其學習興趣，使其在后續(xù)專業(yè)課程的學習中不能主動地應用本課程所學基礎知識。

2.從學生“學”的角度而言，由于本課程屬專業(yè)基礎課，理論性很強，學生對于本課程產生了先入為主的“刻板”印象，并沿用過去學習公共基礎課的一些經驗，形成了被動接受新的概念原理——機械掌握新的計算方法——通過題海戰(zhàn)術訓練鞏固解題能力的學習模式。這樣，經過一學年的課程學習，只培養(yǎng)了針對特定題型的定量計算能力，而缺乏對結構概念原理的深入理解和靈活把握，沒有建立起工程思維和創(chuàng)新意識，不具備將所學的基礎知識應用于解決專業(yè)的實際問題的能力。這對于本專業(yè)的后續(xù)專業(yè)課程學習是很不利的。

綜上所述，現(xiàn)今的結構力學課程教學應更加注重培養(yǎng)學生能夠將力學概念與實際工程進行緊密聯(lián)系和有效融合，進而在定性分析的基礎上進行合理結構創(chuàng)新。為此，有必要通過引入更為生動的實驗教學，并與傳統(tǒng)的課堂理論教學進行有機的融合，以解決上述問題。

二、虛擬仿真實驗對于結構力學課程教學改革的意義

土木工程專業(yè)實驗教學有其自身的特點。由于實驗綜合性強、設備體量大、實驗環(huán)境惡劣、資源消耗大、成本高，因此在實踐環(huán)節(jié)中往往存在一定的技術困難，特別是高危險、大型復雜但與實際工程結合緊密的一些實驗無法在實驗室內讓本科生直接深入參與。

然而，隨著專業(yè)和學科的發(fā)展，特別是計算機技術的不斷進步，虛擬仿真實驗可以利用專業(yè)仿真計算軟件和計算機平臺，構建高度仿真的虛擬實驗環(huán)境和實驗對象，并在虛擬環(huán)境中開展實驗，從而克服上述技術困難?；谔摂M仿真實驗系統(tǒng)，既可再現(xiàn)傳統(tǒng)實驗室中的經典試驗，又可開展傳統(tǒng)實驗室中難以進行的高難度、高危險、高成本試驗，使學生對需要掌握的基本概念和原理產生直觀的認識和理解，從而激發(fā)學生主動探索學習的興趣，培養(yǎng)創(chuàng)新精神、實踐能力、自主學習能力以及獲取信息、運用信息的能力[2-4]。

鑒于此，筆者通過將虛擬仿真實驗融合進傳統(tǒng)的結構力學課程理論教學，進行課程教學的創(chuàng)新和實踐，探索更靈活有效的教學模式，同時與后續(xù)專業(yè)課程有效銜接過渡，從而激發(fā)學生對于結構力學課程的學習興趣，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識和工程思維，充分發(fā)揮本課程在聯(lián)系前期基礎力學課程和后期專業(yè)課程之間的紐帶作用。

三、與虛擬仿真實驗相融合的結構力學課程教學創(chuàng)新與實踐舉措

筆者通過如下兩個方面的舉措，實現(xiàn)了將虛擬仿真實驗有效融合進結構力學課程的理論教學。

1.教學內容方面，一是虛擬仿真實驗案例的選取與設計，實現(xiàn)傳統(tǒng)課程理論教學與虛擬仿真實驗的有機融合，前提是實現(xiàn)教學內容上的緊密聯(lián)系，這就需要精心選擇虛擬仿真實驗案例;二是實驗案例的選取與設計標準既能深刻反映所必須掌握的基本概念、原理和方法，同時又與專業(yè)工程應用緊密聯(lián)系。通過虛擬仿真實驗，讓學生能夠將所學結構力學知識應用到具體的工程實例，從而在建立抽象的力學體系的同時，盡早建立起具體的工程性思維，從而為后續(xù)學習、后續(xù)與工程設計、分析等緊密相關的課程打下良好的基礎。因此，筆者通過廣泛的專業(yè)調研與資料整理，收集和選擇專業(yè)工程應用中各種與結構力學基本概念、原理和方法緊密相關的素材，并據此精心設計加工出若干虛擬仿真實驗案例，如表1所示。

2.教學方式方面，實現(xiàn)虛擬仿真實驗與傳統(tǒng)課堂理論教學方式的有機結合。虛擬仿真實驗教學是一種新型的教學手段，引入這一新型教學手段的目的是為了取得更好的教學效果而不是嘩眾取寵，因此教師授課時必須立足本課程的專業(yè)基礎課地位，將傳統(tǒng)課堂理論教學方式與虛擬仿真實驗進行有機結合，否則將顧此失彼，分散學生的學習注意力，產生“喧賓奪主”的負面效應。筆者針對上述所選擇的實驗案例，開發(fā)了虛擬仿真實驗平臺。在該平臺中，包括總體介紹、參數查看、經典案例、互動試驗、結果分析等多個環(huán)節(jié)，可以真實地覆蓋實驗教學的全過程。在課堂教學中，利用多媒體條件，首先進行教師為主導的課堂虛擬仿真實驗，主要用于演示虛擬仿真實驗基本操作，深化課程知識體系中的基本概念，驗證相關基本原理和方法，使學生獲得專業(yè)工程應用上的直觀感性認識，激發(fā)其課程學習的興趣和積極性，培養(yǎng)其應用基礎知識解決實際問題的工程思維和創(chuàng)新意識。然后，在課堂虛擬仿真教學的基礎上，通過教師引導，引導學生應用所學結構力學基礎知識和虛擬仿真實驗手段在平臺上自主進行較深入的專業(yè)課題研究，從而實現(xiàn)以學生主導的課外虛擬仿真實驗，提高學生的自主學習能力和創(chuàng)新能力。

四、結論

針對目前結構力學課程教學過程中“基礎性”被過多重視而“專業(yè)應用性”相對被忽視的問題，筆者通過在傳統(tǒng)課堂理論教學的基礎上融入形式更新穎、內容更豐富的虛擬仿真實驗，實現(xiàn)了更直觀的理論聯(lián)系實際，激發(fā)了學生的學習興趣，構建了知識性、趣味性、工程性于一體的結構力學課程創(chuàng)新性教學模式，從而充分發(fā)揮本課程在聯(lián)系前期基礎力學課程和后期專業(yè)課程之間的紐帶作用，使其成為讓學生從土木工程中的力學基本理論過渡到工程實際應用的重要橋梁。

參考文獻

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[3]仁偉杰，李春林，宋維源.結構力學虛擬仿真實驗教學研究[J].力學與實踐，2015，37（2）：257-262

[4]徐明，熊宏齊，吳剛，等.土木工程虛擬仿真實驗教學中心建設[J].實驗室研究與探索，2016，35（2）：139-142.