基于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽的結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)體系改革研究

余沛　高素芹　張煊銘

[摘 要]在以創(chuàng)新思維能力培養(yǎng)為基礎(chǔ)的高等院校結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)體系中，可以結(jié)合大學(xué)生的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽及教學(xué)實(shí)踐，在大學(xué)課堂的教學(xué)中注重培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新思維，鼓勵(lì)大學(xué)生發(fā)揮主動(dòng)創(chuàng)新精神，以期實(shí)現(xiàn)應(yīng)用型和創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的目標(biāo)。

[關(guān)鍵詞]結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽;結(jié)構(gòu)力學(xué);創(chuàng)新思維

[中圖分類號(hào)]G434 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A [文章編號(hào)]1008-7656（2022）02-0081-04

引言

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽是土木工程專業(yè)主要學(xué)科競(jìng)賽之一，其主要形式是給定某種材料（竹材、木材、紙和有機(jī)玻璃等），設(shè)計(jì)并制作滿足賽題要求的結(jié)構(gòu)模型，并撰寫模型分析計(jì)算書，最終通過對(duì)計(jì)算書、模型制作質(zhì)量、現(xiàn)場(chǎng)陳述以及模型加載效果等分項(xiàng)評(píng)分相加得到綜合成績(jī)。該賽事為土木工程專業(yè)具有創(chuàng)新性和實(shí)踐性的學(xué)科競(jìng)賽。商丘工學(xué)院和信陽(yáng)學(xué)院土木工程學(xué)院在結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)中，以結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽為基礎(chǔ)：一方面，以歷年競(jìng)賽題目為導(dǎo)向，在課堂教學(xué)中傳輸創(chuàng)新理念;另一方面，積極探索創(chuàng)新理論，綜合理論、實(shí)踐及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)操等多種教學(xué)手段，在結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)過程中，注重培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新思想，鼓勵(lì)大學(xué)生的創(chuàng)新思維，最終實(shí)現(xiàn)應(yīng)用型和創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的目標(biāo)。

一、以創(chuàng)新思維為導(dǎo)向的廣譜分析

結(jié)構(gòu)力學(xué)是一門發(fā)展迅速的學(xué)科，新型的工程材料和工程結(jié)構(gòu)的大量出現(xiàn)，以及工程的相關(guān)問題，向結(jié)構(gòu)力學(xué)提供了新的研究?jī)?nèi)容，并提出新的要求。結(jié)構(gòu)力學(xué)對(duì)數(shù)學(xué)及其學(xué)科的發(fā)展也起到推動(dòng)作用，適合進(jìn)行大學(xué)生創(chuàng)新思維的訓(xùn)練，在結(jié)構(gòu)力學(xué)的教學(xué)過程中，教師應(yīng)該依據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)的課程特點(diǎn)及學(xué)生接受知識(shí)的程度，向?qū)W生展示有趣和完整的學(xué)科廣譜分析，有助于大學(xué)生在結(jié)構(gòu)力學(xué)學(xué)習(xí)過程中，轉(zhuǎn)變看問題的方式，從而把握結(jié)構(gòu)力學(xué)問題的核心，促進(jìn)大學(xué)生的創(chuàng)新思維能力的提升。

（一）結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)的客觀性

結(jié)構(gòu)力學(xué)的邏輯性較強(qiáng)[1]，大規(guī)模的工程結(jié)構(gòu)需要精確的分析和計(jì)算。很多事物都可以顯化為某種結(jié)構(gòu)，每一結(jié)構(gòu)是一個(gè)模塊，可以用模塊組合的方法模擬復(fù)雜結(jié)構(gòu)及其機(jī)理，這一觀點(diǎn)具有方法論的性質(zhì)，它告訴我們，復(fù)雜結(jié)構(gòu)可以由簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)組合生成，正如結(jié)構(gòu)力學(xué)以桿件結(jié)構(gòu)為主要研究對(duì)象，其中桁架結(jié)構(gòu)由獨(dú)立的桿件組成。

結(jié)構(gòu)力學(xué)主要內(nèi)容包括四部分：靜定結(jié)構(gòu)分析、超靜定結(jié)構(gòu)分析、矩陣位移法和動(dòng)力計(jì)算基礎(chǔ)。在教學(xué)中應(yīng)從理論分析、實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值計(jì)算三個(gè)方面對(duì)結(jié)構(gòu)力學(xué)進(jìn)行討論，把實(shí)際結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為計(jì)算模型，然后對(duì)計(jì)算簡(jiǎn)圖進(jìn)行計(jì)算。在教學(xué)中，要求學(xué)生認(rèn)識(shí)工程結(jié)構(gòu)，要通過不同的“觀控方式”（如觀察方式、控制方式、觀察水平、控制水平），而且可以對(duì)“觀控方式”進(jìn)行選擇，這表現(xiàn)了學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性。在結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算方法中，對(duì)同一桿件可以用力系的平衡方程或運(yùn)動(dòng)方程、變形與位移的幾何方程、應(yīng)力與變形間的物理方程等。另外，電子計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，對(duì)結(jié)構(gòu)力學(xué)學(xué)科產(chǎn)生了巨大影響，由“手算”到“電算”，無論采取什么方式或計(jì)算方法，對(duì)桿件的簡(jiǎn)圖、節(jié)點(diǎn)的受力分析等“觀控”方式的結(jié)果，不因?qū)W生人數(shù)的多少或觀察次數(shù)的增加而改變結(jié)構(gòu)力學(xué)的計(jì)算，這正反映了結(jié)構(gòu)力學(xué)的客觀性。

在例題講解過程中，按照客觀性的概念，同一工程的結(jié)構(gòu)是在一定的“觀控方式”下，n個(gè)教師或?qū)W生，n次講解或聽講下結(jié)構(gòu)的不變形。顯然，當(dāng)“觀控方式”改變時(shí)（如條件改變），可以獲得不同的結(jié)果（客觀性），這正是教師在教學(xué)過程中應(yīng)該反復(fù)強(qiáng)調(diào)的內(nèi)容，鼓勵(lì)大學(xué)生主動(dòng)分析問題、解決問題和創(chuàng)新問題，進(jìn)而提升分析能力、計(jì)算能力、自學(xué)能力和表達(dá)能力。

（二）力學(xué)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽及工程的結(jié)合

房屋中的梁柱體系、水工建筑物中的閘門和水壩、公路和鐵路上的橋梁和隧洞等，都是工程結(jié)構(gòu)的典型例子。實(shí)際工程結(jié)構(gòu)很復(fù)雜，在結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)中，很難完全按照結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況進(jìn)行力學(xué)分析，只能用一個(gè)簡(jiǎn)化的圖形來代替實(shí)際結(jié)構(gòu)。大學(xué)生對(duì)實(shí)際結(jié)構(gòu)過程缺少實(shí)踐認(rèn)知，這一環(huán)節(jié)應(yīng)在教學(xué)和課外獲得補(bǔ)充。在教學(xué)中，可以引入結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽的相關(guān)題目，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽是最能體現(xiàn)專業(yè)知識(shí)運(yùn)用和創(chuàng)新能力的環(huán)節(jié)，賽題全部來自工程實(shí)際。例如2017年河南省第六屆大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽，賽題是完成塔吊結(jié)構(gòu)模型的設(shè)計(jì)、制作，并進(jìn)行吊裝測(cè)試。

塔吊按其回轉(zhuǎn)形式可分為上回轉(zhuǎn)（塔身不回轉(zhuǎn)）和下回轉(zhuǎn)（塔身回轉(zhuǎn)）兩種。下回轉(zhuǎn)塔式起重機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重心低、運(yùn)轉(zhuǎn)靈活、速度快、效率高等特點(diǎn)，適用于磚混砌塊結(jié)構(gòu)和大板建筑的工業(yè)廠房、民用住宅的垂直運(yùn)輸作業(yè)。在實(shí)際工作中，要防止塔吊倒塌事故的發(fā)生，避免財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡。因此，為保證安全，必須保證建筑塔吊的可靠性和安全性。此賽題能較好地培養(yǎng)和鍛煉參賽者在土木工程結(jié)構(gòu)、材料、力學(xué)、設(shè)計(jì)、制作及專業(yè)軟件使用等方面的能力，學(xué)生通過結(jié)構(gòu)選型工作，把專業(yè)知識(shí)付諸于實(shí)踐，甚至能提出新的結(jié)構(gòu)類型。通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽與力學(xué)的緊密結(jié)合，增加了大學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，也在教學(xué)中貫徹創(chuàng)新思維奠定了基礎(chǔ)[2-3]。

（三）廣譜哲學(xué)的創(chuàng)新思維

哲學(xué)家維特根斯坦說過，“一旦新的思維方式建立起來，許多舊問題就會(huì)自動(dòng)消失，這是一個(gè)值得每位所謂傳統(tǒng)的制造業(yè)者思考的問題”。按照廣譜哲學(xué)中的方法論，創(chuàng)新思維就是改變“觀控方式”，使研究對(duì)象顯現(xiàn)新的客觀屬性、功能或新的客觀關(guān)系。由于廣義的“觀控方式”是各種各樣的，而且還在不斷發(fā)展之中，因此，“改變觀控方式（換個(gè)角度看問題）”就是豐富多樣，這將使創(chuàng)新思維具有更加豐富多彩的模式與方法。

在廣譜哲學(xué)的方法論中，提及牛頓力學(xué)原理的共性、一般性，可舉例蓋房子和建橋梁，需要探索牛頓力學(xué)的原理在不同材料、不同條件下的表現(xiàn)形式，從而形成材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、土力學(xué)等具體的學(xué)科知識(shí)。要應(yīng)用這些知識(shí)解決具體的樓房或橋梁?jiǎn)栴}，要進(jìn)入設(shè)計(jì)階段，而設(shè)計(jì)階段要把形成力學(xué)一般原理時(shí)所舍棄的各種次要因素、偶然因素一并考慮進(jìn)去。在分析問題的時(shí)候，理論要聯(lián)系實(shí)踐，實(shí)踐結(jié)果是在理論指導(dǎo)下進(jìn)行的，但有實(shí)踐結(jié)果的失敗卻不能反推理論指導(dǎo)是錯(cuò)誤的，如工程施工中，若一座橋梁倒塌，不能推出結(jié)構(gòu)力學(xué)是錯(cuò)誤的，理論與實(shí)踐結(jié)果之間不是一對(duì)一的、單值的因果關(guān)系，原因在于它們之間跨越了若干不同的層次、經(jīng)歷了許多環(huán)節(jié)。橋梁倒塌可能不是結(jié)構(gòu)力學(xué)分析計(jì)算的錯(cuò)誤，可能是在施工材料、施工方法、天氣等原因所致。046704F1-DA6B-49E1-91FE-B3AED629212D

在教學(xué)中要培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新思維，創(chuàng)新起源于對(duì)某些認(rèn)知的懷疑，要教會(huì)大學(xué)生要有理性的懷疑精神，要換個(gè)角度看問題，對(duì)問題要既堅(jiān)持又發(fā)展，尋找新的“觀控方式”。

二、多葉客觀性及創(chuàng)新思維的激勵(lì)

創(chuàng)新思維的提升不僅是能解決結(jié)構(gòu)力學(xué)的計(jì)算及分析，還能在實(shí)際工程中加以體現(xiàn)，學(xué)生本身要掌握創(chuàng)新的理論，能用這種理論在求實(shí)中創(chuàng)新，真正掌握科學(xué)精神的精髓，達(dá)到學(xué)習(xí)的更高境界。

（一）多葉客觀性教學(xué)

多葉客觀性反映的是，事物的客觀性伴隨著“觀控方式”的改變而呈現(xiàn)出來的多樣性、層次性。其中，每一個(gè)“葉片”標(biāo)志著一種客觀性，對(duì)應(yīng)著一種“觀控方式”，而n個(gè)“葉片”標(biāo)志著n種客觀性，對(duì)應(yīng)著n種“觀控方式”，示意圖如圖1所示。

圖1 多葉客觀性示意圖

在結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)中，一方面教師要注重學(xué)生的主觀能動(dòng)性的培養(yǎng)，培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，講解問題要從多方面入手轉(zhuǎn)變“觀控方式”，應(yīng)以學(xué)生為中心，讓學(xué)生參與課堂教學(xué)，聽取學(xué)生的意見，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)思考。另一方面要發(fā)現(xiàn)新的客觀性，如工程中的鋼筋，已知鋼筋的體積和重量等客觀屬性，對(duì)應(yīng)的尺子和秤等，如果在教學(xué)過程中想了解鋼筋的拉力、壓力及剪切力，就要增加拉伸試驗(yàn)、壓力試驗(yàn)及剪切試驗(yàn)的方式。通過這種學(xué)習(xí)方式，培養(yǎng)大學(xué)生的主動(dòng)創(chuàng)新能力，激發(fā)大學(xué)生的創(chuàng)新思維，可使后續(xù)的課程學(xué)習(xí)增添動(dòng)力。

（二）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽實(shí)踐教學(xué)

結(jié)構(gòu)力學(xué)中提及的工程結(jié)構(gòu)實(shí)際上都是空間結(jié)構(gòu)，各部分相互連接成為一個(gè)空間整體，而在教學(xué)過程中忽略一些次要的空間約束而將實(shí)際結(jié)構(gòu)分解為平面結(jié)構(gòu)，也有一些結(jié)構(gòu)具有明顯的空間特征而不宜簡(jiǎn)化成平面結(jié)構(gòu)，這就需要教師在教學(xué)的同時(shí)聯(lián)系實(shí)際，進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)，在理論教學(xué)的同時(shí)增加實(shí)踐課時(shí)，通過學(xué)生分組組隊(duì)設(shè)計(jì)制作結(jié)構(gòu)模型，比如靜定結(jié)構(gòu)模型、超靜定結(jié)構(gòu)、可變結(jié)構(gòu)及空間桁架等，把平面圖形變成空間模型，使得知識(shí)更形象化，在講解鋼架的整體剛度矩陣時(shí)，可以結(jié)合大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽賽題引導(dǎo)學(xué)生建立模型，以工程實(shí)例為例，提高大學(xué)生課堂的趣味性，同時(shí)也激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維，把理論與實(shí)踐更好地結(jié)合起來。

商丘工學(xué)院和信陽(yáng)學(xué)院的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽，以河南省大學(xué)生結(jié)構(gòu)競(jìng)賽及全國(guó)大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽為基礎(chǔ)，引導(dǎo)大學(xué)生利用理論知識(shí)解決工程實(shí)際的力學(xué)問題，通過動(dòng)手制作模型，學(xué)生在一次次改進(jìn)過程中，既能得到專業(yè)的實(shí)踐鍛煉，同時(shí)也能提高解決問題的能力。在這一過程中，學(xué)生能設(shè)計(jì)出許多巧妙新穎的構(gòu)件或連接形式，對(duì)于創(chuàng)新能力的培養(yǎng)也大有幫助。完成一個(gè)好的模型需要組員通力合作，這對(duì)鍛煉學(xué)生溝通能力和團(tuán)隊(duì)意識(shí)大有幫助。

大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽為學(xué)生提供了一個(gè)良好的平臺(tái)[4]，采用手算的同時(shí)，鼓勵(lì)大學(xué)生學(xué)習(xí)軟件模擬，采用軟件進(jìn)行比賽模型的結(jié)構(gòu)分析，其優(yōu)勢(shì)就是分析效率高。建立一個(gè)模型，可以通過改變截面尺寸參數(shù)或增減基本構(gòu)件而得到同類型結(jié)構(gòu)體系的一系列分析結(jié)果，特別適合優(yōu)化設(shè)計(jì)。學(xué)生在自學(xué)有限元軟件過程中需要查閱大量的學(xué)習(xí)資料，這樣就主動(dòng)獲得了類似于研究型教學(xué)的鍛煉，這種數(shù)值計(jì)算能力的訓(xùn)練，對(duì)于找準(zhǔn)解決實(shí)際工程問題的方向是大有裨益的。同時(shí)，在尋找理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)際模型差距過程中，學(xué)生會(huì)加深對(duì)結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)。

三、結(jié)語

文章結(jié)合廣譜哲學(xué)、多葉客觀性的創(chuàng)新思維方法，以結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽為導(dǎo)向，積極開展結(jié)構(gòu)力學(xué)課程的教學(xué)改革與實(shí)踐，意在培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新思維能力，在實(shí)際結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)中，在課堂上積極引導(dǎo)大學(xué)生看問題的角度，在繼承中培養(yǎng)創(chuàng)新能力，在學(xué)習(xí)中發(fā)現(xiàn)疑點(diǎn)，是走向解惑和創(chuàng)新的起點(diǎn)，從而達(dá)到結(jié)構(gòu)力學(xué)的教與學(xué)的目的。

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[作者簡(jiǎn)介]余沛，信陽(yáng)學(xué)院、信陽(yáng)市裝配式建筑重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副教授、高級(jí)工程師，碩士，研究方向：土木工程施工管理與科研;高素芹，信陽(yáng)學(xué)院、信陽(yáng)市裝配式建筑重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室工程師，研究方向：土木工程施工與檢測(cè);張煊銘，商丘工學(xué)院講師、工程師，碩士，研究方向：土木工程教學(xué)與科研。

[責(zé)任編輯 韋志巧]046704F1-DA6B-49E1-91FE-B3AED629212D