多元化結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)研究

吳 瑤 賴 韜

(南京工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，江蘇 南京 211816)

第四次工業(yè)革命和建筑行業(yè)變革給傳統(tǒng)土木工程專業(yè)課程教學(xué)帶來挑戰(zhàn)。結(jié)構(gòu)力學(xué)是土木工程專業(yè)中一門重要的學(xué)科基礎(chǔ)課，作為土木工程專業(yè)的基礎(chǔ)支撐，結(jié)構(gòu)力學(xué)不僅是眾多高等院校研究生入學(xué)考試的初試科目，也是各類土木工程師必備的專業(yè)技術(shù)知識，與土木學(xué)子今后的升學(xué)、從業(yè)密不可分。然而，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)力學(xué)課程教學(xué)形式單一化、教學(xué)內(nèi)容模式化，在建筑行業(yè)變革的沖擊下，學(xué)生對結(jié)構(gòu)力學(xué)的學(xué)習(xí)興趣逐漸減退，給結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)帶來巨大挑戰(zhàn)。目前，結(jié)構(gòu)力學(xué)課程教學(xué)仍以“傳遞—接受”為主要特征，強(qiáng)調(diào)教師的主導(dǎo)作用，教師能充分駕馭課堂，有助于學(xué)生思維的集中，通過傳授系統(tǒng)的科學(xué)知識，有助于學(xué)生在短時(shí)間內(nèi)形成知識結(jié)構(gòu)與體系。然而，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)方法和內(nèi)容不利于創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，與新工科人才培養(yǎng)目標(biāo)不契合，難以滿足行業(yè)發(fā)展需求。

隨著新工科背景下人才需求的變化，傳統(tǒng)專業(yè)課程教學(xué)與新時(shí)代人才培養(yǎng)目標(biāo)顯示出高度不匹配、不適應(yīng)。學(xué)生在傳統(tǒng)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)過程中容易產(chǎn)生困惑，學(xué)生心理動態(tài)的改變極大地影響教學(xué)效果。基于文獻(xiàn)調(diào)研、學(xué)生評教、平時(shí)作業(yè)和期末考試成績達(dá)成度的分析結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)力學(xué)課程中主要存在的問題：第一，課程目標(biāo)不明確，學(xué)生學(xué)習(xí)態(tài)度不積極；第二，課程講解不易理解，學(xué)生不能很好地掌握基本概念和原理[1]；第三，僵化的教學(xué)模式及枯燥的學(xué)習(xí)內(nèi)容無法激發(fā)起學(xué)生自主學(xué)習(xí)興趣。解決這些問題，一要從學(xué)生心理出發(fā)，二要從教學(xué)手段的創(chuàng)新出發(fā)。目前，通用有效的教學(xué)手段有課程思政、啟發(fā)式教學(xué)、趣味教學(xué)等[2-4]。本文圍繞結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)內(nèi)容，針對哪些教學(xué)內(nèi)容適合哪種教學(xué)手段提出思考，旨在提升課程吸引力，引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，鼓勵(lì)學(xué)生將結(jié)構(gòu)力學(xué)課程中學(xué)習(xí)到的方法用于解決其他課程乃至人生中遇到的各種問題，發(fā)揮結(jié)構(gòu)力學(xué)課程的宏觀作用?；诖?，開展結(jié)構(gòu)力學(xué)多元化教學(xué)研究，通過多種教學(xué)方法的融合，提升課程趣味性，促進(jìn)加深對知識點(diǎn)的理解，達(dá)到引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的目的，提高人才培養(yǎng)質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)新工科背景下人才培養(yǎng)目標(biāo)。

1 課程思政元素挖掘

思政教育的基本原則是推動知識傳授、能力培養(yǎng)與理想信念、價(jià)值理念、道德觀念的教育有機(jī)結(jié)合，建立健全系統(tǒng)化育人長效機(jī)制[5]。結(jié)構(gòu)力學(xué)課程的思政元素多圍繞愛國情懷、職業(yè)認(rèn)同、“大國工匠”、科學(xué)家精神及哲學(xué)思想等。本文提出以解題思路為出發(fā)點(diǎn)，通過剖析解題思維，引出解題思維中蘊(yùn)含的人生哲理，這些豐富的哲理同樣適用于解決學(xué)習(xí)、生活和工作中遇到的困難和問題。下面以幾個(gè)知識點(diǎn)為例，闡述其中蘊(yùn)含的人生哲理，可作為開展思政教學(xué)的有用素材。

1.1 力法求解超靜定結(jié)構(gòu)

力法求解超靜定結(jié)構(gòu)的主要思路是將超靜定結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為靜定結(jié)構(gòu)進(jìn)行求解。通過辨別超靜定結(jié)構(gòu)和靜定結(jié)構(gòu)的區(qū)別，將多余未知力作為基本未知量，然后集中精力解決這個(gè)基本未知量，基本未知量解決了，超靜定結(jié)構(gòu)求解的問題就轉(zhuǎn)化為靜定結(jié)構(gòu)。集中精力求解基本未知量的思路蘊(yùn)含的哲理為：集中精力解決主要矛盾。

1.2 靜力法繪制影響線

由于單位力的位置不固定，用截面法計(jì)算內(nèi)力時(shí)給求解帶來困難。因此，采用分區(qū)段處理的方法，旨在避開單位力，避免復(fù)雜的計(jì)算，而選用另一個(gè)不包含單位力的隔離體，既避免了復(fù)雜的求解計(jì)算又能得出相同的計(jì)算結(jié)果。靜力法求影響線的解題思路蘊(yùn)含的哲理為：不要遇到難題就害怕，不是所有的麻煩和難題都必須要解決，有時(shí)可以換一種思維、換一種方式，巧妙避開難題和大麻煩。

1.3 計(jì)算簡圖的選擇

對重要的結(jié)構(gòu)采用較精確的計(jì)算簡圖，并保證計(jì)算結(jié)果的可靠性。在初步設(shè)計(jì)階段可采用比較粗略的計(jì)算簡圖，而在技術(shù)設(shè)計(jì)階段則應(yīng)采用比較精確的計(jì)算簡圖。由于結(jié)構(gòu)動力計(jì)算和穩(wěn)定性計(jì)算比較復(fù)雜，計(jì)算理論和方法有限，通常采用比較簡單的計(jì)算簡圖；在結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算時(shí)，一般采用較精確的計(jì)算簡圖。手算時(shí)多采用簡單的計(jì)算簡圖；利用計(jì)算機(jī)時(shí)多采用較精確的計(jì)算簡圖。計(jì)算簡圖的選取蘊(yùn)含的哲理為：處理事物時(shí)，應(yīng)根據(jù)情況和條件不同區(qū)別考慮，培養(yǎng)學(xué)生的發(fā)散性思維和解決實(shí)際問題的能力。

1.4 用計(jì)算自由度判斷結(jié)構(gòu)的幾何不變性

當(dāng)用計(jì)算自由度判斷結(jié)構(gòu)的幾何不變性時(shí)，有時(shí)不能一步到位。對與基礎(chǔ)相連的結(jié)構(gòu)，當(dāng)計(jì)算自由度W＞0時(shí)，表明結(jié)構(gòu)幾何可變；如計(jì)算自由度W≤0，還需進(jìn)一步判斷。對復(fù)雜結(jié)構(gòu)可用計(jì)算自由度先進(jìn)行判斷。該知識點(diǎn)蘊(yùn)含的哲理為：對于復(fù)雜的事物，可以化繁為簡，先找容易下手的地方下手。對于復(fù)雜的事物，有可能一個(gè)問題排除了，其他問題就迎刃而解了；如果解決不了，再想其他方法解決。

1.5 主從結(jié)構(gòu)的傳力模式

主從結(jié)構(gòu)的解題思路：如果主從結(jié)構(gòu)的荷載全部作用在基本結(jié)構(gòu)上，附屬部分不會產(chǎn)生內(nèi)力；如果荷載作用在附屬結(jié)構(gòu)上，基本結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生內(nèi)力。該知識點(diǎn)的思政內(nèi)容是引導(dǎo)學(xué)生勇挑重?fù)?dān)，做傳力路徑上的主人，不是歲月靜好，只是有人替你負(fù)重前行。

2 理論聯(lián)系實(shí)際的啟發(fā)式教學(xué)探究

啟發(fā)式教學(xué)即在教學(xué)中啟發(fā)學(xué)生的主動思維，而不是被動接受灌輸[3]。通過理論聯(lián)系實(shí)際的工程情境創(chuàng)設(shè)，使學(xué)生明確所學(xué)習(xí)的知識能解決什么問題，了解知識點(diǎn)的工程指向。理論聯(lián)系實(shí)際的啟發(fā)式教學(xué)，不僅加深了學(xué)生對專業(yè)知識的理解，還能增加課程趣味性。有思政意義的實(shí)際工程案例甚至可以激發(fā)學(xué)生的專業(yè)榮譽(yù)感、愛國情懷以及求知欲。基于此，在結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)中應(yīng)將知識點(diǎn)更多地聯(lián)系工程實(shí)際，讓學(xué)生在課程中進(jìn)行“真做題、做真題”的實(shí)踐模擬。以下列舉結(jié)構(gòu)力學(xué)課程中的一些理論聯(lián)系實(shí)際的工程案例。

2.1 混凝土結(jié)構(gòu)在溫度作用下擠壓開裂

如圖1 所示為生活中常見的混凝土結(jié)構(gòu)在溫度作用下的開裂現(xiàn)象?；谠摤F(xiàn)象提出問題，引導(dǎo)學(xué)生用結(jié)構(gòu)力學(xué)知識解釋問題，讓學(xué)生感受到結(jié)構(gòu)力學(xué)知識的“有用性”，從而產(chǎn)生自主學(xué)習(xí)興趣。

圖1 混凝土結(jié)構(gòu)在溫度作用下計(jì)算簡圖與受力失效模式

2.2 木結(jié)構(gòu)與知識點(diǎn)的聯(lián)系

結(jié)合南京工業(yè)大學(xué)在木結(jié)構(gòu)方向取得的諸多研究成果及進(jìn)展[6-7]，將木結(jié)構(gòu)分析計(jì)算與結(jié)構(gòu)力學(xué)緊密聯(lián)系。例如，以木屋架設(shè)計(jì)為實(shí)踐練習(xí)，引出靜定結(jié)構(gòu)桁架的受力分析方法。通過探討木結(jié)構(gòu)構(gòu)件的連接形式，與結(jié)構(gòu)力學(xué)中計(jì)算簡圖的選取、節(jié)點(diǎn)簡化聯(lián)系起來，使學(xué)生深刻理解剛結(jié)點(diǎn)和鉸結(jié)點(diǎn)在實(shí)際結(jié)構(gòu)中的表現(xiàn)形式，增強(qiáng)理論聯(lián)系實(shí)際的能力。

3 趣味教學(xué)探究

結(jié)構(gòu)力學(xué)不僅有枯燥的一面，還包括很多趣味性的元素[4]。趣味元素可以是玩具類的模型教具[8]，也可以用生活中的東西進(jìn)行舉例。趣味元素不僅可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，通俗易懂的表達(dá)還可以幫助學(xué)生理解知識點(diǎn)，提升學(xué)生學(xué)好結(jié)構(gòu)力學(xué)的信心[8]。因此，深入挖掘結(jié)構(gòu)力學(xué)課程中的趣味元素，對提升學(xué)習(xí)效果是非常有益的。以下列舉了兩種用生活中的物品輔助講解知識點(diǎn)的例子。

（1）如何理解約束總數(shù)小于桿件的自由度總和時(shí)，結(jié)構(gòu)一定幾何可變；而約束總數(shù)超過桿件的自由度總和，結(jié)構(gòu)不一定幾何不變。可以借助生活中的捆螃蟹進(jìn)行舉例，如圖2所示。

圖2 舉例解釋計(jì)算自由度W與結(jié)構(gòu)幾何可變性的關(guān)系

（2）如何理解實(shí)際結(jié)構(gòu)中的剛結(jié)點(diǎn)和鉸結(jié)點(diǎn)。鉸結(jié)點(diǎn)為連接的桿件不能相對平動，可以相對轉(zhuǎn)動；剛結(jié)點(diǎn)為連接的桿件不能相對平動，也不能相對轉(zhuǎn)動[9-12]?？梢杂觅|(zhì)量不好與質(zhì)量好的桌子進(jìn)行舉例，如圖3所示。

圖3 用桌子舉例解釋剛結(jié)點(diǎn)和鉸結(jié)點(diǎn)

強(qiáng)調(diào)結(jié)構(gòu)力學(xué)解題的技巧性，通過技巧性解題提升課程趣味性。技巧解題帶來的愉悅感猶如玩游戲通關(guān)，讓人上癮。通過強(qiáng)化學(xué)生求解問題帶來的成就感、滿足感和愉悅感，使學(xué)生對課程產(chǎn)生興趣。布置作業(yè)時(shí)應(yīng)選擇技巧性強(qiáng)、計(jì)算量小的題進(jìn)行練習(xí)，計(jì)算量大的習(xí)題，學(xué)生做作業(yè)花費(fèi)時(shí)間長，容易導(dǎo)致對課程興趣逐漸減弱，起不到較好的學(xué)習(xí)效果。

圖4中的結(jié)構(gòu)彎矩圖繪制無須計(jì)算支座反力，僅需利用以下彎矩圖繪制中的2 個(gè)技巧即可快速繪制彎矩圖：①懸臂端有外力偶作用時(shí)，該處彎矩大小等于外力偶；②鉸接點(diǎn)處無集中力，兩側(cè)彎矩圖斜率相同。這種類型的題目計(jì)算量小，結(jié)構(gòu)看似復(fù)雜，卻能快速求解出來。學(xué)生開始覺得題目有一點(diǎn)挑戰(zhàn)性，求解出來后會有成就感、滿足感和愉悅感，渴望練習(xí)更多類似題目。

圖4 快速繪制彎矩圖

如圖5所示，采用①分段疊加法畫彎矩圖和②無附加彎矩的鉸接處彎矩為零進(jìn)行解題。圖5 中的這兩個(gè)問題，如果運(yùn)用連續(xù)梁傳統(tǒng)解法，求解步驟多、計(jì)算量大。如采用技巧解題，可快速求解。課堂通過講解帶有技巧性的習(xí)題，使學(xué)生體會到運(yùn)用技巧解題帶來的樂趣，從而對課程產(chǎn)生興趣。

圖5 分段疊加法求彎矩圖

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競賽的探討

各大學(xué)校和學(xué)院均鼓勵(lì)學(xué)生創(chuàng)新競賽，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新性，學(xué)生也樂于參加一些不同于傳統(tǒng)學(xué)習(xí)模式的競賽活動，可以將結(jié)構(gòu)力學(xué)課程與學(xué)生感興趣的點(diǎn)結(jié)合起來，不僅可以用專業(yè)知識輔導(dǎo)競賽內(nèi)容，還可以加深對基礎(chǔ)知識的理解。例如，可以結(jié)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽，課堂上增加關(guān)于“直桿”和“曲桿”對結(jié)構(gòu)受力影響的探討，以及“長細(xì)比”的概念在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽中的應(yīng)用。

5 結(jié)語

多元化教學(xué)不局限某種教學(xué)方法，而是針對具體內(nèi)容提出適合的教學(xué)方法，旨在提升課程吸引力。本文圍繞一些結(jié)構(gòu)力學(xué)課程知識點(diǎn)開展教學(xué)研究，將課程思政、理論聯(lián)系實(shí)際、趣味探索及創(chuàng)新競賽融入教學(xué)，給“老舊”的知識增添“新意”，改變學(xué)生對結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)的看法。學(xué)生們學(xué)習(xí)知識時(shí)，有種耳目一新的感覺。學(xué)生對結(jié)構(gòu)力學(xué)的認(rèn)識是“不僅有趣還有用”，從而對課程產(chǎn)生興趣，從學(xué)生的心理因素出發(fā)解決傳統(tǒng)教學(xué)中的學(xué)習(xí)態(tài)度問題。用創(chuàng)新的多元化教學(xué)手段，提高學(xué)生注意力并幫助學(xué)生理解，從而提升教學(xué)質(zhì)量。結(jié)構(gòu)力學(xué)的原理和方法同樣適用于解決學(xué)習(xí)、生活和工作中的許多問題。因此，學(xué)好結(jié)構(gòu)力學(xué)仍然是適應(yīng)新工科背景下人才需求變化的重要保障。