《结构力学》教学中的能力培养

胡白香，李传勋，蔡东升，陆春华

摘要：结构力学是土木工程专业的一门重要的基础课。由于目前课程学时少、内容多，因此针对结构力学课程系统性强、概念多的特点，结合教学实践，从教学内容安排、教学方法改进、教学手段优化等方面对结构力学教学进行了探索，以培养学生的学习兴趣。从而为后续专业课程学习、毕业后从事土木工程结构设计及进一步深造打好基础。

关键词：学习兴趣；教学改革；创新能力；能力培养

中图分类号：G642.4 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2012）12-0260-03

结构力学是土木工程专业的一门重要的基础课。它是学生学习混凝土结构、地基基础等专业课的基础，与工程实践联系紧密，是沟通基础课和专业课的纽带。为了满足土木工程专业人才培养的要求，我们对当前《结构力学》的教学内容、方法及手段等方面进行了改革。

一、合理选择教学内容，培养学生自学能力

结构力学教学的内容必须为培养工程师的高等工程教育服务。通过精选教学内容，简化课内教学时间，给学生提供更多的自主学习的时间。《结构力学》课程内容多，主要分成基本和专题两大部分。基本部分是课程的基础，对这部分内容我们加强了课堂教学力度，但与材料力学课程重复的内容可以精简教学。如平面体系几何组成分析中的组成规则，我们先重点讲解三刚片规则：平面内的三个刚片用不在一直线上的三个铰两两相连，组成无多余约束的几何不变体系。把组成规则中的关键词一一详解，再提问学生，逐步培养他们分析问题的能力，从中总结自学过程中该注意的一些问题。然后通过实铰、虚铰的作用；刚片与链杆的转换得到两刚片规则和二元体规则，因此后面两个组成规则就可少讲，留出时间给学生具体分析体系。结构弯矩图的绘制，在材料力学中已讲过梁，在结构力学中则着重强调荷载与内力的微分关系及对应于弯矩图、剪力图中的图形特征，重点介绍叠加法绘制弯矩图。在此基础上强调刚架内力图绘制时需要注意的问题，尤其是刚结点处横梁和竖柱的弯矩关系。又如静定结构的位移计算，虽然虚功原理十分重要，但其原理推导相当复杂，学生不容易理解，反而让学生觉得结构力学很难学。目前我们的做法是略去繁杂的公式推导，重点讲其物理意义，然后给出公式及其应用范围，这样可避免学生对结构力学学习的恐惧心理，还可压缩授课时间。专题部分不可能像基础部分那样精讲，我们是根据不同的专业来进行选学。通过合理选择教学内容，教师可在有限的学时里把课讲完，把基本知识传授给学生。

二、多种教学方法结合，激发学生创新思维

在合理选择教学内容的同时，也要改革教学方法。“学为主体，教为主导”是教学的原则和规律，教师必须认真研究如何引导学生主动学习。在今后的工作中，学生可能不会直接应用结构力学知识去解决某个具体问题，但所学到的分析和解决问题的思维方法，却是他们今后工作所不可缺少的。在教学方法我们注意了以下几方面：

1.发挥教师的主导作用，培养学生的创新意识。从结构力学的整个内容看，静定结构的内力分析是关键，其分析方法仍然是材料力学中介绍过的截面法，但结构力学中杆件数目多，多数学生觉得难以迅速准确地选择隔离体，以至有的学生觉得静定结构内力计算没有规律，从而产生害怕心理。事实上，按几何不变体系的组成方式看，静定结构是无多余约束的几何不变体系，其构成模式不外“简支”和“三铰”两种基本模式，再通过复合可构成其他静定结构。在对静定结构进行内力分析时，“简支式结构”一般是利用平面一般力系的三个平衡方程求出全部反力再求内力；而“三铰式结构”一般是先整体、再局部分析求出全部反力。规范化处理静定结构内力分析的具体步骤是：①对结构进行几何组成分析，掌握其组成方式，对于梁式结构，先找出其中的静定梁；对于组合结构，先找出基本部分和附属部分，这是静定结构内力分析中的重要一步；②按几何组成相反的顺序选择合适的内力求解步骤，例如，对有基本部分和附属部分的结构，应从附属部分入手；③由截面法求出控制截面的内力；④用分段叠加法绘制弯矩图，轴力图、剪力图则可以根据外力直接绘制。为了帮助学生准确、熟练地掌握这部分内容，我们增加了习题讨论课，把典型题目精选出来精讲，让学生从具体例子中总结各种方法的应用，逐步提高自己分析和自学的能力。我们以“讨论”为中心来组织习题课教学，着重讨论解题思路、方法，使学生逐步掌握解题的基本方法。课后留一些典型习题让学生自己做，可以说做题实践是学习结构力学最有效的方法之一。

2.多种教学手段并用，实现全方位立体教学模式。在教学过程中，为了增强教学效果，要充分利用多种教学手段。多媒体课件可将理论公式、图片、动画和讲授内容有机结合在一起。我们在制作多媒体教案时搜集了大量的动画图片和工程实例，形象、生动、有效地帮助了学生理解和记忆。多媒体教学一方面能刺激学生的多个感官，使教学过程生动活泼，提高学生的学习兴趣；另一方面，也节约了教师课堂板书的时间，可增大教学容量，提高教学效率，是解决教学时数少、教学内容多这一矛盾的有效手段。要利用好多媒体这一有效的辅助教学工具。传统教学的优势该保留，如教师与学生之间富有人情味的交流、教师提问以活跃氛围等。多媒体教学与传统黑板板书相结合，教学效果会更好，也可改善学生长时间盯着大屏幕给眼睛带来的不适。对一些发展动态等，可以播放多媒体课件让学生快速浏览一遍，以激发学生的学习积极性。

3.引入计算软件，培养学生的电算能力。由于工程结构越来越复杂，随着计算机计算速度的提高，模拟、分析软件的功能增强，工程实践中的结构分析与设计，已基本由电算取代了手算，学生工作后是否会用结构分析软件已成为衡量其业务水平的标准之一。因此，我们在教学中注重培养学生应用计算机进行工程计算的能力，我们主要介绍的软件有：①结构力学求解器。结构力学求解器面向教师、学生及工程技术人员，其求解内容包括平面结构的几何组成分析、静定及超静定结构的内力与位移计算、影响线等经典结构力学课程中所涉及的问题，对于平面结构的内力计算，可绘制内力图，位移计算可绘制位移图；平面结构的自由振动分析可计算前若干阶频率，弹性稳定分析可计算屈曲荷载，并可静态或动画显示各阶振型和失稳模态。②MATLAB和Simulink。在超静定结构的力法、位移法教学中可以介绍MATLAB软件，让学生应用结构力学知识，通过简单的编程，即可完成相关问题的内力计算和内力图绘制，激发了学生学习结构力学的兴趣。在动力学教学中我们介绍了MATLAB软件和其中的工具箱Simulink，主要是指导计算振动系统的自振频率、阻尼、振型向量等动力特性，计算振动系统在简谐荷载和一般荷载作用下的动力反应，并把计算结果用图形或动画表示出来。③有限元计算软件。有限单元法是常用的数值分析方法，它可有效地解决复杂的工程计算。土木工程行业常用的有限元软件有ANSYS、ABAQUS、SAP、ADINA等。在结构力学教学中我们简单介绍了它们的应用。

4.以科研带动教学，努力提高学生的工程应用能力。教师在授课时介绍了李春设计建造的赵州桥，茅以升造桥、炸桥等故事，葛洲坝工程，上海的环球金融中心，奥运会主会场-“鸟巢”工程，世博会中国馆等大型结构的设计、施工，既增添了课程活力，又激发了学生的学习兴趣。我们在教学中还十分注意将最新科研成果和工程应用融入教学，以科研带动教学，提升教学层次。结构力学课程组成员先后主持、参与了国家和省部级基金项目8项，参与了十多项横向课题的研究，如高铁苏州段技术支撑、泰州电厂及陈家港等电厂的钢内筒吊装技术研究。通过这些工程应用项目的研究，课程组成员可以深入浅出地将工程领域的技术问题融入到日常课堂教学中，不仅消除了学生对工程项目的畏惧心理，也直接激发了学生对书本知识的学习热情和动力。课堂教学和课外研学有机结合，提高了学生的知识应用能力和创新能力。课程组十分注重指导学生将结构力学知识应用于大学生科研立项、大学生创新性实验计划，提高他们的工程素质和实践能力。

《结构力学》是土木工程的重要专业基础课，对土木工程专业学生的培养质量起着至关重要的作用。我们只有不断进行结构力学教学改革，才能稳步提高教学质量，让学生真正掌握结构力学的知识，为进一步学习专业课及今后的实际工作打下良好的力学基础，培养出高素质的、与时俱进的土木工程专业人才。

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基金项目：江苏大学“842工程”课程建设项目

作者简介：胡白香（1964-），女，江苏大学土木工程与力学学院教授，主要从事结构力学和钢结构教学及研究。