土木工程学科结构力学课程教学改革的实践

闫晗

摘?要：结构力学是土木工程学科介于以纯理论为主的力学与应用学科之间的一门专业基础课，一方面强调对基本原理、基本方法的理解、掌握与训练，另一方面又必须加强工程计算能力的培养。而当前高校减少学时和精简内容已是大势所趋，必然导致这两方面能力培养的矛盾。本文针对这个问题，提出了关于结构力学课程改革几点建议。

关键词：结构力学?教学改革?工程应用

中图分类号：G64 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2012）10（a）-0169-01

结构力学是研究工程结构在静力、动力等各种荷载和温度变化、支座位移等因素作用下强度、刚度和稳定性的计算原理和计算方法以及结构组成规律和合理形式的一门科学[1]。在教学过程中，既强调对基本原理与基本方法的熟练掌握，又强调工程应用能力的培养。基本原理与基本方法的学习要求熟练掌握基础力学中的概念、理论和知识；工程应用能力的培养强调如何将基础力学中的概念、理论和知识充分调动起来，灵活、合理、巧妙、综合地应用于单个杆件组成的复杂结构中去，特别是利用现代计算方法解决工程实际问题。但是，从当前各高校的改革实践来看，减少学时和精简内容是大势所趋，学时减少和内容精简是对传统教学模式的挑战，它促使人们对新内容体系的建立这一更深层次上的改革进行认真的思考、探索与实践[2]。目前，结构力学教学中有两种趋势，其一是强调基本理论与基本方法的学习，即传统教学模式。传统教学模式主要体现为“精讲多练”，要求学生在基础理论与基本方法上加强训练。其二是强调电算能力的培养，以培养学生解决利用计算机实际工程问题能力为主。这两种趋势各有利弊，应该综合考虑，协调发展。

1通过课程体系改革使教学模式更适应现代科学的发展

1.1课程体系中存在的问题

经过多年的教学与实践，结构力学课程已经形成了基本稳定的模式，教学大纲与内容也基本不变。从课程内容上可以将结构力学分成两大部分，一部分是基础理论与基本方法，包括结构的几何组成分析、静定结构的内力分析、静定结构的位移计算、力法、位移法等。这些内容是结构力学的经典部分，是学生必须熟练掌握与深刻领会的内容。另一部分涉及计算方法，如力矩分配法、近似计算、矩阵位移法等。其中力矩分配法、近似计算对于手算来说相对重要的内容。随着科学技术的发展，电算的普及，其重要性已大大降低，甚至可能被淘汰。但在目前各版本的结构力学教材中仍然占有很大的比重。而矩阵位移法是电算的重要基础，与杆件体系有限元有密切联系，但这些内容还属于简单介绍部分。多数教材只是简单介绍了矩阵位移法的基本理论，而有关如何进行程序设计的内容完全没有介绍。特别是缺乏适合于初学者借助计算机，利用结构力学的基本理论，解决实际问题的教学内容。

1.2 课程体系改革

针对上述问题，应该对大学力学课程体系进行修改。根据结构力学的内容特点，以及大学中力学教学体系，可以将力学分成两大部分，一部分是力学中的最基本的和最基础性的概念和理论，可以称为基础力学部分；另一部分是基础力学知识的应用，即如何将基础力学中的概念、理论和知识充分调动起来，灵活、合理、巧妙、综合地应用于单个杆件组成的复杂结构中去。应该说，基础力学知识在理论力学、材料力学中已经详细介绍，而结构力学应比理论力学、材料力学更多地、更直接地面向工程设计、工程计算与工程应用。因此，在进行教学大纲修订时，可以将结构力学中的某些内容统一编写到理论力学、材料力学中，如静定结构的内力分析、位移计算等，而将工程应用部分集中到结构力学中。从教材内容上强化工程应用能力的培养，如从工程结构中抽象出计算模型的能力、编写计算程序的能力等。

2 改变传统的教学方法提高教学效果

目前，结构力学的教学方法与手段还沿用“精讲多练”的传统模式，一味注重学生对基本理论与基本方法的掌握，忽略学生解决实际问题能力的培养。结构力学在过去长期的教学实践中，已经积累了系统的教学方法与经验。最具代表性的方法是“精讲多练”，这样一套教学方法是符合结构力学课程教学规律的。过去工程上的结构计算，主要依赖于手算。“精讲多练”教学法强调在讲清、讲透基本概念、基本原理的基础上，通过“多练”对学生的解题与计算能力进行强化训练。但是，随着计算机技术的发展，结构的力学分析已经广泛应用电算，对手算的要求已经大大降低。因此，“精讲多练”教学方法有待于改革。为了让学生在相同的学习时间内，既能掌握基本理论与基本方法，又能提高工程计算能力，可以将电算能力的培养贯穿到基础理论的教学当中。教师可以针对结构力学中的几个基本问题，形成计算程序的基本模式，并在讲解基本理论的同时，介绍计算程序的基本算法原理。在选择编程语言时，应尽量选择结构化语言，如FORTRAN，这样可以让学生将精力集中在理论与算法的理解与掌握上。

3 注重工程计算能力的培养

结构力学工程计算能力的培养涉及建立力学模型、合理选择计算方法与开发计算程序三个方面。首先应培养正确建立力学模型的能力。结构力学是进行建筑结构设计的基础，而实际结构是复杂的，形式也是多种多样的，必须经过简化抽象形成力学模型，才能进行力学分析。力学模型是由实际结构简化得到的是实际结构的“化身”或“替身”，体现该结构的主要构造特性和受力性能，便于进行力学分析。只有熟悉结构的组成规律和受力特性，善于正确地把实际结构简化为“替身”，才能做好建模工作。其次是培养选定合理计算方法的能力。选定合理的计算方法是计算、校核和检验结构内力及其分布与位移的重要前提，直接影响计算结果，与结构的经济合理性密切相关。因此，结构分析应重视计算方法的选择。最后，应培养开发计算程序的能力。要达到提高开发计算程序的能力，可以从三个步骤进行培养。首先由教师提供典型问题的程序模板，然后让学生根据不同问题进行程序改编，再让学生结合实际工程进行应用程序开发。通过这三个方面的培养，可以使学生在熟练掌握基本知识的基础上，提高解决实际问题的能力。

4 结语

科学技术的发展，结构力学计算方法有了非常大的飞跃，对学生的工程计算能力的要求进一步加强。从而使得传统的教学内容、教学方法显现出许多不适应性。特别针对这个问题，本文从课程体系改革、教学方法改进与计算能力培养三个方面进行分析，提出了相应的措施，并在结构力学教学中推行，取得了比较明显的效果。

参考文献

[1]范志良.结构工程科学中若干计算结构力学问题的研究展望[J].力学进展，1994，24（5）：391-398.

[2]袁驷.一个基础，两座大厦——结构力学课程的改革思路与实践[J].力学与实践，1998，20（1）：56-58.