土木工程专业结构力学课程教学实践探讨

陈 斌 黄贤明 陶鹏飞

湖南工业大学 湖南株洲 412007

土木工程专业结构力学课程教学实践探讨

陈 斌 黄贤明 陶鹏飞

湖南工业大学 湖南株洲 412007

如何激发学生学习结构力学课程的兴趣，培养学生的创新性和解决实际问题的能力，是结构力学教学过程亟待解决的问题。根据结构力学课程的特点，立足基础能力的培养，探讨了土木工程专业结构力学课程教学实践特点和方法，提高教学质量。

土木工程；结构力学；教学实践；结构模型

结构力学是土木工程专业中一门非常重要的专业基础课程。该课程不仅是后续专业课程的基础，而且它的力学思维能力对今后的学习和工作也具有重要影响。［1］随着计算机技术在土木工程领域得到广泛应用，结构力学课程教学相应的也提出了实践型教学理念，当然，我们也不能因为计算机技术的应用而降低基础力学概念教学所占的比重。在基础概念教学中，我们应多引入实践性课题，从而提高学生学习兴趣和解决实际问题的能力，培养学生综合运用知识能力和创新能力。这些要求我们教学人员必须坚持和发展科学的教学方法和教学手段，理论联系实际，使结构力学课程教学更有效。

1 立足基础能力的培养

结构力学课程概念多、内容繁、求解技巧灵活性强，要想将结构力学知识融会贯通，必须加强对基本知识、基本理论和基本计算方法的掌握。

1.1 基础能力培养的目的

结构力学课程教学的最终目的是培养学生的“结构力学素质”，提高学生分析问题和解决实际问题的能力。基本知识、基本理论以及基本计算方法的建立是分析问题和解决实际问题的基础，如果基本知识、基本理论和基本计算方法掌握得不透彻，理解得不清晰，那么学生在分析和解决实际问题时就会有思维局限，形成思维定式更不用来谈“创新性”了，最终会导致学生缺乏独立分析问题和解决实际问题的能力。［2］

1.2 结构力学课程内容的设置

对于结构力学这门课程来讲，课程设置一般分为基础与专题两个部分。基础部分内容包括：结构几何组成分析；静定结构（梁、刚架、拱、桁架等）受力分析；虚功原理和静定结构的位移计算方法和原理；梁影响线的绘制及影响线的应用；超静定结构的计算的力法以及位移法及力矩分配法等。专题部分内容包括：结构矩阵分析；结构动力计算；结构稳定性计算及结构极限荷载等。［3］

但是从土木工程专业的培养特点出发，结合地方高校培养目标要求，我们重新整合了课程内容，分成2个模块教学：第一模块为必修教学内容，第二模块为选修教学内容。第一模块内容包括结构几何组成分析、静定结构（梁、刚架、拱、桁架等）受力分析、虚功原理和静定结构的位移计算方法和原理、梁影响线的绘制及影响线的应用、超静定结构的计算的力法、位移法及力矩分配法、结构矩阵分析、结构动力计算基础，为必修教学内容，侧重于结构力学的基本概念、基本理论和基本实用计算与应用方法；第二模块内容包括结构动力计算、结构稳定性计算及结构极限荷载，为选修教学内容，侧重于专业延升和提高。

1.3 基础能力培养的方法

基本概念、基本理论以及基本计算与应用方法的掌握和综合运用可以培养学生的分析问题能力。比如我们要对实际工程结构进行综合全面地分析，实际上由于实际工程的边界条件、环境因素等影响比较复杂，我们只能略去次要因素，依据能反映结构的真实受力并使力学计算得到简化为原则，经过抽象和简化处理，得到计算简图，然后对其进行综合分析。

培养学生要根据结构力学的各种计算方法特点，对不同的具体问题我们要选择恰当的计算方法，才能对结构受力和变形进行正确的分析。当然，也可以通过初步掌握的计算机应用有限元进行数值计算，从而对结构的计算结果进行定量和定性校核和分析。例如，可以结合桥梁结构、高层建筑等空间结构，通过教师的适当启发，充分发挥学生的分析能力，把空间简化为平面结构进行简化计算。除完成基本实验外，结构力学实践课程也应结合学科竞赛，为学生创造实验条件。

2 土木工程专业结构力学课程教学实践

2.1 课程教学实践的特点

学生实践活动是培养学生创新能力和动手能力的重要有效途径。通过学生的一些试验性的实践活动可以加深学生对知识的理解，培养学生的综合分析能力［4］、数据处理以及查阅资料的能力、创新能力，还可以培养学生的团队合作精神。通过一些实践活动或实验，也可以很好地调动学生的学习兴趣和积极性，能够把上课所学习的知识应用到具体的实践活动中，从而加深对理论知识的理解。例如大学生结构模型设计就是一种很好的实践活动，从学生制作结构模型的过程中，学生需要联系理论知识去设计一个合理的结构方案，对结构受力做出定性的判断，制作出结构新颖、受力合理的结构形式，可以极大地提高学生对受力概念的理解，培养了学生的创新精神；而通过学生的结构模型，老师也可以了解学生对结构构件受力的把握程度，从而适当调整课程的教学内容。而通过对结构模型进行加载试验可以引导学生进行自主学习，扩展思维，比如结构设计模型大都是一个三维空间体系，由于学生在结构力学课程里面只学习过平面体系结构的计算方法，要进行三维空间结构的计算，可以去学习简单有限元软件的应用（如sap2000等），或者考虑如何去把一个三维的空间结构简化成平面结构进行内力计算分析。前者需要学生去自主学习新的软件的应用，可以加强学生的学习能力；后者则需要学生理论联系实际，把所学的知识综合应用到具体结构里面，简化结构计算模型，从而把一个复杂的结构简化为一个简单的平面结构进行计算。

2.2 课程教学实践实例

下面通过一个实践活动看看实践对课程教学的促进作用。图1所示为高校结构模型设计选拔赛时模型的加载点示意图，加载点为两点加载，是个偏载。图2、图3所示为模型制作及加载试验的场景。

图1 加载点示意图

图2 制作模型图

图3 加载试验

从图2、图3中可以看出结构模型是个三维空间对称结构，要对空间模型进行理论计算，可以引导学生联系结构力学的理论知识，把复杂的东西简单化，略去次要因素、以反映结构的真实受力情况和使力学计算得到简化为原则把三维的空间结构模型简化为平面结构模型进行简化计算。先取小倒拱的计算模型（如图4所示），将作用在小倒拱上的两个加载点的力加到结构模型上，通过计算可得到支座反力，然后把得到的支座反力传递到主倒拱上（如图5所示），这样就可以把一个空间的受力分析问题简化为两个平面上的受力问题，理论联系实际，简化了计算过程从而解决实际问题。

图4 小倒拱的受力分析图示

图5 主倒拱的受力分析图示

通过结构模型设计竞赛，学生参与的热情非常高，在课堂理论教学中可以明显感到学生对结构力学学习兴趣的增强，如课堂注意力集中、课间课后提问活跃等。达到了在趣味中感受结构力学的魅力，在趣味中提升对结构整体受力的感性认识的教学目的。土木工程专业结构力学课程教学应多加入实践性活动。

3 结束语

结构力学是一门重要的工程实用型专业基础课，教师应针对这门课程的特点和学生的特点，立足对学生基础能力培养的同时，加强土木工程专业结构力学课程实践教学，不断提高教学质量。结构力学课程的实践教学能让学生增强学习兴趣，帮助学生学会独立思考，并能灵活应用所学知识，与课堂理论教学形成良性互动，客观上显示了基础型和实践性教学的互动在促进学生对课程理论知识的掌握、培养学生创新性和解决实际问题能力的重要作用。

［1］付果，彭旭龙.“结构力学”课程教学改革与实践探讨［J］.中国电力教育，2013（10）:88-89.

［2］刘京红，何洪明，高宗章.结构力学教学中培养学生可持续发展能力研究［J］.河北农业大学学报:农林教育版，2008，10（1）:56-58.

［3］孙旭峰，陶阳.土木工程专业结构力学课程实验教学实践探讨［J］.高等建筑教育，2013，22（5）:133-136.

［4］李国华，罗健，董军.结构力学教学方法研究［J］.高等建筑教育，2012，21（1）:81-83.

［5］智友海，史向平.结构力学课程教学探究［J］.大学教育，2013（19）:89-90.

Teaching Practice of Structural Mechanics Course for Civil Engineering

Chen Bin， Huang Xianming， Tao Pengfei
Hunan University of Technology， Zhuzhou， 412007， China

In the teaching process，the problem to be solved is how to motivate students' interest in learning structural mechanics course ， how to cultivate students creative ability and improve their capability of solving practical problems. According to the characteristic of structural mechanics course， it is our duty to foster students’ basic capability. And we discussed the teaching practice of structural mechanics course for civil engineering which to improve teaching quality.

civil engineering； structural mechanics； teaching practice； structural model

2015-01-24

陈斌，硕士，讲师。黄贤明，博士，副教授。基金项目：湖南工业大学教改基金项目（编号：2013C38）。