基于“卓越计划”的结构力学教学改革研究

郭青伟，李玉涛

（1.南阳师范学院 土木建筑工程学院，河南 南阳 473061；2.河南工业职业技术学院，河南 南阳 473009）

基于“卓越计划”的结构力学教学改革研究

郭青伟1，李玉涛2

（1.南阳师范学院 土木建筑工程学院，河南 南阳 473061；2.河南工业职业技术学院，河南 南阳 473009）

阐述了土木卓越工程师培养过程中结构力学课程的重要地位，剖析了结构力学教学过程中存在的问题，提出了加强理论联系实际、加强定性分析能力培养、加强力学教师队伍建设等改进措施，以期提高结构力学课程的教学质量。

卓越工程师教育培养计划；结构力学；教学改革；理论教学；实践教学；定性分析；定量分析

0 引言

《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010—2020年）》和《国家中长期人才发展规划纲要（2010—2020年）》明确提出：将“卓越工程师教育培养计划”（简称“卓越计划”）列为未来10年中国全日制工科高等教育的重大改革项目［1］。该计划要求学生不仅要重视理论知识学习，还要注意培养自身发现、分析并解决工程实际问题的能力。土木工程在基础建设行业中占有重要的地位，内容涉及到房建、道桥、地下空间工程等，如何在顺应国内外土木工程行业发展态势并符合高等教育规律的基础上，顺利实施“卓越计划”，培育一大批高质量、高素质的土木工程专业技术人才，是当前及未来相当长一段时间内土木工程专业高等教育面临的重要课题。

结构力学课程是土木工程专业及相关专业的核心课程之一，是理论力学和材料力学的后续课程，同时又为后续开展的弹性力学、混凝土结构、砌体结构及钢结构等专业课程提供了必需的力学知识基础，起着承上启下的作用［2］。众多高校土木工程专业研究生入学考试的专业科目亦为结构力学。毕业生走上工作岗位后，遇到的结构问题也需要用结构力学知识来解决。这就对土木工程专业的学生提出了更高的要求。面对“卓越计划”提出的人才培养要求，结构力学教学改革势在必行。笔者经过长期实践探索，对结构力学教学过程中存在的问题进行了深入分析，并提出了相应的改革措施。

1 结构力学教学过程中存在的问题

结构力学课程内容主要包括：杆件体系的几何组成分析、静定结构的内力和位移计算、超静定结构的内力和位移计算、结构动力学分析等。静定结构的计算细分为静定梁、静定刚架、静定拱、静定桁架、静定组合结构等五种结构分别讲解。超静定结构的计算细分为力法、位移法、力矩分配法、矩阵位移法等四种方法分别讲解。在结构力学教学过程中存在的主要问题可归结为以下4个方面。

1.1 重视理论教学，忽视实践教学

结构力学教学课时从原来的120学时改为75学时，教学时间大大缩减，无法保障教学内容充分展开。教师授课时，往往机械地把教材内容悉数灌输给学生，且各部分内容均是在给出计算简图和荷载的基础上进行讲解，完全割裂了工程背景，无法真实还原工程实际，导致理论教学与工程实践脱节，制约了学生技术应用能力和职业素质的提升，使之走上工作岗位后遇到实际问题时无法顺利解决。

1.2 重视定量计算，忽视定性分析

静定结构内力分析以及超静定结构内力分析方法有多种，求解方式灵活多变，技巧性很强。但大量工程实践表明，定量计算并不能解决全部问题，复杂力学问题往往需要用定性分析指导定量计算、用定量计算结果验证定性分析，甚至需要忽略次要部分，才能得到正确结果。而在实际教学中，整个学习过程表现为习题演算，缺乏对题目的定性分析进而找出更优的解题方法。

1.3 重视解题过程，忽视结果判断

在“应试教育”的现实环境中，学生重视理论求解过程，认为计算过程正确就万事大吉，缺乏对计算结果的分析判断。而结构力学需要计算出杆件结构内力分布情况，判断结构荷载的最不利位置和控制截面、控制内力等情况，对于结构设计有很强的指导意义。

1.4 理论教学严重脱离工程实践

在结构力学教学过程中，教师重视对理论知识的讲解，缺乏将理论知识应用于工程实践的鲜活例子，使得课堂枯燥无味。而结构力学与结构设计内容联系密切，计算结果可直接作为结构设计的依据，为结构材料选择、结构各组成部分连接方式及构造措施提供数据支持。

2 教学改革举措

2.1 注重理论教学与工程实际相结合

结构力学是将工程建造结构中得到的经验和感性认识上升到理性认识，并一步步完善而形成的理论体系，从工程实践中来，最终还要回到工程实践中去。教学活动不能脱离工程实践而只进行理论知识的传授，否则将割裂结构力学与建筑构造等相关课程的内在联系，所培养的学生必然不能满足社会要求。因此，在结构力学课程教学过程中，必须注重理论教学与工程实际相结合，加强二者之间的联系，做到理论与实践并重。在教学改革中，可采用项目教学法，实施任务驱动，详细介绍具体工程问题，并根据计算理论将工程问题简化，最终建立结构计算简图，进行理论计算，求出所承受的荷载和构件变形数据。教学活动与工程实际结合，可以增强结构力学与建筑构造等课程的横向联系，大大激发学生的求知欲望，有效地提高学生整合理论知识、分析解决工程实际问题的能力［3］。理论知识讲解结束后，应通过典型案例分析强化知识点，将复杂的工程结构引入课堂，用所学知识进行分析。如图1（a）所示，一根梁，两端置于墙上，梁上放一重物。梁在重物作用下，可在梁轴所处的竖向平面内产生弯曲变形，两端的墙体对梁起到竖向约束作用，但不能约束梁端的转角变形，故可将梁简化为一轴线方向的简支梁。由于重物的分布尺寸较小，可将其简化为一集中荷载，梁的自重可看成一个沿梁轴线的均布荷载，如图1（b）所示［4］。如果梁的两端置于柱上，则属于框架结构，与梁的两端置于墙上是完全不同的结构形式，计算简图也就完全不同。确定了计算简图和荷载，就可以用所学知识进行计算分析，这样学生就明白了结构计算简图和荷载并非随意假定，而是根据工程特点，具体问题具体分析，进行适度简化，以满足精度要求。这样既增强了学生对结构的理解和认识，又培养了他们分析和解决工程实际问题的能力。

2.2 加强定性分析能力的培养

结构力学分为经典结构力学、定性结构力学和计算结构力学。近几年，定性结构力学的概念受到普遍重视。定性结构力学主要培养学生的定性分析、估算判断能力［5］。应将定性分析贯穿于结构力学教学过程，培养学生定性分析问题的能力。在计算机辅助设计日益普及的新形势下，定性分析能力越来越重要，只有拥有这种能力，学生才能建立合理的结构计算模型，分析处理好计算结果。

要提高学生综合力学素养，定性分析能力的培养不可或缺。在结构力学教学过程中，教师应主动给学生传授定性结构力学知识，增强学生的定性分析意识，培养学生的定性分析习惯。例如，要牢固掌握结构力学的核心知识点，概念清晰是基础，它可以让学生在繁杂的工程结构中保持一种智慧的眼光，看到结构的本质。一根梁在同样的荷载作用下，两端的约束情况不一样，得到的弯矩图不一样，结构的内力分布特征也是完全不一样的。这就涉及到约束的概念，当牢固掌握约束概念之后，内力分布特征也将清晰于心，因而也就容易理解约束会影响到结构的其他力学和工程特性，如结构的强度、刚度、稳定性等。这样也就同时培养了学生的发散思维能力，使他们能够把各部分相关知识融会贯通起来。

图1 结构计算简图示例Fig.1 Structure calculation

图2 温度变化时的超静定结构Fig.2 Statically indeterm inate structure of tem perature variation

2.3 加强对计算结果的判断

结构力学教学不单要教会学生算题，更重要的是要教会他们对计算出的结果进行判断，知道为什么是这样的结果，并能联系工程实际加以应用。图2（a）所示刚架外侧温度t1升高了+25°C，内侧温度t2升高了+35°C，EI为常数，矩形截面。此结构为超静定结构，通过力法计算得到由于温度变化引起的结构弯矩，如图（b）所示。对于这个结果，我们不能只是机械地计算出结果，而要对结果进行合理的判断。可以看到，温度改变引起的内力与各杆绝对刚度EI有关［6］。同时，由于超静定结构多余约束的作用，使结构温度低的一侧受拉。此结论同样适用于温度引起的超静定单跨梁。联系到工程实际，在钢筋混凝土结构中，应特别注意由于温度降低而可能产生的裂缝。相对而言，在静定结构中，由于温度改变导致的结论却相反。可以看出加强对计算结果的判断，有利于学生力学综合素质的培养，有助于他们从更高层次上认识结构。

2.4 加强力学教师队伍的建设

教师对问题的理解深度不同，会直接影响教学过程和效果。“卓越计划”提出的人才培养要求，无疑对结构力学任课教师的执教能力提出了新挑战。结构力学既要理论与实践相结合，又要定量分析与定性分析相协调。多数结构力学教师都是高校毕业后直接进入教学岗位的，缺乏工程实践经验，在“卓越工程师教育培养计划”实施过程中，他们必须补齐工程实践这一短板。在教学过程中，为了增加教师的知识量储备，并做到融会贯通，我们采取了同一个教师教多门课程的做法，让他们熟悉相关课程与结构力学课程之间的知识联系，引导他们自编讲义，制订授课计划，备好教材、了解学情、熟悉课堂，实施精细化教学。鼓励力学教师参加土木工程专业认识实习、施工实习，使教师对工程实际有更深层次的认识，并将这种认识更好地运用于教学。力学教师还可担任结构力学课程设计和本专业学生毕业设计的指导教师，在指导过程中再次检验教学效果，形成结构力学课程的“教学→考核→反馈→改进”机制。

以上所述改革措施能有效提高任课教师的教学水平，激发学生的学习欲望，取得了显著成果。

3 结语

通过上述教学改革举措的实施，2015年本专业的学生参加中南地区结构力学竞赛，获得三等奖；2016年学生参加河南省结构设计竞赛，获得二等奖；多名学生考研结构力学成绩也非常喜人。综上所述，南阳师范学院、河南工业职业技术学院在结构力学课程的教学改革举措还是卓有成效的，对其他课程的教学改革也有一定的借鉴作用。

［1]林健.卓越工程师教育培养计划通用标准研制［J］.高等工程教育研究，2010（4）：21-29.

［2]文国治.结构力学［M］.重庆：重庆大学出版社，2013：2-3.

［3]许卫群.问题式教学法在工程力学教学中的应用研究［J］.教育教学论坛，2015（35）：148-149.

［4]李廉锟.结构力学［M］.北京：高等教育出版社，2011：2-3.

［5]陈景涛，任韦辉，管亚彬.“定性结构力学”的内容体系及其在工程中的应用［J］.重庆工学院学报：自然科学版，2007（4）：47-49。

［6]王洪波.高温环境下超静定结构的受力分析［J］.安徽建筑，2008（3）：147-148.

[责任编辑 靳晓颖]

G642.0

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10.13681／j.cnki.cn41-1282／tv.2017.01.020

2016-09-19

南阳师范学院教学研究项目：基于“卓越工程师”培养体系下地方应用型本科院校结构力学教学改革研究。

郭青伟（1983-），女，河南南阳人，讲师，硕士，主要从事土木工程专业的教学与研究工作，研究方向为桥梁抗震。