结构力学教学中结构设计的情境创设1)

2017-09-11张学元张道明

力学与实践 2017年4期

关键词：结构力学建构主义结构设计

张学元吕春张道明王丽

(齐齐哈尔大学建筑与土木工程学院，黑龙江齐齐哈尔161006)

结构力学教学中结构设计的情境创设1)

张学元2)吕春张道明王丽

(齐齐哈尔大学建筑与土木工程学院，黑龙江齐齐哈尔161006)

结构力学教学普遍侧重于理论教学,实践教学不足;侧重于人工计算能力培养,定性分析能力有待加强.基于建构主义学习理论的分析，结构设计情境创设缺失是以上问题出现的主要原因.探索了理论教学注重工程应用、实践训练注重定性分析等教学理念中结构设计情境创设的方式方法，并提出了基于综合能力培养的考核方案.实践表明：结构设计情境创设有助于学生对所学内容意义的建构、工程意识的建立及结构设计能力的培养.

定性分析,建构主义，结构设计,情境创设

结构力学是土木工程专业非常重要的一门专业基础课，是联系基础力学课程与工程设计课程的纽带，是使学生从力学基本原理过渡到工程实际应用的重要桥梁[1].现有培养模式下，结构力学教学存在学时减少、教学内容不减、教师讲授多、学生动手实践少等特点[23]，直接影响到学生工程意识、结构设计能力的培养.以上问题的出现，与教学过程中结构设计相关情境创设缺失是紧密相关的.为此，本文基于建构主义学习理论，分析课程教学中存在的问题；探讨理论、实践教学中结构设计情境的创设.

1 建构主义学习理论

关于学习的含义，建构主义认为[46]：知识不是通过教师传授得到的，而是学习者在一定的情境下，借助于他人的帮助，利用必要的学习资料，通过意义建构的方式而获得.情境、协作、会话和意义建构是学习环境中的四大要素，获得知识的多少取决于学习者根据自身经验去建构有关知识的意义的能力.关于学习的方法，建构主义提倡在教师指导下以学习者为中心，教师是意义建构的帮助者、促进者，学生是信息加工的主体，是意义的主动建构者.

2 结构力学教学中存在的问题

近年来结构力学教学中发现的问题总结分析如下 [7-12]：

(1)侧重于理论教学，实践教学不足

目前许多高校土木工程专业人才培养方案中结构力学理论学时占总学时的绝大部分，实验、实践学时没有或仅有几学时，这将导致教学过程侧重于理论教学，弱化了对学生理论联系实际、动手操作能力的培养.

(2)侧重于人工计算能力培养，定性分析能力有待加强

现阶段结构力学课堂教学重点围绕理论公式推导、例题讲解展开，在课后学生重点关注习题的求解.这使得结构力学的教学、学习集中关注在给定计算简图下的人工求解上，与现阶段运用结构设计软件进行结构计算的方式理念不相符，并且忽视了对学生结构概念设计、结构的合理形式、结构计算模型的建立、结构受力和变形性能的估计与判断及计算结果正误分析等定性分析能力的培养.

3 基于建构主义学习理论的分析

由建构主义学习理论可知，情境是学习环境中的首要因素，情境创设是教学设计中最重要的内容之一.教学中实践环节不足，相当于学习环境中工程情境创设缺失，使得理论与实践相结合的环节被割裂或限定；学生定性分析能力不足，相当于学习环境中结构设计情境创设缺失，使得通过结构设计来培养定性分析能力的环节被忽视.以上分析可知：结构设计情境创设的缺失是导致诸多问题出现的主要原因.

4 基于结构设计能力培养的结构设计情境创设

基于建构主义学习理论的分析，从结构设计流程各阶段的内容及能力要求角度，结合总体的教育方法，探索结构力学理论教学、实践教学中结构设计情境的创设.

4.1 理论教学注重工程应用

理论教学应注重计算简图与工程应用相联系、计算结果与工程应用相联系，从而激发学生的学习兴趣，提高学生理论联系实际的能力.

(1)计算简图与工程应用相联系

结构计算简图是为进行力学计算而对实际结构的简化图，是结构力学所学内容共同的交集.由结构设计流程(如图1所示)可知，计算简图的建立是结构内力分析的基础，是结构设计中的一个核心环节.因此，关于结构计算简图的情境创设是不可或缺的.教师可在讲授静定梁、静定刚架、三铰拱、静定桁架和组合结构等章节时，遵循整体结构→分体系→构件的思路进行计算简图背后的工程应用介绍及计算简图建立的能力培养训练，从而与结构设计流程中结构体系选择、结构布置、载荷计算、计算简图建立各阶段能力要求相适应.

图1 结构设计流程图

(2)计算结果与工程应用相联系

结构内力和变形计算是结构力学学习的主要内容，也是结构设计流程中结构内部效应计算的中心任务，关于结构内力和变形计算的教学,通常是通过例题讲解的形式向学生介绍相应的计算原理和方法.因此，注重例题的选择、计算结果与工程应用间的联系也是理论教学中结构设计情境创设的一个要点，相应的能力培养流程见图2.如在讲授力法中温度变化时超静定结构内力小节时，可结合一外部降温、内部温度不变的超静定刚架内力求解的例题而展开，结合例题计算结果启发引导学生思考温度改变对设计、施工的影响等.

图2 计算结果与工程应用相联系能力培养流程图

4.2 实践训练注重定性分析

培养学生结构计算、结构分析等能力离不开工程情境，尤其是结构设计情境.因此，从实践环节中的模型制作分析、实验数据处理角度进行探讨研究.

(1)模型计算分析与软件应用相结合

结构大师林同炎在其经典著作《结构概念和体系》中曾指出[13]：“工程师教育的专门化模式导致人们常常由细节开始，而对总体方案缺乏足够的关心”，“必须找到一种教育方法，使建筑和结构专业的学生学会在总体设计内容中将技术知识概念化”，这种教育方法就是总体教育方法.

基于总体教育方法，结合结构设计流程中的内容及能力要求，应当在实践教学环节中设置结构模型制作与分析环节 (我校学生部分结构模型作品见图 3)，有关任务及层次划分见图 4. 通过结构整体→分体系→构件三层次的结构设计能力培养，能够与方案设计→初步设计→施工图设计的三阶段设计能力要求相对应.通过模型计算分析与软件应用相结合，能够很好地培养学生概念设计、方案比选、计算简图建立的能力、计算分析等定性分析能力.

图3 学生部分结构模型作品

图4 结构模型制作与分析设计任务层次分解图

(2)实验数据处理与软件应用相结合

实验教学是培养学生实验实践能力的一个重要环节.下面以齐齐哈尔大学结构力学实验教学中门式刚架水平加载内力测试实验为例，介绍齐齐哈尔大学结构力学实验教学的有关尝试.该实验主要借助于 YJ-IIA型结构力学组合实验装置平台，运用DH3818静态电阻应变仪对一超静定门式刚架进行应变测试进而求得相应截面内力并可与理论内力值进行对比分析.对于实验数据处理过程中内力实验值的计算，要求学生运用 Excel进行编程计算、对于内力理论值要求学生运用结构力学求解器、Excel编程两种形式进行计算，较好地培养了学生程序编制、软件应用能力.

5 考核方案设计

传统的结构力学考核方案主要通过考试考察学生动手计算的能力，但对于结构设计、结构分析、软件应用等能力的考察是很难做到的.因此，基于综合能力培养的角度出发，结合齐齐哈尔大学2014版人才培养方案，提出了结构力学考核方案设计(表1).

表1 基于综合能力培养的结构力学考核方案设计

6 结语

齐齐哈尔大学结构力学教学按照上述方案进行了探索尝试，从参加2014年第六届黑龙江省结构设计竞赛(获二等奖1项、三等奖2项)和2016年第七届黑龙江省结构设计竞赛(获一等奖1项、二等奖1项、三等奖3项)所获奖项和和学生近年来考研专业课考试成绩来看，基于结构设计能力培养的结构设计情境创设及基于综合能力培养的考核方案有助于培养学生对所学内容意义的建构、工程意识的建立及结构设计的能力，可为土木工程专业相关课程的教学改革与创新提供参考.

1周臻，陆金钰，尹凌峰，等.面向卓越土木工程师培养的结构力学教学改革与实践.高等建筑教育，2012，21(4)：74-77

2冯维明.力学教学中的宽与窄、深与浅.力学与实践，2016，38(6)：670-673

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