建筑学专业力学课程教学改革的实践研究

齐欣+李翠娟+孟庆成

[摘 要]建筑学专业的培养目标主要为适应国家建筑和社会发展需要，培养基础扎实、知识面广、综合素质高，具备建筑师职业素养，并富有创新精神的国际化高级专门人才及专业领导者。针对建筑学专业学生力学概念普遍较弱的现状，我们在教学中引入定性分析，转变教学理念，优化、丰富教材内容，改革教学手段，激发学生的学习兴趣。实践表明：合理调整后的教学内容，综合了概念解析、工程案例、定性研究等教学方法，学生对抽象的知识点易于理解，学习热情高，更利于培养应用型综合型人才。

[关键词]建筑力学；定性分析；教学改革

[中图分类号] G642.0 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2017）08-0032-03

建筑学专业的培养目标主要为适应国家建筑和社会发展需要，培养基础扎实、知识面广、综合素质高，具备建筑师职业素养，并富有创新精神的国际化高级专门人才及专业领导者。为实现该目标需要学生具有较好的力学素养，建筑力学是针对此而设立的一门重要的专业基础课，其设置的具体目的在于：通过该课程的学习，使学生掌握平面杆系结构内力和位移的计算原理与方法，了解常用结构的受力性能，为学习工程结构方面专业课程以及进行结构设计提供一定的力学基本知识，培养学生一定的结构分析与计算能力。

传统的建筑力学教学， 其教学方法和教学内容与其他力学课程大同小异， 主要以学生能够掌握好书本上的理论和方法为培养目标， 整个教学活动围绕着教材开展，这样封闭的教学模式很不利于创新型人才的培养， 其原因在于给学生独立思考的空间太小。随着计算机技术的普及，力学研究从繁琐的计算中解脱出来， 但这似乎并没有带来学生能力的全面提高。事实上，对计算软件的过度依赖， 使得学生独立思考的空间变得更小了， 一些学生甚至对基本的理论与概念也模糊起来，并且，随着课时数的压缩，学生很难形成系统的知识体系。因此，如何在有限的课时中提高教学质量，培养出具备坚实理论基础的复合型人才值得讨论。

力学课程的教学内容相对抽象。在以往的教学中教师往往只强调“力学计算”这一教学环节中的运算能力， 忽略了学生直接的感性经验和直觉思维，致使学生难以理解结构构件的力学性能，因此学生接受程度较差。同时，又由于学生普遍认为结构分析可以由结构设计师完成，因而对其重视度不足。而建筑设计与力的分析是密不可分的，所有设计都是通过对力进行分析，再去寻求简单而又经济地表达它们相互作用的造型。因此，對建筑学专业的学生强化力学基础尤为重要。

以电视塔为例（见图1），将其简化为悬臂构件，主要承受荷载水平风力作用，其内力主要体现为弯矩作用，其弯矩图为抛物线，因而其合理的造型是上小下大按抛物线变化。对于建筑学的学生而言，端部弯矩具体大小不是关注的重点，但需要明确其弯矩图的变化规律。而对于建筑师而言，定性的对结构物有整体把握非常重要。因此教学过程中教师应加强学生定性分析能力的培养， 拓展学生的思考空间， 使学生在学习经典力学的基础上能够进一步理解和运用力学的核心概念与基本方法去解决工程实际中的问题。

一、定性分析

所谓定性分析就是对研究对象进行“质”的方面的分析。具体地说是运用归纳与演绎、分析与综合以及抽象与概括等方法，对获得的结果进行思维加工，从而能去粗取精、去伪存真、由此及彼、由表及里，达到认识事物本质、揭示内在规律的目的。定性主要是解决研究对象“有没有”或者“是不是”的问题，是一种最根本、最重要的分析研究过程。

建筑学专业设置力学课程的教学目的，在于使学生在掌握一部分理论知识的基础上培养结构概念。因此，在认真分析和研究教材的基础上，概要讲授教材的重点和难点内容，根据建筑学专业学生的自身特点及学时限制的实际情况，在课堂上省略冗长繁琐的公式及定理的推导过程，将教学重点放在学生运用公式和定理解决实际问题的能力上，学生课下通过自己看书能够领会和理解的内容不做过多的解释。同时，要加强力与建筑造型之间的关系的教学，重点培养学生的学习积极性和自觉性，逐步培养学生良好的自主学习习惯，从而提高学生的自学能力和领悟能力。

二、定性分析的内容构成

定性分析关注的是结构本身受力的特性分布，以往的定性分析强调的是由量变到质变，即通过大量的习题训练后，归纳出相应的规律特征。这种方法需要花费较多精力。在课程改革过程中，我们将过程反转，首先把相应的规律和特征抛给学生，通过习题进行验证，避免了大量的习题训练。它强调的是力学课程中各种方法与结论的综合运用， 即利用多种理论、多种研究方法来对事实做最真实最全面的描述。因而，教师在教学中不应将定性分析的内容孤立起来， 而应将其融入课堂教学的全过程中。

（一）基于已知概念的定性分析

力学课程循序渐进，在每一章节都讲述了相应的理论与计算方法。这些经典的解题方法不仅可以用于定量的计算，也是定性分析的重要手段。在教学过程中可以将定量计算与定性分析的内容结合起来，这既能加深学生对解题方法的理解，也能使学生养成定性分析的良好习惯。以封闭的框格为例（见图2），上下受到荷载的挤压作用，在对其进行内力分析时，这样一个三次超静定的结构，按照常规的方法进行计算，计算量较大。可根据结构特性进行分析，由于杆件的微分关系，其中AB、CD杆无外荷载作用，因此其上弯矩为直线，又由于框格上下对称，因此AB、CD段弯矩为等直线M。根据刚结点无外荷载作用时，其弯矩满足等值同侧的原则，A、B、C、D四点处弯矩应保持一致均为M，AD、BC段由于受到均布荷载作用，相应叠加简支梁的弯矩，最终画出结构的弯矩图。[1]

（二）关注结构体系特征

在桁架的内力求解中，桁架中零杆的判断非常重要，但大多数学生仅是通过规则进行判断，对于以下（见图3）[2]桁架结构零杆的判断方法，教学中通常采用节点法，根据特殊节点的受力特点进行判断。除了这种方法，同样可以根据合理的传力途径达到判断零杆的目的。力的传递遵循最短路径传递的原则，因此只有路径上的杆件受力，而其余杆件均为零杆。当明确了力的传递路径后，可快速的确定零杆。endprint

举一反三，对各种结构进行对比分析也是定性分析的一种。如图4所示，在进行静定结构内力分析，学习完简支梁的有关内容后，学生对于简支梁内力分布已经明确。以此为基础，对同跨度，等荷载的梁、三铰拱以及桁架为例，其内力分布，梁为明显的受弯构件，承受弯矩和剪力；三铰拱则当其杆轴线满足合理拱轴线时，仅受轴力作用；平行弦桁架中，当力作用在节点时，桁架均为二力杆。通过对比分析，明确了各种结构的受力特征，而采用定性分析的方法，则减少了大量的数学计算分析。

（三）应用叠加原理进行定性分析

考察结构受力时，除了直接对结构进行解析、分析，还可以应用叠加原理，将荷载分组，分别考察在单组荷载作用下，单工况下结构的受力特征，最后将各种工况叠加，从而得到各种工况的组合（见图5）。

（四）结合有限元法的定性分析

计算机技术和现代数值计算方法的飞速发展进一步拓宽了力学的应用领域， 工程师可借助有限元软件分析更为复杂的结构。但是， 计算机技术的普及也给学生带来了重计算， 轻分析的后果。龙驭球院士曾指出： 在大型计算中， 如果不会定性判断，不会抓错、改错， 那是很危险的。因此在教学过程中， 应该重视学生定性分析能力的培养， 使学生能够认识到计算机技术是进行结构定性分析的重要工具，而定性分析更是计算机计算中不可或缺的环节。目前，结构力学课程的教学总学时数逐渐被压缩，如何在有限的教学课时内，将计算机计算与定性分析的内容引入结构力学的课程教学中是很多力学教育工作者共同关心的问题。笔者在结构力学的课程教学中引入计算机仿真实验内容，这既激发了学生学习的兴趣，又拓展了学生的思维空间，使学生的分析能力与综合素质得到了提高。计算机仿真实验可以利用结构力学求解器，也可以利用一些通用的有限元计算软件来完成。这些计算软件结合多媒体技术为结构力学实验提供了便利。

对于这样一个三次超静定的结构，对于建筑专业的学生而言，其内力的求解是较难的内容，但刚架也是工程实际中最常用的结构，其内力分布的特点是必须要掌握的内容。借助通用的有限元计算软件，可以得到梁/柱的刚度比分别=0，1，4，∞时结构的弯矩分布，随着梁柱的刚度比的不断加大，梁端所承受的弯矩逐步的增大，柱上的反弯点逐步降低（见图6），结合有限元软件，学生可以直观的得到刚架内力的分布情况。将有限元软件的计算融入课堂教学过程中，使计算机技术与定性分析相结合，可以更进一步培养学生定性分析的能力，帮助学生运用计算机技术去解决工程实际问题。同时，这也是开展研究型教学的一条非常有效的途径。

三、工程实例分析

目前的课堂教学都是按照知识点的分布安排教学内容，仅在绪论中描述了从工程实际模型到计算简图的建立方法，而后续的学习均是采用计算简图进行分析，概念比较抽象，学生在学习过程中会觉得晦涩难懂， 不易接受。尤其建筑学的学生，首先关注的是形状特征，若能在实际的求解前，与建筑造型结合，跟实际问题联系起来，有助于学生对相应结构的理解，而对抽象的计算模型，也应尽量都给出其实际对应的结构。

在连续梁的教学中， 可通过多媒体手段演示一些典型桥梁的实例（见图7）， 使学生了解定性分析在桥梁初步设计中的应用。对此即可提出为什么采用这样结构形式的疑问，回答这个问题就需要为学生讲述简支梁与连续梁的基本特点，比较不同支承方式对结构内力分布的影响，讨论简支梁与连续梁各自的优缺点与适用范围，然后依据分析的结论，讨论如何对结构的选型做出定性的判断。经过对具体工程实例的定性分析，可以激发学生对力学课程的兴趣，拓宽学生的视野，这样不仅加强了学生对理论知识的理解和掌握，还能使学生学会运用新思想、新技术和新方法去研究和解决实际工程问题。

四、结语

通过教学改革，帮助学生在动态中去观察、探索和发现结构构件的受力特征，使学生通过計算机从“做建筑力学题”转变为全方位的掌握结构构件基本特性，从而为设计打下基础。教学实践表明，课程内容的及时更新，教学方法的多样化，将定性分析的内容引入建筑力学教学的过程中，是培养学生创新能力，全面提高学生综合素质的有效途径。

[ 参 考 文 献 ]

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[7] 龙驭球，包世华，匡文起，等.结构力学基本教程[M].北京： 高等教育出版社，2006.

[责任编辑：钟 岚]endprint