以结构模型设计促结构力学教学改革

黄华恢 鉴倩倩

【摘要】全国结构设计竞赛开展以来，为结构力学课程教学提供了多渠道的学习方式，对应用型本科教育教学工作有很大的帮助。文章剖析了结构力学教学现状及存在的问题，探讨了如何依托结构模型设计，增强学生学习兴趣，提高学生结构分析计算和理论联系实践能力。

【关键词】结构模型设计；结构力学；教学改革

【基金项目】2016年校级教育教学研究与改革项目“以结构竞赛促进结构力学课程教学改革”（ JG201607）。

一、前言

全国大学生结构设计竞赛由高等学校土木工程学科专业指导委员会与中国土木工程协会联合主办，各个高校轮流承办，目的在于培养土木工程专业学生的实践能力、创新意识和合作精神。在此背景下，我院也自主举办了三届结构设计竞赛，得到了校领导的高度重视和相关专业师生的广泛关注和积极参与。在竞赛举办的同时，结构力学本科教学改革也开始了尝试和探索，希望通过结构设计竞赛中的结构模型给予结构力学本科教学改革启示，促进该学科更好地发展。

二、目前结构力学教学之不足

（一）教学现状

结构力学的研究对象主要是杆系结构，其具体任务是研究结构在何等因素作用下的内力、位移、稳定计算以及组成规则等。结构力学是一门技术基础课，它一方面要用到数学、理论力学和材料力学等课程的知识，另一方面又为学习建筑结构、桥梁、隧道等专业课程提供了必要的基本理论和计算方法。目前的结构力学课程教学状况如何呢？是理论讲解抽象枯燥还是计算模型的确定难以用言语表达？这些都是眼前结构力学课程难以解决的教学问题。因此，不少教师提出试图将结构模型融入到结构力学课程教学当中，这种想法无疑是好的。

众所周知，土木工程课程体系内开设的力学课程分为理论力学、材料力学以及结构力学，前两门力学课程均为结构力学课程做铺垫。在这三门课程中，没有任何一门课程具有相应的模型教具，而力学课程抽象的理论恰恰需要这些结构模型的引入作为其中一种形象的教学手段来引导启发并解决学生在學习过程中的疑惑。现阶段教学中仍然以教师为主体地位进行课堂讲授，学生被动接受知识，没有体现以学生为主体、教师为主导的先进教学理念。

（二）常见问题

在力学结构的几何构造分析中，教材中介绍了两种方法：平面几何不变体系的组成规则和平面杆件体系的计算自由度。这两种方法都能判定结构体系的组成情况，计算自由度法更容易被学生接受。但是，对于瞬变体系，往往结构自由度计算出结构属于几何不变体系，在实际工程中，该体系在受荷前后的变形情况却大不相同，并对结构承载能力造成很大的影响。如果利用结构模型将其实际受荷状态进行模拟，不难发现结构在受荷后会由可变结构变成不变结构。若没有结构模型的模拟，学生凭空想象，很难将这一特殊体系牢记于心。为了寻找桥梁上行驶的火车和汽车在运动过程中，桥梁某个内力达到最大值的荷载位置，结构力学中引入了影响线进行求解。但在讲授过程中，弯矩图已在工程力学课程学习，并在学生内心深处稳稳扎根，他们往往会将影响线绘制成弯矩图。造成这样的原因，一方面是对影响线的定义理解不透彻，另一方面是过于抽象的理论无法深入人心。

再者，在对结构进行简化计算中会出现不同类型的节点，各个节点有各自的特点。例如刚节点、铰节点、组合节点，对于这三种节点，其限制的约束力情况课本均已给出准确无误的结果，遗憾的是并没有告诉我们其确定原则或依据，导致学生在后续的课程或实践中无法准确确定某个实际结构的节点计算简图。那么实际工程中这些节点构造情况是如何的呢？钢筋混凝土结构节点每一个看似相同，但在计算简图上的确定大相径庭。假若通过自己动手制作搭接某一节点，或许这些看似外观一样但约束情况不同的节点会让学生有更好的理解和掌握运用。

综上所述，结构力学课程目前存在的两个主要问题为：理论内容的抽象讲解容易产生误区；计算模型的确定没有相应的依据可寻。

三、结构模型设计对结构力学教学改革的启发

为了解决上述问题，本文根据现有结构力学教学内容，提出制作结构模型作为结构力学课程辅助教学环节的设想。它弥补了结构力学理论内容的抽象空洞，同时也为学生在学习过程中架起了“计算简图”通向“实际结构”的桥梁，为其课外科研活动和拓展性学习奠定了基础，培养了其最为缺失的创新意识。这一设想的提出，是对现阶段结构力学课程教学的补充，也是一项创新。

（一）实施方法

在教学过程中，我们应该坚持以学生为主体、教师为主导的教学理念。经过反复调研与意见征询，将在结构力学教与学过程中增设模型制作环节。结合各章节结构力学内容的特点，选择较为简单又具有代表性的模型结构。让学生自由组合，4或5人一组，自主设计制作加载模型。具体来说，在进行结构力学教学过程中融入结构模型设计环节，步骤如下。

1.理论学习。讲解课程教学内容，重点讲解结构受力特点及组成形式。将多种组成形式的结构进行对比分析，进行归纳总结。

2.制作模型。在各章节学习结束后，让学生自由组合学习讨论，自行绘制相应的结构简图，掌握模型制作要领，利用课外时间完成模型的分析与制作。

3.成果汇报。各小组在课堂上利用多媒体阐述模型方案及构思，讲解各组结构特点及制作技巧，展示模型及分析结构。

4.模型加载实验。学生在实验室进行模型加载测试。

5.总结汇报。各组将模型实验结果进行再次汇报，总结结构模型实验的得失，并与原构思分析进行对比。

6.撰写报告。将整个结构模型从构思到模型制作再到加载结束进行总结，分析利弊，从而掌握结构的受荷特点。

（二）可行性分析

1.模型结构形式简单。结构模型是由杆件组成的力学结构体系，而不是实物模型。它与实际工程模型相比形式简单，制作方便，传力直接。这些都符合本科学生的学习水平，对后期的学习有较大帮助。

2.耗材成本较低，易于购买。结构模型的制作可以采用木条或者白卡纸，根据实际结构模型按一定的比例进行缩小制作，制作工期较短，场地所需较小。

3.安全性好，方便教学。由于结构模型使用的材料均为白卡纸、木质材料、剪刀和胶水等简易工具制作模型，操作简单安全，无需教师监督管理，适合小组团体进行。

4.符合“宽口进、应用型人才培养”。结构力学课程引入结构模型设计，提高了学生自主学习能力，培养了团结协作精神，并通过课堂演讲提高了口头表达能力，在增加学生的工程实践经验和提高创新能力的同时，满足了当前土木工程专业对应用型人才的培养要求。

四、结语

总之，在结构力学课程教学中加入结构模型的设计会对本课程起到一定的促进作用，让学生在学中做，做中学，提高学生的实践能力。因此，我们需结合结构模型设计对结构力学课程教学改革进行重新审视，以全新的视野去评价结构力学教学体系对于当前结构力学效果的影响。同时希望通过在课堂中开设这样的教学环节，使学生可以实现对力学知识的应用，并鼓励学生在课堂教学平台上去创造各种创新性研究项目，发挥课程的辐射作用。

【参考文献】

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[2]侯文崎.从大学生结构竞赛看结构力学本科教学改革的探索和创新[J].教育教学论坛，2015（52）：175-176.

[3]龙驭球，包世华.结构力学教程[M].北京： 高等教育出版社，2009.