以创新为导向的“结构力学”实践教学体系研究★

张艳敏 温立平 王素莉

(防灾科技学院土木工程学院，河北 三河 065201)

随着时代的发展，社会和行业对人才的要求越来越高，基础知识厚，实践能力强，上手快的应用性人才日益受到用人单位的青睐。传统结构力学的教学围绕课程的理论体系开展，比较注重理论知识的系统性讲授，忽视理论知识与工程实践的结合，严重影响了课程的教学效果和创新型人才培养质量。我院结构力学课程组的老师以培养学生实践能力和创新精神为导向，积极进行实践教学体系的研究和探索，形成了以实验教学为基础、结构设计大赛为提高的实践教学体系建设雏形。

1 建设结构力学实验项目库，开展课内及课外开放性实验

实践教学是结构力学教学中的重要组成部分，和理论教学相辅相成，不可或缺，而实验教学则是其最基础核心的内容。学生通过自己动手操作完成实验，得到既定的实验现象，甚至亲自设计实验以解决自己不懂的问题，不仅可以牢固地掌握知识，加深对知识的理解，还能激发学生自主探究的兴趣，点燃学习结构力学的激情。

结构力学课题组的老师为丰富实验内容，满足实验教学需要，建设了实验项目库。项目库包含实验项目500个以上，内容主要为结构模型静动力实验、结构力学求解器应用类实验、工程实际项目建模实验及结构设计类实验(含结构设计大赛赛题)等四个方面，其中除包含基本理论相关的验证性实验外，多数为综合设计性实验和创新性实验，给学生提供多重选择。

“他山之石，可以攻玉”。在吸收其他院校实验教学经验的基础上，我院开展了结构力学分层次实验教学。针对不同程度学生的学习情况，将结构力学实验划分为限制必修实验和奖励选修实验两个层次。

限制必修实验为基础性实验，共8学时，在课内开设，分别为静定桁架模型静载实验、超静定刚架模型静载实验、结构力学求解器应用实验、模型共振及隔震演示实验和多自由度体系的模态测试实验，要求全体学生参与实验，实验成绩计入课程考核成绩；奖励选修实验则开设为课外开放性实验，多为综合设计性或创新性实验，主要为满足对结构力学实验有浓厚兴趣的学生需要开设，而开放实验并不计入学生的学分中，为调动学生积极性，参与完成实验的同学可给予适当的平时成绩加分，此为“奖励”之含义。

因我院结构力学课程分两学期开设，故开放性实验也是每学期都有，且实验内容与每学期的理论教学内容相协调。春季学期开放实验主要为结构力学求解器应用类实验和结构模型静载实验，实验项目遍及几何构造分析、静定及超静定结构计算、影响线、位移计算等内容，有效补充了学生学习理论基础知识不扎实，自我检验校核能力的不足。秋季学期则为结构模型动力实验和工程实际结构建模实验，此时学生已具备初步的理论分析计算能力，则开放实验着重在培养学生的工程实际应用能力。针对实际工程案例，力学简化为计算简图，再利用结构力学求解器进行力学建模分析计算，一方面使学生学习和掌握了结构力学的理论和计算方法，另一方面使学生了解了工程结构的力学简化思路和过程，培养了学生的实践动手能力和工程意识。

2 开展课堂小实验，弥补理论授课的不足

演示实验是力学概念教学的重要组成部分。结构力学理论教学中也有部分概念或内容，口头讲授学生理解不太容易，但非常适合用教具或简单模型来演示。针对这一情况，我们开发制作了相关教具和模型，在课堂开展小实验，辅助理论教学。如几何构造分析中的常变体系、瞬变体系、瞬铰等抽象概念，我们设计制作了不同尺寸的各种杆及约束，课堂上组装出四连杆机构、带斜撑的四连杆，形象展现了由几何常变体系到几何不变体系的过渡，同时还发动学生分组组装出瞬变体系和教材中例题对应的结构模型，引起学生极大的兴趣；又如，讲解影响线中的机动法时，很多同学想象不出机构的虚位移图，我们也制作出与例题相对应的杆系机构，直观展示出其弯矩、支反力等所对应的虚位移形式，使学生对虚位移有了感性的认识；另外，在结构动力学部分，我们还制作出各种单自由度体系、两自由度体系的模型，课堂展示质量、刚度(主要为材料和杆件长度)对自振频率、周期的影响、鞭梢效应的现象及动力吸振器等概念。通过开展课堂的小实验，形象展示这些结构力学中的重点和难点，加深了学生对理论知识的理解和把握，同时锻炼了学生的动手操作能力，有效弥补了理论讲授的不足，提高了课堂教学趣味性。

3 以“结构设计大赛”为切入点，培养学生工程实践能力和创新协作精神

“结构设计大赛”自1994年被清华大学土木系开创以来，经多年发展其足迹已遍及全国，成为大土木类专业学生工程实践的平台，是培养大学生创新意识、团队协同精神和工程实践能力等综合素质的不可多得的途径。大赛分全国性和地方性两个层次，赛题包含桥、拱、塔、空间结构、公建、古建等多种结构类型，涉及方案比选、体系优化、结构建模、分析计算、模型制作等多方面知识，检验学生对土木工程结构知识的综合运用能力，极富创新性和挑战性。

我院从2010年开始已连续参加了九届“北京市大学生结构设计竞赛”，比赛分为选拔赛、晋级赛、校内决赛和北京市决赛，在土木工程学院有着较高的影响力和知名度，也取得了优异的成绩，今年还初次参与了全国结构设计大赛。通过参与比赛项目，学生充分发挥想象力，积极开拓思维，努力查找资料，认真分析比对各种设计方案，进一步熟悉了梁、拱、组合结构、空间结构等各种体系的优缺点，理解了各类荷载作用下各自的受力性能，了解了材料、截面等条件对结构受力的影响，模型制作与实际工程施工的关系等抽象的理论知识，拓宽了专业视野，真正提高了专业实践能力，培养了学生创新和协作精神。目前，结构设计大赛已成为结构课程实践教学体系中必不可少的一个环节。

实践是理论的源泉。实践教学要依据多元化个性化的教学理念来全方位培养学生的实践创新能力。我院结构力学课题组以开展分层次的课内外实验教学及课堂小实验为基础，结构设计大赛为提高，形成了我院土木工程类专业的结构力学实践教学体系，使之与理论授课相结合，提升了课程的教学效果。