以結(jié)構(gòu)模型設(shè)計促結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)改革0001

1、以結(jié)構(gòu)模型設(shè)計促結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)改革【基金項目】2016年校級教育教學(xué)研究與改革項目以結(jié)構(gòu)競賽促進結(jié)構(gòu)力學(xué)課程教學(xué)改革 ”（JG*）。一、前言全國大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽由高等學(xué)校土木工程學(xué)科專業(yè)指 導(dǎo)委員會與中國土木工程協(xié)會聯(lián)合主辦，各個高校輪流承辦，目的在于培養(yǎng)土木工程專業(yè)學(xué)生的實踐能力、創(chuàng)新意識和合作精神。在此背景下，我院也自主舉辦了三屆結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽，得到了校的高度重視和相關(guān)專業(yè)師生的廣泛關(guān)注和積極參與。在競賽舉辦的同時，結(jié)構(gòu)力學(xué)本科教學(xué)改革也開始了嘗試和探索，希望通過結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽中的結(jié)構(gòu)模型給予結(jié)構(gòu)力學(xué)本科教學(xué)改革啟示，促進該學(xué)科更好地發(fā)展。二、目前結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)之不足（一）教學(xué)現(xiàn)狀結(jié)構(gòu)力學(xué)的研究

2、對象主要是桿系結(jié)構(gòu)， 其具體任務(wù)是研究結(jié) 構(gòu)在何等因素作用下的內(nèi)力、位移、穩(wěn)定計算以及組成規(guī)則等。結(jié)構(gòu)力學(xué)是一門技術(shù)基礎(chǔ)課， 它一方面要用到數(shù)學(xué)、 理論力學(xué)和 材料力學(xué)等課程的知識，另一方面又為學(xué)習(xí)建筑結(jié)構(gòu)、橋梁、隧 道等專業(yè)課程提供了必要的基本理論和計算方法。目前的結(jié)構(gòu)力學(xué)課程教學(xué)狀況如何呢？是理論講解抽象枯燥還是計算模型的確定難以用言語表達？這些都是眼前結(jié)構(gòu)力學(xué)課程難以解決的 教學(xué)問題。因此，不少教師提出試圖將結(jié)構(gòu)模型融入到結(jié)構(gòu)力學(xué) 課程教學(xué)當(dāng)中，這種想法無疑是好的。眾所周知，土木工程課程體系內(nèi)開設(shè)的力學(xué)課程分為理論力 學(xué)、材料力學(xué)以及結(jié)構(gòu)力學(xué)， 前兩門力學(xué)課程均為結(jié)構(gòu)力學(xué)課程 做鋪墊。在

3、這三門課程中，沒有任何一門課程具有相應(yīng)的模型教 具，而力學(xué)課程抽象的理論恰恰需要這些結(jié)構(gòu)模型的引入作為其 中一種形象的教學(xué)手段來引導(dǎo)啟發(fā)并解決學(xué)生在習(xí)過程中的 疑惑?，F(xiàn)階段教學(xué)中仍然以教師為主體地位進行課堂講授，學(xué)生被動接受知識，沒有體現(xiàn)以學(xué)生為主體、教師為主導(dǎo)的先進教學(xué) 理念。（二）常見問題在力學(xué)結(jié)構(gòu)的幾何構(gòu)造分析中， 教材中介紹了兩種方法：平 面幾何不變體系的組成規(guī)則和平面桿件體系的計算自由度。這兩種方法都能判定結(jié)構(gòu)體系的組成情況， 計算自由度法更容易被學(xué) 生接受。但是，對于瞬變體系，往往結(jié)構(gòu)自由度計算出結(jié)構(gòu)屬于 幾何不變體系，在實際工程中，該體系在受荷前后的變形情況卻 大不相同，并對結(jié)構(gòu)

4、承載能力造成很大的影響。如果利用結(jié)構(gòu)模型將其實際受荷狀態(tài)進行模擬， 不難發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)在受荷后會由可變 結(jié)構(gòu)變成不變結(jié)構(gòu)。若沒有結(jié)構(gòu)模型的模擬，學(xué)生憑空想象，很 難將這一特殊體系牢記于心。 為了尋找橋梁上行駛的火車和汽車在運動過程中，橋梁某個內(nèi)力達到最大值的荷載位置，結(jié)構(gòu)力學(xué)中引入了影響線進行求解。 但在講授過程中，彎矩圖已在工程力 學(xué)課程學(xué)習(xí)，并在學(xué)生內(nèi)心深處穩(wěn)穩(wěn)扎根， 他們往往會將影響線 繪制成彎矩圖。造成這樣的原因，一方面是對影響線的定義理解 不透徹，另一方面是過于抽象的理論無法深入人心。再者，在對結(jié)構(gòu)進行簡化計算中會出現(xiàn)不同類型的節(jié)點，各個節(jié)點有各自的特點。例如剛節(jié)點、較節(jié)點、組合節(jié)點，對于

5、這 三種節(jié)點，其限制的約束力情況課本均已給出準(zhǔn)確無誤的結(jié)果， 遺憾的是并沒有告訴我們其確定原則或依據(jù)，導(dǎo)致學(xué)生在后續(xù)的課程或?qū)嵺`中無法準(zhǔn)確確定某個實際結(jié)構(gòu)的節(jié)點計算簡圖。那么實際工程中這些節(jié)點構(gòu)造情況是如何的呢？鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)節(jié)點每一個看似相同，但在計算簡圖上的確定大相徑庭。 假若通過 自己動手制作搭接某一節(jié)點，或許這些看似外觀一樣但約束情況 不同的節(jié)點會讓學(xué)生有更好的理解和掌握運用。綜上所述，結(jié)構(gòu)力學(xué)課程目前存在的兩個主要問題為：理論內(nèi)容的抽象講解容易產(chǎn)生誤區(qū)；計算模型的確定沒有相應(yīng)的依據(jù) PJ O三、結(jié)構(gòu)模型設(shè)計對結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)改革的啟發(fā)為了解決上述問題，本文根據(jù)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)內(nèi)容， 提出

6、 制作結(jié)構(gòu)模型作為結(jié)構(gòu)力學(xué)課程輔助教學(xué)環(huán)節(jié)的設(shè)想。 它彌補了 結(jié)構(gòu)力學(xué)理論內(nèi)容的抽象空洞， 同時也為學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中架起 了計算簡圖”通向 實際結(jié)構(gòu)”的橋梁，為其課外科研活動和拓展 性學(xué)習(xí)奠定了基礎(chǔ)，培養(yǎng)了其最為缺失的創(chuàng)新意識。 這一設(shè)想的 提出，是對現(xiàn)階段結(jié)構(gòu)力學(xué)課程教學(xué)的補充，也是一項創(chuàng)新。（一）實施方法在教學(xué)過程中，我們應(yīng)該堅持以學(xué)生為主體、 教師為主導(dǎo)的 教學(xué)理念。經(jīng)過反復(fù)調(diào)研與意見征詢，將在結(jié)構(gòu)力學(xué)教與學(xué)過程 中增設(shè)模型制作環(huán)節(jié)。結(jié)合各章節(jié)結(jié)構(gòu)力學(xué)內(nèi)容的特點， 選擇較 為簡單又具有代表性的模型結(jié)構(gòu)。讓學(xué)生自由組合，4或5人一組，自主設(shè)計制作加載模型。具體來說，在進行結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)過 程

7、中融入結(jié)構(gòu)模型設(shè)計環(huán)節(jié)，步驟如下。1 .理論學(xué)習(xí)。講解課程教學(xué)內(nèi)容，重點講解結(jié)構(gòu)受力特點及 組成形式。將多種組成形式的結(jié)構(gòu)進行對比分析，進行歸納總結(jié)。2 .制作模型。在各章節(jié)學(xué)習(xí)結(jié)束后，讓學(xué)生自由組合學(xué)習(xí)討 論，自行繪制相應(yīng)的結(jié)構(gòu)簡圖，掌握模型制作要領(lǐng)，利用課外時 間完成模型的分析與制作。3 .成果匯報。各小組在課堂上利用多媒體闡述模型方案及構(gòu) 思，講解各組結(jié)構(gòu)特點及制作技巧，展示模型及分析結(jié)構(gòu)。4 .模型加載實驗。學(xué)生在實驗室進行模型加載測試。5 .o各組將模型實驗結(jié)果進行再次匯報，總結(jié)結(jié)構(gòu)模型實驗 的得失，并與原構(gòu)思分析進行對比。6.撰寫報告。將整個結(jié)構(gòu)模型從構(gòu)思到模型制作再到加載結(jié)束進行

8、總結(jié)，分析利弊，從而掌握結(jié)構(gòu)的受荷特點。（二）可行性分析1 .模型結(jié)構(gòu)形式簡單。結(jié)構(gòu)模型是由桿件組成的力學(xué)結(jié)構(gòu)體 系，而不是實物模型。它與實際工程模型相比形式簡單，制作方 便，傳力直接。這些都符合本科學(xué)生的學(xué)習(xí)水平，對后期的學(xué)習(xí) 有較大幫助。2 .耗材成本較低，易于購買。結(jié)構(gòu)模型的制作可以采用木條或者白卡紙，根據(jù)實際結(jié)構(gòu)模型按一定的比例進行縮小制作，制作工期較短，場地所需較小。3 .安全性好，方便教學(xué)。由于結(jié)構(gòu)模型使用的材料均為白卡 紙、木質(zhì)材料、剪刀和膠水等簡易工具制作模型， 操作簡單安全， 無需教師監(jiān)督管理，適合小組團體進行。4 .符合寬口進、應(yīng)用型人才培養(yǎng)結(jié)構(gòu)力學(xué)課程引入結(jié)構(gòu) 模型設(shè)計，提高了學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力，培養(yǎng)了團結(jié)協(xié)作精神，并 通過課堂提高了口頭表達能力， 在增加學(xué)生的工程實踐經(jīng)驗和提 高創(chuàng)新能力的同時，滿足了當(dāng)前土木工程專業(yè)對應(yīng)用型人才的培 養(yǎng)要求。四、結(jié)語總之，在結(jié)構(gòu)力學(xué)課程教學(xué)中加入結(jié)構(gòu)模型的設(shè)計會對本課 程起到一定的促進作用，讓學(xué)生在學(xué)中做，做中學(xué)，提高學(xué)生的 實踐能力。因此，