加强土建类力学课程实践教学

王辉明 赵文

［摘要］为适应21世纪高等教育与工程建设的需要，土建类力学课程教学改革应围绕教学内容、教学方法及教学手段下工夫，充分利用现代先进技术和手段，加强实践性教学环节，注重实验教学和学生动手能力、创新能力的培养，使之在培养具有现代工程素质的工程师方面发挥更大的作用。

［关键词］力学教学实验教学教学改革

［中图分类号］G642［文献标识码］A［文章编号］2095-3437（2014）10-0044-03一、引言

理论力学、材料力学、结构力学等力学课程是高等院校土建类专业的专业核心基础课,对这些课程力学知识的了解和掌握透彻与否，直接关系到后续专业课程的学习和解决工程实际问题的能力。多年来，土建类力学课程的教学内容以经典的力学理论和传统的实验方法为主，课程的一些内容已滞后于现代科学和工程技术的发展，在教学方法上虽然引入了多媒体教学，通过直观形象的图像、动画等来加强学生对概念、公式的理解，通过工程实例的图片加深对一些工程实际应用的感性认识，但仍存在互动性不足、知识面狭窄、缺乏新颖性等许多问题，主要体现在以下几方面。

（一） 理论联系实际不够紧密

现在的学生工程知识较为贫乏，在力学课程教学和实践中若不进行这方面的补充训练，很容易将工程背景较强的力学课程教学偏向纯理论性的推导和计算,而忽视了实践内容，结果是部分学生甚至看不懂习题中简图的工作原理，理论与实际有较严重的脱节。同时当前力学教材中选编的例题和习题，大多缺乏工程色彩，很难使学生得到对实际的工程问题经过抽象、简化从而建立力学模型的训练。

（二） 实验教学内容陈旧，不能反映现代科技的发展

目前力学实验主要为验证性实验，学生只能按部就班地完成既定的实验内容，限制了学生学习能动性的发挥，束缚了学生的创新意识和创新能力。力学实验不仅具有传授力学知识、为验证力学理论服务的作用, 同时肩负着全面培养学生掌握科学实验的基本技能、基本方法和独立进行实验以解决工程实际问题能力的责任，在培养学生的工程能力和科学素质方面具有重要的作用。

（三）实践内容和方法陈旧单一

未能充分利用各种现代先进技术和手段，例如在教学内容和习题训练中大多没有引入利用计算机和现代专业工具求解的内容, 削弱了对学生借助现代先进技术解决实际问题手段和能力的培养；在课程设计和毕业设计中，多数仍然采用传统的手算方式，即使应用了像PKPM之类的专业工具，也由于缺乏对其内在力学原理和方法较深入的理解和掌握，使学生知其然，而不知其所以然，不能有效地培养学生的创新思维与实践动手能力。

当前，高校土建类专业建设必须适应培养具有现代工程素质的创新人才的需要，因此对其力学课程教学改革更要充分利用和发挥现代先进技术和手段，培养学生的学习能力、实践能力和创新能力，最大限度地提高学生的综合素质。

二、充分利用现代先进技术和手段，加强力学课程实践教学

（一） 应用MATLAB/MAPLE现代数学工具，提高学生动手实践能力

在力学课程教学和实践中，尝试引入一些新内容、新方法，使学生了解如何用计算机建立问题的力学模型以及如何用计算机求解问题，改变和淡化传统课程体系中对技巧性解题方法的过分强调，培养学生的现代工程素质，使学生在学习过程中同时加强动手实践能力。

MATLAB/MAPLE软件是当前广泛使用的现代数学工具，提供了丰富强大的微积分、线性代数、矩阵运算、数据处理、图形绘制和图像处理功能，命令表达式与标准教科书中的数学表达式相近，使用界面友好，易学易用，只需听几小时课，上机练几小时，就可以入门，以后自学也十分方便，对学生而言，是一个真正的集成化的计算工具环境。在理论力学教学中，借助MATLAB/MAPLE的强大功能，可以大大丰富多媒体教学的手段，理论力学涉及大量的受力分析图、运动分析图，常规教学中画这些图需要占用大量课堂时间，并且画的图也很不规范，特别是涉及复杂运动，绝对运动分解为牵连运动和相对运动时，要表明运动轨迹之间、速度之间的关系，常规教学方法不易表达清楚,利用MATLAB/MAPLE的图片、动画演示功能, 可以将许多机械运动——如牛头刨床、荡木机构、摇杆运动、曲柄滑块、车床车削、弹簧系统等运动形式做成生动的课件，使学生对运动的特点有形象、生动、直观的了解，有利于学生学习和掌握。在材料力学、结构力学教学实践中，构件任意横截面上的内力计算以及构件的内力图（剪力图、弯矩图等）绘制是学生必须熟练掌握的基本功之一，利用MATLAB/MAPLE的符号计算功能，可以直观地列出任意横截面上的剪力方程、弯矩方程，并据此利用绘图功能方便地绘制相应的内力图。力学的传统教学是通过做习题方式来培养学生的计算能力的，在课堂教学和习题训练中应用MATLAB/MAPLE，使学生可以直观地学习到，如何以理论公式为基础对问题进行分析求解，其分析思考过程与传统教学方式是一致的，但是将纸和笔换成了计算机和专业工具软件，这样不仅强化了传统教学模式着力培养的分析推理能力，同时激发了学生采用新方法、新手段解决工程问题的学习积极性，是集问题力学建模、分析和计算于一体的综合训练，是一种面向能力培养的教学模式。

当然将MATLAB/MAPLE现代数学工具应用于土建类力学课程教学和实践的课时数毕竟是极其有限的，只能起到引导学生入门的作用，但这对培养学生如何把实际问题表示成计算机能处理的力学模型是有积极的推动作用的，同时也能更加激发学生的学习兴趣，学生从中学到的不仅仅是会用MATLAB/MAPLE数学工具画图、公式求解和做数值计算，他们真正学到的是如何运用这些现代化的先进手段去学习掌握知识和研究解决实际问题，而具备这种能力才符合全面素质教育的要求，符合知识经济时代的需要。

（二）利用计算机辅助工程（CAE）手段，拓展学生现代工程知识

计算机辅助工程（CAE）是随着计算机技术的迅速发展而兴起的信息与工程技术，借助计算机和相关的专业软件，科技工作者、工程技术人员可以完成以前很难通过手工计算实现的重大工程和工业产品的分析计算、模拟仿真与优化设计等过程，是辅助人类进行创新研究、创新设计的重要手段，在科学研究、工程建设和学习教育方面有着广泛的应用前景。当前，象ANSYS、ABAQUS、LS-DYNA、SAP等CAE软件在高等院校和工程界都使用的相当普遍，已成为人们解决各类问题必不可少的辅助工具。

力学的各门课程因其教学内容和体系结构不同，宜采用相应的CAE工具加强其实践教学环节，例如对于材料力学、结构力学，由于它们是实践性比较强的课程，在教学手段上更要积极引入计算机辅助教学、计算机仿真模拟。在这方面，ANSYS软件是一个不错的选择。目前该软件在土木工程、机械制造、航空航天、交通运输、石油化工、能源及医学等领域得到了广泛的应用，许多高等院校将ANSYS作为本科生和研究生教学的一项重要内容。利用ANSYS软件的优势，将力学课程的教学内容与ANSYS软件的数值仿真技术结合起来，能有效地提高学生的学习积极性和分析创新能力。材料力学、结构力学课程的主要任务是研究杆件、杆系结构在外力作用下的受力变形和破坏规律，强度、刚度、稳定性条件的表达形式，从而为合理确定杆件的材料和截面提供必要的理论基础和计算方法。在学习材料力学、结构力学时，学生对工程结构及其构件尚缺乏必要的了解，对杆件受到的约束、荷载以及简化过程没有感性认识，对杆件的各种变形、结构的振动和屈曲很难想象。通过ANSYS软件建模功能和直观形象的图形显示，能真实地模拟出各种实际工程结构，能够直观地显示梁弯曲中心的位置，精确计算出梁的截面特性，如截面惯性矩、极惯性矩、扭转刚度等，给出截面的形心、剪心位置，可直观地展示实际构件的受力与约束情况以及建模过程，同时形象地演示结构变形、结构振动和屈曲的过程。总之，利用ANSYS强大的数值分析以及逼真的图形显示功能，将其与材料力学、结构力学的课堂教学和课程实践结合起来，使得学生更易于理解和掌握该课程的基本概念，提高空间想象能力、形象思维能力，从而有效地解决学习过程中的一些疑难问题，可以有效地激发学生的学习兴趣，使学生理论联系实际，拓宽知识面，熟悉工程应用背景，增强学生的工程观念，为工程结构分析和设计打下较为坚实的基础。

（三）加强实验教学改革，培养学生工程能力和创新意识

实验教学是高等院校工科专业整个教学内容中极其重要的组成部分，对于巩固学生的理论知识，培养学生的动手操作能力，提高学生观察问题、分析问题的能力，养成独立思考、科学谨慎的作风，增强学生的工程意识都具有十分重要的意义。

力学实验教学改革应以培养学生的探究能力和创新能力为目标，对传统内容进行精选，建立实验教学内容的新体系。在实验教学改革中，综合性、工程设计性和前沿性教学实验是改革的重点，综合性实验是基础实验的补充和延续，实验内容涉及面广，综合性、思考性强， 可以培养学生综合运用基础知识的能力，具有承前启后的作用。工程设计性实验是从工程中简化而来的实验问题，有利于加强学生的工程意识，锻炼学生用实验手段解决工程问题的能力， 是培养学生创新精神的重要途径，对于提高学生的社会适应性也非常重要。前沿性教学实验是指引入新的材料、结构形式、实验技术的力学实验，是面向少数优秀学生和在实验方面具有潜能和兴趣的学生，目的是为了开阔眼界，培养学生应用高新技术发挥创造性的能力。近年来，借助计算机辅助工程技术、虚拟仪器开发技术（如LabVIEW软件等）和多媒体技术，设计各力学课程仿真试验系统是提高力学实验教学层次和教学质量的有效途径之一。在试验教学手段中将计算机技术与仪器设备有机结合，构成虚拟实验室，学生可以随时在计算机上选择实验内容、设计实验框架、模拟实验场景等，计算机虚拟实验、网络虚拟现实以及虚拟仪器技术不是取代传统实验的操作和过程，而是拓展实验教学形式，丰富实验教学内容。通过仿真模拟实验,可以让学生更多地学习了解在一次实验课中无法反复观察和实验的内容，提升教学效果。由于基于计算机的模拟实验，实验设备和仪器具有不可破坏性，因此学生的实验不再都是教师操作的复制，而是自己动手、动脑去解决一些与生活、工程密切相关的实际问题，让学生主动去探索、试验解决问题的方法，获取更多的知识，培养他们的应用能力和创新能力，使力学实验教学更加符合工程素质教育的要求。

三、结语

为了适应21世纪高等教育与工程建设需要，培养理论基础扎实、实践能力和创新能力强的高素质人才，土建类力学课程的教学改革应围绕教学内容、教学方法及教学手段下功夫，充分利用和发挥现代先进技术，加强实践性教学环节，使之在培养具有现代工程素质的工程师方面发挥更大的作用。

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［责任编辑：碧瑶］