以实际工程项目为背景的结构力学教学改革研究

刘勇兵,洪一红

(衢州学院建筑工程学院,浙江 衢州 324000)



以实际工程项目为背景的结构力学教学改革研究

刘勇兵,洪一红

(衢州学院建筑工程学院,浙江 衢州 324000)

为适应应用型本科院校的办学特色,着力培养一批能从事设计、施工、管理和研究等相关工作的高级工程应用型技术人才,特以实际工程项目为背景,以实际结构中的力学知识拆解分析为导向,从启发式教学法、案例教学法、计算机软件和传统教学相结合、自学讨论和课外实践研究活动四个方面开展了结构力学课程教学和考核方式的改革研究,并取得了良好的教学改革效果。

结构力学；实际工程项目；教学改革

“卓越工程师教育培养计划”是贯彻落实“国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010—2020年)”和“国家中长期人才发展规划纲要(2010—2020年)”及今后10年内的中国工科院校高等教育重大改革项目[1-2]。土木工程专业着重培养掌握各类土木工程学科的基本理论和基本专业知识,能够在房屋建筑、地下工程、道路、隧道、桥梁工程、水电站、港口及近海结构与设施、给水排水和地基处理等领域，从事规划、设计、施工、管理和研究等相关工作的高级工程技术人才。

结构力学是土木工程专业的一门主要学科基础课程,为固体力学的一个分支[3]。首先，它基于高等数学、理论力学、材料力学等课程之上;其次,它又为解决钢筋混凝土结构、砌体结构、钢结构等专业类课程的设计计算提供强有力的保障,于是它在整个土木工程专业课程体系中处于承上启下的桥梁作用。它主要解决实际工程结构的受力分析与杆件的内力计算,以及进行工程结构的优化设计与计算等问题。

1 结构力学教学改革的紧迫性

结构力学不仅是一门历史悠久的学科,更是一门发展非常迅速、应用前景更加广阔的学科。以前,由于计算机应用以及有限元分析软件等方面的限制,一些设计比较复杂的工程由于技术问题而不能成为现实,常把实际工程结构设计成比较规整,这样可以大大简化结构计算,同时便于更好地应用结构力学的方法进行手算的定量分析。因此,结构力学的教学更多注重求解方法和技巧方面。近年来，随着新型工程材料和新施工工艺等的大量涌现,对结构力学提出新的更高要求,同时，也提供了新的研究内容。随着工程结构越加复杂和计算机的普及,以及基于矩阵位移法建立的有限元软件的快速发展,为结构力学提供了强有力的分析工具,使得借助计算机进行结构的定性分析与定量计算成为不可或缺的一部分。传统的力学计算模型都是已经简化假定好的,而学生在真正做到实际工程项目时就不知道该怎么处理。从多年指导毕业设计的情况来看,学生在做建筑施工图时都能奇思妙想且做得还不错,而真正到计算就不知怎么办,基本上一两周原地不动,无从下手。可见学生在学习过程中只会考试,而实际应用很是欠缺。在实际工程项目中应大力提倡注重结构的概念设计,一个好的结构设计师,不是体现在他计算得有多精确,而是关键看能否更好地注重结构的空间整体受力把握能力及判断破坏的可能性等方面的能力。另外,结构力学也推动了其他学科的迅速发展,有限元方法的出现和发展就与其有着密切联系[4]。本着适应卓越工程师培养的迫切需求,应在传统的结构力学教学基础上进行必要的且必须的改革。

2 结构力学教学方法的改革

土木工程专业的学生在其他专业课程的学习、毕业设计乃至参加工作后, 都会经常用到结构力学的基本理论和分析方法, 学生应当掌握本课程的基本概念、基本算法、基本技巧。结构力学的教学改革应以充分激发学生的学习兴趣为基础,以工程实践为背景,以工程思维与创新实践能力培养为目标。在改革传统的教学方法上将主要从以下几方面进行。

2.1 启发式教学法

首先在上课前提出问题。如学生已经会计算单跨静定梁的反力和内力,那么如何计算多跨静定梁的反力和内力呢？让学生去思考,学生就会想到如果能把多跨静定梁分划为单跨静定梁,那么问题就解决了。接着再问如何把多跨静定梁分划为单跨静定梁？学生又需要应用到几何组成规则进行几何分析。利用启发式教学方法能引导学生积极思考,学生在面对问题时不得不充分查阅各方面的相关资料,这就进一步强化了学生的自主学习能力。

2.2 以工程实例为背景的案例教学法

在教学过程中以工程项目为背景,将实际工程结构中的力学知识进行分析,激发学生学习兴趣,培养学生学以致用的本领。如以石板凳(图1)(还有下水道搁板、空心楼板等)为例讲解简支梁的计算简图及其在自重(均布荷载)下的受力分析；以学生活动中心连廊(图2)为基础,引入超静定概念,分析多跨超静定梁的计算简图及受力情况；以凉亭(图3)为基础,讲述超静定刚架的计算简图选取及受力分析等简单的框架结构概念。

图1 石板凳及自重作用下的计算简图

图2 学生活动中心连廊及计算简图

图3 凉亭及计算简图

提出实际工程项目中所涉及到的所有力学问题,引导学生进行相关问题分析,如杆件、结点、荷载的具体简化及计算简图选取的重要性,并进行不同计算模型的对比取舍。同样，在进行桁架教学中引入屋架(或大跨度桥梁等)的概念,分析屋架(或大跨度桥梁等)的连接方式和简化过程,最后得到理想的计算简图,同时可以借助动画展示结构的拼装连接过程,并进一步巩固了结构的几何组成分析过程。借助实际工程进行案例教学,进一步提高学生的感观和识图读图能力。通过案例教学呈现典型工程实例,利用课外时间进行实践教学活动,让学生参观学校的实际工程,然后将工程实例简化为力学模型加以计算,以此锻炼学生的理论知识综合应用能力和创新能力。

2.3 传统教学与电算并举

“力学求解器”是一款非常优秀的辅助分析计算软件,为清华大学结构力学教研室研制开发,其求解内容囊括了本课程中所涉及的诸多问题。在教学过程中可以随时传授给学生“力学求解器”的使用方法,再以自己学校的工程为基础,建立相应的计算模型进行相关的力学计算和变形分析。学生在今后的毕业设计过程中及结构模型设计竞赛的计算中和将来的建筑结构设计岗位中，均可借助“力学求解器”进行相关力学问题的应用分析比较,从而进一步拉近了力学与工程实际应用的距离。

2.4 自学讨论和开展结构竞赛实践活动

对于非重要和学生易掌握的知识点等章节内容,可设定让学生通过阅读教材、独立完成相关知识点的习题来满足大纲规定的内容。其效果可以通过提问、设置一些小题考核等方式予以检验。上课过程中,各种方法交叉使用,上述方法适用于所有参加本课程学习的同学,使学生受益。利用课余时间组织学生参加与本课程密切相关的力学竞赛和科学研究活动,组织校级结构模型设计竞赛和组织参加相关省级结构模型设计大赛。通过历年的实践活动锻炼,并在本课程组有关教师的指导下,学生在这些竞赛中表现出较为出色的结构分析和设计能力。

3 结构力学考试方式的改变

转变传统的考试观念,建立灵活多样、科学合理的课程考核评价体系,充分发挥考试在素质教育中的质量监控作用。结构力学课程考试根据其特点进行考试方式方法改革,结合企业对从业人员的能力要求,从班级中选出部分学生在期末考试之前采取每人一题的方式设置各种不同的工程项目进行考核。可从两方面进行尝试：1)随机抽取1～2个实际工程案例(从梁、刚架、拱、桁架、组合结构五种结构类型中任意选择),要求学生进行计算简图的选取、力学模型的简化和受力的定性分析,综合考查学生对基本知识的实际应用能力。2)将结构模型设计竞赛纳入结构力学成绩的一部分。课程最终成绩结合平时作业、课堂表现、期中测试、模型创新设计或实际工程案例力学分析和期末考试成绩进行综合评定。

经过多年的教学实践,不断更新教学理念,探讨与实践知识传授—能力培养—工程意识—启发创新相融合的教学新模式,形成一套完整的课程体系。通过教学改革,在教学过程中注意与专业课和工程实际的联系,注重培养学生的工程意识。

4 结 语

通过以上教学方法的改革和考核方式的改变,本着力求使学生弄清基本概念,掌握基本内容,使学生完成理论力学、材料力学到结构力学的过渡,弄清单个构件到多个构件结构联系,并在此基础上对超静定结构的内力、应力、变形计算分析方法有一个完整的认知。特别是加强引入实际工程项目的分析,使学生了解梁、刚架、拱、桁架及组合结构的静定与超静定的受力特点,掌握其杆件、结点、荷载的计算简化和计算方法,为学习后续专业课程、工程结构设计和项目研究等奠定坚实基础。通过借助实践工程项目的结构力学教学, 逐渐培养了学生的计算能力(手算、机算、脑算)、创新能力(结构型式创新、计算方法创新)及善于综合运用结构力学去分析、解决实际工程问题的能力,并取得了良好的教学改革效果。

[1] 林健. “卓越工程师教育培养计划”通用标准诠释[J]. 高等工程教育研究,2014(1):12-23．

[2] 周臻,陆金钰,尹凌峰. 面向卓越土木工程师培养的结构力学教学改革与实践[J]. 高等建筑教育,2012(4):74-77．

[3] 李国华,罗健,董军. 结构力学教学方法研究[J]. 高等建筑教育,2012(1):81-83．

[4] 李荣轶,杨磊. 浅谈结构力学在结构设计中的体现[J]. 山西建筑,2010(8):92-93．

Study on the Reformations of Structural Mechanics Teaching Which Takes the Actual Project as the Background

LIUYongbing,HONGYihong

2016-09-21

衢州学院校级课改项目“《结构力学》基于卓越工程师培养的教学改革”(KG201203);衢州市科技局项目“龙游艾公洞古洞室及其所在边坡的加固保护研究”(2015Y011);2016年浙江省课堂教学改革项目“基于培养实践工程能力的工程力学Ⅱ教学改革”。

刘勇兵(1978—)，男,江西新余人，讲师,从事结构设计和教学工作。

TU311

B

1008-3707(2016)12-0047-03