基于趣味性和概念性的结构力学教学改革

李效民

摘要：本文根据教学实践及结构力学课程的特点，对结构力学趣味性和结构力学概念性培养的必要性进行了论述，对趣味性和概念性的实现方法进行了探讨，为激发学生学习兴趣和探索精神，培养结构力学概念提出了相关的意见和建议，以期为提高结构力学的教学艺术和教学效果提供一定的参考。

关键词：结构力学；趣味性；概念性

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）05-0124-02

结构力学是土木工程、机械工程、水利工程专业及工程管理、环境工程等相关专业的一门相当重要专业基础课，是进入专业课程学习前的一门核心课程。学习结构力学的主要任务和目标是在对平面杆系结构分析计算涉及的基本概念、基本原理和基本方法掌握的基础上，了解连续梁、刚架、桁架等各类静定和超静定结构的受力特性，培养学生在结构建模、分析和计算等方面的能力，从而为合理设计工程结构打下坚实基础。当前《结构力学》教材版本众多，相较于很多课程教材具有内容全面深入、涉及计算方法众多、叙述逻辑严谨且层次分明的要求与特点。然而也正是由于这些要求及特点，一方面学习结构力学，学生普遍存在畏难心理，另一方面长期以定量计算为主的教学模式，造成相当一部分学生过度关注计算过程和计算结果，而对于计算结果正确与否却无从判断。本文基于教学实践及结构力学课程本身的特点，从结构力学趣味性学习和概念性培养两方面对传统结构力学教学模式提出一点改进建议。

一、结构力学趣味性的培养

1.结构力学趣味性培养的必要性。一门课程的学习，如果不能激发学生的学习兴趣，那么即使该课程再重要，也很难取得良好的教学效果，教学目标亦很难实现。那么，结构力学到底有没有趣味？我的答案是有趣，而且相当有趣。结构力学的趣味性来源于很多方面，既有其研究对象的多样性，包括连续梁、刚架、拱、桁架及组合结构等，又有研究内容的系统性，还在于其研究方法的逻辑缜密性、解题方法和思路的灵活和多样性。学好结构力学课程，既能积累必要的知识，又能启发心智、锻炼思维，开拓视野、提高能力，为今后的学习乃至工作打下良好基础。因此，要想取得上述效果，一个重要的问题就是教师“怎样教”和学生“如何学”。一门有趣的课程，不见得人人都觉得有趣，学生如此，教师未必不如此。其中教师是主导方面，因此在教学过程中有意识地对结构力学趣味性加以论述和使用是很有必要的，主动去调动学生的学习结构力学的兴趣。

2.如何培养结构力学趣味性。要培养学生学习兴趣，讲好绪论很关键。一般来说，学生对于一门新课程的学习最初是抱有很大好奇心的，学习热情也比较高，因此很想知道结构力学这门课程主要研究对象是什么，主要的研究内容和研究方法有哪些，通过学习结构力学最终能解决什么问题，这些疑问在第一章绪论中都应该有很好的初步解答。也就是说讲好绪论部分是至关重要的，决不能认为本章由于没有实质性的内容，一带而过，必须将绪论部分的讲解提升到很高的高度，让学生对结构力学有着很好的第一印象。

学生对学习结构力学的热情和好奇心若是在整个学习过程中有很好的保持，学习就会取得事半功倍的效果，因此作为结构力学老师应该能够善于调动并激发这种情绪。讲解中可以首先从追溯结构力学发展起源及发展历程开讲，将结构力学在日常生活常识和大量标志性建筑物中的应用进行论述，使学生明白结构力学理论源于实践又用于指导实践，结构力学在工程结构设计中发挥着最重要的理论指导作用，是极其有用和有趣的一门课程。还有一点很重要，就是在教学过程中通过各种例题和结构的讲解让学生懂得，在看似枯燥乏味的公式和原理背后实际上结构力学之美无处不在。包括结构力学的中结构的对称性、方法的简洁性、原理中存在的对偶性等，作为教师要能够把这种趣味性讲解出来，让学生发现结构力学之美，激发学生学习结构力学的兴趣。

3.结构力学趣味性举例。几何组成分析是结构力学中首先要讲解的内容也是其中一个很重要的章节，其应用贯穿于后面所有分析之中。要让学生明白实际工程是通过将一根一根杆件或者部件“组装”起来的过程，通过一根根杆件组装成小的刚片，然后再将多个刚片组装成更大的刚片或者结构。而结构力学内力的求解過程则是与其组装过程完全相反的一个过程，也就是一种逆求解，是一种“拆分”的过程，从整体到各个部分这一拆一装的过程就表现出非常完美的对偶性。一个最直接和简单的例子就是采用节点法对于桁架结构的求解中，其求解过程就是按照在几何组成分析中的二元体组成规律的反顺序进行求解。再比如对于连续多跨梁的几何组成分析是先固定基本部分然后再固定附属部分的一个过程，同样在其内力的计算分析中则是从附属部分到基本部分的组成分析逆顺序的逐步“拆分”的一个过程。

力法和位移法是求解超静定结构的两种最基本的方法，是结构力学学习的难点和重点，亦是考试必考内容，学生普遍反映分析思路和计算步骤相当繁琐，很难掌握。因此在教学过程中可以从两种方法在基本原理、基本未知量、基本结构、基本体系、基本方程及应用范围等方面进行对比，让学生明白两种方法存在的这种对偶性，了解虽然这两种方法外在表现差异巨大，基本思想却存在一致性，要求解超静定结构先取一个基本体系，然后让基本体系在受力方面和变形方面与原结构完全一样，即都是先将所要求解的超静定结构修改为已能够求解的静定结构或者单根杆件体系然后再将其恢复到原结构体系，也就是受力或变形要保持一致。

二、结构力学概念性的培养

1.结构力学概念性培养的必要性。传统的经典结构力学让我们相信，只要采用的基本计算原理准确，计算步骤和方法正确，那么计算结构将必然是正确的，也就是说任务由于所计算的结构体系是唯一确定的，那么计算结构也必然是唯一的，不存在多个结果的可能性，因此就对计算结果的正确合理性缺乏校核验证。而实际结构往往是十分复杂的，将结构力学教材中的理论知识直接应用于实际结构的模拟计算是一件很难完成的任务。

同时随着时代的发展进步，当前设计院对学生将所学到的专业知识直接应用于实际问题的解决提出了很高的要求，对计算机应用能力提出了新的要求。计算机计算能力的提升肯定是一件好事，满足了学生对复杂结构求解计算的雄心。同时新的问题也随之出现，一是对得到的结果缺少评判依据，二是对两种数值计算模型所得结果的差异来源无从判断，三是对计算机所得出的大量数据很难提取有价值的信息。由于对结构计算过程中涉及基本原理的选取、计算方法、不同软件的选择、结构体系和载荷的确定以及使用者的主观原因，计算结果有差异甚至是错误是必然会出现的。而能够检验判断这些错误的原因，不是基本原理和计算方法，也不是计算机本身，而只能是设计者自己，所以概念判断能力的培养和提升是极其重要的。

2.结构力学概念性的培养。如何培养学生对一个结构计算结果定性判断即从结构概念上的这种判断能力呢？笔者认为主要来自两方面，一是来自传统结构力学知识，再一个就是来自基于软件本身的计算结构力学。在学习传统结构力学知识时，不只是要重视涉及的基本原理和方法，更要对结构本身及其载荷条件的变化格外关注，尤其是要对结构体系随着载荷边界条件的改变之后的变化趋势进行总结，从而逐步形成概念判断的习惯，达到应用结构力学知识的目的。

培养结构力学的概念性，就要从传统结构力学中剔除那些不适合的内容和方法。传统结构力学更侧重理性思维，突出强调约束与反力之间的等效关系；而概念结构力学偏向于对结构的直观感觉，注重在计算之前从整体上把握结构的类型和特征。传统结构力学教学中经常把受力与结构变形分离开来，受力方向可以任意假设；而概念结构力学则对结构受力变形规律更加注重，受力方向最好是其真实受力方向。

三、结语

要想让学生学好结构力学这门课程，首先要让学生对其怀有浓厚的兴趣和强烈的好奇心，使学生能够通过在发现问题、解决问题过程中获得满足感，从而进一步激发学生的学习兴趣。同时在教学过程中，注重结构力学概念性的培养，从而力求达到理论与实践的结合。因此，作为结构力学教师来说激发学生学习结构力学的兴趣、培养学生在分析结构中的整体概念性非常重要，若是能够做好这两点对提高结构力学的教学就能起到事半功倍的效果。

参考文献：

[1]单建.趣味结构力学[M].北京：高等教育出版社，2008.

[2]黄达海，郭全全.概念结构力学[M].北京：北京航空航天大学出版社，2010.

[3]龙驭球，包世华，匡文起，等.结构力学Ⅰ[M].北京：高等教育出版社，2012.

[4]王焕定，祁皑.结构力学[M].北京：清华大学出版社，2012.