结构模型设计与制作在土木工程课堂教学中的应用研究

霍海峰+于鸽+陈旭

摘要：结构模型设计与制作富有创造性和挑战性，在土木工程课堂教学中引入结构模型设计与制作可以有效激发学生的求知欲望，并锻炼其实践能力。本文对土木工程课堂教学中引入结构模型设计与制作的可行性进行了分析，并对具体实施过程进行了探讨。

关键词：第二课堂；结构模型；实践能力

一、背景

土木工程是具有较强应用性和实践性的专业，其要求教师在教学中重点培养学生的工程应用能力。而传统的教学模式在教授学生专业技能时往往过多关注理论知识的讲解，较少对实践环节进行专门训练。其弊端主要体现在两个方面：第一，教师的课堂教学和实验设计多表现为对教材的生搬硬套，缺乏对学生进行工程环节的锻炼；第二，学生缺乏对实物进行观察、分析和认识的过程。

新时代的土木工程师面临着越来越多的挑战，对高校土木工程专业培养应用型人才提出了更高的要求。因此，教师在教学过程中需要创新实践项目的训练设置，将第一课堂与第二课堂结合起来，使学生在创新实践中获得新的体验。

二、引入

结构模型设计与制作作为一种创新实践训练方式，是实现土木工程专业个性化教育的有效手段，这种方式打破了传统的“教师主讲、学生主听”的被动教学模式，转为“教师指导、学生动手”的创新型和实践型应用人才培养模式。在结构模型设计与制作过程中，土木工程专业的学生将承担三种不同角色的任务，分别为建筑师、结构师和施工员。结构模型从最初的建筑设计到结构受力分析、承载变形能力验算，再到模型的制作与加工，均由学生独立创作、亲自实施。

结构模型设计与制作的学习不仅是学生的学习过程，也是专业教师的教学研究过程。其可促进理论与实践、教学与应用的有机统一，促进专业教师由知识讲授者向创新实践引导者的角色转变。

三、要求

结构模型设计过程中，教师需根据学生掌握的力学知识确定设计题目、设计内容及相关要求，并提供手工加工的相关材料。在教学过程中，教师应做到以下几点：

首先，加强学生对所学知识综合应用的能力。比如在结构力学课程的教学过程中，增加学生对常见构件受力分析的练习。教师根据学生工作后可能会用到的知识和技能，科学合理地设计讲授内容。

其次，教学应理论联系实际，对知识点的讲解不能仅停留在书本、图片和视频中。教师应尽可能地让学生接触实际工程中的构件，且这种与工程实际接触的机会并不仅仅局限在实习课中，而是渗透在平时的课程中，使学生更容易认识到理想模型和实际结构之间的区别。

最后，对制作构件各种材料的力学性质进行讲解，并教授基本的制作技巧。教师可以引入竞争机制，把学生分为几组，每组有组长和组员。各组需在规定时间内利用规定的材料自行设计并制作构件，而教师应将更多的精力放在对学生结构设计的指导上。

四、实施

土木工程课程的考核方式是让小组设计并制作结构模型。每小组4名学生。各组分到相应的题目后，首先，应对题目进行独立思考，对验收标准进行认真分析。其次，需查阅相关文献，独立设计并制作结构模型。期间遇到知识难点，需与教师沟通解决，在规定时间内完成作品，并进行答辩验收。答辩时每人汇报自己的工作量，教师根据工作量给分，结构模型制作及相关材料的准备占该课程总分数的10%左右。考核内容主要包括三个方面的内容。第一，结构体系的造型设计。利用白卡纸、竹皮、竹条、白胶和硫酸纸等材料设计并制作结构模型，主要从所制作结构模型的造型、构思及体系的实用性、适用性和创新性方面评分。第二，方案图纸、设计说明等材料。主要包括设计方案图纸、计算过程和设计说明等。其中方案图紙应包括整体结构图、详细结构图和成本核算；计算过程应包括工程概况、设计依据、设计原则、工程材料、设计荷载、计算方法、模型建立以及参数选取，并重点对轴力图、弯矩图和剪力图进行分析，在此基础上进行承载能力验算；设计说明主要针对方案的布局、功能和选型方面的细节进行说明。最后，对方案图纸、计算过程和设计说明的完整性及正确性进行评分。

典型结构模型的设计与制作可以为学生搭建第二课堂平台，使学生充分发挥想象力，在有限时间内利用最少的资源完成所布置的任务。不论是结构模型的概念设计、造型设计、计算书制作，还是最终的设计报告和陈述答辩，均对学生实践能力的提高有较大帮助。

五、展望

结构模型设计与制作是一项极富创造性和实践性的工作，其能够提升学生学习的主动性。在参与过程中，学生主动分析考题，并根据所学到的知识进行初步规划和方案比较，发现各自的优势和弊端。结构的设计计算过程是对学生所学知识的检验，可促使学生更深入地认识问题的本质。在结构设计计算过程中，学生能够对特定结构的力学性能有更加深刻的掌握，并对工程中常见构件的特点有较全面、深入的了解。

参考文献：

邹海贵，常立农.大学生科技创新活动的内涵、特征及价值探析[J].南华大学学报（社科版），2002，3（4）：13-15.endprint