基于虚拟仿真实验的《结构力学》课程改革

黄华恢

【摘 要】《结构力学》结构力学课程是土木工程专业学习中的基础课程，对后续课程的学习起到关键作用。本文针对该课程在教学过程中遇到的各种问题，从课程内容应用、实验融合、课时分配、考核体系四方面进行课程改革，为今后《结构力学》课程教学提供参考。

【关键词】结构力学;虚拟仿真实验;教学改革

中图分类号： O342-4;G434文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）33-0028-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.33.012

结构力学课程是土木工程专业重要的基础课程之一。它以高等数学、静力学、材料力学等课程为基础，研究杆件组合体系的结构在荷载作用下的受力情况。本课程的主要任务是研究结构的组成规律、合理形式及结构在外因作用下的强度、刚度和稳定性的计算原理与计算方法，以保证结构的安全并使之符合经济的要求。同时，该课程也为后续专业课程的学习做铺垫。给专业课程设计、毕业设计、毕业实习甚至今后毕业从事的相关工作提供必要的理论依据和计算方法。近年来，由于虚拟仿真实验技术具备形象化和真实化，可将工程结构实际状况呈现在人们眼前，在视觉上将抽象的理论转化成直观和真实感较强的模型，而逐步作为高校教学辅助手段进入课堂。这种教学方式培养了学生良好的工程意识和创新思维，完善知识结构。因此，结合本课程的教学内容，以及现阶段学生学习的实际状况，构建以虚拟仿真试验为基础的结构力学翻转课堂教学应用模型，为达到培养适应工程需求的实践人员做准备。

1 国内外研究现状

我国有研究者以结构力学实验为基础，应用Flash开发系统建立了结构力学实验的虚拟实验环境和虚拟实验物理的模型[1]。也有学者认为在结构力学教学中，公式复杂，推导及求解过程中需要较多的数学运算，因此特别需要数学应用软件的介入[2]。结构力学课程教学涉及大量的公式推导、结构分析与计算等内容，学生理解起来较困难。将有限元软件引入课堂教学，可以将抽象的应力、应变等概念具体化，将结构的变形及应力分布情况生动、直观地呈现在学生面前，既有利于学生的接受，又能够为学生学习ANSYS一类的有限元软件奠定基础[3]。通过虚拟仿真实验技术帮助学生掌握力学中各变量的关系，观察在变量变化的全过程模型的变形情况。在多次变量修改中找到最优结构形式，以优化结构。还有高校提出在教学过程中采用制作建筑模型来辅助学习的教学方式，以巩固学生的理论知识，锻炼学生的實践操作能力，培养其独立思考的能力，提高学生的学习兴趣。同时在实践中能够培养对建筑结构和构件的简化能力，从而通过学生解决建筑工程实际问题能力[5]。国外高校仍然侧重结构力学基本理论的讲解，同时也将软件应用到日常的教学活动。如麻省理工学院建成的微电子在线实验室，美国休斯敦大学的虚拟物理实验室[3]。美国的西点桥梁设计竞赛[6]，通过设计一座现实的桥梁，培养学生动手和处理问题的能力，让学生了解工程设计过程中所需要的数学与力学知识，并掌握使用计算机解决工程问题的方法。

2 课程教学特点和难点

《结构力学》课程作为土建类重要的专业基础课程之一，其教学质量对学生今后的应用能力强起着举足轻重的作用。结构模型实验是课程中展现知识点应用的关键。该实验多为破坏性试验，需耗费大量试件，破坏过程短暂，难以观察整个破坏过程。加上班级学生人数较多，实验具有一定的危险性，难以保证学生有足够的动手操作机会。教学中理论知识向工程结构的应用转化和结构模型的优化设计成为课堂中的两大难点。所以，如何做好结构力学的教学工作是摆在该专业教学工作者前面的重要课题。

3 改革目标

3.1 理论知识可视化

日常教学中，结构力学主要研究结构的组成方式及在外荷载作用下的内力、应力、变形计算，当中的理论性强，概念抽象，学生难以掌握。可通过虚拟软件对构件进行建模和分析，绘制结构的变形图和应力云图等，用不同的色彩来表示结构承载能力的强弱情况。借助这些软件，以图像的形式将其直观、形象的展现，让学生对这些概念有直观的认识，提高学习效率，增强学习效果。

3.2 力学实验的可视化

结构力学课程最终需运用到实践中去，这必须在教学中将理论和实践相融合。但受到课时少，加上实验具有一定破坏性，在实验前需准备大量试件，实验过程短暂又具有危险性，难以让每位同学都观察到结构破坏过程。在这些不利承担外界因素制约下，可将Abaqus和Flash等软件引入实验教学环节，以动画的形式演示构件实验的全过程，充分发挥软件的建模和分析能力。并利用软件模拟现场加载情况，找到最合理的结构形式，将其制作成模型，在课堂中现场展示，以加深学生对实验现象和过程的理解。

3.3 结构模型在工程实践中的应用

力学课程中只是将工程结构中的房屋、桥梁等复杂结构简化的单跨形式，学生要真正掌握整体结构的受力还有一定的差距。而让学生毕业踏上相应的工作岗位，会变得无从下手。借助于软件模拟结构实际工况可帮助学生将力学模型转化为实际工程的结构模型，以解决复杂的受力问题，进而提高解决实际工程问题的能力。

4 课程改革措施

4.1 理论知识的应用

结构力学将传统结构力学教材中的主要概念、知识点、计算模型与工程案相结合类比，让其内容趣味化、直观化、感性化地，其目的是帮助学生理解抽象计算模型和概念。教学安排上，采用知识准备、案例引导、内容讲授、模拟实验的教学模式，并且按照初步建模、实验制作、模型优化三种形式进行组织课后教学过程。结合工程案例讲解理论知识点，让学生建立起工程实际，计算模型、理论计算的工程思维，培养学生运用知识解决实际问题的能力。

4.2 教学内容与虚拟仿真实验相融合加以应用

结构力学理论性强，结构形式多样，分析对象均为实际工程中抽象后的结构或构件，公式推导、计算繁琐乏味，学生难以保持学习兴趣。通过虚拟仿真实验便可帮助学生建立复杂力学模型，解决复杂的力学问题。结合教学内容尝试让学生利用现有的实验材料将虚拟优化好的结构模型进行制作并加以实验。进而可以参加结构相关类竞赛，如结构设计竞赛、周培源力学竞赛通过竞赛等，锻炼了学生建立抽象力学模型、结构分析、电算软件运用、团队协作等能力。

4.3 内容教学、虚拟软件应用、建模实验的课时分配

总学时是一定的，如何处理这三者之间的课时分配是关系到课程重点的问题。理论内容是基础，虚拟软件教学是辅助，变抽象为具体，起到帮助学生理解理论知识的作用。建模实验是让学生明白设计流程以及如何进行结构施工方式，分析结果的合理性等，使学生能更快的走上工作岗位。同时还需对课程教学大纲进行修改完善。

4.4 健全课程考核评估体系

传统力学课程考核方式是通过笔试方法，但这种方式过于单一化。为了反映多元化的考核方法，体现学生实践能力的培养与提高，突出学生自身学习特点有必要对结构力学课程考核方式进行调整。评价不再仅仅依据结课考试成绩来评定优良。在新的评价体系中，引入了课堂提问、考勤、平时作業、虚拟软件的应用、结构建模实验、力学竞赛等方面，将考试成绩分期中与期末两次、课堂内与课堂外两个层面，分别引入不同的权重，设置了两套考察方案（表1）。

5 总结

《结构力学》课程土木工程教学中占据重要地位。在目前建设环境的需求指导下，对课程教学提出了创新性的要求。通过上述的关于课程内容建设的一系列改革，并在实际教学中，融入虚拟仿真实验技术，让学生深入了解建模过程，逐步引入理论内容，使教学内容更加丰富。在不断的更新和完善中，才能切实提高教学效果，促进学生对理论的理解和掌握，提高学生的兴趣，激发学生学习课程的积极性、主动性和创造性，增加学生的自主科研能力，为今后的学习和工作打下良好的基础。

【参考文献】

[1]任伟杰，李春林，宋维源.结构力学虚拟仿真实验教学研究[J].力学与实践，2015，37（2）：257-262.

[2]李乐，刘迎春.Mathcad在《结构力学》课程教学中的应用[J].课程教育研究，2018，44：224-225.

[3]周强，熊拥军，闫小青.CAE软件在力学课程教学中的应用研究[J].教育现代化.

[4]洪泽印.结构工程领域对系统仿真和虚拟现实技术的应用研究[J].科技论坛，2017，18：121-122.

[5]刘琳.张明磊.模型制作在高职建筑力学课程教学中的应用[J].辽宁高职学报，2018，20（7）：38-39.

[6]贾新聪.结构竞赛模型材料物理力学性能及模型设计制作研究[D].辽宁高职学报，2018，5.