基于结构设计竞赛的结构力学教学体系改革研究

余沛　高素芹　张煊铭

[摘 要]在以创新思维能力培养为基础的高等院校结构力学教学体系中，可以结合大学生的结构设计竞赛及教学实践，在大学课堂的教学中注重培养大学生的创新思维，鼓励大学生发挥主动创新精神，以期实现应用型和创新型人才培养的目标。

[关键词]结构设计竞赛;结构力学;创新思维

[中图分类号]G434 [文献标识码]A [文章编号]1008-7656（2022）02-0081-04

引言

结构设计竞赛是土木工程专业主要学科竞赛之一，其主要形式是给定某种材料（竹材、木材、纸和有机玻璃等），设计并制作满足赛题要求的结构模型，并撰写模型分析计算书，最终通过对计算书、模型制作质量、现场陈述以及模型加载效果等分项评分相加得到综合成绩。该赛事为土木工程专业具有创新性和实践性的学科竞赛。商丘工学院和信阳学院土木工程学院在结构力学教学中，以结构设计竞赛为基础：一方面，以历年竞赛题目为导向，在课堂教学中传输创新理念;另一方面，积极探索创新理论，综合理论、实践及现场实操等多种教学手段，在结构力学教学过程中，注重培养大学生的创新思想，鼓励大学生的创新思维，最终实现应用型和创新型人才培养的目标。

一、以创新思维为导向的广谱分析

结构力学是一门发展迅速的学科，新型的工程材料和工程结构的大量出现，以及工程的相关问题，向结构力学提供了新的研究内容，并提出新的要求。结构力学对数学及其学科的发展也起到推动作用，适合进行大学生创新思维的训练，在结构力学的教学过程中，教师应该依据结构力学的课程特点及学生接受知识的程度，向学生展示有趣和完整的学科广谱分析，有助于大学生在结构力学学习过程中，转变看问题的方式，从而把握结构力学问题的核心，促进大学生的创新思维能力的提升。

（一）结构力学教学的客观性

结构力学的逻辑性较强[1]，大规模的工程结构需要精确的分析和计算。很多事物都可以显化为某种结构，每一结构是一个模块，可以用模块组合的方法模拟复杂结构及其机理，这一观点具有方法论的性质，它告诉我们，复杂结构可以由简单结构组合生成，正如结构力学以杆件结构为主要研究对象，其中桁架结构由独立的杆件组成。

结构力学主要内容包括四部分：静定结构分析、超静定结构分析、矩阵位移法和动力计算基础。在教学中应从理论分析、实验研究和数值计算三个方面对结构力学进行讨论，把实际结构简化为计算模型，然后对计算简图进行计算。在教学中，要求学生认识工程结构，要通过不同的“观控方式”（如观察方式、控制方式、观察水平、控制水平），而且可以对“观控方式”进行选择，这表现了学习的主观能动性。在结构力学计算方法中，对同一杆件可以用力系的平衡方程或运动方程、变形与位移的几何方程、应力与变形间的物理方程等。另外，电子计算机的出现，对结构力学学科产生了巨大影响，由“手算”到“电算”，无论采取什么方式或计算方法，对杆件的简图、节点的受力分析等“观控”方式的结果，不因学生人数的多少或观察次数的增加而改变结构力学的计算，这正反映了结构力学的客观性。

在例题讲解过程中，按照客观性的概念，同一工程的结构是在一定的“观控方式”下，n个教师或学生，n次讲解或听讲下结构的不变形。显然，当“观控方式”改变时（如条件改变），可以获得不同的结果（客观性），这正是教师在教学过程中应该反复强调的内容，鼓励大学生主动分析问题、解决问题和创新问题，进而提升分析能力、计算能力、自学能力和表达能力。

（二）力学与结构设计竞赛及工程的结合

房屋中的梁柱体系、水工建筑物中的闸门和水坝、公路和铁路上的桥梁和隧洞等，都是工程结构的典型例子。实际工程结构很复杂，在结构力学教学中，很难完全按照结构的实际情况进行力学分析，只能用一个简化的图形来代替实际结构。大学生对实际结构过程缺少实践认知，这一环节应在教学和课外获得补充。在教学中，可以引入结构设计竞赛的相关题目，因为结构设计竞赛是最能体现专业知识运用和创新能力的环节，赛题全部来自工程实际。例如2017年河南省第六届大学生结构设计竞赛，赛题是完成塔吊结构模型的设计、制作，并进行吊装测试。

塔吊按其回转形式可分为上回转（塔身不回转）和下回转（塔身回转）两种。下回转塔式起重机具有结构简单、重心低、运转灵活、速度快、效率高等特点，适用于砖混砌块结构和大板建筑的工业厂房、民用住宅的垂直运输作业。在实际工作中，要防止塔吊倒塌事故的发生，避免财产损失和人员伤亡。因此，为保证安全，必须保证建筑塔吊的可靠性和安全性。此赛题能较好地培养和锻炼参赛者在土木工程结构、材料、力学、設计、制作及专业软件使用等方面的能力，学生通过结构选型工作，把专业知识付诸于实践，甚至能提出新的结构类型。通过结构设计竞赛与力学的紧密结合，增加了大学生的学习兴趣，也在教学中贯彻创新思维奠定了基础[2-3]。

（三）广谱哲学的创新思维

哲学家维特根斯坦说过，“一旦新的思维方式建立起来，许多旧问题就会自动消失，这是一个值得每位所谓传统的制造业者思考的问题”。按照广谱哲学中的方法论，创新思维就是改变“观控方式”，使研究对象显现新的客观属性、功能或新的客观关系。由于广义的“观控方式”是各种各样的，而且还在不断发展之中，因此，“改变观控方式（换个角度看问题）”就是丰富多样，这将使创新思维具有更加丰富多彩的模式与方法。

在广谱哲学的方法论中，提及牛顿力学原理的共性、一般性，可举例盖房子和建桥梁，需要探索牛顿力学的原理在不同材料、不同条件下的表现形式，从而形成材料力学、结构力学、土力学等具体的学科知识。要应用这些知识解决具体的楼房或桥梁问题，要进入设计阶段，而设计阶段要把形成力学一般原理时所舍弃的各种次要因素、偶然因素一并考虑进去。在分析问题的时候，理论要联系实践，实践结果是在理论指导下进行的，但有实践结果的失败却不能反推理论指导是错误的，如工程施工中，若一座桥梁倒塌，不能推出结构力学是错误的，理论与实践结果之间不是一对一的、单值的因果关系，原因在于它们之间跨越了若干不同的层次、经历了许多环节。桥梁倒塌可能不是结构力学分析计算的错误，可能是在施工材料、施工方法、天气等原因所致。046704F1-DA6B-49E1-91FE-B3AED629212D

在教学中要培养大学生的创新思维，创新起源于对某些认知的怀疑，要教会大学生要有理性的怀疑精神，要换个角度看问题，对问题要既坚持又发展，寻找新的“观控方式”。

二、多叶客观性及创新思维的激励

创新思维的提升不仅是能解决结构力学的计算及分析，还能在实际工程中加以体现，学生本身要掌握创新的理论，能用这种理论在求实中创新，真正掌握科学精神的精髓，达到学习的更高境界。

（一）多叶客观性教学

多叶客观性反映的是，事物的客观性伴随着“观控方式”的改变而呈现出来的多样性、层次性。其中，每一个“叶片”标志着一种客观性，对应着一种“观控方式”，而n个“叶片”标志着n种客观性，对应着n种“观控方式”，示意图如图1所示。

图1 多叶客观性示意图

在结构力学教学中，一方面教师要注重学生的主观能动性的培养，培养大学生的创新意识，讲解问题要从多方面入手转变“观控方式”，应以学生为中心，让学生参与课堂教学，听取学生的意见，引导学生主动思考。另一方面要发现新的客观性，如工程中的钢筋，已知钢筋的体积和重量等客观属性，对应的尺子和秤等，如果在教学过程中想了解钢筋的拉力、压力及剪切力，就要增加拉伸试验、压力试验及剪切试验的方式。通过这种学习方式，培养大学生的主动创新能力，激发大学生的创新思维，可使后续的课程学习增添动力。

（二）结构设计竞赛实践教学

结构力学中提及的工程结构实际上都是空间结构，各部分相互连接成为一个空间整体，而在教学过程中忽略一些次要的空间约束而将实际结构分解为平面结构，也有一些结构具有明显的空间特征而不宜简化成平面结构，这就需要教师在教学的同时联系实际，进行实践教学，在理论教学的同时增加实践课时，通过学生分组组队设计制作结构模型，比如静定结构模型、超静定结构、可变结构及空间桁架等，把平面图形变成空间模型，使得知识更形象化，在讲解钢架的整体刚度矩阵时，可以结合大学生结构设计竞赛赛题引导学生建立模型，以工程实例为例，提高大学生课堂的趣味性，同时也激发学生的创新思维，把理论与实践更好地结合起来。

商丘工学院和信阳学院的结构设计竞赛，以河南省大学生结构竞赛及全国大学生结构设计竞赛为基础，引导大学生利用理论知识解决工程实际的力学问题，通过动手制作模型，学生在一次次改进过程中，既能得到专业的实践锻炼，同时也能提高解决问题的能力。在这一过程中，学生能设计出许多巧妙新颖的构件或连接形式，对于创新能力的培养也大有帮助。完成一个好的模型需要组员通力合作，这对锻炼学生沟通能力和团队意识大有帮助。

大学生结构设计竞赛为学生提供了一个良好的平台[4]，采用手算的同時，鼓励大学生学习软件模拟，采用软件进行比赛模型的结构分析，其优势就是分析效率高。建立一个模型，可以通过改变截面尺寸参数或增减基本构件而得到同类型结构体系的一系列分析结果，特别适合优化设计。学生在自学有限元软件过程中需要查阅大量的学习资料，这样就主动获得了类似于研究型教学的锻炼，这种数值计算能力的训练，对于找准解决实际工程问题的方向是大有裨益的。同时，在寻找理论计算结果与实际模型差距过程中，学生会加深对结构的认识。

三、结语

文章结合广谱哲学、多叶客观性的创新思维方法，以结构设计竞赛为导向，积极开展结构力学课程的教学改革与实践，意在培养大学生的创新思维能力，在实际结构力学教学中，在课堂上积极引导大学生看问题的角度，在继承中培养创新能力，在学习中发现疑点，是走向解惑和创新的起点，从而达到结构力学的教与学的目的。

[参考文献]

[1]张速，刘安中.几种逻辑方法在理论力学课程教学中的应用[J].力学与实践，2015（4）：543-546.

[2]曲激婷，陈廷国，黄丽华，等.以结构设计竞赛促进结构力学教学改革的探索与实践[J].中国科教创新导刊，2014（4）：62.

[3]程涛.结构模型设计竞赛与土木工程专业教学改革[J].力学与实践，2010（6）：91-94.

[4]魏德敏，王勇.以竞赛促进“结构力学”课程教学改革[J].理工高教研究，2007（1）：105-106.

[作者简介]余沛，信阳学院、信阳市装配式建筑重点实验室副教授、高级工程师，硕士，研究方向：土木工程施工管理与科研;高素芹，信阳学院、信阳市装配式建筑重点实验室工程师，研究方向：土木工程施工与检测;张煊铭，商丘工学院讲师、工程师，硕士，研究方向：土木工程教学与科研。

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