土木工程學科結構力學課程教學改革的實踐

閆晗

摘?要：結構力學是土木工程學科介于以純理論為主的力學與應用學科之間的一門專業基礎課，一方面強調對基本原理、基本方法的理解、掌握與訓練，另一方面又必須加強工程計算能力的培養。而當前高校減少學時和精簡內容已是大勢所趨，必然導致這兩方面能力培養的矛盾。本文針對這個問題，提出了關于結構力學課程改革幾點建議。

關鍵詞：結構力學?教學改革?工程應用

中圖分類號：G64 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2012）10（a）-0169-01

結構力學是研究工程結構在靜力、動力等各種荷載和溫度變化、支座位移等因素作用下強度、剛度和穩定性的計算原理和計算方法以及結構組成規律和合理形式的一門科學[1]。在教學過程中，既強調對基本原理與基本方法的熟練掌握，又強調工程應用能力的培養。基本原理與基本方法的學習要求熟練掌握基礎力學中的概念、理論和知識；工程應用能力的培養強調如何將基礎力學中的概念、理論和知識充分調動起來，靈活、合理、巧妙、綜合地應用于單個桿件組成的復雜結構中去，特別是利用現代計算方法解決工程實際問題。但是，從當前各高校的改革實踐來看，減少學時和精簡內容是大勢所趨，學時減少和內容精簡是對傳統教學模式的挑戰，它促使人們對新內容體系的建立這一更深層次上的改革進行認真的思考、探索與實踐[2]。目前，結構力學教學中有兩種趨勢，其一是強調基本理論與基本方法的學習，即傳統教學模式。傳統教學模式主要體現為“精講多練”，要求學生在基礎理論與基本方法上加強訓練。其二是強調電算能力的培養，以培養學生解決利用計算機實際工程問題能力為主。這兩種趨勢各有利弊，應該綜合考慮，協調發展。

1通過課程體系改革使教學模式更適應現代科學的發展

1.1課程體系中存在的問題

經過多年的教學與實踐，結構力學課程已經形成了基本穩定的模式，教學大綱與內容也基本不變。從課程內容上可以將結構力學分成兩大部分，一部分是基礎理論與基本方法，包括結構的幾何組成分析、靜定結構的內力分析、靜定結構的位移計算、力法、位移法等。這些內容是結構力學的經典部分，是學生必須熟練掌握與深刻領會的內容。另一部分涉及計算方法，如力矩分配法、近似計算、矩陣位移法等。其中力矩分配法、近似計算對于手算來說相對重要的內容。隨著科學技術的發展，電算的普及，其重要性已大大降低，甚至可能被淘汰。但在目前各版本的結構力學教材中仍然占有很大的比重。而矩陣位移法是電算的重要基礎，與桿件體系有限元有密切聯系，但這些內容還屬于簡單介紹部分。多數教材只是簡單介紹了矩陣位移法的基本理論，而有關如何進行程序設計的內容完全沒有介紹。特別是缺乏適合于初學者借助計算機，利用結構力學的基本理論，解決實際問題的教學內容。

1.2 課程體系改革

針對上述問題，應該對大學力學課程體系進行修改。根據結構力學的內容特點，以及大學中力學教學體系，可以將力學分成兩大部分，一部分是力學中的最基本的和最基礎性的概念和理論，可以稱為基礎力學部分；另一部分是基礎力學知識的應用，即如何將基礎力學中的概念、理論和知識充分調動起來，靈活、合理、巧妙、綜合地應用于單個桿件組成的復雜結構中去。應該說，基礎力學知識在理論力學、材料力學中已經詳細介紹，而結構力學應比理論力學、材料力學更多地、更直接地面向工程設計、工程計算與工程應用。因此，在進行教學大綱修訂時，可以將結構力學中的某些內容統一編寫到理論力學、材料力學中，如靜定結構的內力分析、位移計算等，而將工程應用部分集中到結構力學中。從教材內容上強化工程應用能力的培養，如從工程結構中抽象出計算模型的能力、編寫計算程序的能力等。

2 改變傳統的教學方法提高教學效果

目前，結構力學的教學方法與手段還沿用“精講多練”的傳統模式，一味注重學生對基本理論與基本方法的掌握，忽略學生解決實際問題能力的培養。結構力學在過去長期的教學實踐中，已經積累了系統的教學方法與經驗。最具代表性的方法是“精講多練”，這樣一套教學方法是符合結構力學課程教學規律的。過去工程上的結構計算，主要依賴于手算。“精講多練”教學法強調在講清、講透基本概念、基本原理的基礎上，通過“多練”對學生的解題與計算能力進行強化訓練。但是，隨著計算機技術的發展，結構的力學分析已經廣泛應用電算，對手算的要求已經大大降低。因此，“精講多練”教學方法有待于改革。為了讓學生在相同的學習時間內，既能掌握基本理論與基本方法，又能提高工程計算能力，可以將電算能力的培養貫穿到基礎理論的教學當中。教師可以針對結構力學中的幾個基本問題，形成計算程序的基本模式，并在講解基本理論的同時，介紹計算程序的基本算法原理。在選擇編程語言時，應盡量選擇結構化語言，如FORTRAN，這樣可以讓學生將精力集中在理論與算法的理解與掌握上。

3 注重工程計算能力的培養

結構力學工程計算能力的培養涉及建立力學模型、合理選擇計算方法與開發計算程序三個方面。首先應培養正確建立力學模型的能力。結構力學是進行建筑結構設計的基礎，而實際結構是復雜的，形式也是多種多樣的，必須經過簡化抽象形成力學模型，才能進行力學分析。力學模型是由實際結構簡化得到的是實際結構的“化身”或“替身”，體現該結構的主要構造特性和受力性能，便于進行力學分析。只有熟悉結構的組成規律和受力特性，善于正確地把實際結構簡化為“替身”，才能做好建模工作。其次是培養選定合理計算方法的能力。選定合理的計算方法是計算、校核和檢驗結構內力及其分布與位移的重要前提，直接影響計算結果，與結構的經濟合理性密切相關。因此，結構分析應重視計算方法的選擇。最后，應培養開發計算程序的能力。要達到提高開發計算程序的能力，可以從三個步驟進行培養。首先由教師提供典型問題的程序模板，然后讓學生根據不同問題進行程序改編，再讓學生結合實際工程進行應用程序開發。通過這三個方面的培養，可以使學生在熟練掌握基本知識的基礎上，提高解決實際問題的能力。

4 結語

科學技術的發展，結構力學計算方法有了非常大的飛躍，對學生的工程計算能力的要求進一步加強。從而使得傳統的教學內容、教學方法顯現出許多不適應性。特別針對這個問題，本文從課程體系改革、教學方法改進與計算能力培養三個方面進行分析，提出了相應的措施，并在結構力學教學中推行，取得了比較明顯的效果。

參考文獻

[1]范志良.結構工程科學中若干計算結構力學問題的研究展望[J].力學進展，1994，24（5）：391-398.

[2]袁駟.一個基礎，兩座大廈——結構力學課程的改革思路與實踐[J].力學與實踐，1998，20（1）：56-58.