土木工程專業結構力學課程實驗教學實踐探討

孫旭峰 陶陽

收稿日期：2013-04-27

作者簡介：孫旭峰（1972-），男，揚州大學建筑科學與工程學院副教授，博士，主要從事大跨度空間結構研究，（Email）xfsun@yzu.edu.cn。

摘要：結構力學課程是土木工程專業的主要專業基礎課。由于結構力學實驗介于材料力學和專業結構實驗之間，所以長期以來不準確的定位導致多數學校的結構力學課程教學忽視實驗課。文章結合結構力學課程實驗教學平臺的建設實踐，探討了結構力學實驗在課程教學中的重要作用。

關鍵詞：土木工程專業；結構力學；實驗教學；教學改革

中圖分類號：G642423文獻標志碼：A文章編號：10052909（2013）05013304結構力學課程是土木工程專業力學系列課程中一門非常重要的專業基礎課，該課程的教學質量對于實現土木工程專業的“寬口徑”，以及培養能力強、素質高的土木工程師人才起著舉足輕重的作用。當前，土木工程領域計算機技術的廣泛應用拓寬了結構力學的應用領域，同時也對結構力學課程的教學提出了新的、更高的要求。從課程設置來看，并不能因為計算機技術的應用而降低基礎力學概念教學所占的比重。從國內外工科專業力學類課程的設置情況來看[1]，國內土木工程專業力學類課程學分的比例基本上小于10%，而國外均大于10%，并且目前國際上比較注重學生對“基礎知識”的掌握，因此，力學類課程全部為必修課。

從現代科學研究的角度看，應用型基礎力學課程應包括理論教學和實驗教學兩方面，結構力學課程也應如此。但在長期的教學實踐中，由于結構力學實驗介于材料力學和專業結構實驗之間，這一不確定的定位導致其實驗教學部分往往被忽視，而僅專注于課堂理論教學。正是這種忽視，造成了土木工程專業的學生很難從對單根構件受力概念的形象理解，過渡到對整個平面結構直至空間結構受力概念的形象理解，對其后續結構課程的學習及工作實踐，乃至進一步的深造產生很大的負面影響。

一、 土木工程專業開設結構力學課程實驗的必要性

力學概念是從實踐中來的，本科階段學習的應用力學更是如此。作為一名長期主講結構力學課程的教師，筆者能夠深切地體會到結構力學課程實驗在幫助學生理解概念方面的重要意義和作用。以幾何組成分析為例，在學習這部分內容時雖然課堂上已經清楚講解了二元體的概念，但有一部分學生在遇到具體問題時還是不清楚。如圖1a）所示，這些學生會將3-5-6當作二元體來對待。究其原因，是沒有把“鏈桿的約束”這個概念搞清楚，如圖1b）所示，他們在作幾何組成分析時把2-4-6和3-5-6作為剛片，而將1-2和1-3作為鏈桿。又如圖2所示，三個剛片間以三對平行等長鏈桿連接而成為幾何常變體系的情況，很多學生對此根本沒有一點感性認識。諸如此類的問題，還出現在對“定向支座可以約束哪些方向的位移、約束反力如何”等等概念的理解上，這都是由于沒有提供實驗條件讓學生親自動手去“試一試”造成的。在建筑力學的課堂教學中，教師利用自己動手制作的一部分桿件以及連接件，結合課程內容當場做演示實驗，或者讓部分學生自己來做實驗。從課程測試的結果可以看出，學生在這部分內容的出錯率有做實驗的與未做實驗的相比有大幅下降，這充分說明了“動手”的重要性。類似的情況還出現在諸如彎矩圖需畫在受拉一側、剛結點處的彎矩平衡、互等定理、影響線、穩定、動力特性分析等，因此，需要通過實驗幫助學生形象而深入理解該課程概念部分的知識。

高等建筑教育2013年第22卷第5期

孫旭峰，陶陽土木工程專業結構力學課程實驗的教學實踐

圖1

圖2

土木工程專業所涉及的主要是房屋建筑、橋梁、隧道等結構體系。在理論講授及實驗中如能緊密結合專業特色，對學生學習專業課知識與增加學習興趣都將起到事半功倍的效果。比如鋼筋混凝土結構設計中“強柱弱梁”的概念，柱端先破壞時會形成幾何可變體系，而梁先破壞則還是幾何不變體系。這個概念一般在鋼筋混凝土專業課中講解，但如果在幾何組成分析部分將其列入實驗課內容，則會加強學生對專業知識的形象理解。類似的例子還有：單層廠房中的縱、橫向支撐體系，頂點位移法計算房屋自振頻率，結構抗震中的“鞭端效應”等等。但是在實驗設計方面，由于學生此時還沒有學習專業課程，所以結構力學實驗和之后的專業課實驗必須有所區別，不應設置過高的難度，否則將適得其反。

結構力學研究的對象是結構體系的受力性能，而結構體系的布置是非常靈活的，所以結構力學實驗還應該與材料力學實驗有所區別。在實驗中應以提高學生的動手能力、設計能力為目標，可以自行設計構件、連接支座裝置及結構體系。以結構體系為例，不一定要限定為平面桿件體系，而可以結合高層建筑、空間結構（如網架、網殼、索結構、開合結構、折疊結構等）等，通過教師的適當啟發，充分發揮學生的自主創新的能力。除完成基本實驗外，結構力學實驗課程應結合學科競賽，為學生創造實驗條件。

二、 土木工程專業結構力學課程實驗教學實踐

2010年，筆者所在的揚州大學對土木工程專業進行了課程實驗的教學改革，建立了土木工程專業本科系列開放性實驗教學平臺，將材料力學、結構力學、土木工程材料、土力學、混凝土基本理論等課程的實驗整合為土木工程專業基礎實驗課程，共1.5個學分，48學時（實驗時數為學時數乘以2），分三個學期完成，并統一編寫了相應的課程教學大綱。實驗課程分為基本型、提高型及創新型三個層次，其中基本型實驗要求學生在一個設計完整的實驗框架下重新驗證結果，讓學生通過實驗來驗證所學相關理論推導結論的正確性，從而加深對知識的理解，培養學生的推理能力、分析能力，訓練其實驗技能；提高型實驗內容涉及該課程的綜合知識或與該課程相關的知識，對學生的實驗技能進行綜合訓練，培養學生的綜合分析能力、實驗動手能力、數據處理以及查閱資料的能力，要求學生綜合運用兩種以上的基本實驗方法完成同一個實驗，培養學生運用不同的思維方式和不同的實驗原理綜合分析問題、解決問題的能力，掌握不同的實驗方法和實驗技能；創新型實驗要求學生根據給定的實驗目的要求和實驗條件，自己設計實驗方案，選擇實驗器材，制定操作程序，學生必須運用自己掌握的知識進行問題分析和探討，著重培養學生獨立解決實際問題的能力、創新能力以及組織管理能力。

實驗平臺中的結構力學實驗為新增設的模塊，按照實驗平臺建設要求并參考相關文獻[2-4]將幾何組成實驗、桁架及剛架靜內力測定實驗作為基本型實驗（實驗時數5，必選），將剛架穩定實驗、靜撓度測量實驗、影響線繪制實驗、結構優化實驗、自振頻率測定實驗作為提高型實驗（實驗時數2，5選1），將自行加載的模型實驗及其他實驗作為創新型實驗（實驗時數2，結合結構模型創新大賽，如獲獎還可取得相應的創新學分）。實驗課程各模塊按五級記分，其中平時成績（包括實驗理論及預習情況）占50%，實驗操作及實驗報告占50%，課程總成績以學期為單位按各模塊所得成績的平均值計分。

根據實驗平臺建設要求，揚州大學與南京航空航天大學合作研制了NHLX-GⅡ型剛架多功能實驗裝置，如圖3所示。該裝置由支撐剛架、定位板、支座、加載系統、加載桿等組成，可根據需要很方便地將支座更換為固定支座、鉸支座及定向支座等，可自由設置加載點位置，不僅可以完成剛架靜內力測定實驗，還可完成撓曲線測定、影響線繪制等實驗。在實驗中由學生自己粘貼應變片以及完成接線，以提高學生的實驗技能。在自主編寫的實驗報告中，除要求分析產生誤差的原因，還要求學生將實驗結果與結構力學求解器的求解結果進行對比分析，培養其科研思維能力，如：“計算中是否考慮剪切變形及軸向變形有什么影響？”、“考慮支座的實際尺寸時計算簡圖中計算長度的取值對結果有什么影響？應如何取值？”、“計算中是否考慮支座的實際彈性剛度對結果有什么影響？”等等。對這些問題的分析解答都是課堂理論教學所無法完成的。

圖3NHLX-GⅡ型剛架實驗裝置

在創新型實驗部分，學校將結構力學實驗與結構創新競賽（包括校內和校外競賽活動）相結合，引導學生進行自主學習，如三維空間體系的幾何組成分析及內力計算、簡單有限元軟件的應用（如sap2000）等等。圖4所示為學校舉辦結構模型制作及加載試驗比賽的場景，其中左圖為靜力加載，右圖為單向振動臺試驗。對于這些實驗，學生們參與的熱情非常高，達到了在趣味中感受結構力學的魅力，在趣味中提升對結構整體受力的感性認識的教學目的。

圖4結構模型制作加載試驗比賽

揚州大學自2010年課程實驗改革以來，結構力學實驗模塊的教學已在兩屆學生中得以實施。在課堂理論教學中可以明顯感到學生對結構力學學習興趣的增強，如課堂注意力較集中、課間課后提問較活躍等等。此外，與實驗改革實施以前的兩屆學生（以每屆兩個教學班為單位）相比，幾何組成部分的卷面平均出錯率從19.3%下降為5.6%，做剛架彎矩圖時結點平衡概念的出錯率也大為降低，這從一個側面反映了結構力學課程實驗的教學成果。此外，學生還在各類結構創新大賽中屢獲佳績；以“減小支座彎矩”為概念的“抗震樓梯”設計還申報了國家專利，初步展現了創新型結構力學實驗教學的成果。

三、 結語

學校土木工程專業本科系列實驗教學平臺的專項建設，推動了結構力學實驗課程教學質量的提升。結構力學課程實驗的教學實踐成果主要體現在以下幾方面。

（1）實驗教學打破了結構力學課程課堂理論教學一統天下的局面，讓學生能真正參與課程教學互動，幫助學生學會獨立思考，并能靈活應用所學知識，與課堂理論教學形成良性互動。

（2）改革前后學生成績的對比，客觀上顯示了基礎型和提高型實驗在促進學生對課程基本概念的形象理解、基本技能和動手能力的提升方面的重要作用。

（3）創新型實驗的設置，激發了學生的創造性和自主學習的能力，增強了學生對專業的感性認識和學習興趣，取得了較好的實踐成果。

參考文獻：

[1] 黃再興，胡海巖.國內外大學工科專業力學課程設置情況對比[J].力學與實踐，2003，1：44-46.

[2] 劉禮華，等.以基本內容為核心創建結構力學實驗體系[J].理工高教研究，2007，26（1）：116-117.

[3] 張乃群，等.分層次開放性實驗教學模式探索[J].南陽師范學院學報， 2009，8（6）：105-108.

[4] 申靜波，等.初探開放性實驗對學生能力的培養[J].高校實驗室工作研究， 2008，95（1）：56-57.

Teaching practice in construction of structural mechanics course for civil engineering

SUN Xufeng， TAO Yang

（Architectural Science and Technology Institute， Yangzhou University， Yangzhou 225127， P. R. China）

Abstract： Structural mechanics is the main professional basic course in civil engineering. For a long time， the role of structural mechanics experiment is not so clear because it is something between the material mechanics experiment and the professional structural experiment. Therefore， most universities neglect the experimental teaching in the structural mechanics course. Based on the construction of experimental teaching platform for civil engineering undergraduates， we discussed the important role of experiment during the teaching and learning of structural mechanics.

Keywords： civil engineering specialty； structural mechanics； experiment teaching； teaching reform

（編輯王宣）