夯實學生的力學基礎

摘要：結合作者的教學實踐，根據建筑類學生的特點，提出了在建筑類專業“建筑力學”的教學中，應提高學生的學習興趣，建立基本的力學概念，掌握基本的計算方法。總結出建立力的可識性、了解力的可達性和掌握力的可解性等三大體會。

關鍵詞：教學改革；建筑力學；教學；力學概念

一、引言

《建筑力學》是建筑學專業和城鄉規劃專業的重要專業基礎課之一。課程內容多、符號多、體系龐雜，給教師的講授和學生的學習都帶來一定的難度。由于建筑類專業屬于藝術和技術相結合的專業，學生注重形象思維，忽視邏輯思維，對力學和結構類課程往往不夠投入，上力學課的老師往往覺得比較棘手。近年來，隨著高校的擴招，學生人數急劇增加，有時不得不采用大班講授。如何在本課程中既傳授知識，又培養能力，成了教師施教中的難點。我們認為，應根據學生特點，采用由淺入深的辦法，從提高學生的學習興趣開始，逐步建立基本的力學概念，了解力的分析要點，掌握基本的計算方法，并把這三個要點歸納為力的“可識性、可達性和可解性”。下面結合我們的教學實踐，談談我們的一點體會。

二、建立力的可識性概念

《建筑力學》一般安排在大二講授，由于建筑類專業的學生大多對數學要求不高，大多數同學對他們認為屬于“本專業”的專業基礎課都很重視，也肯花氣力，但不愿花太多精力在力學上，并且剛接觸力學課程時，就容易被一大堆概念、公式所難倒，這就對力學課程的講授提出了挑戰。應該讓學生明白，《建筑力學》恰恰是他們重要的專業基礎課程，現實中空中樓閣是不存在的，大廈的高度，往往都取決于基礎的深度。所以，從學專業開始就形成正確的力學概念是十分重要的。

對力的界定和識別是建立力學概念的第一步。未來的建筑師們往往憧憬在他們美妙的建筑方案之中，殊不知任何建筑都處于力的作用之中：地球的吸引力（重力），土壤的支持力（地基反力），空氣流動產生的推力和吸力（風力），大地震動產生的慣性力（地震作用），人和家具產生的作用力等等，了解這些力的存在，識別這些力的作用及形式，是建筑設計者的一項基本功。

為了幫助學生認識力、理解力，形成力的概念，我們采取了從具體到抽象再到具體的方法，先介紹一些典型的工程實例，然后分析這些工程中的受力特點，引導學生進行思考，得出一般概念，再去分析類似的建筑，以達到觸類旁通的效果。如介紹哥特式教堂的結構體系由石頭的骨架券和飛扶壁組成。其基本單元是在一個正方形或矩形平面四角的柱子上做雙圓心骨架尖券，四邊和對角線上各一道，屋面石板架在券上，形成拱頂。采用這種方式，可以在不同跨度上作出矢高相同的券，拱頂重量輕，交線分明，減少了券腳的推力，簡化了施工。飛扶壁由側廳外面的柱墩發券，平衡中廳拱腳的側推力。為了增加穩定性，常在柱墩上砌尖塔。由于采用了尖券、尖拱和飛扶壁，哥特式教堂的內部空間高曠、單純、統一。裝飾細部如華蓋、壁龕等也都用尖券作主題，建筑風格與結構手法形成一個有機的整體。又如現代建筑的典范“流水別墅”，兩層巨大的平臺由幾片高聳的片石墻支撐，一層平臺向左右延伸，二層平臺向前方大膽挑出，與溪水、山石、樹木自然地結合在一起，達到一種平衡之美，利用的就是力學中懸挑的概念。這樣，結合具體建筑介紹建筑方案和受力特點，提高了學生的學習興趣。

三、了解力的可達性原理

建筑結構是在建筑物或構筑物中起骨架（承受和傳遞荷載）作用的主要物體。建筑力學的任務是通過研究結構的強度、剛度、穩定性；材料的力學性能；結構的幾何組成規則，在保證結構既安全可靠又經濟節約的前提下，為構件選擇合適的材料、確定合理的截面形狀和尺寸提供計算理論及計算方法。其中，強度（Strength ）是結構抵抗破壞的能力 ，剛度（Stiffness ）是結構抵抗變形的能力 ，穩定性（Stability ）是結構保持原有平衡形態的能力 。任何結構都要受到力的作用并完成預定的功能，在設計結構時，必須保證傳力的通達性。學習力學，就要懂得結構的受力、傳力和承力特性。軸心受力構件傳力最直接，把所受的力直接傳給支座。而受彎構件受到橫向力作用時，通過本身的撓曲傳給端支座。桁架可以看作格構式梁，通過弦桿和腹桿的拉壓承受荷載，再傳到兩端支座。剛架則是通過剛節點來傳遞彎矩，從而使桿件縱向受力均衡。

在《建筑力學》的講授中，建立了力的概念之后，要訓練學生分析力的傳遞規律，各種靜定結構內力圖的繪制就是一種強化訓練。物體受到外力的作用后，在物體的各部分之間會產生相互作用的內力，內力圖便是反映力在物體內部的傳遞方式和規律，而支座反力則是通過受載物體轉換后向支撐體傳力的量度。受力、傳力和承力是一個相互聯系、相互依存的連續過程，對這一過程的理解是設計人員的一項基本功。一個安全的建筑傳力必定是合理的，一個美觀的建筑傳力一定是流暢的。如古希臘萬神廟最突出的特點，是圓形大殿的地面到頂端的高度與穹窿的跨度均為43米，穹頂分為5層，每層28個方形藻井逐層上升并減小，最后與穹頂中央直徑為8.9米的圓形采光天窗相接，在構造組織上巧妙地利用幾何原理分解了圓頂上部的荷載重量又給人以更加高深的感覺，達到了力學和美學的高度統一。

四、掌握力的可解性方法

識別力，分析力和求解力是力學中三大主題。《建筑力學》教學內容中無論是理論力學部分，還是材料力學、結構力學部分都要解決力的可解性問題。訓練學生掌握力的可解性方法，是《建筑力學》教學的重點。這里所依據的原則很簡單：一是靜力平衡，一是變形協調。對靜定結構的約束力和桿件內力的計算，都可以在受力分析的基礎上應用靜力平衡方程求解。超靜定結構在工程實際中很常見，但其內力分析要比靜定結構復雜。超靜定結構有多的余約束，內力和反力僅由靜力平衡條件無法全部求出，還必須考慮變形條件。其內力分析是以靜定結構的內力分析和位移計算為基礎的，利用變形協調條件求出多余約束的內力，就變成靜定結構的內力計算問題了，所以關鍵在于解決多余約束的內力。

明確上述思路后，我們在《建筑力學》教學中以靜力學部分為重點，反復訓練學生應用靜力平衡條件求解未知力的方法，而對于后面超靜定部分，主要在講清思路的基礎上，讓學生自己去體會和練習，充分調動學生的學習積極性，達到較好的效果。

五、小結

《建筑力學》課程內容多、符號多、體系龐雜、學時有限，在施教過程中有一定難度。我們根據學生特點和教材內容，作了一些探索。以建立力的概念為先導，強化力的分析為重點，訓練力的求解為難點，循序漸進，逐步深入，使建筑類學生初步奠定力學基礎，為今后的專業發展創造了條件。在這一探索中，對教師也提出了更高的要求，需要老師對教學有更多的投入，不僅是力學知識，還要懂得結構工程和建筑學的專業知識，把力學-結構--建筑有機地結合起來，才能達到預期的效果。

參考文獻

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