結構力學教學中學生創新能力培養的探討

摘要：學生創新能力的培養是社會發展進步的強烈需求。本文提出了創新能力培養的三個重要環節，并結合《結構力學》的教學實踐，提出了通過理論聯系實際激發學生的專業興趣、注重基礎知識培養綜合能力以及強化問題意識刺激創新思維的培養途徑。

關鍵詞：結構力學；興趣；基礎知識；創新能力；培養

目前，高校畢業生往往存在創新探索意識與能力不足等問題，與社會的需求有較大的差距，在進入工作崗位時需要較長時間的適應期；另有一些希望繼續深造的學生，在研究生考取和學習過程中，難以用已有知識解決遇到的新問題，以致無法取得預期的成績和成果。

“創新是一個民族進步的靈魂”[1]，青年學生是社會發展的原動力。隨著教育教學改革的全面深入，學生創新能力的培養越來越引起重視。如何培養學生的創新能力？創新能力的培養目標是什么？偉大科學家牛頓先生的話或許能給我們一些啟示，“如果說我比別人看得更遠些，那是因為我站在了巨人的肩上”。由此可見，創新能力的培養目標就是要將學生培養成能在巨人肩膀上看得更遠的人才。當然，要“站在巨人的肩膀上看得更遠”，首先需要找到巨人并以其為“偶像”，然后掌握爬上巨人肩膀的本領，最后在巨人的肩膀上站起來，這樣才能達到最終目標“看得更遠”。這三個步驟，在人才培養的過程中，其實就是三個至關重要的環節：一是激發興趣，二是培養能力，三是培養眼光。

《結構力學》是土木工程專業的重要專業基礎課，該課程的教學內容與實際工程聯系緊密，在專業知識體系中起著承上啟下的關鍵作用，是后續課程如鋼結構、鋼筋混凝土結構、高層建筑、橋梁工程等的學習基礎，更是從事結構設計工作的必備知識。如何在結構力學教學過程中培養學生的創新能力是一個十分重要的問題。

一、理論聯系實際，激發專業興趣

力學模型相對抽象，學生難以將其與實際工程中的結構聯系起來，因此容易產生“厭學”現象，這不僅影響該課程的學習，而且使得學生無法很好地理解自己的專業。由于我國教育體制的問題，很多學生對自己所學專業并不十分了解，更談不上十分感興趣，因此大學教育的一個重要任務就是培養學生的專業興趣，建立專業信心，激發學習熱情。培養專業興趣的方法很多，可以是幽默風趣的教學風格，可以是采用內容豐富、動靜結合的教學課件，也可以通過合理的教學組織來實現，就結構力學而言，合理的教學組織就包括力學模型與實際結構相結合的教學方式。

例如，在講解“靜定多跨梁的受力分析”時，可以首先讓學生看一下所熟悉的簡支梁橋和懸臂梁橋圖片，然后提出為什么在梁式橋中有多種不同的形式？稍微停頓之后，可以告訴大家要想從力學角度解釋這個問題，我們首先需要來學習該節的課程內容。帶著問題學習，可大大激發學習熱情。講解完靜定多跨梁內力分析的基本方法后，我們可以討論圖1.a所示結構（相當于懸臂梁橋）的彎矩圖（見圖1.b），然后提出當鉸結點B移至C點時結構（兩跨簡支梁橋）的彎矩圖（見圖1.c），并請同學們對比兩結構的最大彎矩值。顯然，同樣荷載、同樣跨度下懸臂梁橋的最大彎矩較小；然后，啟發同學們利用材料力學的知識來考慮若兩結構采用同樣的材料、同樣的截面尺寸，彎矩對結構承載能力的影響，同學們就可以很容易了解懸臂梁橋力學性能的優越性了。還可以進一步讓同學們試著用“分段疊加法作彎矩圖”[2]的知識解釋懸臂梁橋最大彎矩較小的原因。

再如，在學習完“拱結構”的受力分析后，可以簡要介紹一下盧浦大橋（見圖2），然后讓同學們思考盧浦大橋為什么要在橋面附近設置水平鋼纜，以及盧浦大橋為什么屬于上承式拱橋而非中承式拱橋？

這樣，通過理論聯系實際，不僅讓同學們將力學模型和實際結構聯系起來，還可以將相關的專業知識串起來，激發同學們主動學習、積極思考的興趣和綜合運用知識的能力。

二、注重基礎知識，培養綜合能力

創新的源泉是基礎知識的深厚積淀以及對未知領域的不斷思考與探索，因此要想創新首先需要具備清晰的概念、扎實的基本功[3]。結構力學主要講解各種桿系結構受力和變形的計算方法，但若僅僅掌握了結構內力和變形的計算，還遠不具備創新的條件，還必須對各力學模型的基本概念、符號、基本計算公式所蘊含的物理意義有深刻的理解，并能正確、靈活地運用。

結構力學的學習重點和難點是超靜定結構內力分析部分，在講解該部分時，除了通過例題讓同學們掌握其基本求解思路、步驟等知識外，還需要將方程建立的條件、意義解釋清楚。只有這樣，學生才能具有利用已有知識解決新問題的能力。

當用力法求解圖3（a）所示的超靜定結構時，可選擇圖3（b）所示的基本體系。建立力法方程的條件為：原結構中A、B兩點間的水平相對位移ΔAB（即AB桿的軸向變形量）與基本體系中A、B兩點間的水平相對位移相等。

對于常見的排架結構EA=∞，即AB桿無軸向變形，原結構中ΔAB=0；基本體系中A、B兩點間的水平相對位移由P和X1共同引起，P單獨作用下引起的部分記為Δ1p，X1單獨作用下引起的部分記為Δ11=δ11X1，即基本體系中A、B兩點間的水平相對位移為δ11X1+Δ1p。此時，力法方程為：δ11X1+Δ1p=ΔAB=0。

僅僅到此為止的話，容易使學生在理解力法方程時產生力法方程的右邊項均為零的誤解。接下來，可以讓同學們建立EA≠∞時的力法方程。順著剛才的思路，同學們可以想到：由于EA≠∞，AB桿產生軸向變形，因此原結構中ΔAB≠0；而基本體系中A、B兩點間的水平相對位移仍為δ11X1+Δ1p。這樣同學們就可以比較深入地理解力法方程的含義了。

充分理解了力法方程的意義后，再學習支座移動或多種因素共同影響下的力法求解問題就容易得多了。

三、強化問題意識，刺激創新思維

傳統的教育注重“授業解惑”，經過了多年傳統教育的大學生已經由幼兒園時期的“問號”逐漸轉向畢業時的“句號”。偉大的科學家愛因斯坦曾說“提出一個問題往往比解決一個問題更為重要”。問題是創新的動力，只有在“問號”的不斷鞭策下，才有可能積極主動的思考，刺激創新思維的形成。

在教學過程中，適當組織一些討論課，作為教師可以拋磚引玉，提出一些問題讓同學們思考。例如在學習了非荷載因素作用下超靜定結構的受力分析后，鼓勵同學們思考若要降低非荷載因素在結構中引起的內力，可以采取哪些措施？再如，對圖3所示的結構，如何用最簡便的方法求出A點的水平位移。還可以鼓勵大家思考位移法和矩陣位移法的異同等等，這些問題可以培養同學們的發散思維能力和綜合能力。

然而，這還只是初步培養同學們創新思維的初步方法。創新思維的形成更重要的是鼓勵學生自己發現問題、提出問題，發表自己的見解、觀點，啟發學生腦、眼、口、多向交流，互動討論。例如某工業廠房的吊車要從5噸改為10噸，請同學們思考該結構設計中的結構內力計算問題，通過這樣的情景引導，有助于同學們主動思考、自己發現問題，并想辦法用所學知識來解決。

當然，更進一步的是鼓勵同學們發揮主觀能動性，在生活中廣泛觀察，積極思考，提出類似于“蘋果為什么落地”的問題，這類問題因其獨特、新穎且富有科學意義而彌足珍貴。也許很長時間內沒有同學能提出這樣的問題，但教學過程中我們鼓勵學生自由探索、積極思考，激發學生對問題、現象保持一種敏感性和好奇心，通過發散性思維擺脫思維的滯澀和定勢，形成自己的獨立見解，這樣的引導可以培養青年在站上巨人肩膀后迅速發現獨特風景的眼光，并作出獨到的解讀。

四、結束語

溫家寶總理在十一屆全國人大四次會議上的《政府工作報告》中明確指出“以高層次和高技能人才為重點，加快培養造就一大批創新型科技人才和急需緊缺人才[4]。”這既是對高校的重托，也為高校的人才培養指明了方向：在教學中重點培養大學生的創新意識和創新能力。創新意識和創新能力的培養沒有一個固定的模式，在教學過程中應結合學科和課程特點加以研究，并隨社會發展、科學進步不斷發展前進，堅持在創新中發展，在發展中創新。筆者根據自己的教學經驗探討了對《結構力學》教學中創新意識和創新能力培養的看法，相信只要我們堅持以“科學發展觀”為指導，努力提高自身素質，重視教學過程，激發學生興趣，注重基礎知識，強化問題意識，一定能培養出基本功扎實、再學習能力和創新能力強的社會急需人才。

參考文獻：

[1]鄔萱，吳文龍.實施素質教育，促進基礎力學教學創新——江蘇省力學學會教育科普工作委員會工作經驗介紹[C].力學課程報告論壇論文集，2008力學課程報告論壇組委會.北京：高等教育出版社，2009.

[2]龍馭球，包世華，等.結構力學-基本教程（第2版）[M].北京：高等教育出版社，2007.

[3]石志飛.對力學課程研究型教學中幾個基本問題的思考[J].力學與實踐，2009，31（6）：78-79.

[4]溫家寶.政府工作報告——2011年3月5日在第十一屆全國人民代表大會第四次會議上[M].北京：人民出版社，2011.

基金項目：《結構力學》國家級雙語教學示范課程項目（508043）

作者簡介：藺新艷（1979-），女，河南理工大學土木工程學院講師，博士，主要從事土木工程研究。