基于趣味性和概念性的結構力學教學改革

李效民

摘要：本文根據教學實踐及結構力學課程的特點，對結構力學趣味性和結構力學概念性培養的必要性進行了論述，對趣味性和概念性的實現方法進行了探討，為激發學生學習興趣和探索精神，培養結構力學概念提出了相關的意見和建議，以期為提高結構力學的教學藝術和教學效果提供一定的參考。

關鍵詞：結構力學；趣味性；概念性

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）05-0124-02

結構力學是土木工程、機械工程、水利工程專業及工程管理、環境工程等相關專業的一門相當重要專業基礎課，是進入專業課程學習前的一門核心課程。學習結構力學的主要任務和目標是在對平面桿系結構分析計算涉及的基本概念、基本原理和基本方法掌握的基礎上，了解連續梁、剛架、桁架等各類靜定和超靜定結構的受力特性，培養學生在結構建模、分析和計算等方面的能力，從而為合理設計工程結構打下堅實基礎。當前《結構力學》教材版本眾多，相較于很多課程教材具有內容全面深入、涉及計算方法眾多、敘述邏輯嚴謹且層次分明的要求與特點。然而也正是由于這些要求及特點，一方面學習結構力學，學生普遍存在畏難心理，另一方面長期以定量計算為主的教學模式，造成相當一部分學生過度關注計算過程和計算結果，而對于計算結果正確與否卻無從判斷。本文基于教學實踐及結構力學課程本身的特點，從結構力學趣味性學習和概念性培養兩方面對傳統結構力學教學模式提出一點改進建議。

一、結構力學趣味性的培養

1.結構力學趣味性培養的必要性。一門課程的學習，如果不能激發學生的學習興趣，那么即使該課程再重要，也很難取得良好的教學效果，教學目標亦很難實現。那么，結構力學到底有沒有趣味？我的答案是有趣，而且相當有趣。結構力學的趣味性來源于很多方面，既有其研究對象的多樣性，包括連續梁、剛架、拱、桁架及組合結構等，又有研究內容的系統性，還在于其研究方法的邏輯縝密性、解題方法和思路的靈活和多樣性。學好結構力學課程，既能積累必要的知識，又能啟發心智、鍛煉思維，開拓視野、提高能力，為今后的學習乃至工作打下良好基礎。因此，要想取得上述效果，一個重要的問題就是教師“怎樣教”和學生“如何學”。一門有趣的課程，不見得人人都覺得有趣，學生如此，教師未必不如此。其中教師是主導方面，因此在教學過程中有意識地對結構力學趣味性加以論述和使用是很有必要的，主動去調動學生的學習結構力學的興趣。

2.如何培養結構力學趣味性。要培養學生學習興趣，講好緒論很關鍵。一般來說，學生對于一門新課程的學習最初是抱有很大好奇心的，學習熱情也比較高，因此很想知道結構力學這門課程主要研究對象是什么，主要的研究內容和研究方法有哪些，通過學習結構力學最終能解決什么問題，這些疑問在第一章緒論中都應該有很好的初步解答。也就是說講好緒論部分是至關重要的，決不能認為本章由于沒有實質性的內容，一帶而過，必須將緒論部分的講解提升到很高的高度，讓學生對結構力學有著很好的第一印象。

學生對學習結構力學的熱情和好奇心若是在整個學習過程中有很好的保持，學習就會取得事半功倍的效果，因此作為結構力學老師應該能夠善于調動并激發這種情緒。講解中可以首先從追溯結構力學發展起源及發展歷程開講，將結構力學在日常生活常識和大量標志性建筑物中的應用進行論述，使學生明白結構力學理論源于實踐又用于指導實踐，結構力學在工程結構設計中發揮著最重要的理論指導作用，是極其有用和有趣的一門課程。還有一點很重要，就是在教學過程中通過各種例題和結構的講解讓學生懂得，在看似枯燥乏味的公式和原理背后實際上結構力學之美無處不在。包括結構力學的中結構的對稱性、方法的簡潔性、原理中存在的對偶性等，作為教師要能夠把這種趣味性講解出來，讓學生發現結構力學之美，激發學生學習結構力學的興趣。

3.結構力學趣味性舉例。幾何組成分析是結構力學中首先要講解的內容也是其中一個很重要的章節，其應用貫穿于后面所有分析之中。要讓學生明白實際工程是通過將一根一根桿件或者部件“組裝”起來的過程，通過一根根桿件組裝成小的剛片，然后再將多個剛片組裝成更大的剛片或者結構。而結構力學內力的求解過程則是與其組裝過程完全相反的一個過程，也就是一種逆求解，是一種“拆分”的過程，從整體到各個部分這一拆一裝的過程就表現出非常完美的對偶性。一個最直接和簡單的例子就是采用節點法對于桁架結構的求解中，其求解過程就是按照在幾何組成分析中的二元體組成規律的反順序進行求解。再比如對于連續多跨梁的幾何組成分析是先固定基本部分然后再固定附屬部分的一個過程，同樣在其內力的計算分析中則是從附屬部分到基本部分的組成分析逆順序的逐步“拆分”的一個過程。

力法和位移法是求解超靜定結構的兩種最基本的方法，是結構力學學習的難點和重點，亦是考試必考內容，學生普遍反映分析思路和計算步驟相當繁瑣，很難掌握。因此在教學過程中可以從兩種方法在基本原理、基本未知量、基本結構、基本體系、基本方程及應用范圍等方面進行對比，讓學生明白兩種方法存在的這種對偶性，了解雖然這兩種方法外在表現差異巨大，基本思想卻存在一致性，要求解超靜定結構先取一個基本體系，然后讓基本體系在受力方面和變形方面與原結構完全一樣，即都是先將所要求解的超靜定結構修改為已能夠求解的靜定結構或者單根桿件體系然后再將其恢復到原結構體系，也就是受力或變形要保持一致。

二、結構力學概念性的培養

1.結構力學概念性培養的必要性。傳統的經典結構力學讓我們相信，只要采用的基本計算原理準確，計算步驟和方法正確，那么計算結構將必然是正確的，也就是說任務由于所計算的結構體系是唯一確定的，那么計算結構也必然是唯一的，不存在多個結果的可能性，因此就對計算結果的正確合理性缺乏校核驗證。而實際結構往往是十分復雜的，將結構力學教材中的理論知識直接應用于實際結構的模擬計算是一件很難完成的任務。

同時隨著時代的發展進步，當前設計院對學生將所學到的專業知識直接應用于實際問題的解決提出了很高的要求，對計算機應用能力提出了新的要求。計算機計算能力的提升肯定是一件好事，滿足了學生對復雜結構求解計算的雄心。同時新的問題也隨之出現，一是對得到的結果缺少評判依據，二是對兩種數值計算模型所得結果的差異來源無從判斷，三是對計算機所得出的大量數據很難提取有價值的信息。由于對結構計算過程中涉及基本原理的選取、計算方法、不同軟件的選擇、結構體系和載荷的確定以及使用者的主觀原因，計算結果有差異甚至是錯誤是必然會出現的。而能夠檢驗判斷這些錯誤的原因，不是基本原理和計算方法，也不是計算機本身，而只能是設計者自己，所以概念判斷能力的培養和提升是極其重要的。

2.結構力學概念性的培養。如何培養學生對一個結構計算結果定性判斷即從結構概念上的這種判斷能力呢？筆者認為主要來自兩方面，一是來自傳統結構力學知識，再一個就是來自基于軟件本身的計算結構力學。在學習傳統結構力學知識時，不只是要重視涉及的基本原理和方法，更要對結構本身及其載荷條件的變化格外關注，尤其是要對結構體系隨著載荷邊界條件的改變之后的變化趨勢進行總結，從而逐步形成概念判斷的習慣，達到應用結構力學知識的目的。

培養結構力學的概念性，就要從傳統結構力學中剔除那些不適合的內容和方法。傳統結構力學更側重理性思維，突出強調約束與反力之間的等效關系；而概念結構力學偏向于對結構的直觀感覺，注重在計算之前從整體上把握結構的類型和特征。傳統結構力學教學中經常把受力與結構變形分離開來，受力方向可以任意假設；而概念結構力學則對結構受力變形規律更加注重，受力方向最好是其真實受力方向。

三、結語

要想讓學生學好結構力學這門課程，首先要讓學生對其懷有濃厚的興趣和強烈的好奇心，使學生能夠通過在發現問題、解決問題過程中獲得滿足感，從而進一步激發學生的學習興趣。同時在教學過程中，注重結構力學概念性的培養，從而力求達到理論與實踐的結合。因此，作為結構力學教師來說激發學生學習結構力學的興趣、培養學生在分析結構中的整體概念性非常重要，若是能夠做好這兩點對提高結構力學的教學就能起到事半功倍的效果。

參考文獻：

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