結構模型設計與制作在土木工程課堂教學中的應用研究

霍海峰+于鴿+陳旭

摘要：結構模型設計與制作富有創造性和挑戰性，在土木工程課堂教學中引入結構模型設計與制作可以有效激發學生的求知欲望，并鍛煉其實踐能力。本文對土木工程課堂教學中引入結構模型設計與制作的可行性進行了分析，并對具體實施過程進行了探討。

關鍵詞：第二課堂；結構模型；實踐能力

一、背景

土木工程是具有較強應用性和實踐性的專業，其要求教師在教學中重點培養學生的工程應用能力。而傳統的教學模式在教授學生專業技能時往往過多關注理論知識的講解，較少對實踐環節進行專門訓練。其弊端主要體現在兩個方面：第一，教師的課堂教學和實驗設計多表現為對教材的生搬硬套，缺乏對學生進行工程環節的鍛煉；第二，學生缺乏對實物進行觀察、分析和認識的過程。

新時代的土木工程師面臨著越來越多的挑戰，對高校土木工程專業培養應用型人才提出了更高的要求。因此，教師在教學過程中需要創新實踐項目的訓練設置，將第一課堂與第二課堂結合起來，使學生在創新實踐中獲得新的體驗。

二、引入

結構模型設計與制作作為一種創新實踐訓練方式，是實現土木工程專業個性化教育的有效手段，這種方式打破了傳統的“教師主講、學生主聽”的被動教學模式，轉為“教師指導、學生動手”的創新型和實踐型應用人才培養模式。在結構模型設計與制作過程中，土木工程專業的學生將承擔三種不同角色的任務，分別為建筑師、結構師和施工員。結構模型從最初的建筑設計到結構受力分析、承載變形能力驗算，再到模型的制作與加工，均由學生獨立創作、親自實施。

結構模型設計與制作的學習不僅是學生的學習過程，也是專業教師的教學研究過程。其可促進理論與實踐、教學與應用的有機統一，促進專業教師由知識講授者向創新實踐引導者的角色轉變。

三、要求

結構模型設計過程中，教師需根據學生掌握的力學知識確定設計題目、設計內容及相關要求，并提供手工加工的相關材料。在教學過程中，教師應做到以下幾點：

首先，加強學生對所學知識綜合應用的能力。比如在結構力學課程的教學過程中，增加學生對常見構件受力分析的練習。教師根據學生工作后可能會用到的知識和技能，科學合理地設計講授內容。

其次，教學應理論聯系實際，對知識點的講解不能僅停留在書本、圖片和視頻中。教師應盡可能地讓學生接觸實際工程中的構件，且這種與工程實際接觸的機會并不僅僅局限在實習課中，而是滲透在平時的課程中，使學生更容易認識到理想模型和實際結構之間的區別。

最后，對制作構件各種材料的力學性質進行講解，并教授基本的制作技巧。教師可以引入競爭機制，把學生分為幾組，每組有組長和組員。各組需在規定時間內利用規定的材料自行設計并制作構件，而教師應將更多的精力放在對學生結構設計的指導上。

四、實施

土木工程課程的考核方式是讓小組設計并制作結構模型。每小組4名學生。各組分到相應的題目后，首先，應對題目進行獨立思考，對驗收標準進行認真分析。其次，需查閱相關文獻，獨立設計并制作結構模型。期間遇到知識難點，需與教師溝通解決，在規定時間內完成作品，并進行答辯驗收。答辯時每人匯報自己的工作量，教師根據工作量給分，結構模型制作及相關材料的準備占該課程總分數的10%左右。考核內容主要包括三個方面的內容。第一，結構體系的造型設計。利用白卡紙、竹皮、竹條、白膠和硫酸紙等材料設計并制作結構模型，主要從所制作結構模型的造型、構思及體系的實用性、適用性和創新性方面評分。第二，方案圖紙、設計說明等材料。主要包括設計方案圖紙、計算過程和設計說明等。其中方案圖紙應包括整體結構圖、詳細結構圖和成本核算；計算過程應包括工程概況、設計依據、設計原則、工程材料、設計荷載、計算方法、模型建立以及參數選取，并重點對軸力圖、彎矩圖和剪力圖進行分析，在此基礎上進行承載能力驗算；設計說明主要針對方案的布局、功能和選型方面的細節進行說明。最后，對方案圖紙、計算過程和設計說明的完整性及正確性進行評分。

典型結構模型的設計與制作可以為學生搭建第二課堂平臺，使學生充分發揮想象力，在有限時間內利用最少的資源完成所布置的任務。不論是結構模型的概念設計、造型設計、計算書制作，還是最終的設計報告和陳述答辯，均對學生實踐能力的提高有較大幫助。

五、展望

結構模型設計與制作是一項極富創造性和實踐性的工作，其能夠提升學生學習的主動性。在參與過程中，學生主動分析考題，并根據所學到的知識進行初步規劃和方案比較，發現各自的優勢和弊端。結構的設計計算過程是對學生所學知識的檢驗，可促使學生更深入地認識問題的本質。在結構設計計算過程中，學生能夠對特定結構的力學性能有更加深刻的掌握，并對工程中常見構件的特點有較全面、深入的了解。

參考文獻：

鄒海貴，常立農.大學生科技創新活動的內涵、特征及價值探析[J].南華大學學報（社科版），2002，3（4）：13-15.endprint