信息時代下的“結構設計與實踐”實驗教學創新

劉玉嵐， 彭齊馭

(中山大學 工學院， 廣東 廣州 510006)

現今全國高校正在積極進行教學的改革與建設[1]，原本一些陳舊的教學方式已經漸漸跟不上新時代學生的需求。而一些新的實驗教學、信息教學的理念[2]開始出現在大家的眼前。

實驗教學對提高學生科學素質和創新能力有著重要作用[3]。同時隨著改革的深化，對實驗教學提出了更高的要求[4]:培養學生主動學習探究的氛圍和能力，而非單純按照步驟完成實驗；培養學生常態的探究思考的科學思維；培養學生通過虛擬軟件來進行實際的模擬能力等。

對于教學改革的深化，許多學者也提出了許多想法[5-7]:與工程實踐相結合；教學手段多樣化，如結合現代信息媒體手段進行教學；學生的計算能力的培養；表達能力的培養等。已有相關課程的實踐案例:如使用微博或微信支持下的課程學習[8-9]以及使用虛擬模擬軟件的力學教學[10]等。這些課程都取得了一定的成果，可以進一步提高學生對課程學習的興趣和主動性，乃至提高交流和自主設計的能力。

1 教學設計思路

本次“結構設計與實踐”實驗教學借鑒了力學結構大賽的方式。一直以來，國內外的結構設計大賽吸引了無數學子的關注與熱情參與[11]。本次“結構設計與實踐”課程設置了意粉橋設計方式來進行實驗教學，不但大大地增加學生的興趣，而且通過數值計算模擬和現實制作相結合的方式，培養了學生的計算能力及自主學習和思考能力，更能通過軟件模擬和實際對比，深層次地提高學生理解和運用力學的知識在工程的應用[12-13]。另一方面我們還設置了微信平臺，在平臺上進行問題的討論，通過交流和開放教學資源，使學生能夠及時解決疑難，互相協作，提高積極性，而且對教學情況能夠得到真實的反饋，使教師能及時改進教學，提高教學質量。

本次課程為第二次開設，增加了軟件講解、桿件制作培訓和桿件強度測試等內容，使整個教學更加嚴謹、完整和科學，培養了學生從材料強度檢測、結構設計、軟件模擬，到實際制作的完整的貼近工程背景的結構設計過程和嚴謹科學的研究程序，使學生的能力獲得了進一步提高。

2 教學設計要求

本結構設計的題目是使用最少量的意粉設計并制作一個橋梁模型，要求橋梁跨度不得小于600 mm，寬度不得超過100 mm，高度在100～150 mm之間。加載時在橋梁中間放置一塊寬100 mm的木板，并把砝碼置于木板之上進行豎向加載。標準加載上限為6 kg，極限加載沒有上限。

實驗教學分小組合作完成模型設計和制作，每組4人，實驗結果要求提交相應的結構分析計算書和展示PPT。

3 教學設計過程

3.1 設計教學、桿件制作與計算軟件使用

第一次課程教師通過PPT講解結構設計的基本理論與思路、SAP2000等計算軟件演示，學生模仿練習，接著教師現場制作桿件，啟發性示范，學生親身實踐。通過實驗課大多數學生很快掌握了意粉橋設計的理論與實踐基礎。

3.2 材料強度測試實驗

由于意粉橋結構大都由桿件結構構成，因此本次實驗教學主要測試桿件的抗拉、抗壓和抗彎性能。

3.2.1 抗拉強度實驗

測試桿件截面形狀主要為2×3根意粉，而長度根據經驗取10 cm，直接由儀器夾持加載測試，自動讀取數據。同種尺寸桿件一般要測試3根。

3.2.2 抗壓強度實驗

抗壓實驗由測試鋼片拉伸強度的裝置改裝，通過應變儀記錄荷載示數。本次測試桿件長度至少測試10 cm和15 cm 2種規格的桿件。有興趣的學生可以額外測試不同長度桿件強度。

3.2.3 抗彎強度實驗

由于條件限制，本次實驗只能測試3點彎曲下的抗彎強度。通過測試不同截面的桿件，體驗不同截面對抗彎強度的影響。

3.2.4 結果與分析

抗拉強度測試中，2×3和3×3的10 cm桿件平均抗拉強度分別為7.12 N/mm2和6.31 N/mm2

抗彎強度測試中，2×3和3×3桿件平均極限彎曲切應力分別為0.54 MPa和0.25 MPa；而截面形狀為3-1-3工字梁的桿件則為1.812 5 MPa。

值得一提的是抗壓測試的裝置是改裝的，其結果可靠，表1為第三組實驗結果。

表1 抗壓實驗結果

對比抗拉實驗可知，意粉的抗拉性能顯著大于抗彎和抗壓，但是，當意粉的長度低于或等于6 cm時，可以不考慮失穩狀態，此時意粉的抗壓性能顯著提高。因此，學生在意粉承重橋的結構設計過程中，盡量使意粉受拉；當長度較短時候，可以考慮其受壓。

3.3 微信平臺資源共享與互動

3.3.1 課程資源共享

通過線上提前通知學生上課準備和要求，使學生能夠提前預習和更加順利地完成實驗，如圖1(a)，課后還能夠獲得及時的課件資源，對初學的學生可以進行知識鞏固。

圖1 微信平臺資源共享與互動

3.3.2 小組間信息共享

由于每個小組進行的測試有限，單獨一組獲得的數據不能夠很好地探究不同桿件的區別，通過小組間信息共享，能夠很好探究桿件的強度屬性，如圖1(b)所示。

3.3.3 學生與教師互動與協調

通過線上平臺，學生及時反饋教學情況與意見，教師及時解決學生遇到的問題，促進教學良好進行，大大提高學生對課程的親切感和學習興趣，如圖1(c)所示。

3.3.4 學生間討論交流與協作

線上平臺提供給學生間對各種問題的討論與交流，促進了靈感的碰撞與創造。同時還能夠通過線上平臺直接協調各小組間工作的時間，使得資源更有效地利用，如圖1(d)所示。

4 教學設計結果

各組加載結果如表2所示。其中第4組為魚腹桁架結構，壓桿較短，不存在失穩問題。但材料使用過多，自重過大，優點是整體創意頗佳。

表2 各組加載結果

另外幾組采用的是梯形結構，相當于魚腹梁的另一種形式，只是魚腹縮小為底部拉桿，而魚背則相應伸長。這樣壓桿的長度會增加，存在失穩的憂患，需要輔助桿保持穩定性，但勝在簡單易拼接。

顯然第1組模型破壞原因是梯形腰處的斜桿長細比過大，使結構失穩破壞。

而第2組顯然在兩側添加許多細小的輔助桿件，并黏合在斜桿內。整體粗細有致，總體上穩定性和強度都很好，然而最終仍無法避免豎向的失穩問題。建議在斜桿中點和下方拉桿之間拼接桿件，以保證豎直方向上的穩定。

各組制作的模型見圖2。

5 教學成果亮點與不足

5.1 教學成果亮點

(1) 信息共享與互動平臺的構建。通過微信平臺即時發播課程動態，在線互動討論得到了學生的喜愛。學生能夠提前做好下次實驗準備，若課程信息有改動也能及時獲知。微信平臺對各方面的問題都能及時反饋，使得實驗課能夠良好地進行。微信平臺還提供機會跟其他組員共享信息和討論設計方案，激發大家更多的學習興趣和靈感，與教師的互動也拉近了師生的關系。

(2) 規范科學的實驗探究。相較于上次的實驗課，本次結構設計課特別增加了桿件的抗拉抗彎抗壓的測試，加深結構從設計到誕生理論實驗基礎的認識。而實際上許多小組也從實驗數據中得到設計和改進模型的啟發，比如大多數小組使用的3×3桿件而非2×3桿件，因為抗壓時更不容易失穩。定量的測試更能使學生的設計更加精準和預估承載能力，真正學會設計而非只是模糊地定性分析。實驗教學因而也更加科學。

(3) 深刻理解并應用理論知識來進行設計。對以往學習中不能夠深刻理解的知識，在這次結構設計實驗中都會得到深入理解并應用，如高寬比對壓桿平衡的影響，平時只是單純的公式數字，而此時根據實驗，桿件3×3比2×3的抗壓效果好，因為3×3截面窄邊比2×3大，而桿件從15 cm縮短到6 cm后，抗壓能力又會大幅提高，比增加截面窄邊長度增幅還要大。另外第一組最終設計疏忽了這一點而造成極限荷載遠低于別的組，也讓組員印象深刻。

(4) 創新能力的激發與培養。在現實生活中我們知道有一種抗彎剛度很好的工字型截面梁，但突破一般2×3、3×3截面，引入創新的3-1-3工字梁截面還是首次。因而我們在教學過程中，讓學生學會觀察生活、取材現實、活學活用，起到了激發學生創新意識的作用，而且能夠在實踐中找到如何制作工字梁的辦法，是理論與實踐的一次完美結合。

5.2 存在的不足

(1) 實驗器材不夠精準。由于這次實驗器材并非專門用于意粉強度測試的器材，而意粉易脆和質地不一也給實驗造成了一定難題。如壓桿測試時較難使意粉完全豎直固定，還有抗拉測試時可能由于受力不均，桿件在靠近夾持端破裂。

(2) 測試組數不足。由于課程時間有限，不可能每組桿件都測試10組以上。再加上學生個人手工差異，較難保證數據都是可靠，僅能通過不同小組之間互相對比，得到合理結果。

6 結語

在本次實驗教學實踐中，采用意粉橋設計的方式激發了學生較大的興趣和主動性，而且涌現出許多有創意的模型結構和力學設計。在設計過程中，通過軟件對結構的虛擬模擬分析和設計，提高了學生結構分析和計算能力。同時通過實驗橋梁的制作和測試，改變了單純依靠理論和參數進行計算機模擬的學習方式，培養學生實際動手能力和通過實驗考慮實際因素下改進模擬結果的能力。而在團隊合作的經歷中，又鍛煉了學生合作意識與協作學習的能力。

本次教學新增加的桿件強度測試的內容，完善了結構設計的流程，學習中能夠考慮更多其他實際因素，使學生能夠更大程度地將理論知識與實際更緊密地聯系在一起，給了學生更多的創意發揮空間。

線上平臺的互動也使學生的想法得到更快速的分享和討論，促進了進一步創新與實踐的開展。而產生的問題也能及時通過線上及時解決，提高了實驗教學的質量。

References)

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