“新工科”背景下結構設計與實踐課程的改進

劉玉嵐, 彭齊馭

(中山大學 工學院, 廣州 廣東 510006)

近年來隨著我國經濟發展,以及互聯網、大數據、人工智能等新技術的出現,傳統工科教學已經不能滿足需要,國家開始大力發展和探索“新工科”。“新工科”主要指近年出現的新技術與專業交叉融合產生的新興專業,以及對傳統工科的升級改進,進一步提高人才培養的實踐性與創新性[1-2]。

實踐教學、信息化教學等新興教學理念早在幾年前便引起了廣泛的討論和實踐[3-6]。相關學者提出了與工程實踐相結合、教學手段多樣化、培養學生的計算能力及表達能力的想法[7-9]；不少課程已在實踐探索中, 使用微博或微信支持線下的課程學習[10-11]以及使用虛擬模擬軟件的力學教學[12]。但在實際教學過程中,引導學生自主創新,提高理論應用和實踐能力,還需要進一步地完善與成熟。

1 教學設計思路

結構設計與實踐教學是參照力學結構大賽的形式,讓學生通過軟件模擬設計，并實際制作承重模型結構,加強學生的理論應用和實踐動手能力。國內外的結構大賽以其趣味性和專業性吸引了廣大學生的積極參與[13],而本課程也以其趣味的形式和科學嚴謹的流程,吸引了較上次課程更多學生的參與。

本次課程為第三次開設。在上年的課程當中,設置了微信信息平臺,提高了學生信息交流、教學反饋和學習興趣。而本次課程,除了保留原有的材料強度測試、微信信息平臺等部分[14],增加了制作模型實驗橋的環節,使得在數值模擬的結果得到實際檢驗,并對計算所不能考慮的實際因素進行補充,完成整個結構的優化和升級。

而在軟件模擬的教學過程中,不同于上次課程的基本操作介紹,這次以實際結構比賽的模型為例子,教授學生如何選擇基本結構類型,確定結構的布置,細節改進等優化問題。

在桿件測試中,還鼓勵學生根據設計方案對特定規格桿件進行相應測試,以符合實際需求。

2 教學設計要求

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 mm到150 mm范圍內。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。要求分小組合作完成模型設計和制作,每組約5人。并提交相應的結構分析計算書和展示PPT。

本次課程的評分制度有所更改,加載成績仍由荷質比計算,但設計書分值占比提高到總成績的50%,增設加載極限預測誤差的占分項。主要是鼓勵學生更多地體會設計改進的意義和過程,而非單純關注結構承重結果,真正運用所學知識到實踐中。

3 教學設計過程

3.1 設計教學、桿件制作與線上信息交流

通過PPT講解基本的結構設計原理和力學理論的應用[15-16],以及現場演示桿件制作和親身實踐,大多數學生很快掌握了意粉橋設計的理論與實踐基礎。后續的信息共享和問題反饋也在微信平臺得到解決。

3.2 軟件數值模擬與設計

本次數值模擬教學采用SAP2000分析軟件,與上次課程不同,除了基本操作外,還分為選擇基本結構類型和結構優化2方面來講解結構設計分析。

3.2.1 選擇基本結構類型

基本結構類型有許多,根據后面材料強度測試中桿件抗拉不抗壓的性能,主要遵循在滿足形變要求的情況下,更多地使用受拉桿件的原則,以及考慮結構耗材量和結構復雜度是否手工允許等。

3.2.2 結構優化

最終結構的確定還要考慮結構的具體方案,需要考慮如桁架的布置,桿件的長度、粗細和拼接角度等。而軟件模擬恰恰使得學生不需要耗費精力去實際制作,就能得到不同方案的優劣比較參考。

3.3 材料強度實驗

本次教學主要測試意粉桿件的抗拉、抗壓和抗彎強度。

3.3.1 抗拉強度實驗

測試桿件每小組至少要測試3組不同截面形狀和尺寸的意粉桿件,由儀器夾持加載測試,自動讀取示數。同種尺寸桿件一般要測試3根。測得桿件平均每根抗拉強度,根據不同截面在20～40 N。

在本次材料強度實驗中,更加鼓勵學生根據作品設計需求,額外測試特定規格的桿件強度。而實際由于橋梁跨度大于單根意粉長度,其中的長桿件需要拼接處理,這就需要考慮實際不同拼接方法后的實際桿件強度。

3.3.2 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。測試桿件長度至少包括10 cm和15 cm 兩種規格。與上次課程不同,本次課程各小組還要求測試20 cm桿件的抗壓能力(由于儀器限制,無法測試過長壓桿),同時鼓勵根據設計需求測試不同長度的桿件強度。

事實表明,這種測試非常有必要。根據學生測得的數據(見表1),同等截面桿件長度由15 cm變成20 cm,平均單根意粉抗壓能力下降了約50%。

由表1也可以看出,不同截面同樣長度桿件的平均每根抗壓能力也不同。在同樣長度下,3×3截面平均單根意粉抗壓強度是2×3截面的2倍左右。

表1 意粉桿件抗壓強度實驗結果

3.3.3 抗彎強度實驗

測試一定跨度下桿件三點彎曲的抗彎強度。通過測試不同截面的桿件,獲得不同截面桿件的抗彎強度,以考慮在計算所得應力下,所選桿件是否能承受彎矩。

3.4 模型結構實驗

模型實驗為本次課程新增內容。由于在實際結構中,有許多計算所不能模擬或無法考慮的因素,因而需要通過實際結構模型進行實驗。

3.4.1 結構穩定性

顯然,對于壓桿失穩的問題,是軟件模擬所不能得到的。如果說單根長細桿在失穩限制下的極限強度可以由桿件測試獲得,那整體結構的穩定和扭轉等問題就必須通過實際實驗得到。因為不同桿件粗細,角度和維持穩定的桿件多少,都有可能導致結構破壞的不同。

第二組在橋梁正面梯形中位線處添加輔助桿件以防止梯形兩腰壓桿失穩。而在實際實驗情況下,承載力的確有所提升,但會出現另一個問題。如圖1所示,由于橋梁正面添加維穩桿件后,上下幾何形狀仍為梯形,整體幾何穩定性不足,最終四邊形失穩受到破壞。這也是在立體結構中軟件所不能定量模擬的整體結構的穩定問題。

圖1 橋梁失穩破壞

3.4.2 復雜應力狀態

由于實際結構在加載過程中是受到拉壓、彎曲、剪力等同時作用,而單向拉壓等簡單強度實驗并不能完全模擬實際情況。雖然桿件結構以軸力為主,但在局部有可能受到較大彎矩或剪力的影響,需要通過實際模型加載驗證。

第五組在制作實驗橋梁時,一方面由于儀器限制,尚未測試所有規格桿件的強度,另一方面在復雜應力環境下,制作出相對保守的模型。而經過實際加載后表明,壓桿和拉桿都未充分利用。因而最終作品減少了壓桿和拉桿的用料,作品達到標準滿載的同時,減輕了重量,提高了荷質比。

3.4.3 實際制作因素

在實際制作過程中,還必須考慮手工誤差、拼裝方式和細節處理等問題。

在第三組的實驗加載過程中,小組成員發現結構最終破壞位置為頂部橫桿和斜桿的連接處。原因是斜桿與橫桿的接觸面積小,且難以完全貼合,錨固程度小于桿件抗壓和抗彎能力,從而受到破壞。因此小組成員在之后對接觸位置進行打磨貼合以及貼片處理,增大錨固強度,在最終加載中以非節點破壞完成。

4 教學設計結果

4.1 最終加載結果

表2為本次課程最終加載結果。值得一提的是,對比上次課程的加載結果(如表3),可以看到,本次課程所有組別的標準荷質比都要比上次課程的要高,平均成績提高42%。說明本次加入的結構模型實驗環節在較大程度上彌補了計算模擬的不足和更多考慮了實際因素帶來的影響,不但提高了學生作品的成績,而且充分讓學生體會到實際操作與理論的不同與聯系,提高了學生的理論應用和動手實踐能力。另外,補充說明,極限荷質比較小是由于較多根意粉黏合的單位面積強度要比較少意粉的桿件要高,從桿件強度測試數據可以看出。

表2 本次課程各組加載結果

表3 上次課程各組加載結果

4.2 結果分析

各組模型見圖2,從左至右依次為第一、二、三、四、五組。

圖2 最終各組加載模型

經過實驗模型橋后,各小組都對自己的結構有了相當的了解并彌補了各自的缺陷。

除了第四組由于時間問題未來得及完成實驗橋,導致橋梁過重,其他小組標準荷質比都較好。

第二和第三小組在實驗模型橋當中都由于側面壓桿失穩破壞,而底部拉帶未充分利用。因而在最終加載中減少了拉帶的材料,因而最終加載值較小。

第五組在舍棄了較復雜的桁架結構后,并通過模型橋實驗確定了適當的桿件規格,最終得到不錯的成績。

5 教學成果亮點與不足

5.1 較完善的理論與實踐結合的結構設計流程

在原有軟件數值模擬、材料強度測試的基礎上,加上模型加載實驗,彌補了理論計算所未考慮的實際因素,進一步完善了結構設計的流程。這樣不但優化了學生的設計方案,還培養了學生理論與實踐相結合的研究。

5.2 較深入的軟件模擬分析與創新教學

本次數值模擬軟件教學除了基本的結構應力分析外,還進行了特別教學結構基本類型的比較以及具體結構優化的問題,引導和鼓勵學生對不同結構方案進行優化,激發學生的思考分析和設計創新能力。

5.3 激發學生的興趣與熱情

意粉橋承重的考查方式提高了學生的興趣,本次課程吸引了更多的學生參與,同時使得各小組內互相協作與討論熱烈,激發了學生自主學習和創新意識。

5.4 充分鍛煉學生的手動實踐能力

通過實踐操作,較大提高了學生的動手實踐能力。各小組自行摸索出模具桿件制作法、圖紙拼裝法、尺規拼裝法等實際模型制作方法。不但將理論應用于實踐,更加在實踐中找到實施的有效方式,促進學生向具備理論知識與實踐能力雙方面的綜合型人才發展。

5.5 信息共享與互動平臺

本次課程同樣設置了微信資源信息共享平臺。通過發放課程動態,在線討論和課程反饋,不但及時調整課程安排,還激發了學生的興趣和靈感,以及拉近了師生關系。

5.6 測試儀器限制

由于實驗儀器并非專業用于意粉強度測試,因而在精度和尺寸上會有所限制。如有部分小組因為桿件兩端未能很好夾持而無法進行特定桿件抗拉性能的測試。而在抗壓測試時較難使意粉完全垂直于加載面。

5.7 結構設計指導仍可提升

學生設計的結構基本框架仍然偏相似,說明不同結構的講解和引導仍然不足。可以看到,雖然小組在設計中有過桁架結構等方案,最終偏向于更穩定的梯形拱橋方案。一方面可能由于同樣的題目,對師兄師姐的經驗有所借鑒。另一方面可以加強對不同結構類型的視野拓寬,以及更多鼓勵學生進行不同的嘗試與創新。

6 結論

本次結構設計與實踐課程中,有趣的意粉橋設計形式激發了學生較高的熱情和創造性。而數值模擬與實際實驗相結合的科學流程,還培養了學生的良好科學素養和科研習慣。整體設計與制作過程中還鍛煉了學生的理論應用,手動實踐,信息交流和團隊合作能力。

在改進的軟件數值模擬教學過程中,學生不但學會了基本的結構受力分析,還通過比較不同方案,優化設計和模擬解決實際問題,促進了學生的自主思考、設計能力和創新意識。

而在新增的模型結構實驗環節,學生更能學會考慮更多實際因素,提高了理論應用和實踐動手能力。實際最終模型加載荷質比相對上次課程平均提高42%。

課程仍有如測試儀器限制等缺點,但整體效果良好,值得繼續完善和推廣。