以創(chuàng)新為導(dǎo)向的“結(jié)構(gòu)力學(xué)”實(shí)踐教學(xué)體系研究★

張艷敏 溫立平 王素莉

(防災(zāi)科技學(xué)院土木工程學(xué)院，河北 三河 065201)

隨著時(shí)代的發(fā)展，社會(huì)和行業(yè)對(duì)人才的要求越來越高，基礎(chǔ)知識(shí)厚，實(shí)踐能力強(qiáng)，上手快的應(yīng)用性人才日益受到用人單位的青睞。傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)力學(xué)的教學(xué)圍繞課程的理論體系開展，比較注重理論知識(shí)的系統(tǒng)性講授，忽視理論知識(shí)與工程實(shí)踐的結(jié)合，嚴(yán)重影響了課程的教學(xué)效果和創(chuàng)新型人才培養(yǎng)質(zhì)量。我院結(jié)構(gòu)力學(xué)課程組的老師以培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神為導(dǎo)向，積極進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)體系的研究和探索，形成了以實(shí)驗(yàn)教學(xué)為基礎(chǔ)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽為提高的實(shí)踐教學(xué)體系建設(shè)雛形。

1 建設(shè)結(jié)構(gòu)力學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目庫，開展課內(nèi)及課外開放性實(shí)驗(yàn)

實(shí)踐教學(xué)是結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)中的重要組成部分，和理論教學(xué)相輔相成，不可或缺，而實(shí)驗(yàn)教學(xué)則是其最基礎(chǔ)核心的內(nèi)容。學(xué)生通過自己動(dòng)手操作完成實(shí)驗(yàn)，得到既定的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，甚至親自設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)以解決自己不懂的問題，不僅可以牢固地掌握知識(shí)，加深對(duì)知識(shí)的理解，還能激發(fā)學(xué)生自主探究的興趣，點(diǎn)燃學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)力學(xué)的激情。

結(jié)構(gòu)力學(xué)課題組的老師為豐富實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，滿足實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要，建設(shè)了實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目庫。項(xiàng)目庫包含實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目500個(gè)以上，內(nèi)容主要為結(jié)構(gòu)模型靜動(dòng)力實(shí)驗(yàn)、結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器應(yīng)用類實(shí)驗(yàn)、工程實(shí)際項(xiàng)目建模實(shí)驗(yàn)及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)類實(shí)驗(yàn)(含結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽賽題)等四個(gè)方面，其中除包含基本理論相關(guān)的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)外，多數(shù)為綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)，給學(xué)生提供多重選擇。

“他山之石，可以攻玉”。在吸收其他院校實(shí)驗(yàn)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，我院開展了結(jié)構(gòu)力學(xué)分層次實(shí)驗(yàn)教學(xué)。針對(duì)不同程度學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，將結(jié)構(gòu)力學(xué)實(shí)驗(yàn)劃分為限制必修實(shí)驗(yàn)和獎(jiǎng)勵(lì)選修實(shí)驗(yàn)兩個(gè)層次。

限制必修實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)，共8學(xué)時(shí)，在課內(nèi)開設(shè)，分別為靜定桁架模型靜載實(shí)驗(yàn)、超靜定剛架模型靜載實(shí)驗(yàn)、結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器應(yīng)用實(shí)驗(yàn)、模型共振及隔震演示實(shí)驗(yàn)和多自由度體系的模態(tài)測試實(shí)驗(yàn)，要求全體學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)成績計(jì)入課程考核成績；獎(jiǎng)勵(lì)選修實(shí)驗(yàn)則開設(shè)為課外開放性實(shí)驗(yàn)，多為綜合設(shè)計(jì)性或創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)，主要為滿足對(duì)結(jié)構(gòu)力學(xué)實(shí)驗(yàn)有濃厚興趣的學(xué)生需要開設(shè)，而開放實(shí)驗(yàn)并不計(jì)入學(xué)生的學(xué)分中，為調(diào)動(dòng)學(xué)生積極性，參與完成實(shí)驗(yàn)的同學(xué)可給予適當(dāng)?shù)钠綍r(shí)成績加分，此為“獎(jiǎng)勵(lì)”之含義。

因我院結(jié)構(gòu)力學(xué)課程分兩學(xué)期開設(shè)，故開放性實(shí)驗(yàn)也是每學(xué)期都有，且實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與每學(xué)期的理論教學(xué)內(nèi)容相協(xié)調(diào)。春季學(xué)期開放實(shí)驗(yàn)主要為結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器應(yīng)用類實(shí)驗(yàn)和結(jié)構(gòu)模型靜載實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目遍及幾何構(gòu)造分析、靜定及超靜定結(jié)構(gòu)計(jì)算、影響線、位移計(jì)算等內(nèi)容，有效補(bǔ)充了學(xué)生學(xué)習(xí)理論基礎(chǔ)知識(shí)不扎實(shí)，自我檢驗(yàn)校核能力的不足。秋季學(xué)期則為結(jié)構(gòu)模型動(dòng)力實(shí)驗(yàn)和工程實(shí)際結(jié)構(gòu)建模實(shí)驗(yàn)，此時(shí)學(xué)生已具備初步的理論分析計(jì)算能力，則開放實(shí)驗(yàn)著重在培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)際應(yīng)用能力。針對(duì)實(shí)際工程案例，力學(xué)簡化為計(jì)算簡圖，再利用結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器進(jìn)行力學(xué)建模分析計(jì)算，一方面使學(xué)生學(xué)習(xí)和掌握了結(jié)構(gòu)力學(xué)的理論和計(jì)算方法，另一方面使學(xué)生了解了工程結(jié)構(gòu)的力學(xué)簡化思路和過程，培養(yǎng)了學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力和工程意識(shí)。

2 開展課堂小實(shí)驗(yàn)，彌補(bǔ)理論授課的不足

演示實(shí)驗(yàn)是力學(xué)概念教學(xué)的重要組成部分。結(jié)構(gòu)力學(xué)理論教學(xué)中也有部分概念或內(nèi)容，口頭講授學(xué)生理解不太容易，但非常適合用教具或簡單模型來演示。針對(duì)這一情況，我們開發(fā)制作了相關(guān)教具和模型，在課堂開展小實(shí)驗(yàn)，輔助理論教學(xué)。如幾何構(gòu)造分析中的常變體系、瞬變體系、瞬鉸等抽象概念，我們?cè)O(shè)計(jì)制作了不同尺寸的各種桿及約束，課堂上組裝出四連桿機(jī)構(gòu)、帶斜撐的四連桿，形象展現(xiàn)了由幾何常變體系到幾何不變體系的過渡，同時(shí)還發(fā)動(dòng)學(xué)生分組組裝出瞬變體系和教材中例題對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)模型，引起學(xué)生極大的興趣；又如，講解影響線中的機(jī)動(dòng)法時(shí)，很多同學(xué)想象不出機(jī)構(gòu)的虛位移圖，我們也制作出與例題相對(duì)應(yīng)的桿系機(jī)構(gòu)，直觀展示出其彎矩、支反力等所對(duì)應(yīng)的虛位移形式，使學(xué)生對(duì)虛位移有了感性的認(rèn)識(shí)；另外，在結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)部分，我們還制作出各種單自由度體系、兩自由度體系的模型，課堂展示質(zhì)量、剛度(主要為材料和桿件長度)對(duì)自振頻率、周期的影響、鞭梢效應(yīng)的現(xiàn)象及動(dòng)力吸振器等概念。通過開展課堂的小實(shí)驗(yàn)，形象展示這些結(jié)構(gòu)力學(xué)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)，加深了學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解和把握，同時(shí)鍛煉了學(xué)生的動(dòng)手操作能力，有效彌補(bǔ)了理論講授的不足，提高了課堂教學(xué)趣味性。

3 以“結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽”為切入點(diǎn)，培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新協(xié)作精神

“結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽”自1994年被清華大學(xué)土木系開創(chuàng)以來，經(jīng)多年發(fā)展其足跡已遍及全國，成為大土木類專業(yè)學(xué)生工程實(shí)踐的平臺(tái)，是培養(yǎng)大學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)、團(tuán)隊(duì)協(xié)同精神和工程實(shí)踐能力等綜合素質(zhì)的不可多得的途徑。大賽分全國性和地方性兩個(gè)層次，賽題包含橋、拱、塔、空間結(jié)構(gòu)、公建、古建等多種結(jié)構(gòu)類型，涉及方案比選、體系優(yōu)化、結(jié)構(gòu)建模、分析計(jì)算、模型制作等多方面知識(shí)，檢驗(yàn)學(xué)生對(duì)土木工程結(jié)構(gòu)知識(shí)的綜合運(yùn)用能力，極富創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)性。

我院從2010年開始已連續(xù)參加了九屆“北京市大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競賽”，比賽分為選拔賽、晉級(jí)賽、校內(nèi)決賽和北京市決賽，在土木工程學(xué)院有著較高的影響力和知名度，也取得了優(yōu)異的成績，今年還初次參與了全國結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽。通過參與比賽項(xiàng)目，學(xué)生充分發(fā)揮想象力，積極開拓思維，努力查找資料，認(rèn)真分析比對(duì)各種設(shè)計(jì)方案，進(jìn)一步熟悉了梁、拱、組合結(jié)構(gòu)、空間結(jié)構(gòu)等各種體系的優(yōu)缺點(diǎn)，理解了各類荷載作用下各自的受力性能，了解了材料、截面等條件對(duì)結(jié)構(gòu)受力的影響，模型制作與實(shí)際工程施工的關(guān)系等抽象的理論知識(shí)，拓寬了專業(yè)視野，真正提高了專業(yè)實(shí)踐能力，培養(yǎng)了學(xué)生創(chuàng)新和協(xié)作精神。目前，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽已成為結(jié)構(gòu)課程實(shí)踐教學(xué)體系中必不可少的一個(gè)環(huán)節(jié)。

實(shí)踐是理論的源泉。實(shí)踐教學(xué)要依據(jù)多元化個(gè)性化的教學(xué)理念來全方位培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力。我院結(jié)構(gòu)力學(xué)課題組以開展分層次的課內(nèi)外實(shí)驗(yàn)教學(xué)及課堂小實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽為提高，形成了我院土木工程類專業(yè)的結(jié)構(gòu)力學(xué)實(shí)踐教學(xué)體系，使之與理論授課相結(jié)合，提升了課程的教學(xué)效果。