基于虛擬仿真實驗的《結構力學》課程改革

黃華恢

【摘 要】《結構力學》結構力學課程是土木工程專業學習中的基礎課程，對后續課程的學習起到關鍵作用。本文針對該課程在教學過程中遇到的各種問題，從課程內容應用、實驗融合、課時分配、考核體系四方面進行課程改革，為今后《結構力學》課程教學提供參考。

【關鍵詞】結構力學;虛擬仿真實驗;教學改革

中圖分類號： O342-4;G434文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）33-0028-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.33.012

結構力學課程是土木工程專業重要的基礎課程之一。它以高等數學、靜力學、材料力學等課程為基礎，研究桿件組合體系的結構在荷載作用下的受力情況。本課程的主要任務是研究結構的組成規律、合理形式及結構在外因作用下的強度、剛度和穩定性的計算原理與計算方法，以保證結構的安全并使之符合經濟的要求。同時，該課程也為后續專業課程的學習做鋪墊。給專業課程設計、畢業設計、畢業實習甚至今后畢業從事的相關工作提供必要的理論依據和計算方法。近年來，由于虛擬仿真實驗技術具備形象化和真實化，可將工程結構實際狀況呈現在人們眼前，在視覺上將抽象的理論轉化成直觀和真實感較強的模型，而逐步作為高校教學輔助手段進入課堂。這種教學方式培養了學生良好的工程意識和創新思維，完善知識結構。因此，結合本課程的教學內容，以及現階段學生學習的實際狀況，構建以虛擬仿真試驗為基礎的結構力學翻轉課堂教學應用模型，為達到培養適應工程需求的實踐人員做準備。

1 國內外研究現狀

我國有研究者以結構力學實驗為基礎，應用Flash開發系統建立了結構力學實驗的虛擬實驗環境和虛擬實驗物理的模型[1]。也有學者認為在結構力學教學中，公式復雜，推導及求解過程中需要較多的數學運算，因此特別需要數學應用軟件的介入[2]。結構力學課程教學涉及大量的公式推導、結構分析與計算等內容，學生理解起來較困難。將有限元軟件引入課堂教學，可以將抽象的應力、應變等概念具體化，將結構的變形及應力分布情況生動、直觀地呈現在學生面前，既有利于學生的接受，又能夠為學生學習ANSYS一類的有限元軟件奠定基礎[3]。通過虛擬仿真實驗技術幫助學生掌握力學中各變量的關系，觀察在變量變化的全過程模型的變形情況。在多次變量修改中找到最優結構形式，以優化結構。還有高校提出在教學過程中采用制作建筑模型來輔助學習的教學方式，以鞏固學生的理論知識，鍛煉學生的實踐操作能力，培養其獨立思考的能力，提高學生的學習興趣。同時在實踐中能夠培養對建筑結構和構件的簡化能力，從而通過學生解決建筑工程實際問題能力[5]。國外高校仍然側重結構力學基本理論的講解，同時也將軟件應用到日常的教學活動。如麻省理工學院建成的微電子在線實驗室，美國休斯敦大學的虛擬物理實驗室[3]。美國的西點橋梁設計競賽[6]，通過設計一座現實的橋梁，培養學生動手和處理問題的能力，讓學生了解工程設計過程中所需要的數學與力學知識，并掌握使用計算機解決工程問題的方法。

2 課程教學特點和難點

《結構力學》課程作為土建類重要的專業基礎課程之一，其教學質量對學生今后的應用能力強起著舉足輕重的作用。結構模型實驗是課程中展現知識點應用的關鍵。該實驗多為破壞性試驗，需耗費大量試件，破壞過程短暫，難以觀察整個破壞過程。加上班級學生人數較多，實驗具有一定的危險性，難以保證學生有足夠的動手操作機會。教學中理論知識向工程結構的應用轉化和結構模型的優化設計成為課堂中的兩大難點。所以，如何做好結構力學的教學工作是擺在該專業教學工作者前面的重要課題。

3 改革目標

3.1 理論知識可視化

日常教學中，結構力學主要研究結構的組成方式及在外荷載作用下的內力、應力、變形計算，當中的理論性強，概念抽象，學生難以掌握。可通過虛擬軟件對構件進行建模和分析，繪制結構的變形圖和應力云圖等，用不同的色彩來表示結構承載能力的強弱情況。借助這些軟件，以圖像的形式將其直觀、形象的展現，讓學生對這些概念有直觀的認識，提高學習效率，增強學習效果。

3.2 力學實驗的可視化

結構力學課程最終需運用到實踐中去，這必須在教學中將理論和實踐相融合。但受到課時少，加上實驗具有一定破壞性，在實驗前需準備大量試件，實驗過程短暫又具有危險性，難以讓每位同學都觀察到結構破壞過程。在這些不利承擔外界因素制約下，可將Abaqus和Flash等軟件引入實驗教學環節，以動畫的形式演示構件實驗的全過程，充分發揮軟件的建模和分析能力。并利用軟件模擬現場加載情況，找到最合理的結構形式，將其制作成模型，在課堂中現場展示，以加深學生對實驗現象和過程的理解。

3.3 結構模型在工程實踐中的應用

力學課程中只是將工程結構中的房屋、橋梁等復雜結構簡化的單跨形式，學生要真正掌握整體結構的受力還有一定的差距。而讓學生畢業踏上相應的工作崗位，會變得無從下手。借助于軟件模擬結構實際工況可幫助學生將力學模型轉化為實際工程的結構模型，以解決復雜的受力問題，進而提高解決實際工程問題的能力。

4 課程改革措施

4.1 理論知識的應用

結構力學將傳統結構力學教材中的主要概念、知識點、計算模型與工程案相結合類比，讓其內容趣味化、直觀化、感性化地，其目的是幫助學生理解抽象計算模型和概念。教學安排上，采用知識準備、案例引導、內容講授、模擬實驗的教學模式，并且按照初步建模、實驗制作、模型優化三種形式進行組織課后教學過程。結合工程案例講解理論知識點，讓學生建立起工程實際，計算模型、理論計算的工程思維，培養學生運用知識解決實際問題的能力。

4.2 教學內容與虛擬仿真實驗相融合加以應用

結構力學理論性強，結構形式多樣，分析對象均為實際工程中抽象后的結構或構件，公式推導、計算繁瑣乏味，學生難以保持學習興趣。通過虛擬仿真實驗便可幫助學生建立復雜力學模型，解決復雜的力學問題。結合教學內容嘗試讓學生利用現有的實驗材料將虛擬優化好的結構模型進行制作并加以實驗。進而可以參加結構相關類競賽，如結構設計競賽、周培源力學競賽通過競賽等，鍛煉了學生建立抽象力學模型、結構分析、電算軟件運用、團隊協作等能力。

4.3 內容教學、虛擬軟件應用、建模實驗的課時分配

總學時是一定的，如何處理這三者之間的課時分配是關系到課程重點的問題。理論內容是基礎，虛擬軟件教學是輔助，變抽象為具體，起到幫助學生理解理論知識的作用。建模實驗是讓學生明白設計流程以及如何進行結構施工方式，分析結果的合理性等，使學生能更快的走上工作崗位。同時還需對課程教學大綱進行修改完善。

4.4 健全課程考核評估體系

傳統力學課程考核方式是通過筆試方法，但這種方式過于單一化。為了反映多元化的考核方法，體現學生實踐能力的培養與提高，突出學生自身學習特點有必要對結構力學課程考核方式進行調整。評價不再僅僅依據結課考試成績來評定優良。在新的評價體系中，引入了課堂提問、考勤、平時作業、虛擬軟件的應用、結構建模實驗、力學競賽等方面，將考試成績分期中與期末兩次、課堂內與課堂外兩個層面，分別引入不同的權重，設置了兩套考察方案（表1）。

5 總結

《結構力學》課程土木工程教學中占據重要地位。在目前建設環境的需求指導下，對課程教學提出了創新性的要求。通過上述的關于課程內容建設的一系列改革，并在實際教學中，融入虛擬仿真實驗技術，讓學生深入了解建模過程，逐步引入理論內容，使教學內容更加豐富。在不斷的更新和完善中，才能切實提高教學效果，促進學生對理論的理解和掌握，提高學生的興趣，激發學生學習課程的積極性、主動性和創造性，增加學生的自主科研能力，為今后的學習和工作打下良好的基礎。

【參考文獻】

[1]任偉杰，李春林，宋維源.結構力學虛擬仿真實驗教學研究[J].力學與實踐，2015，37（2）：257-262.

[2]李樂，劉迎春.Mathcad在《結構力學》課程教學中的應用[J].課程教育研究，2018，44：224-225.

[3]周強，熊擁軍，閆小青.CAE軟件在力學課程教學中的應用研究[J].教育現代化.

[4]洪澤印.結構工程領域對系統仿真和虛擬現實技術的應用研究[J].科技論壇，2017，18：121-122.

[5]劉琳.張明磊.模型制作在高職建筑力學課程教學中的應用[J].遼寧高職學報，2018，20（7）：38-39.

[6]賈新聰.結構競賽模型材料物理力學性能及模型設計制作研究[D].遼寧高職學報，2018，5.