結構設計競賽與材料力學課程教學融合探索

代坤

摘要：材料力學作為工科重要的專業基礎課，有效的教學方式是理論與實踐相結合。但對于獨立學院來說，由于教學條件和學生層次等原因，普遍難以達到理想的教學效果。本文以吉首大學張家界學院為例，介紹了一種將結構競賽的力學概念融入材料力學課程中的教學模式。實踐證明，該教學模式對于提升學生的學習熱情和實踐能力具有一定促進作用。

關鍵詞：教學改革；結構設計競賽；材料力學；土木工程

中圖分類號：G4文獻標識碼：Adoi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2022.22.090

0引言

材料力學作為工科的專業基礎課程，其力學基礎概念與分析方法的掌握，對后續相關設計類專業課程至關重要。該課程具有較強的系統性和理論性，并且與工程實際聯系十分緊密。但對于大多數土木工程專業的學生而言，由于缺乏實際工程經驗，很難將課程中的力學概念與工程實際問題聯系在一起，其結果就是學生對材料力學課程的學習與理解大多停留在較淺的知識層面，在面對實際工程問題時無從下手。

現階段對于我國土木工程專業而言，如何有效地改善材料力學課程的教學效果，是一個值得深入研究的問題。國內諸多工科類高校教師對材料力學課程的教學改革進行了多方面的嘗試，如翻轉課堂、信息化教學等，目的是將課堂從“以教師為中心”的灌輸模式轉換為“以學生為中心”，但對于大部分基礎薄弱或是缺乏學習動機的學生來說，這類教學手段往往存在一定的局限性。此外，也有學校為更好地實現理論與實踐相結合的目標，開設了結構模型設計和制作課，并取得了非常不錯的教學成效。但因為各高校的教學條件和學生層次存在差距，特別是對于一些民辦高校或獨立學院，實行起來存在較大的困難。以筆者所在的吉首大學張家界學院的土木工程專業為例，存在如下兩個較為突出的問題：

（1）師資與硬件條件不足。以筆者所在的土木工程專業為例，講授力學課程的老師僅有兩人，教學任務繁重。筆者除了要講授兩門力學課程外，還承擔了三門專業課的教學和相關的學科競賽指導工作。與此同時，目前一些專業課程所需的相關硬件和場地也不完善，專業課程的實踐教學工作難以持續推進。

（2）學生的基礎較差。學生的基礎不牢固也是較為普遍的問題，主要體現在學生前序課程的知識儲備不足以及缺乏學習動機兩個方面。若通過降低課程知識的難度來滿足教學要求，不僅效果甚微，同時也不能滿足專業人才培養的知識和能力目標。對于大部分缺乏學習動機的學生而言，這樣的做法也無法起到令人滿意的教學效果。

1結構競賽與材料力學課程融合

筆者近幾年一直對本專業學生的結構設計競賽進行指導工作，在指導過程中發現，大部分學生對競賽都表現出較高的積極性。主要原因在于對學生而言，相比教材中的力學概念和例題，競賽中的模型更直觀，制作模型也更有成就感，加載過程更是可以直接感受力學的魅力。正是基于這些原因，學生更愿意參與到實際結構模型的制作中。但遺憾的是，對于多數學校，特別是獨立學院，若安排本專業所有學生進行分組制作模型，所需的教學場地、教學時間、加載設備和耗材等條件都較難實現。基于此背景，更合適的方法是將結構競賽所包含的力學概念融入材料力學課堂中，從而實現以賽促教的目的。

結構競賽融入材料力學課程，首先要將競賽訓練過程中包含的力學知識點拆解出來，再融入課程相關章節的具體教學中，并以合適的難度和層層遞進的問題引導學生。競賽案例的融入，使得學生對力學概念的學習過程更直接、更易于理解，不僅可以激發出學生的學習熱情，也能使學生獲得解決問題后的成就感。結構設計競賽應用到的材料力學概念主要為桿件的五個基本內力：“拉伸、壓縮、彎曲、剪切、扭轉”，以及各基本內力之間簡單的內力組合。表1展示了結構競賽訓練專題與材料力學課程對應知識點的融合。

2融合教學設計模式

下面以第八屆湖南省大學生結構設計競賽賽題為例說明具體的融合教學設計模式。該賽題改編自2020年全國大學生結構設計競賽賽題，賽題模型為單跨外伸橋梁結構，主要考察模型在豎向和扭轉荷載作用下的承載力（圖1）。在教授學生材料力學課程中彎曲和剪切計算知識點時，將競賽專題中關于水平跨越平面結構設計的內容融入進來。下面分析在第一階段荷載作用下，模型產生彎曲和剪切變形的力學原理，并講解如何根據內力圖優化設計結構方案。

該教學設計模式分為四步：第一步由教師講解基礎力學概念；第二步由學生計算賽題的計算簡圖并畫出其內力圖；第三步由教師演示模型及加載視頻，學生討論相關問題；第四步由教師講解模型中包含的相關力學問題，學生繼續思考拓展后的問題。

2.1講解基礎力學概念

第一步由教師講解彎曲、剪切變形的核心原理和內力計算方法，以便在隨后講解競賽案例時，學生能聽懂其中的力學概念，并對計算簡圖完成基礎的受力分析。這一步教師在講解基本概念和知識點時，不需要追求全面和深入，而應通過隨后引入的競賽案例，讓學生在案例的引導下，由淺入深地思考和掌握本章的力學概念。

2.2分析賽題計算簡圖

第二步是由教師解讀賽題規則，根據賽題中對模型的約束條件和加載工況，建立合適的計算簡圖（圖2）。學生根據該計算簡圖和施加的荷載作受力分析。這一部分往往是學生比較擅長的，大部分學生都能求解出正確的結果，并畫出計算模型剪力圖（圖3）和彎矩圖（圖4）。

2.3演示加載視頻及討論

第三步是待學生完成內力圖的計算和繪制后，教師在課堂中展示本校參賽時的結構模型（圖5），并播放備賽訓練時拍攝的加載視頻。學生觀察模型及加載視頻后將對模型的受力有一個較為感性的認識，此時教師再提問引導學生逐步深入思考，如桁架中的斜腹桿為什么是這個方向？桁架中的斜腹桿的傾斜角度如何設置？模型中哪些桿件受壓，哪些桿件受拉？為什么模型的結構側立面是這個形狀？當學生頭腦中積累了足夠多的疑惑，就更愿意主動思考和嘗試解決難題。此時，教師切記不要著急給出答案，而是要留出充裕的時間，讓學生進行分組討論，鼓勵學生在課堂上回答這些問題。

2.4教師講解及問題拓展

第四步是教師結合學生討論情況，用學生已掌握的力學概念進行詳細講解。接下來以學生算出的剪力圖和彎矩圖為基礎，說明模型構造中包含的力學原理。通過理論計算與模型實物的對比，學生對力學概念的應用能獲得更直觀的感受。

通過剪力圖說明桁架中的斜腹桿為什么是這個方向的問題。首先用截面法取模型右支座一小段作為隔離體（圖6），再通過力平衡關系畫出支座力及桿軸力方向。由于竹材順紋抗壓極限強度遠小于順紋抗拉極限強度，因此通過剪力圖的正負方向，設置斜腹桿的方向如模型所示（圖5），目的是盡量使斜腹桿只承受拉力。

對于斜腹桿的傾斜角度同樣可以由剪力圖判斷。由圖6所示隔離體，可以看到斜腹桿的豎向分量V與支座力R平衡，斜腹桿的水平分量H與上弦桿的壓力C平衡。假設拉壓桿之間的夾角為θ，那么上弦桿的壓力C可用下面的式（1）表示。由剪力圖可知，整根梁在外力之間的各梁段處剪力值為常數，所以當拉壓桿之間的夾角θ變小時（如圖6所示），拉桿和壓桿的軸力都將增大，軸力增大對于竹制壓桿將十分不利。

C=Vtanθ

對圖3的剪力圖中剪力較大的梁段，比如左支座右側剪力值為229N的梁段。由式（1）可以看出，增大拉壓桿間的夾角能有效減小上弦桿的軸壓力，同時也能減小斜腹桿的軸拉力。

而對于模型中哪些桿件受壓，哪些桿件受拉這個問題，可以通過計算模型的彎矩圖進行說明。依然取模型右支座一小段作為隔離體進行分析（如圖7所示）。通過力矩平衡容易推導出模型的上弦桿受壓，下弦桿受拉的計算結果。因為橫截面的彎矩值為固定值，若想減小上下弦桿件的軸力，可以通過增大桁架高度h實現。此時，可繼續引導學生思考為什么模型的結構側立面是這個形狀？實際上模型的桁架高度如果隨著彎矩圖的大小設計，能讓上下弦桿的截面尺寸既能滿足強度要求，又能經濟合理。

為了合理利用竹材抗拉能力遠大于抗壓能力極限強度的特點，又可將模型拉桿都換成截面更小的竹條。此時，可將鋼筋混凝土梁中的縱向鋼筋與竹條作類比，以此引出鋼筋混凝土梁中的鋼筋布置原則：抗拉性能好的鋼筋布置在梁的受拉側，承受拉應力。通過競賽專題與工程實例的對比講解，學生對工程構件受力特性的印象也能更深刻。

最后，在原案例的基礎上做適當修改，將其作為思考題，用來啟發學生進一步思考并整合理論知識。比如改變模型的約束條件或者加載工況后，模型的結構方案將如何優化？桁架的桿件又如何調整？

該融合教學設計模式是在講授完基本的概念后，便立馬讓學生在特定的賽題背景中進行思考和討論。賽題中隱含的力學問題，架起了理論與實踐的橋梁，啟發學生提問、思考、討論、總結。學生在嘗試回答這些結構競賽的問題時，專業知識和解決問題的能力也逐漸得到了有效提高。

3結語

本文以吉首大學張家界學院土木工作專業為例，將包含在結構競賽的力學概念融入到材料力學課程中。該教學模式有效地促進了課堂內的實踐教學，提升了學生的學習熱情和實踐能力，鍛煉了學生的創新思維，對材料力學的教學改革研究起到了一定的參考意義。在后續的教學改革工作中，筆者將逐步完善本專業材料力學課程體系，同時也將嘗試推進和整合結構競賽與其他專業課的融合。

參考文獻

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