孙 明 周 磊

(湖南科技学院,湖南 永州 425199)

基于应用型“卓越计划”的结构力学实践化教改探索★

孙 明 周 磊

(湖南科技学院,湖南 永州 425199)

根据地方本科院校应用型“卓越计划”的要求，通过对教学内容、教学形式实践化教改的探索，从工程实例分析、应用软件教学、结构建模实验三个方面进行思考，提出教学实践化改革的具体措施。

结构力学,教学形式，教学改革，工程实践

0 引言

《结构力学》是土木工程专业中最重要的一门专业课程。这门课程主要任务是让学生掌握结构组成规律、受力性能和合理形式的分析思路，理解结构内力和变形的计算方法，并了解结构稳定性与结构在动力荷载作用下的反应等基础知识[1]。《结构力学》作为一门以理论教学为主的课程，与高等数学、理论力学、材料力学等前置课程联系紧密。由于这些前置公共课程的任课老师并非土木工程专业出身，授课中往往没有考虑知识与后续专业课程的连贯性，而且地方应用型院校生源的基础又都比较薄弱，多数学生对这些难度较大的理论课程都以通过考试为首要目标。因此导致学生在学习结构力学前对很多基础概念模糊不清，探讨更深入复杂的理论问题时极易产生畏难情绪，丧失学习积极性。学生对课程的学习目标又变为应付期末考试而不是掌握知识。这样的教学效果与教育部推行“卓越工程师教育培养计划”(简称“卓越计划”)的要求背道而驰。

随着我国城镇化进程的飞速发展，无论房屋还是桥梁的结构形式都日趋复杂，计算机辅助设计与有限元分析已成为工程实践中必不可少的应用手段。地方本科院校要实现“卓越计划”中为社会培养应用型人才的目标，就需要提前向尚未走向工作岗位的土木专业学生传授工程应用软件的使用知识。通过近年对省内建筑业各用人单位的走访调查，可以发现刚就业的土木毕业生普遍都只会用软件依葫芦画瓢，直接套用计算机自动计算的数据进行结构设计，但不知道设计参数的设置原理，不知如何修改结构进行优化设计，无法实现结构设计经济性与安全性的有机结合，设计不出符合用户需求的工程图纸。究其原因，就是理论教学与实践教学脱节，上机课程只教软件使用，理论课程只讲数据分析，让没有工程经验的学生很难将二者联系到一起。

因此在以培养应用型人才为主要任务的地方本科院校土木工程专业教学体系中，如何将以理论授课为核心的《结构力学》课程与实践结合起来，探索一条符合时代需求的教学实践化改革道路，已成为实行“卓越计划”时必须要思考的问题。

1 《结构力学》教学内容实践化

应用型地方院校学生的一大特点就是对抽象的理论学习缺乏兴趣，对工程实践知识充满学习热情。因此可以根据学生的这一心理，对《结构力学》课程的教学内容进行适当扩展延伸。因为结构力学的知识是构筑所有建筑结构的基本原理，所以授课老师对课堂上讲授的每一个章节、每一个知识点都能够找出相对应的工程应用案例或者规范条文要求。对这些案例或规范的解析应该要跳出单纯叙述的桎梏，不能变成教师在课堂上讲故事，学生在课堂下听热闹的模式，而是应该将理论知识如何应用于工程实践这一思想通过讲述和练习相结合的方式进行传授，课堂上提到的工程实例应该都能通过简化变为可以由学生自行分析的结构，例如普通大桥对应多跨静定梁，厂房对应刚架，铁路桥对应桁架，多层结构抗震设计对应底部剪力法，框架结构设计对应弯矩分配法，将实际问题演变成可以让学生利用书本就能解决的问题，引导他们主动去思索结构的优化方略，从而实现对理论知识的融会贯通。

比如在讲授桁架这一章内容时，可以围绕工程史上有名的加拿大圣劳伦斯大桥建设事故进行分析。先让学生了解桁架结构在实际工程中的应用，然后让他们根据历史资料，分析大桥的几何形式，绘制对应的计算简图。再通过对该桥建设中两次垮塌事故的描述，引出教材中桁架内力计算的相关理论。接着让学生根据课堂上学习的桁架受力状态分析知识，结合书本中关于不同桁架形式的受力特点进行分组讨论，指出案例中结构垮塌的具体原因。最后由教师设定该桥转换为计算简图后所受荷载状况，让学生在课后以此为基础对原结构进行优化改进，设计出在相同条件下，受力合理、保证安全的桁架结构形式。

这样通过对工程实例的细致剖析，可以将有关联的若干知识点都贯穿到一起，调动学生对书本理论的学习积极性，增进他们对实际工程设计的认识和理解。

2 《结构力学》教学形式实践化

结构力学问题的研究手段包含理论研究、实验研究、数值计算三个方面[2]。理论研究的内容通过实验模拟和计算机数值分析两种形式应用到工程实践之中。在学生接触结构力学之初，一方面需要巩固对基础内容的理解，另一方面需要有一种可靠的工具验证自己手工进行的繁琐计算是否正确，所以有必要利用专业软件教学配合课堂理论知识的传授。

从结构力学课程最早的结构几何构造分析章节开始，就可以专门抽出少量课时将授课地点从教室转移到机房，教学生使用清华大学研发的结构力学求解器。这个软件的求解范围涵盖了结构力学本科阶段的所有问题，可以画出计算简图，分析二维平面结构的几何组成、静定结构、超静定结构、自由振动、弹性稳定等情况，并计算结构的位移、内力、影响线、包络图[3]，还可以求解工程实践中的简单结构。在每一章学习结束后，教导学生使用结构力学求解器解决相应的问题，可以极大地增强他们对课堂所学内容的认识和理解。而且由于这个软件求出的都是精确解，所以可以用来与手工计算进行对比，验证计算结果，开拓学生解题思路，强化他们的结构分析建模能力。

除了使用结构力学求解器辅助学习外，为了增强课程的实践性，当课堂教学将静定结构这一部分的知识讲授完毕时，还可以通过对新软件的教学将理论与应用联系起来。工程应用软件可以选用中国建筑科学研究院研发的PKPM系列软件，目前全国有90%以上的结构设计均使用该软件完成。PKPM的排架框架设计模块(简称“PK”)主要用于钢筋混凝土框架、框排架、连续梁、桁架结构计算与施工图绘制，模块本身就是一个二维平面杆系的结构计算软件，适用于工业与民用建筑中各种规则或复杂类型，规模在30层，20跨以内的建筑[4]。通过对PK的教学，可以让学生很直观地看到运用书本知识分析实际结构会得到何种结果，教材中的理论习题用于对应什么样的实践问题。在知道看似枯燥的课本知识如何融入应用软件进行实际工程设计、分析、优化后，学生对结构力学课程的学习热情明显高涨。

无论是课堂学习还是计算机分析，处理的都是二维平面问题，而实际工程中构建的都是三维立体结构。如何将实际问题放在电脑或纸面上处理，如何将电脑或手工计算的结果落实到应用中去，这是一个专业工程师所应具备的能力，也是教学中要努力培养学生形成的能力。因此对结构力学这样理论性强的课程，除了要强化应用能力的配套上机练习以外，还需要有对应的实验安排，深化学生对结构组成的认识。

结构力学实验应区别于其他力学课程实验中学生操作仪器，记录、处理数据的单一模式，重点体现课程特色，围绕结构设计与优化这个主题开展实验活动。考虑学生的能力，让他们分组合作自行设计并装配模型，模型以纸、木、竹为材料，实验内容从最简单的简支梁设计开始，逐渐扩展为多跨桥、桁架屋顶等贴近实际工程的结构设计。由任课教师在课堂上提出设计要求，安排学生在实验前先做好设计方案，确定结构形式，并分别采用手工计算，结构力学求解器求解，PK分析的手段计算结构的承载能力，在结构模型制作完成后通过静载或动载实验校核学生自己动手做出的结构是否满足要求。

3 结语

《结构力学》课程通过一系列实践化的教学改革措施，以培养应用型卓越工程师为目标，结合地方高校学生特点，将传统理论授课与工程中常用设计分析软件教学紧密地联系起来，并且依托结构模型实验让学生可以将理论分析落实到工程运用之中，培养学生的团队协作精神，锻炼学生的创新能力与动手能力，为他们未来的专业课程学习和毕业后从事结构设计工作打下了坚实的基础。

[1] 李廉锟.结构力学[M].第5版.北京：高等教育出版社，2010.

[2] 龙驭球，包世华，袁 驷.结构力学[M].第3版.北京：高等教育出版社，2012.

[3] 包世华，辛克贵.结构力学[M].武汉：武汉理工大学出版社，2012.

[4] 张宇鑫，刘海成，张星源.PKPM结构设计应用[M].上海：同济大学出版社，2010.

Exploration on practice teaching reform ofStructuralMechanicsbased on applied “excellence program”★

Sun Ming Zhou Lei

(HunanUniversityofScienceandEngineering,Yongzhou425199,China)

According to the requirements of applied “excellence program” of local undergraduate universities, through the exploration on practice teaching reform of teaching contents, teaching forms, made thinking from engineering example analysis, application software teaching, structure modeling experiment three aspects, put forward specific measures of teaching practice reform.

structural mechanics, teaching form, teaching reform, engineering practice

1009-6825(2015)02-0231-02

2014-11-04★：湖南省教育厅教改项目(项目编号：湘教通[2012]401号第429项)

孙 明(1985- )，男，博士，讲师; 周 磊(1984- )，男，工程师

G642.0

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