在“结构力学”课程中开设实验教学的实践

摘要：指出了目前“结构力学”教学中存在的问题，总结了目前国内高校在“结构力学”教学改革中所采取的一些改进措施，阐述了在“结构力学”中进行实践环节和综合性教学环节的尝试。

关键词：结构力学；实践；教学

作者简介：陈华艳（1980-），女，土家族，湖北五峰人，福建工程学院土木工程系，讲师，国家注册二级结构工程师；罗才松（1980-），男，湖北荆州人，福建工程学院土木工程系，实验师，国家注册一级结构工程师。（福建 福州 350108）

基金项目：本文系福建工程学院2009年实践教学改革基金项目（项目编号：GJ-K-09-17）的研究成果。

中图分类号：G642.423     文献标识码：A     文章编号：1007-0079（2011）20-0141-02

上个世纪末，为改变我国高等教育专业口径过窄，以及人才培养模式与经济飞速发展和对外开放不相适应的状况，教育部颁发了新的专业目录。新的土木工程专业涵盖了专业目录调整前的建筑工程、交通土建工程、城镇建设、矿井、隧道等专业领域，成为一宽口径的专业。土木工程专业的培养目标明确定义为“厚基础、宽口径、强能力、高素质”十二字方针。如何实现新的土木工程专业培养目标，培养出素质高、能力强的土木工程专业人才，新的课程设置、教学计划、课程内容的修订等显得尤为重要。“结构力学”是土木工程专业力学系列课程中一门非常重要的专业基础课，厚基础才能宽口径，“结构力学”课程的教学质量对于实现专业的宽口径，培养能力强、高素质的土木工程师起着举足轻重的作用。随着科学技术的发展，特别是计算机的广泛应用，拓宽了“结构力学”的应用领域。同时，也为新形势下“结构力学”课程的教学提出了新的任务和要求。

一、目前“结构力学”教学中存在的问题

（1）基础差，前期课程学得不扎实。“结构力学”课程的特点是理论分析多，数学计算多，对前期课程如高等数学、理论力学、材料力学等依赖性强。如果理论力学，材料力学没有学好，会引起连锁反应，导致“结构力学”也学不好，最后势必影响专业课程的学习。一些入校学习成绩较差的学生，或者由于学习不努力，前期课程学得不好的学生就会感到困难。

（2）课程系统性和连贯性强。课程开始阶段如果不重视，稍加放松，后面的学习就困难重重，十分吃力。“结构力学”各个章节衔接比较紧密，前一章节往往是后一章节的铺垫。比如，如果没有学好结构位移的计算方法，必然导致也学不好力法。

（3）课程学时压缩，课时不断减少，但教学内容和教材精简不够，因此讲授进度有所加快，学生感到讲过的消化不了，听课吃力，跟不上思路，各部分知识间难以融会贯通。教育部门和用人单位对于21世纪需要什么样的工程师，其观点不尽相同，但目前国际上比较认可的选择还是应注重学生“基础知识”的掌握。学生毕业后可以在“专业知识”方面继续积累，且需要终身不断学习。然而，目前，一般应用型本科高校，大多注重学生“专业知识”的掌握，开设了大量的专业课，同时压缩基础课与专业基础课的课时。以福建工程学院（以下简称“我校”）为例，“结构力学”课程学时数由120减到96。

（4）课程习题多，计算量大且繁琐，做题困难。学生做作业缺乏耐心，容易急躁，相互抄袭，甚至应付了事。俗话说“好记性不如一个烂笔头”，现在大学生学习，普遍存在一种现象，那就是寄希望于课堂的45分钟，下课后既不复习，也不做练习，而这二者却又是学习“结构力学”必不可少的学习方法。

二、高校力学工作者在提高“结构力学”教学中采取的有益尝试

为了改善目前学生学习“结构力学”难懂难学的局面，满足土木工程专业的培养目标“厚基础、宽口径、强能力、高素质”的要求。高校力学工作者进行了大量的探索，并取得了可喜的效果，文献[1]将大型数学软件MATLAB带入本科工程力学课堂，不但提高了教学效果，也激发了学生学习力学及MATLAB语言的极大兴趣。文献[2]将板弹簧减振系统引入“材料力学”等强度梁部分的教学中，使学生更充分地认识到等强度梁在工程应用中良好的动力特性。文献[3]在“结构力学”课程中融入科研成果，这不仅激发了学生学习力学课程的兴趣，同时也让学生立竿见影的真正体会到了学有所用。文献[4]将现代教学手段——多媒体教案引入课堂，指出了目前多媒体在“结构力学”课堂教学中存在的问题，同时从理论与实践的结合上探讨了合理应用多媒体教学的意义及方法。文献[5]建立力学虚拟实验平台，帮助学生直观地理解和认识力学现象和力学本质。文献[6]指出应注重启发式、讨论式的教学方式来培养学生的自学能力。文献[7]在“结构力学”教学中采用诱思探究法，让学生主动思考问题、解决问题，由被动到主动学习，通过教学互动，引导学生在掌握知识的同时培养综合能力。文献[8]将工程实践引入力学教学，要求学生将工程问题抽象为便于理论分析的力学模型，激发学生积极思维，培养创新精神和联系实际运用所学知识解决工程问题的能力。我校力学教研室的老师主要进行了如下几方面的尝试。

三、教材选择体现“以学生为中心”

作为土木工程专业主要的专业基础课，“结构力学”的课程内容不仅应满足学生学习后续专业课的要求，也应满足学生毕业后从事专业工作、新项目研究、开发和继续学习，以及专业改向的要求。因此，在教学中应将“以教师为中心”改变为“以学生为中心”，把教学的重点从知识的传授转移到“能力建设”上。按照土木工程专业十二字的培养目标，我们多次研究讨论，修改并制定了土木工程专业“结构力学”课程教学大纲。多年来，我们坚持选用国内一流教材，即清华大学龙驭球教授主编的普通高等教育“十一五”国家级规划教材《结构力学》作为我校土木工程专业“结构力学”课程教材。该教材是“高等教育百门精品课程教材建设计划”的研究成果，是面向21世纪课程教材，获2002年国家普通高等学校优秀教材一等奖，以该套书为基础的教学实践获2001年国家级教学成果一等奖。同时，该教材较早版本曾荣获1998年度教育部科学技术进步奖一等奖与1999年度国家级科学技术进步奖二等奖。该教材在我国开设有土木工程专业的高校中得到普遍使用。

四、丰富教学环节，多角度加强学生力学概念

传统上的“结构力学”教学是以理论教学为特征的，通常不安排实习、实验这样的实践性环节。考虑到加强实践环节和综合性教学环节对于加强学生力学概念和培养力学综合分析能力具有重要作用，我校在“结构力学”教学中，除了理论教学之外，还有计划地开展课外模型试验，设置以验证理论分析为目的的测试实验，设置综合性训练内容。以验证理论分析为目的的测试实验，目前主要是结合桁架结构的教学，做一个钢桁架的静载测试。综合性训练，要求学生研究小组在教师的指导下，从桁架结构计算理论的研究入手，从理论分析、计算方法、试验测试三个方面培养学生综合能力，由此而加深学生对于力学理论与概念的理解与把握，并培养学生初步的科研能力。这一训练包括：对图1所示钢桁架按桁架和刚架两种不同的计算模型进行计算，分析其差异；对上述结构进行不同工况的加载和应力实测，对比计算结果，分析按桁架理论计算简图的精确程度；综合分析理论的分析、计算和实验结果，对桁架理论的科学性做出评价。

结构动力学是“结构力学”课程中的一个难点。学生学习力学课程感到吃力的一个主要原因，就在于力是一个看不见、摸不着的概论。如果能再现结构在力的作用下的各种反应，这将对加深学生的理解起到事半功倍的效果。另外，学生往往能依葫芦画瓢求出了结构的自振频率与主振型，但要求学生根据主振型描绘出结构的振型图，这将是非常困难的一步，学生对自己求解出来的结果有很大的迷茫性，知其然不知其所以然。为此，我们利用教材提供的“结构力学求解器”，让学生进行上机实习，这一训练包括：（1）对图2所示框架结构进行水平力与竖向力作用下的静力计算并绘制内力图（弯矩、剪力、轴力）。（2）利用“结构力学求解器”对上述结构进行静力计算，比较其与手算的准确性。（3）利用“结构力学求解器”对上述结构进行动力计算，求解该结构的自振频率与前5阶振型。现给出该结构前5阶自振频率及振型图，前5阶自振频率分别为：2.36、7.54，13.01、25.91、29.22，前5阶振型图如图2所示。如果结构发生振动，将主要发生什么形态的振动，其变形形态又如何，都会在学生面前清晰展现出来。

五、结语

通过在“结构力学”教学中开展现场实验室教学实践，让无形的力学变得有形，使抽象的力学概念具体化，强化了学生的力学概念，提高了学生学习的主动性，加强师生之间的互动性，培养了学生初步的科研能力。同时，通过实验教学的实践也暴露出了一些问题：如何在课时有限的情况下切实有效开展实验教学？实验教学只是老师改进教学方法的一种手段，教学效果的提高很大程度上依赖于学生的学习主动性与求知欲，即学生如何主动处理数据，编写实验报告。如何开展更多形式多样、综合性、设计性、创新性的实验教学？

参考文献：

[1]金江,许薇.Matlab在结构力学课程教学中的应用[J].南通大学学报(教育科学版),2005,(3):78-81.

[2]徐家福,王忠保,等.汽车板弹簧减振与等强度梁教学实验[J].力学与实践,2003,(4):61-63.

[3]祁皑,陈燊,陈贞钜,等.在结构力学课程中融入前沿知识的尝试[J].力学与实践,2005,(4):70-72.

[4]周艳国.多媒体教案在结构力学教学中的应用[J].理工高教研究,2007,(1):127-128.

[5]张来仪,赵更新,文国治,等.结构力学课程的立体化建设研究与实践[J].高等建筑教育,2005,(2):43-45.

[6]刘鸣,王新华,贾红英.从土木工程专业培养目标看结构力学课程建设[J].高等建筑教育,2006,(3):67-70.

[7]贾红英,刘鸣,王新华.结构力学教学采用诱思探究法的实践[J].理工高教研究,2008,(4):122-123.

[8]李建楠,张彦均.实验引导下材料力学教学改革[J].实验室科学,2006,(1):23-25.

[9]龙驭球,包世华.结构力学(第二版)[M].北京:高等教育出版社,2006.

（责任编辑：麻剑飞）

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