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地方院校“结构力学”教学改革的探索与实践——以丽水学院为例

更新时间:2009-03-28

0 前言

结构力学的主要任务是根据力学原理研究在外力和其他外界因素作用下结构的内力和变形,结构的强度、刚度、稳定性和动力反应,以及结构的组成规律和受力性能[1]。它在土木工程专业的整个课程体系设置中占有相当重要的位置,具有承上启下的作用。

作为土木工程专业最重要的专业基础课,结构力学也是学生最头疼、挂科率非常高的一门课程。究其原因在于它:(1)内容多、课时少。结构力学主要有结构静力学、结构动力学和结构稳定理论等三部分内容,其中包含的教学章节和知识点非常多。同时,随着大土木专业调整以及培养方案的修订,结构力学课时由原来的144课时减少为104课时,分成结构力学I(必修、64课时)和结构力学II(选修、40课时)。(2)理论性强。从几何构成分析到内力计算、从内力计算到位移计算,从静定结构到超静定结构,从静力计算到动力计算,从固定荷载到移动荷载,从手算到电算,环环相扣,逻辑推理严密。(3)分析计算能力要求高。课程学习时首先要将实际结构简化成计算模型,然后再对计算模型进行力系平衡分析和变形几何分析,最后计算内力和位移,同时还要利用影响线确定荷载的最不利位置及内力最大值,计算结构动力特性和动力反应等。这需要学生有良好的力学概念和力学原理,以及较好的数学基础。

1 课程教学现状

“结构力学”课程在丽水学院土木工程本科专业开设已近10年,目前,该课程教学存在如下问题:

(1)教学内容滞后。主要以经典计算结构力学为主,基本采用手算方式,只有理论教学,没有实习和实验等实践教学环节。而手算结构力学费时、费神,容易让学生埋没在结构力学的题海中,而忽略了力学原理的理解和力学概念的建立,更无法解决综合性的实际工程问题。随着计算机的普及,在掌握手算为主的基本理论基础上,利用计算机进行结构计算和分析已成必然趋势。

(2)教学方式方法陈旧。结构力学课程有较多的力学原理和力学概念以及大量数值计算,内容抽象,逻辑严谨,教师讲起来难以生动,学生学起来枯燥乏味。传统的教师讲、学生听、课后完成作业的教学方式,难以体现力学概念、结构概念及其工程应用,且教师与学生的互动性较差,学生的学习积极性不高,教学效果差,常出现“理论似懂非懂、题目难以解决、应用基本不会”的结果。

(3)重定量计算,轻定性分析,少联系实践。教师授课时重点关注如何在给定的计算简图和荷载作用下完成内力和位移计算[2],至于计算简图如何确定、荷载如何计算、求解方法的灵活性和技巧性、计算结果有何用途等与实际工程相关的问题涉及甚少,严重影响了学生工程实践、结构创新和综合应用能力的培养。

(4)学生基础差,缺乏信心。相当一部分学生数学、物理成绩不太好,前置课程理论力学、材料力学掌握不好,导致学生一看到力学课程就压力山大,自信心严重缺乏,畏难情绪严重,这在开课前做的调查问卷中能明显感受到。

(5)考核方式单一。传统的考核方式还是以期末闭卷考试为主,通过对课程内容的重点、难点进行归纳总结,采用典型的试题来考核学生对知识的理解和掌握情况。这样会造成学生为了应付考试过关被动强记一些典型例题的求解步骤,从而忽视了学生力学原理的理解和力学概念在工程实践中的应用,阻碍了学生创新思维的发展。

2 改革与实践

传统的期末闭卷考试形式不能反映学生的综合能力,尤其是工程实践能力,为适应课程内容、教学手段和教学方法的变革,需要进行考核评价方式改革,具体如下:

“哎呀呀,老叶,个姑娘家的,你怎么总这么训她?”树下的平房里颤巍巍地走出一个白发老奶奶,后面怯怯地跟着她的孙子夏天。

2.1 合理选择教学内容,精心安排授课计划

根据土木工程专业应用型人才培养目标的需要,同时结合学生就业去向(大部分在施工一线,少数在造价、设计、政府管理部门或考研深造),将“结构力学”课程内容分成两大部分——静力学和动力学,并采用手算和电算两种方式。在教学内容上以静力学部分为主,动力学部分为辅。在计算方式上静力学以手算为主、辅以电算,动力学以电算为主。重视静定结构的内力分析和计算,避免学生因在理论力学和材料力学似曾相识而以为这部分内容简单,容易掌握,影响后续超静定结构的学习。

2.3.1 板书式PPT与传统教学手段相结合

2.2.2 加强与专业课、工程实践联系,培养学生工程实际能力

采用SPSS 13.0软件进行数据分析。计量资料以均数±標准差(±s)表示,计量资料采用t检验;计数资料采用X2检验,以P<0.05为差异有统计学意义。

这常常使他感到自己不是一只好鸟,六根不曾清净,也许师父说的是对的,尘缘未了。风影停一段又吹一段,自己吹自己听,他吹了,听了,喉咙里像堵着块什么,强忍着眼泪对自个儿说,让窗外的夜风一吹,心里什么感伤都没有了。他的一对清纯如秋水的大眼睛,神情带着一点忧郁。

2.2 改进教学方法

2.2.1 采用启发式、对比式教学,培养学生的主动思维和总结归纳能力

改革开放初期,北京地区的印刷设备仍停留在铅排铅印、土自动、单色胶印机和少量国产双色胶印机的水平上。随着历史的发展和进步,企业不断重视和加大了对现代化机械设备的引进,以高端为引领向智能化高精尖方向发展。数字印刷得到了出版和印刷企业的青睐,逐步得到了推广和应用。截至2017年底,北京印刷业拥有直接制版机378台,单幅和双幅四色商轮49台,单幅和双幅四色报轮68台,对开四色单张胶印机656台(是1979年的82倍),生产型数字印刷机574台,四色以上柔版印刷机76台,四色以上凹版印刷机31台,无线胶订生产线244条,精装书籍生产线46条。

鉴于课程理论性强、技巧性高,教学中老师可以根据课程知识点和内在联系进行问题设计,巧设疑问、巧设悬念、巧设“陷阱”、巧设矛盾等方法激发学生的求知欲,在课堂或课外留给学生一定的思考时间,引导学生主动思考、理解、消化和吸收相关知识。例如拱桥为何在古代得到广泛应用,为什么弯矩图画在梁板柱受拉侧,简支梁和三铰拱的内力是否毫无关联,多跨静定梁与一系列简支梁相比有何优势,不同平面刚架内力求解方法有何区别,超静定结构如何转化为静定结构,力法解超静定时是否必须先转化为静定结构才能求解等等。

结构力学课程内容多,逻辑性强,教师采用对比教学引导学生进行归纳总结很有必要。例如将结构力学与理论力学、材料力学研究内容进行对比;相同结构在不同荷载和约束条件下对比;静定结构中梁、刚架、桁架及拱的受力分析对比;移动荷载与固定荷载作用的对比;桁架结构分析中结点法和截面法的对比;力法和位移法在解超静定结构时的原理和步骤对比等。通过对比分析,加深学生对各种力学方法的理解,使学生对课程整体内容和脉络更加清晰,达到事半功倍的效果。

因授课计划受教学内容调整的影响,授课前要做好课程设计,安排好主讲课、习题课、讨论课及第二课堂等,主讲课结束后根据需要安排习题课或小结课,穿插学生讨论,在学时受限的情况下将实验或实践安排在课外第二课堂进行。同时,做好教学后记,将每次课的教学过程、学生疑难点、教师感悟等详细记录,为下一轮授课提供参考。

结构力学作为一门专业基础课,在专业课之前开设,学生在学习结构力学时,对它与专业课之间的联系不太清楚,教师在授课中应将结构力学与专业课程联系起来。例如,结构力学花大量时间和精力完成的内力计算和位移计算结果是后续结构设计中直接使用的已知条件;“力矩分配法”就是钢筋混凝土结构、钢结构等结构设计的直接工具;“结构的动力计算”则是结构抗震设计的直接工具等[3]。这样可以让学生建立起前后联系的结构力学框架,有助于引起学生对课程的重视,也为后续专业课程学习奠定基础。

结构力学从实践中来,必须回到实践中去,只有与工程实践紧密结合的结构力学才更具有生命力和趣味性,才能更好地培养出具有工程实践能力的学生。因此,教师在授课时不能局限于书本知识,而应尽可能地联系工程实际。比如可以从欧洲教堂建筑、中国古赵州桥让学生了解拱结构;从武汉长江大桥、输电塔、厂房屋架等体会桁架结构的特点;从身边的住宅楼、教学楼体会刚架结构的特点;从车辆过桥引入移动荷载和影响线的概念等。

2.2.3 积极开展第二课堂,培养学生团队合作和探索精神

我国水泥稳定碎石基层施工采用并机分层摊铺技术,而并机摊铺往往会产生30~60cm的纵向接缝,接缝处大粒径颗粒由其自重作用滚落底部造成离析,基层产生薄弱带[2]。另外,分层施工还存在多个问题:(1)水泥稳定碎石分层摊铺施工时易产生离析,影响上下基层的黏结,从而使得上基层层顶弯拉应力过大;(2)下基层养护完成后进行上基层施工时,施工机械易对成型不久的下基层造成损伤;(3)分层施工使得工期过长,增加工程成本。超厚宽幅水泥稳定碎石施工工艺可有效解决层间黏结不牢、降低工程成本等问题,对超厚宽水泥稳定碎石基层施工工艺研究具有重要意义。

结构力学课程受学时缩减影响,课内开展实验或实践比较困难。但必要的实验或实践活动有助于学生理论知识的理解、提高定性分析能力、增强实践动手能力、培养创新能力。

单胺类氧化酶可催化单胺类神经递质的氧化,从而使它们失活,以及最后被降解。因此单胺类氧化酶抑制剂可以提高大脑中单胺类神经递质的水平,该生理效果被认为是该类药物抗抑郁效果的疗效基础,三环类药物的神经系统活性较为广泛,包括但不限于提高突触间单胺类神经递质的水平。结合后续的一些神经科学研究,科学家们提出了单胺类假说:神经突触间单胺类神经递质—5-羟色胺或去甲肾上腺素的缺乏降导致了抑郁症的发生。

(2)期末采取“一页开卷”形式,即允许学生自带一页A4纸进考场,可以用来写重要公式、归纳的知识点、平时易错的地方、解题思路等[5]。学生不必死记硬背许多书本上的公式,同时也能将重要知识点进行归纳整理、提炼和总结。

从2017年开始,丽水学院土木工程专业在开设结构力学课程的同时,增开了建筑模型设计与制作选修课,同时还与浙江省大学生结构设计竞赛相结合。以当年竞赛题目为结构力学课外综合实践项目,学生自由组队合作完成竞赛内容,成果包括理论方案、结构模型实物和加载测试结果,最后按加载试验成绩及计算书评定该实践环节成绩,并计入课程成绩。课程与学科竞赛联动,促进了学生的学习主动性,提高了学生的动手能力和团队协作能力。丽水学院在历届浙江省大学生结构设计竞赛中共获得一等奖1项、二等奖5项,三等奖4项及最佳创意奖1项的好成绩。

2.3 合理使用教学手段

同时将定性结构力学内容和概念贯穿在课程教学中。例如,增加快速判断桁架结构中某些指定杆件拉压情况,利用已知结论对结构进行定性分析,定性判断结构受力后的变形图,分析不同约束对结构内力及变形的影响,分析施工过程中结构的各种变化对结构内力分析的影响等内容。这既可以培养学生的定性分析能力,又能促进经典结构力学的教学工作,尤其是与适当的电算工具配合,更能激发学生学习兴趣,加强力学概念的建立,提高解决实际工程力学问题的能力。

结构力学教学中可以采用多媒体展示结构物图片或动画,增加课程容量,增强学生的直观感性认识,调动学生的学习积极性。同时,结构力学课程有大量数值计算,对于一般的公式推导和例题讲解,教师可以制作板书式PPT,保证教学内容、教学节奏和语言表达等与PPT展示无缝衔接。这不仅要求教师充分备课,做好教学课件,每次课堂教学前还应进行预演,以保证PPT播放中动画自定义设置跟讲课节奏完全匹配,避免PPT翻页或动画展示时出现断篇或不一致的情况,从而影响学生的学习思路。对于一些重点和难点内容,多媒体授课时也应与传统板书相结合,教师放慢授课节奏,逐步讲解推导和计算过程,并随时与学生进行互动交流,让学生在思维和速度上紧跟教师节奏,深刻理解原理和步骤,成为教学的主体,积极参与到教学中来。

2.3.2 发挥网络教学平台优势

网络教学平台是现代教学手段的有效补充,丽水学院已与超星公司合作建立了网络课程平台(超星泛雅),结构力学也进行了课程的网上建设。我们将课程标准、教学进度表、PPT课件等资源上传至网络教学平台上,培养学生自主学习,课前预习,课中与课堂教学同步学习,课后多次复习巩固,还在平台上签到、布置上传作业、答疑、问卷调查、交流心得体会、在线测试等。手机版超星学习通APP基本具有微信类似功能,能很好地实现师生交流、生生交流,教学互动更方便。同时还可以上传一些实际工程的影像资料或相关参考资料,以开拓学生视野,激发学生的兴趣和热情[3-4]。网络教学平台有效地弥补了课堂教学的不足,提高了课堂利用效率,丰富了结构力学的学习途径。

2.4 改革考核评价方式

针对结构力学课程特点及教学现状,我们从以下几个方面进行了改革与探索。

警官放过吴邦雄,转头盯住刘雁衡,不说话,想在气势上压倒对方,见刘雁衡面无惧色,只好发话:“我们接到报告,这里,就在这里!”警官的右手食指戳向地面,“有人印发共匪转单,进行赤化宣传。”

(1)采取分阶段考核方式,利用网络课程平台及时收集学生平时课堂出勤率、作业完成情况、课堂回答问题情况、答疑质疑等情况;同时,根据授课进度,期中考试可以采用弯矩图竞赛方式进行;另外,增加随堂考,了解各阶段学生对所学知识的掌握情况。

浙江省作为全国大学生结构设计竞赛的发源地,每年5月中旬都会举行浙江省大学生结构设计竞赛,其竞赛内容来源于工程实际,要求参赛队伍团队合作,设计并制作某一工程结构体,涉及结构选型、计算简图确定、荷载计算、内力和变形计算、定性分析、结果优化等,最后要求通过一定的加载方式检验结构的安全性能。本项赛事充分利用了结构力学的相关知识,综合性、挑战性和创造性极强。

通过以上考核评价方式改革,结构力学课程成绩评定可由平时成绩和期末“一页开卷”考试成绩两部分平均构成,其中平时成绩由考勤、平时作业、平时表现、期中弯矩图竞赛、随堂考、结构竞赛实践等构成。

(3)在考试题型上,除了过去的典型题目计算为主的题型,增加对定性分析和工程实践内容的考核,另外结构设计竞赛成绩也作为课程成绩的一部分。

论起美学的实践引向,山东大学终身荣誉教授周来祥的“和谐美学”无疑当首屈一指。2004年9月19日,党的十六届四中全会正式提出了“构建社会主义和谐社会”的概念。从“科学发展观”到“和谐社会”战略计划的建立,说明21世纪的治国方略取代了20世纪“发展就是硬道理”“白猫、黑猫抓住老鼠就是好猫”的偏经济,唯工具理性、技术理性的发展观,更顾全社会价值的生成以及人与人、人与自然的共处关系。国策的改变滋养了和谐美学的繁衍土壤,加上和谐美学本身拥有的丰厚传统资源,一时之间,在主流性的话语理论及实践主张中,和谐美学竟是无与争锋,话语势头有超过实力雄厚的实践美学倾向。

3 结语

通过精心安排教学内容、充分利用网络教学平台、采取有效教学方法、构建过程式考核评价方式等一系列教学改革措施,增强了学生的学习兴趣,提高了课程的学习效果,也为后续专业课程的学习打下了扎实的基础。但在实施中也暴露出一些问题,如:因学时数的压缩,整合后部分教学内容课内无法深入学习和探究;结构力学、建筑模型设计与制作和结构设计竞赛的相互联动对学生要求高、压力大,出现个别学生全盘放弃的情况;过程式考核评价方式的效果受限于教师投入的时间和精力……这需要我们在今后的实践中继续摸索改进。

参考文献:

[1]龙驭球,包世华,袁驷,等.结构力学I[M].北京:高等教育出版社,2012:1.

式中:γsr为系统对外散热损失比例,取0.5%;Qp为给水泵加入系统的能量,kJ/h;hBFP,in、hBFP,out分别为给水泵进、出口给水的焓,kJ/kg。

[2]郭翠芳,蔡可键,马永政,等.“卓越计划”引领下结构力学课程教学改革与实践[J].宁波工程学院学报,2014(4):8.

[3]左晓宝.结构力学教学方法与实践[J].理工高教研究,2008(5):140.

+δ[σ(α(z)),[σ(x),σ(y)]-σ([x,y])]-([σ([x,y]),σ(α(z))]

[4]李会军,李宗利.结构力学课程教学改革初探[J].黑龙江教育(高教研究与评估),2015(2):6.

[5]耿翠珍.“结构力学”课程教学改革初探[J].浙江树人大学学报,2012(3):44.

 
唐小翠,李铭,王喆
《丽水学院学报》 2018年第02期
《丽水学院学报》2018年第02期文献

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