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1、土木工程专业结构力学课程实验教学实践探讨 收稿日期：2022-04-27 作者简介：孙旭峰，男，扬州高校建筑科学与工程学院副教授，博士，主要从事大跨度空间结构探讨，xfsun。 摘要：结构力学课程是土木工程专业的主要专业基础课。由于结构力学试验介于材料力学和专业结构试验之间，所以长期以来不精确的定位导致多数学校的结构力学课程教学忽视试验课。文章结合结构力学课程试验教学平台的建设实践，探讨了结构力学试验在课程教学中的重要作用。 关键词：土木工程专业；结构力学；试验教学；教学改革 中图分类号：G642423文献标记码：A文章编号：1015290905013304结构力学课程是土木工程专业力学系列课
2、程中一门特别重要的专业基础课，该课程的教学质量对于实现土木工程专业的“宽口径”，以及培育实力强、素养高的土木工程师人才起着举足轻重的作用。当前，土木工程领域计算机技术的广泛应用拓宽了结构力学的应用领域，同时也对结构力学课程的教学提出了新的、更高的要求。从课程设置来看，并不能因为计算机技术的应用而降低基础力学概念教学所占的比重。从国内外工科专业力学类课程的设置状况来看1，国内土木工程专业力学类课程学分的比例基本上小于10%，而国外均大于10%，并且目前国际上比较注意学生对“基础学问”的驾驭，因此，力学类课程全部为必修课。 从现代科学探讨的角度看，应用型基础力学课程应包括理论教学和试验教学两方面，
3、结构力学课程也应如此。但在长期的教学实践中，由于结构力学试验介于材料力学和专业结构试验之间，这一不确定的定位导致其试验教学部分往往被忽视，而仅专注于课堂理论教学。正是这种忽视，造成了土木工程专业的学生很难从对单根构件受力概念的形象理解，过渡到对整个平面结构直至空间结构受力概念的形象理解，对其后续结构课程的学习及工作实践，乃至进一步的深造产生很大的负面影响。 一、 土木工程专业开设结构力学课程试验的必要性 力学概念是从实践中来的，本科阶段学习的应用力学更是如此。作为一名长期主讲结构力学课程的老师，笔者能够深切地体会到结构力学课程试验在帮助学生理解概念方面的重要意义和作用。以几何组成分析为例，在学
4、习这部分内容时虽然课堂上已经清晰讲解了二元体的概念，但有一部分学生在遇到详细问题时还是不清晰。如图1a）所示，这些学生会将3-5-6当作二元体来对待。究其缘由，是没有把“链杆的约束”这个概念搞清晰，如图1b）所示，他们在作几何组成分析时把2-4-6和3-5-6作为刚片，而将1-2和1-3作为链杆。又如图2所示，三个刚片间以三对平行等长链杆连接而成为几何常变体系的状况，许多学生对此根本没有一点感性相识。诸如此类的问题，还出现在对“定向支座可以约束哪些方向的位移、约束反力如何”等等概念的理解上，这都是由于没有供应试验条件让学生亲自动手去“试一试”造成的。在建筑力学的课堂教学中，老师利用自己动手制作
5、的一部分杆件以及连接件，结合课程内容当场做演示试验，或者让部分学生自己来做试验。从课程测试的结果可以看出，学生在这部分内容的出错率有做试验的与未做试验的相比有大幅下降，这充分说明白“动手”的重要性。类似的状况还出现在诸如弯矩图需画在受拉一侧、刚结点处的弯矩平衡、互等定理、影响线、稳定、动力特性分析等，因此，须要通过试验帮助学生形象而深化理解该课程概念部分的学问。 高等建筑教化2022年第22卷第5期 孙旭峰，陶阳土木工程专业结构力学课程试验的教学实践 图1 图2 土木工程专业所涉及的主要是房屋建筑、桥梁、隧道等结构体系。在理论讲授及试验中如能紧密结合专业特色，对学生学习专业课学问与增加学习爱好
6、都将起到事半功倍的效果。比如钢筋混凝土结构设计中“强柱弱梁”的概念，柱端先破坏时会形成几何可变体系，而梁先破坏则还是几何不变体系。这个概念一般在钢筋混凝土专业课中讲解，但假如在几何组成分析部分将其列入试验课内容，则会加强学生对专业学问的形象理解。类似的例子还有：单层厂房中的纵、横向支撑体系，顶点位移法计算房屋自振频率，结构抗震中的“鞭端效应”等等。但是在试验设计方面，由于学生此时还没有学习专业课程，所以结构力学试验和之后的专业课试验必需有所区分，不应设置过高的难度，否则将适得其反。 结构力学探讨的对象是结构体系的受力性能，而结构体系的布置是特别敏捷的，所以结构力学试验还应当与材料力学试验有所区
7、分。在试验中应以提高学生的动手实力、设计实力为目标，可以自行设计构件、连接支座装置及结构体系。以结构体系为例，不肯定要限定为平面杆件体系，而可以结合高层建筑、空间结构等，通过老师的适当启发，充分发挥学生的自主创新的实力。除完成基本试验外，结构力学试验课程应结合学科竞赛，为学生创建试验条件。 二、 土木工程专业结构力学课程试验教学实践 2022年，笔者所在的扬州高校对土木工程专业进行了课程试验的教学改革，建立了土木工程专业本科系列开放性试验教学平台，将材料力学、结构力学、土木工程材料、土力学、混凝土基本理论等课程的试验整合为土木工程专业基础试验课程，共1.5个学分，48学时，分三个学期完成，并统
8、一编写了相应的课程教学大纲。试验课程分为基本型、提高型及创新型三个层次，其中基本型试验要求学生在一个设计完整的试验框架下重新验证结果，让学生通过试验来验证所学相关理论推导结论的正确性，从而加深对学问的理解，培育学生的推理实力、分析实力，训练其试验技能；提高型试验内容涉及该课程的综合学问或与该课程相关的学问，对学生的试验技能进行综合训练，培育学生的综合分析实力、试验动手实力、数据处理以及查阅资料的实力，要求学生综合运用两种以上的基本试验方法完成同一个试验，培育学生运用不同的思维方式和不同的试验原理综合分析问题、解决问题的实力，驾驭不同的试验方法和试验技能；创新型试验要求学生依据给定的试验目的要求
9、和试验条件，自己设计试验方案，选择试验器材，制定操作程序，学生必需运用自己驾驭的学问进行问题分析和探讨，着重培育学生独立解决实际问题的实力、创新实力以及组织管理实力。 试验平台中的结构力学试验为新增设的模块，根据试验平台建设要求并参考相关文献2-4将几何组成试验、桁架及刚架静内力测定试验作为基本型试验，将刚架稳定试验、静挠度测量试验、影响线绘制试验、结构优化试验、自振频率测定试验作为提高型试验，将自行加载的模型试验及其他试验作为创新型试验。试验课程各模块按五级记分，其中平常成果占50%，试验操作及试验报告占50%，课程总成果以学期为单位按各模块所得成果的平均值计分。 依据试验平台建设要求，扬州
10、高校与南京航空航天高校合作研制了NHLX-G型刚架多功能试验装置，如图3所示。该装置由支撑刚架、定位板、支座、加载系统、加载杆等组成，可依据须要很便利地将支座更换为固定支座、铰支座及定向支座等，可自由设置加载点位置，不仅可以完成刚架静内力测定试验，还可完成挠曲线测定、影响线绘制等试验。在试验中由学生自己粘贴应变片以及完成接线，以提高学生的试验技能。在自主编写的试验报告中，除要求分析产生误差的缘由，还要求学生将试验结果与结构力学求解器的求解结果进行对比分析，培育其科研思维实力，如：“计算中是否考虑剪切变形及轴向变形有什么影响？”、“考虑支座的实际尺寸时计算简图中计算长度的取值对结果有什么影响？应
11、如何取值？”、“计算中是否考虑支座的实际弹性刚度对结果有什么影响？”等等。对这些问题的分析解答都是课堂理论教学所无法完成的。 图3NHLX-G型刚架试验装置 在创新型试验部分，学校将结构力学试验与结构创新竞赛相结合，引导学生进行自主学习，如三维空间体系的几何组成分析及内力计算、简洁有限元软件的应用等等。图4所示为学校举办结构模型制作及加载试验竞赛的场景，其中左图为静力加载，右图为单向振动台试验。对于这些试验，学生们参加的热忱特别高，达到了在趣味中感受结构力学的魅力，在趣味中提升对结构整体受力的感性相识的教学目的。 图4结构模型制作加载试验竞赛 扬州高校自2022年课程试验改革以来，结构力学试验
12、模块的教学已在两届学生中得以实施。在课堂理论教学中可以明显感到学生对结构力学学习爱好的增加，如课堂留意力较集中、课间课后提问较活跃等等。此外，与试验改革实施以前的两届学生相比，几何组成部分的卷面平均出错率从19.3%下降为5.6%，做刚架弯矩图时结点平衡概念的出错率也大为降低，这从一个侧面反映了结构力学课程试验的教学成果。此外，学生还在各类结构创新大赛中屡获佳绩；以“减小支座弯矩”为概念的“抗震楼梯”设计还申报了国家专利，初步呈现了创新型结构力学试验教学的成果。 三、 结语 学校土木工程专业本科系列试验教学平台的专项建设，推动了结构力学试验课程教学质量的提升。结构力学课程试验的教学实践成果主要
13、体现在以下几方面。 试验教学打破了结构力学课程课堂理论教学一统天下的局面，让学生能真正参加课程教学互动，帮助学生学会独立思索，并能敏捷应用所学学问，与课堂理论教学形成良性互动。 改革前后学生成果的对比，客观上显示了基础型和提高型试验在促进学生对课程基本概念的形象理解、基本技能和动手实力的提升方面的重要作用。 创新型试验的设置，激发了学生的创建性和自主学习的实力，增加了学生对专业的感性相识和学习爱好，取得了较好的实践成果。 参考文献： 1 黄再兴，胡海岩.国内外高校工科专业力学课程设置状况对比J.力学与实践，2003，1：44-46. 2 刘礼华，等.以基本内容为核心创建结构力学试验体系J.理工
14、高教探讨，2022，26：116-117. 3 张乃群，等.分层次开放性试验教学模式探究J.南阳师范学院学报， 2022，8：105-108. 4 申静波，等.初探开放性试验对学生实力的培育J.高校试验室工作探讨， 2022，95：56-57. Teaching practice in construction of structural mechanics course for civil engineering SUN Xufeng， TAO Yang Abstract： Structural mechanics is the main professional basic course
15、in civil engineering. For a long time， the role of structural mechanics experiment is not so clear because it is something between the material mechanics experiment and the professional structural experiment. Therefore， most universities neglect the experimental teaching in the structural mechanics
16、course. Based on the construction of experimental teaching platform for civil engineering undergraduates， we discussed the important role of experiment during the teaching and learning of structural mechanics. Keywords： civil engineering specialty； structural mechanics； experiment teaching； teaching reform 第9页 共9页第 9 页 共 9 页第 9 页 共 9 页第 9 页 共 9 页第 9 页 共 9 页第 9 页 共 9 页第 9 页 共 9 页第 9 页 共 9 页第 9 页 共 9 页第 9 页 共 9 页第 9 页 共 9 页