基于結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽的結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)體系改革研究

　　來源：廣西廣播電視大學(xué)學(xué)報 2022年2期

　　作者：余沛1,2高素芹1,2張煊銘3

　　單位：1. 信陽學(xué)院土木工程學(xué)院2. 信陽市裝配式建筑重點實驗室3. 商丘工學(xué)院土木工程學(xué)院

　　[摘 要]在以創(chuàng)新思維能力培養(yǎng)為基礎(chǔ)的高等院校結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)體系中，可以結(jié)合大學(xué)生的結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽及教學(xué)實踐，在大學(xué)課堂的教學(xué)中注重培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新思維，鼓勵大學(xué)生發(fā)揮主動創(chuàng)新精神，以期實現(xiàn)應(yīng)用型和創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的目標(biāo)。

　　[關(guān)鍵詞]結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽;結(jié)構(gòu)力學(xué);創(chuàng)新思維

　　引言

　　結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽是土木工程專業(yè)主要學(xué)科競賽之一，其主要形式是給定某種材料(竹材、木材、紙和有機玻璃等)，設(shè)計并制作滿足賽題要求的結(jié)構(gòu)模型，并撰寫模型分析計算書，最終通過對計算書、模型制作質(zhì)量、現(xiàn)場陳述以及模型加載效果等分項評分相加得到綜合成績。該賽事為土木工程專業(yè)具有創(chuàng)新性和實踐性的學(xué)科競賽。商丘工學(xué)院和信陽學(xué)院土木工程學(xué)院在結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)中，以結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽為基礎(chǔ)：一方面，以歷年競賽題目為導(dǎo)向，在課堂教學(xué)中傳輸創(chuàng)新理念;另一方面，積極探索創(chuàng)新理論，綜合理論、實踐及現(xiàn)場實操等多種教學(xué)手段，在結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)過程中，注重培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新思想，鼓勵大學(xué)生的創(chuàng)新思維，最終實現(xiàn)應(yīng)用型和創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的目標(biāo)。

　　一、以創(chuàng)新思維為導(dǎo)向的廣譜分析

　　結(jié)構(gòu)力學(xué)是一門發(fā)展迅速的學(xué)科，新型的工程材料和工程結(jié)構(gòu)的大量出現(xiàn)，以及工程的相關(guān)問題，向結(jié)構(gòu)力學(xué)提供了新的研究內(nèi)容，并提出新的要求。結(jié)構(gòu)力學(xué)對數(shù)學(xué)及其學(xué)科的發(fā)展也起到推動作用，適合進行大學(xué)生創(chuàng)新思維的訓(xùn)練，在結(jié)構(gòu)力學(xué)的教學(xué)過程中，教師應(yīng)該依據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)的課程特點及學(xué)生接受知識的程度，向?qū)W生展示有趣和完整的學(xué)科廣譜分析，有助于大學(xué)生在結(jié)構(gòu)力學(xué)學(xué)習(xí)過程中，轉(zhuǎn)變看問題的方式，從而把握結(jié)構(gòu)力學(xué)問題的核心，促進大學(xué)生的創(chuàng)新思維能力的提升。

　　(一)結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)的客觀性

　　結(jié)構(gòu)力學(xué)的邏輯性較強[1]，大規(guī)模的工程結(jié)構(gòu)需要精確的分析和計算。很多事物都可以顯化為某種結(jié)構(gòu)，每一結(jié)構(gòu)是一個模塊，可以用模塊組合的方法模擬復(fù)雜結(jié)構(gòu)及其機理，這一觀點具有方法論的性質(zhì)，它告訴我們，復(fù)雜結(jié)構(gòu)可以由簡單結(jié)構(gòu)組合生成，正如結(jié)構(gòu)力學(xué)以桿件結(jié)構(gòu)為主要研究對象，其中桁架結(jié)構(gòu)由獨立的桿件組成。

　　結(jié)構(gòu)力學(xué)主要內(nèi)容包括四部分：靜定結(jié)構(gòu)分析、超靜定結(jié)構(gòu)分析、矩陣位移法和動力計算基礎(chǔ)。在教學(xué)中應(yīng)從理論分析、實驗研究和數(shù)值計算三個方面對結(jié)構(gòu)力學(xué)進行討論，把實際結(jié)構(gòu)簡化為計算模型，然后對計算簡圖進行計算。在教學(xué)中，要求學(xué)生認(rèn)識工程結(jié)構(gòu)，要通過不同的“觀控方式”(如觀察方式、控制方式、觀察水平、控制水平)，而且可以對“觀控方式”進行選擇，這表現(xiàn)了學(xué)習(xí)的主觀能動性。在結(jié)構(gòu)力學(xué)計算方法中，對同一桿件可以用力系的平衡方程或運動方程、變形與位移的幾何方程、應(yīng)力與變形間的物理方程等。另外，電子計算機的出現(xiàn)，對結(jié)構(gòu)力學(xué)學(xué)科產(chǎn)生了巨大影響，由“手算”到“電算”，無論采取什么方式或計算方法，對桿件的簡圖、節(jié)點的受力分析等“觀控”方式的結(jié)果，不因?qū)W生人數(shù)的多少或觀察次數(shù)的增加而改變結(jié)構(gòu)力學(xué)的計算，這正反映了結(jié)構(gòu)力學(xué)的客觀性。

　　在例題講解過程中，按照客觀性的概念，同一工程的結(jié)構(gòu)是在一定的“觀控方式”下，n個教師或?qū)W生，n次講解或聽講下結(jié)構(gòu)的不變形。顯然，當(dāng)“觀控方式”改變時(如條件改變)，可以獲得不同的結(jié)果(客觀性)，這正是教師在教學(xué)過程中應(yīng)該反復(fù)強調(diào)的內(nèi)容，鼓勵大學(xué)生主動分析問題、解決問題和創(chuàng)新問題，進而提升分析能力、計算能力、自學(xué)能力和表達能力。

　　(二)力學(xué)與結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽及工程的結(jié)合

　　房屋中的梁柱體系、水工建筑物中的閘門和水壩、公路和鐵路上的橋梁和隧洞等，都是工程結(jié)構(gòu)的典型例子。實際工程結(jié)構(gòu)很復(fù)雜，在結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)中，很難完全按照結(jié)構(gòu)的實際情況進行力學(xué)分析，只能用一個簡化的圖形來代替實際結(jié)構(gòu)。大學(xué)生對實際結(jié)構(gòu)過程缺少實踐認(rèn)知，這一環(huán)節(jié)應(yīng)在教學(xué)和課外獲得補充。在教學(xué)中，可以引入結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽的相關(guān)題目，因為結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽是最能體現(xiàn)專業(yè)知識運用和創(chuàng)新能力的環(huán)節(jié)，賽題全部來自工程實際。例如2017年河南省第六屆大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽，賽題是完成塔吊結(jié)構(gòu)模型的設(shè)計、制作，并進行吊裝測試。

　　塔吊按其回轉(zhuǎn)形式可分為上回轉(zhuǎn)(塔身不回轉(zhuǎn))和下回轉(zhuǎn)(塔身回轉(zhuǎn))兩種。下回轉(zhuǎn)塔式起重機具有結(jié)構(gòu)簡單、重心低、運轉(zhuǎn)靈活、速度快、效率高等特點，適用于磚混砌塊結(jié)構(gòu)和大板建筑的工業(yè)廠房、民用住宅的垂直運輸作業(yè)。在實際工作中，要防止塔吊倒塌事故的發(fā)生，避免財產(chǎn)損失和人員傷亡。因此，為保證安全，必須保證建筑塔吊的可靠性和安全性。此賽題能較好地培養(yǎng)和鍛煉參賽者在土木工程結(jié)構(gòu)、材料、力學(xué)、設(shè)計、制作及專業(yè)軟件使用等方面的能力，學(xué)生通過結(jié)構(gòu)選型工作，把專業(yè)知識付諸于實踐，甚至能提出新的結(jié)構(gòu)類型。通過結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽與力學(xué)的緊密結(jié)合，增加了大學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，也在教學(xué)中貫徹創(chuàng)新思維奠定了基礎(chǔ)[2-3]。

　　(三)廣譜哲學(xué)的創(chuàng)新思維

　　哲學(xué)家維特根斯坦說過，“一旦新的思維方式建立起來，許多舊問題就會自動消失，這是一個值得每位所謂傳統(tǒng)的制造業(yè)者思考的問題”。按照廣譜哲學(xué)中的方法論，創(chuàng)新思維就是改變“觀控方式”，使研究對象顯現(xiàn)新的客觀屬性、功能或新的客觀關(guān)系。由于廣義的“觀控方式”是各種各樣的，而且還在不斷發(fā)展之中，因此，“改變觀控方式(換個角度看問題)”就是豐富多樣，這將使創(chuàng)新思維具有更加豐富多彩的模式與方法。

　　在廣譜哲學(xué)的方法論中，提及牛頓力學(xué)原理的共性、一般性，可舉例蓋房子和建橋梁，需要探索牛頓力學(xué)的原理在不同材料、不同條件下的表現(xiàn)形式，從而形成材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、土力學(xué)等具體的學(xué)科知識。要應(yīng)用這些知識解決具體的樓房或橋梁問題，要進入設(shè)計階段，而設(shè)計階段要把形成力學(xué)一般原理時所舍棄的各種次要因素、偶然因素一并考慮進去。在分析問題的時候，理論要聯(lián)系實踐，實踐結(jié)果是在理論指導(dǎo)下進行的，但有實踐結(jié)果的失敗卻不能反推理論指導(dǎo)是錯誤的，如工程施工中，若一座橋梁倒塌，不能推出結(jié)構(gòu)力學(xué)是錯誤的，理論與實踐結(jié)果之間不是一對一的、單值的因果關(guān)系，原因在于它們之間跨越了若干不同的層次、經(jīng)歷了許多環(huán)節(jié)。橋梁倒塌可能不是結(jié)構(gòu)力學(xué)分析計算的錯誤，可能是在施工材料、施工方法、天氣等原因所致。

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