多元化结构力学教学研究

吴 瑶 赖 韬

(南京工业大学土木工程学院，江苏 南京 211816)

第四次工业革命和建筑行业变革给传统土木工程专业课程教学带来挑战。结构力学是土木工程专业中一门重要的学科基础课，作为土木工程专业的基础支撑，结构力学不仅是众多高等院校研究生入学考试的初试科目，也是各类土木工程师必备的专业技术知识，与土木学子今后的升学、从业密不可分。然而，传统结构力学课程教学形式单一化、教学内容模式化，在建筑行业变革的冲击下，学生对结构力学的学习兴趣逐渐减退，给结构力学教学带来巨大挑战。目前，结构力学课程教学仍以“传递—接受”为主要特征，强调教师的主导作用，教师能充分驾驭课堂，有助于学生思维的集中，通过传授系统的科学知识，有助于学生在短时间内形成知识结构与体系。然而，传统结构力学教学方法和内容不利于创新思维和创新能力的培养，与新工科人才培养目标不契合，难以满足行业发展需求。

随着新工科背景下人才需求的变化，传统专业课程教学与新时代人才培养目标显示出高度不匹配、不适应。学生在传统专业课程的学习过程中容易产生困惑，学生心理动态的改变极大地影响教学效果。基于文献调研、学生评教、平时作业和期末考试成绩达成度的分析结果表明，结构力学课程中主要存在的问题：第一，课程目标不明确，学生学习态度不积极；第二，课程讲解不易理解，学生不能很好地掌握基本概念和原理[1]；第三，僵化的教学模式及枯燥的学习内容无法激发起学生自主学习兴趣。解决这些问题，一要从学生心理出发，二要从教学手段的创新出发。目前，通用有效的教学手段有课程思政、启发式教学、趣味教学等[2-4]。本文围绕结构力学教学内容，针对哪些教学内容适合哪种教学手段提出思考，旨在提升课程吸引力，引导学生自主学习，鼓励学生将结构力学课程中学习到的方法用于解决其他课程乃至人生中遇到的各种问题，发挥结构力学课程的宏观作用。基于此，开展结构力学多元化教学研究，通过多种教学方法的融合，提升课程趣味性，促进加深对知识点的理解，达到引导学生自主学习的目的，提高人才培养质量，实现新工科背景下人才培养目标。

1 课程思政元素挖掘

思政教育的基本原则是推动知识传授、能力培养与理想信念、价值理念、道德观念的教育有机结合，建立健全系统化育人长效机制[5]。结构力学课程的思政元素多围绕爱国情怀、职业认同、“大国工匠”、科学家精神及哲学思想等。本文提出以解题思路为出发点，通过剖析解题思维，引出解题思维中蕴含的人生哲理，这些丰富的哲理同样适用于解决学习、生活和工作中遇到的困难和问题。下面以几个知识点为例，阐述其中蕴含的人生哲理，可作为开展思政教学的有用素材。

1.1 力法求解超静定结构

力法求解超静定结构的主要思路是将超静定结构转化为静定结构进行求解。通过辨别超静定结构和静定结构的区别，将多余未知力作为基本未知量，然后集中精力解决这个基本未知量，基本未知量解决了，超静定结构求解的问题就转化为静定结构。集中精力求解基本未知量的思路蕴含的哲理为：集中精力解决主要矛盾。

1.2 静力法绘制影响线

由于单位力的位置不固定，用截面法计算内力时给求解带来困难。因此，采用分区段处理的方法，旨在避开单位力，避免复杂的计算，而选用另一个不包含单位力的隔离体，既避免了复杂的求解计算又能得出相同的计算结果。静力法求影响线的解题思路蕴含的哲理为：不要遇到难题就害怕，不是所有的麻烦和难题都必须要解决，有时可以换一种思维、换一种方式，巧妙避开难题和大麻烦。

1.3 计算简图的选择

对重要的结构采用较精确的计算简图，并保证计算结果的可靠性。在初步设计阶段可采用比较粗略的计算简图，而在技术设计阶段则应采用比较精确的计算简图。由于结构动力计算和稳定性计算比较复杂，计算理论和方法有限，通常采用比较简单的计算简图；在结构静力计算时，一般采用较精确的计算简图。手算时多采用简单的计算简图；利用计算机时多采用较精确的计算简图。计算简图的选取蕴含的哲理为：处理事物时，应根据情况和条件不同区别考虑，培养学生的发散性思维和解决实际问题的能力。

1.4 用计算自由度判断结构的几何不变性

当用计算自由度判断结构的几何不变性时，有时不能一步到位。对与基础相连的结构，当计算自由度W＞0时，表明结构几何可变；如计算自由度W≤0，还需进一步判断。对复杂结构可用计算自由度先进行判断。该知识点蕴含的哲理为：对于复杂的事物，可以化繁为简，先找容易下手的地方下手。对于复杂的事物，有可能一个问题排除了，其他问题就迎刃而解了；如果解决不了，再想其他方法解决。

1.5 主从结构的传力模式

主从结构的解题思路：如果主从结构的荷载全部作用在基本结构上，附属部分不会产生内力；如果荷载作用在附属结构上，基本结构会产生内力。该知识点的思政内容是引导学生勇挑重担，做传力路径上的主人，不是岁月静好，只是有人替你负重前行。

2 理论联系实际的启发式教学探究

启发式教学即在教学中启发学生的主动思维，而不是被动接受灌输[3]。通过理论联系实际的工程情境创设，使学生明确所学习的知识能解决什么问题，了解知识点的工程指向。理论联系实际的启发式教学，不仅加深了学生对专业知识的理解，还能增加课程趣味性。有思政意义的实际工程案例甚至可以激发学生的专业荣誉感、爱国情怀以及求知欲。基于此，在结构力学教学中应将知识点更多地联系工程实际，让学生在课程中进行“真做题、做真题”的实践模拟。以下列举结构力学课程中的一些理论联系实际的工程案例。

2.1 混凝土结构在温度作用下挤压开裂

如图1 所示为生活中常见的混凝土结构在温度作用下的开裂现象。基于该现象提出问题，引导学生用结构力学知识解释问题，让学生感受到结构力学知识的“有用性”，从而产生自主学习兴趣。

图1 混凝土结构在温度作用下计算简图与受力失效模式

2.2 木结构与知识点的联系

结合南京工业大学在木结构方向取得的诸多研究成果及进展[6-7]，将木结构分析计算与结构力学紧密联系。例如，以木屋架设计为实践练习，引出静定结构桁架的受力分析方法。通过探讨木结构构件的连接形式，与结构力学中计算简图的选取、节点简化联系起来，使学生深刻理解刚结点和铰结点在实际结构中的表现形式，增强理论联系实际的能力。

3 趣味教学探究

结构力学不仅有枯燥的一面，还包括很多趣味性的元素[4]。趣味元素可以是玩具类的模型教具[8]，也可以用生活中的东西进行举例。趣味元素不仅可以激发学生的学习兴趣，通俗易懂的表达还可以帮助学生理解知识点，提升学生学好结构力学的信心[8]。因此，深入挖掘结构力学课程中的趣味元素，对提升学习效果是非常有益的。以下列举了两种用生活中的物品辅助讲解知识点的例子。

（1）如何理解约束总数小于杆件的自由度总和时，结构一定几何可变；而约束总数超过杆件的自由度总和，结构不一定几何不变。可以借助生活中的捆螃蟹进行举例，如图2所示。

图2 举例解释计算自由度W与结构几何可变性的关系

（2）如何理解实际结构中的刚结点和铰结点。铰结点为连接的杆件不能相对平动，可以相对转动；刚结点为连接的杆件不能相对平动，也不能相对转动[9-12]。可以用质量不好与质量好的桌子进行举例，如图3所示。

图3 用桌子举例解释刚结点和铰结点

强调结构力学解题的技巧性，通过技巧性解题提升课程趣味性。技巧解题带来的愉悦感犹如玩游戏通关，让人上瘾。通过强化学生求解问题带来的成就感、满足感和愉悦感，使学生对课程产生兴趣。布置作业时应选择技巧性强、计算量小的题进行练习，计算量大的习题，学生做作业花费时间长，容易导致对课程兴趣逐渐减弱，起不到较好的学习效果。

图4中的结构弯矩图绘制无须计算支座反力，仅需利用以下弯矩图绘制中的2 个技巧即可快速绘制弯矩图：①悬臂端有外力偶作用时，该处弯矩大小等于外力偶；②铰接点处无集中力，两侧弯矩图斜率相同。这种类型的题目计算量小，结构看似复杂，却能快速求解出来。学生开始觉得题目有一点挑战性，求解出来后会有成就感、满足感和愉悦感，渴望练习更多类似题目。

图4 快速绘制弯矩图

如图5所示，采用①分段叠加法画弯矩图和②无附加弯矩的铰接处弯矩为零进行解题。图5 中的这两个问题，如果运用连续梁传统解法，求解步骤多、计算量大。如采用技巧解题，可快速求解。课堂通过讲解带有技巧性的习题，使学生体会到运用技巧解题带来的乐趣，从而对课程产生兴趣。

图5 分段叠加法求弯矩图

4 结构设计竞赛的探讨

各大学校和学院均鼓励学生创新竞赛，培养学生的创新性，学生也乐于参加一些不同于传统学习模式的竞赛活动，可以将结构力学课程与学生感兴趣的点结合起来，不仅可以用专业知识辅导竞赛内容，还可以加深对基础知识的理解。例如，可以结合结构设计大赛，课堂上增加关于“直杆”和“曲杆”对结构受力影响的探讨，以及“长细比”的概念在结构设计大赛中的应用。

5 结语

多元化教学不局限某种教学方法，而是针对具体内容提出适合的教学方法，旨在提升课程吸引力。本文围绕一些结构力学课程知识点开展教学研究，将课程思政、理论联系实际、趣味探索及创新竞赛融入教学，给“老旧”的知识增添“新意”，改变学生对结构力学教学的看法。学生们学习知识时，有种耳目一新的感觉。学生对结构力学的认识是“不仅有趣还有用”，从而对课程产生兴趣，从学生的心理因素出发解决传统教学中的学习态度问题。用创新的多元化教学手段，提高学生注意力并帮助学生理解，从而提升教学质量。结构力学的原理和方法同样适用于解决学习、生活和工作中的许多问题。因此，学好结构力学仍然是适应新工科背景下人才需求变化的重要保障。