基于数值建模和分析的“结构力学”教学方法研究

杜东宁 王舜 刘晓

【摘要】传统结构力学课程教学是以基本原理和方法讲授和习题讲解为主要途径，而结构力学在工程结构设计与分析中的实用和实践性较强，目前的教学方法已不能充分激发学生的学习兴趣，满足学生的学习需求。为培养学生学以致用的实践能力，激发学生的创新热情，从课内外引导学生应用各类数值计算分析软件，建立教材里例题的数值计算模型，将结构计算过程的学习与数值建模和计算过程紧密结合，丰富结构力学课程的教学手段，介绍在实际教学实践过程中的方法和教学效果，初步形成基于数值分析和传统习题讲解相结合的结构力学教学方法体系。

【关键词】结构力学  数值建模  结构分析  结构设计

【基金项目】教改项目：基于专业认证的土木工程专业人才培养模式改革（项目编号：c9）。

【中图分类号】G642 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2020）02-0188-02

引言

随着我国土木工程的迅猛发展和电子计算机的普遍应用，具有夯实的专业知识基础和工程创新实践能力的土木工程专业人才成为各类土木行业单位的主要需求趋势，结构力学作为结构设计和结构分析的基本专业能力显得尤为重要。传统的结构力学课程大多关注于结构力学课程的基本理论体系的讲解，教学方法单一，以典型习题讲解为主，往往对知识的应用和与工程实践结合不紧密，从而达不到较好的教学效果，无法实现工程专业人才的培养目标。我院土木工程专业教研室教师为改革传统教学模式，以学有所乐、学有所得、学以致用的教学理念为基本原则，努力探索结构力学教学体系新的教学方法和模式，初步形成了以数值建模计算分析与传统习题讲授相结合的实践教学体系。

1.建设结构力学课程习题数值模型库

习题讲解是结构力学课程教学环节的核心，是让学生掌握基本原理和计算方法的关键。传统教学方法仅仅依靠学生挺老师讲解辅以一定量的实例进行独立计算，往往造成学生的学习积极性不高，学生易出现因未理解或理解困难而严重影响学习的效果和积极性。将数值建模引入结构力学教学环节后，学生可以自己亲自根据习题中的已知条件建立数值模型，通过求解计算得到与教材习题中的计算结果，增强了学生对结构计算过程的感性认识和建模能力，提升了学生应用数值计算软件解决工程问题的能力，并且激发了学生的学习兴趣。

通过数值建模和求解分析过程，不但加深了学生对于结构计算简图选用，不同支座类型约束特性，结点简化，内力计算，位移变形计算过程的理解，而且唤起了学生对于专业知识学习的兴趣和动力，从而使学生更加牢固地掌握结构力学相关原理和方法。

通过师生在结构力学教学实践中的练习的大量实例，初步建立了不同结构类型结构内力和位移计算数值模型试验模型库。模型库基本涵盖了教材中各类典型结构类型结构计算过程数值模型建模、求解、后处理、分析结果。实验项目中包括工程实践项目类和结构设计类项目，为今后学生对结构力学学习提供了丰富的教育资源。

2.通过课堂数值模拟小试验提高学习趣味性

通过在课堂教学过程中借助CAE（计算机辅助设计）软件演示简单力学模型受力过程数值模拟小试验，辅助结构计算理论教学。针对不同类型结构特点，在数值建模过程中让学生去体会各类支座，结点和荷载的约束和受力特征，深刻理解抽象的各个结构力学基本概念。利用CAE（计算机辅助设计）建模的灵活性和高效性，结合不同工况条件，将教材中的例题生动化。对于几何构造分析中的一些难于理解的结构体系，通过CAE（计算机辅助设计）建模分析，更加形象地演示了常变体系，瞬变体系，几何不变体系的受力变形过程，让学生更直观地理解各类结构的特征。对于各类结构位移计算，可以将计算结果与数值模型求解所提取的结果进行对比，通过依据教材中例题已知条件建立数值分析模型，讲枯燥的理论学习和习题生动化，提高学生对于结构力学学习的参与性和积极性。对于一些难于理解的原理和概念，如虚功原理、影响线、虚拟力状态、虚拟位移状态等学生不容易想象的概念原理，可以通过应用CAE软件建立模型，进行求解，在后处理模块中提取所需要的内力和变形结果，使学生对理论知识有了感性的认识。通过开展课上及课后的数值模拟小试验，更加生动地演示这些重要而难于理解的概念原理和方法，同时又提高了学生作用所学的专业知识自己动手建立简单的力学模型的能力，从而改进了传统课堂枯燥的理论学习的不足，增强了结构力学教学趣味性，达到了改善教学效果的目的。

3.以结构设计数值建模竞赛为切入点培养学生工程实践和创新能力

结构设计大赛现已在全国范围内开展得如火如荼，各高校的在校大学生的参与性和积极性高涨。作为一个培养土木工程专业学生创新实践和团队协作意识的平台和提高学生综合素质的必要途径，通过设立各类不同的结构设计题目，让学生在参赛过程中，运用所学到的专业知识根据基本设计条件和要求，自主选择合理的结构形式，对不同的设计方案进行比对，优化结构体系，学习结构数值建模和结构分析方法，同时锻炼了学生的创新和动手能力。

近年来建筑工程学院的师生积极参与各类大学生结构设计竞赛，并取得了优异的成绩。学生通过结构设计比赛开拓了专业视野，真正理解了不同結构类型的受力和变形特性，增强了运用专业知识解决实际工程问题的能力，保持了青年学生在专业领域里的创新性。结构设计数值建模竞赛也逐渐成为结构力学课程培养体系中的一个重要的实践环节。

理论源于实践，实践是创新的源泉，丰富多彩的结构建模数值试验让学生所学的专业知识学以致用，生动的模型吸引了土木工程专业青年学子，基于数值建模分析的结构力学教学氛围熏陶了学生对专业的浓厚兴趣，从理论基础、基于数值建模与教材习题计算相结合的案例教学方法，辅以课外结构设计数值建模竞赛的实践环节，逐渐形成了一套完整的结构力学教学体系。

4.结语

笔者以数值建模分析辅助结构力学课堂讲解的教学方法，建立了结构力学课程习题数值模型库，通过在土木工程专业的本科生教学过程中的实践，在课堂上通过开展数值模拟小试验使艰涩难懂的力学原理和方法更加生动有趣，增强了学生学习的主动性，真正让学生掌握通过计算机辅助设计软件模拟工程结构受力和变形过程，同时以结构设计数值建模竞赛培养学生应用所学的专业知识和CAE（计算机辅助设计）软件为工具模拟简单的工程实例，这样初步形成了以结构力学理论讲解为主，以数值计算分析软件为辅助，以数值建模竞赛为实践环节的一套完整的教学体系。激发了学生对专业的浓厚兴趣和学习的主动性，培养了学生亲自动手操作的实践和创新能力，达到了让学生灵活地运用所学的专业知识思考并解决工程中的实际问题能力的良好教学效果，为新世纪土木工程专业人才的培养模式和教学改革探索一条新的途径。

参考文献：

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作者简介：

杜东宁（1977-），男，博士，讲师，主要从事土木工程专业的教学工作和土木、岩土工程及其灾害机理与控制的相关研究。