基于結構設計競賽的結構力學教學體系改革研究

　　來源：廣西廣播電視大學學報 2022年2期

　　作者：余沛1,2高素芹1,2張煊銘3

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

　　[摘 要]在以創新思維能力培養為基礎的高等院校結構力學教學體系中，可以結合大學生的結構設計競賽及教學實踐，在大學課堂的教學中注重培養大學生的創新思維，鼓勵大學生發揮主動創新精神，以期實現應用型和創新型人才培養的目標。

　　[關鍵詞]結構設計競賽;結構力學;創新思維

　　引言

　　結構設計競賽是土木工程專業主要學科競賽之一，其主要形式是給定某種材料(竹材、木材、紙和有機玻璃等)，設計并制作滿足賽題要求的結構模型，并撰寫模型分析計算書，最終通過對計算書、模型制作質量、現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具有創新性和實踐性的學科競賽。商丘工學院和信陽學院土木工程學院在結構力學教學中，以結構設計競賽為基礎：一方面，以歷年競賽題目為導向，在課堂教學中傳輸創新理念;另一方面，積極探索創新理論，綜合理論、實踐及現場實操等多種教學手段，在結構力學教學過程中，注重培養大學生的創新思想，鼓勵大學生的創新思維，最終實現應用型和創新型人才培養的目標。

　　一、以創新思維為導向的廣譜分析

　　結構力學是一門發展迅速的學科，新型的工程材料和工程結構的大量出現，以及工程的相關問題，向結構力學提供了新的研究內容，并提出新的要求。結構力學對數學及其學科的發展也起到推動作用，適合進行大學生創新思維的訓練，在結構力學的教學過程中，教師應該依據結構力學的課程特點及學生接受知識的程度，向學生展示有趣和完整的學科廣譜分析，有助于大學生在結構力學學習過程中，轉變看問題的方式，從而把握結構力學問題的核心，促進大學生的創新思維能力的提升。

　　(一)結構力學教學的客觀性

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

　　結構力學主要內容包括四部分：靜定結構分析、超靜定結構分析、矩陣位移法和動力計算基礎。在教學中應從理論分析、實驗研究和數值計算三個方面對結構力學進行討論，把實際結構簡化為計算模型，然后對計算簡圖進行計算。在教學中，要求學生認識工程結構，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，這表現了學習的主觀能動性。在結構力學計算方法中，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、應力與變形間的物理方程等。另外，電子計算機的出現，對結構力學學科產生了巨大影響，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、節點的受力分析等“觀控”方式的結果，不因學生人數的多少或觀察次數的增加而改變結構力學的計算，這正反映了結構力學的客觀性。

　　在例題講解過程中，按照客觀性的概念，同一工程的結構是在一定的“觀控方式”下，n個教師或學生，n次講解或聽講下結構的不變形。顯然，當“觀控方式”改變時(如條件改變)，可以獲得不同的結果(客觀性)，這正是教師在教學過程中應該反復強調的內容，鼓勵大學生主動分析問題、解決問題和創新問題，進而提升分析能力、計算能力、自學能力和表達能力。

　　(二)力學與結構設計競賽及工程的結合

　　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，都是工程結構的典型例子。實際工程結構很復雜，在結構力學教學中，很難完全按照結構的實際情況進行力學分析，只能用一個簡化的圖形來代替實際結構。大學生對實際結構過程缺少實踐認知，這一環節應在教學和課外獲得補充。在教學中，可以引入結構設計競賽的相關題目，因為結構設計競賽是最能體現專業知識運用和創新能力的環節，賽題全部來自工程實際。例如2017年河南省第六屆大學生結構設計競賽，賽題是完成塔吊結構模型的設計、制作，并進行吊裝測試。

　　塔吊按其回轉形式可分為上回轉(塔身不回轉)和下回轉(塔身回轉)兩種。下回轉塔式起重機具有結構簡單、重心低、運轉靈活、速度快、效率高等特點，適用于磚混砌塊結構和大板建筑的工業廠房、民用住宅的垂直運輸作業。在實際工作中，要防止塔吊倒塌事故的發生，避免財產損失和人員傷亡。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和鍛煉參賽者在土木工程結構、材料、力學、設計、制作及專業軟件使用等方面的能力，學生通過結構選型工作，把專業知識付諸于實踐，甚至能提出新的結構類型。通過結構設計競賽與力學的緊密結合，增加了大學生的學習興趣，也在教學中貫徹創新思維奠定了基礎[2-3]。

　　(三)廣譜哲學的創新思維

　　哲學家維特根斯坦說過，“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的制造業者思考的問題”。按照廣譜哲學中的方法論，創新思維就是改變“觀控方式”，使研究對象顯現新的客觀屬性、功能或新的客觀關系。由于廣義的“觀控方式”是各種各樣的，而且還在不斷發展之中，因此，“改變觀控方式(換個角度看問題)”就是豐富多樣，這將使創新思維具有更加豐富多彩的模式與方法。

　　在廣譜哲學的方法論中，提及牛頓力學原理的共性、一般性，可舉例蓋房子和建橋梁，需要探索牛頓力學的原理在不同材料、不同條件下的表現形式，從而形成材料力學、結構力學、土力學等具體的學科知識。要應用這些知識解決具體的樓房或橋梁問題，要進入設計階段，而設計階段要把形成力學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，理論要聯系實踐，實踐結果是在理論指導下進行的，但有實踐結果的失敗卻不能反推理論指導是錯誤的，如工程施工中，若一座橋梁倒塌，不能推出結構力學是錯誤的，理論與實踐結果之間不是一對一的、單值的因果關系，原因在于它們之間跨越了若干不同的層次、經歷了許多環節。橋梁倒塌可能不是結構力學分析計算的錯誤，可能是在施工材料、施工方法、天氣等原因所致。

　　推薦閱讀：建筑工程造價預結算審核工作要點研究