結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)中結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的情境創(chuàng)設(shè)1)

張學(xué)元 呂 春 張道明 王 麗

(齊齊哈爾大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院，黑龍江齊齊哈爾161006)

結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)中結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的情境創(chuàng)設(shè)1)

張學(xué)元2)呂 春 張道明 王 麗

(齊齊哈爾大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院，黑龍江齊齊哈爾161006)

結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)普遍側(cè)重于理論教學(xué),實(shí)踐教學(xué)不足;側(cè)重于人工計(jì)算能力培養(yǎng),定性分析能力有待加強(qiáng).基于建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論的分析，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)情境創(chuàng)設(shè)缺失是以上問題出現(xiàn)的主要原因.探索了理論教學(xué)注重工程應(yīng)用、實(shí)踐訓(xùn)練注重定性分析等教學(xué)理念中結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)情境創(chuàng)設(shè)的方式方法，并提出了基于綜合能力培養(yǎng)的考核方案.實(shí)踐表明：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)情境創(chuàng)設(shè)有助于學(xué)生對所學(xué)內(nèi)容意義的建構(gòu)、工程意識(shí)的建立及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能力的培養(yǎng).

定性分析,建構(gòu)主義，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),情境創(chuàng)設(shè)

結(jié)構(gòu)力學(xué)是土木工程專業(yè)非常重要的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，是聯(lián)系基礎(chǔ)力學(xué)課程與工程設(shè)計(jì)課程的紐帶，是使學(xué)生從力學(xué)基本原理過渡到工程實(shí)際應(yīng)用的重要橋梁[1].現(xiàn)有培養(yǎng)模式下，結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)存在學(xué)時(shí)減少、教學(xué)內(nèi)容不減、教師講授多、學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐少等特點(diǎn)[23]，直接影響到學(xué)生工程意識(shí)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能力的培養(yǎng).以上問題的出現(xiàn)，與教學(xué)過程中結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相關(guān)情境創(chuàng)設(shè)缺失是緊密相關(guān)的.為此，本文基于建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論，分析課程教學(xué)中存在的問題；探討理論、實(shí)踐教學(xué)中結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)情境的創(chuàng)設(shè).

1 建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論

關(guān)于學(xué)習(xí)的含義，建構(gòu)主義認(rèn)為[46]：知識(shí)不是通過教師傳授得到的，而是學(xué)習(xí)者在一定的情境下，借助于他人的幫助，利用必要的學(xué)習(xí)資料，通過意義建構(gòu)的方式而獲得.情境、協(xié)作、會(huì)話和意義建構(gòu)是學(xué)習(xí)環(huán)境中的四大要素，獲得知識(shí)的多少取決于學(xué)習(xí)者根據(jù)自身經(jīng)驗(yàn)去建構(gòu)有關(guān)知識(shí)的意義的能力.關(guān)于學(xué)習(xí)的方法，建構(gòu)主義提倡在教師指導(dǎo)下以學(xué)習(xí)者為中心，教師是意義建構(gòu)的幫助者、促進(jìn)者，學(xué)生是信息加工的主體，是意義的主動(dòng)建構(gòu)者.

2 結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)中存在的問題

近年來結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)中發(fā)現(xiàn)的問題總結(jié)分析如下 [7-12]：

(1)側(cè)重于理論教學(xué)，實(shí)踐教學(xué)不足

目前許多高校土木工程專業(yè)人才培養(yǎng)方案中結(jié)構(gòu)力學(xué)理論學(xué)時(shí)占總學(xué)時(shí)的絕大部分，實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐學(xué)時(shí)沒有或僅有幾學(xué)時(shí)，這將導(dǎo)致教學(xué)過程側(cè)重于理論教學(xué)，弱化了對學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際、動(dòng)手操作能力的培養(yǎng).

(2)側(cè)重于人工計(jì)算能力培養(yǎng)，定性分析能力有待加強(qiáng)

現(xiàn)階段結(jié)構(gòu)力學(xué)課堂教學(xué)重點(diǎn)圍繞理論公式推導(dǎo)、例題講解展開，在課后學(xué)生重點(diǎn)關(guān)注習(xí)題的求解.這使得結(jié)構(gòu)力學(xué)的教學(xué)、學(xué)習(xí)集中關(guān)注在給定計(jì)算簡圖下的人工求解上，與現(xiàn)階段運(yùn)用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算的方式理念不相符，并且忽視了對學(xué)生結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)的合理形式、結(jié)構(gòu)計(jì)算模型的建立、結(jié)構(gòu)受力和變形性能的估計(jì)與判斷及計(jì)算結(jié)果正誤分析等定性分析能力的培養(yǎng).

3 基于建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論的分析

由建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論可知，情境是學(xué)習(xí)環(huán)境中的首要因素，情境創(chuàng)設(shè)是教學(xué)設(shè)計(jì)中最重要的內(nèi)容之一.教學(xué)中實(shí)踐環(huán)節(jié)不足，相當(dāng)于學(xué)習(xí)環(huán)境中工程情境創(chuàng)設(shè)缺失，使得理論與實(shí)踐相結(jié)合的環(huán)節(jié)被割裂或限定；學(xué)生定性分析能力不足，相當(dāng)于學(xué)習(xí)環(huán)境中結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)情境創(chuàng)設(shè)缺失，使得通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來培養(yǎng)定性分析能力的環(huán)節(jié)被忽視.以上分析可知：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)情境創(chuàng)設(shè)的缺失是導(dǎo)致諸多問題出現(xiàn)的主要原因.

4 基于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能力培養(yǎng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)情境創(chuàng)設(shè)

基于建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論的分析，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程各階段的內(nèi)容及能力要求角度，結(jié)合總體的教育方法，探索結(jié)構(gòu)力學(xué)理論教學(xué)、實(shí)踐教學(xué)中結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)情境的創(chuàng)設(shè).

4.1 理論教學(xué)注重工程應(yīng)用

理論教學(xué)應(yīng)注重計(jì)算簡圖與工程應(yīng)用相聯(lián)系、計(jì)算結(jié)果與工程應(yīng)用相聯(lián)系，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的能力.

(1)計(jì)算簡圖與工程應(yīng)用相聯(lián)系

結(jié)構(gòu)計(jì)算簡圖是為進(jìn)行力學(xué)計(jì)算而對實(shí)際結(jié)構(gòu)的簡化圖，是結(jié)構(gòu)力學(xué)所學(xué)內(nèi)容共同的交集.由結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程(如圖1所示)可知，計(jì)算簡圖的建立是結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析的基礎(chǔ)，是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的一個(gè)核心環(huán)節(jié).因此，關(guān)于結(jié)構(gòu)計(jì)算簡圖的情境創(chuàng)設(shè)是不可或缺的.教師可在講授靜定梁、靜定剛架、三鉸拱、靜定桁架和組合結(jié)構(gòu)等章節(jié)時(shí)，遵循整體結(jié)構(gòu)→分體系→構(gòu)件的思路進(jìn)行計(jì)算簡圖背后的工程應(yīng)用介紹及計(jì)算簡圖建立的能力培養(yǎng)訓(xùn)練，從而與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程中結(jié)構(gòu)體系選擇、結(jié)構(gòu)布置、載荷計(jì)算、計(jì)算簡圖建立各階段能力要求相適應(yīng).

圖1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程圖

(2)計(jì)算結(jié)果與工程應(yīng)用相聯(lián)系

結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形計(jì)算是結(jié)構(gòu)力學(xué)學(xué)習(xí)的主要內(nèi)容，也是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程中結(jié)構(gòu)內(nèi)部效應(yīng)計(jì)算的中心任務(wù)，關(guān)于結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形計(jì)算的教學(xué),通常是通過例題講解的形式向?qū)W生介紹相應(yīng)的計(jì)算原理和方法.因此，注重例題的選擇、計(jì)算結(jié)果與工程應(yīng)用間的聯(lián)系也是理論教學(xué)中結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)情境創(chuàng)設(shè)的一個(gè)要點(diǎn)，相應(yīng)的能力培養(yǎng)流程見圖2.如在講授力法中溫度變化時(shí)超靜定結(jié)構(gòu)內(nèi)力小節(jié)時(shí)，可結(jié)合一外部降溫、內(nèi)部溫度不變的超靜定剛架內(nèi)力求解的例題而展開，結(jié)合例題計(jì)算結(jié)果啟發(fā)引導(dǎo)學(xué)生思考溫度改變對設(shè)計(jì)、施工的影響等.

圖2 計(jì)算結(jié)果與工程應(yīng)用相聯(lián)系能力培養(yǎng)流程圖

4.2 實(shí)踐訓(xùn)練注重定性分析

培養(yǎng)學(xué)生結(jié)構(gòu)計(jì)算、結(jié)構(gòu)分析等能力離不開工程情境，尤其是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)情境.因此，從實(shí)踐環(huán)節(jié)中的模型制作分析、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理角度進(jìn)行探討研究.

(1)模型計(jì)算分析與軟件應(yīng)用相結(jié)合

結(jié)構(gòu)大師林同炎在其經(jīng)典著作《結(jié)構(gòu)概念和體系》中曾指出[13]：“工程師教育的專門化模式導(dǎo)致人們常常由細(xì)節(jié)開始，而對總體方案缺乏足夠的關(guān)心”，“必須找到一種教育方法，使建筑和結(jié)構(gòu)專業(yè)的學(xué)生學(xué)會(huì)在總體設(shè)計(jì)內(nèi)容中將技術(shù)知識(shí)概念化”，這種教育方法就是總體教育方法.

基于總體教育方法，結(jié)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程中的內(nèi)容及能力要求，應(yīng)當(dāng)在實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)中設(shè)置結(jié)構(gòu)模型制作與分析環(huán)節(jié) (我校學(xué)生部分結(jié)構(gòu)模型作品見圖 3)，有關(guān)任務(wù)及層次劃分見圖 4. 通過結(jié)構(gòu)整體→分體系→構(gòu)件三層次的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能力培養(yǎng)，能夠與方案設(shè)計(jì)→初步設(shè)計(jì)→施工圖設(shè)計(jì)的三階段設(shè)計(jì)能力要求相對應(yīng).通過模型計(jì)算分析與軟件應(yīng)用相結(jié)合，能夠很好地培養(yǎng)學(xué)生概念設(shè)計(jì)、方案比選、計(jì)算簡圖建立的能力、計(jì)算分析等定性分析能力.

圖3 學(xué)生部分結(jié)構(gòu)模型作品

圖4 結(jié)構(gòu)模型制作與分析設(shè)計(jì)任務(wù)層次分解圖

(2)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與軟件應(yīng)用相結(jié)合

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)實(shí)踐能力的一個(gè)重要環(huán)節(jié).下面以齊齊哈爾大學(xué)結(jié)構(gòu)力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中門式剛架水平加載內(nèi)力測試實(shí)驗(yàn)為例，介紹齊齊哈爾大學(xué)結(jié)構(gòu)力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有關(guān)嘗試.該實(shí)驗(yàn)主要借助于 YJ-IIA型結(jié)構(gòu)力學(xué)組合實(shí)驗(yàn)裝置平臺(tái)，運(yùn)用DH3818靜態(tài)電阻應(yīng)變儀對一超靜定門式剛架進(jìn)行應(yīng)變測試進(jìn)而求得相應(yīng)截面內(nèi)力并可與理論內(nèi)力值進(jìn)行對比分析.對于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理過程中內(nèi)力實(shí)驗(yàn)值的計(jì)算，要求學(xué)生運(yùn)用 Excel進(jìn)行編程計(jì)算、對于內(nèi)力理論值要求學(xué)生運(yùn)用結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器、Excel編程兩種形式進(jìn)行計(jì)算，較好地培養(yǎng)了學(xué)生程序編制、軟件應(yīng)用能力.

5 考核方案設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)力學(xué)考核方案主要通過考試考察學(xué)生動(dòng)手計(jì)算的能力，但對于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)分析、軟件應(yīng)用等能力的考察是很難做到的.因此，基于綜合能力培養(yǎng)的角度出發(fā)，結(jié)合齊齊哈爾大學(xué)2014版人才培養(yǎng)方案，提出了結(jié)構(gòu)力學(xué)考核方案設(shè)計(jì)(表1).

表1 基于綜合能力培養(yǎng)的結(jié)構(gòu)力學(xué)考核方案設(shè)計(jì)

6 結(jié)語

齊齊哈爾大學(xué)結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)按照上述方案進(jìn)行了探索嘗試，從參加2014年第六屆黑龍江省結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競賽(獲二等獎(jiǎng)1項(xiàng)、三等獎(jiǎng)2項(xiàng))和2016年第七屆黑龍江省結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競賽(獲一等獎(jiǎng)1項(xiàng)、二等獎(jiǎng)1項(xiàng)、三等獎(jiǎng)3項(xiàng))所獲獎(jiǎng)項(xiàng)和和學(xué)生近年來考研專業(yè)課考試成績來看，基于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能力培養(yǎng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)情境創(chuàng)設(shè)及基于綜合能力培養(yǎng)的考核方案有助于培養(yǎng)學(xué)生對所學(xué)內(nèi)容意義的建構(gòu)、工程意識(shí)的建立及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的能力，可為土木工程專業(yè)相關(guān)課程的教學(xué)改革與創(chuàng)新提供參考.

1周臻，陸金鈺，尹凌峰，等.面向卓越土木工程師培養(yǎng)的結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)改革與實(shí)踐.高等建筑教育，2012，21(4)：74-77

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4劉愛書，李英，趙君英.學(xué)校心理學(xué)教程(高等學(xué)校部分).哈爾濱：東北林業(yè)大學(xué)出版社，2004

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8郭翠芳，蔡可鍵，馬永政.“卓越計(jì)劃”引領(lǐng)下結(jié)構(gòu)力學(xué)課程教學(xué)改革與實(shí)踐.寧波工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2014，26(4)：75-78

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(責(zé)任編輯:胡 漫)

TU311

：A

10.6052/1000-0879-17-065

2017–03–01收到第1稿，2017–04–11收到修改稿.

1)齊齊哈爾大學(xué)教育科學(xué)研究基金資助項(xiàng)目(2016113).

2)張學(xué)元，碩士，講師，主要從事結(jié)構(gòu)工程方向的教學(xué)與科研工作.E-mail：yuanxvezhang@126.com

張學(xué)元，呂春，張道明等.結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)中結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的情境創(chuàng)設(shè).力學(xué)與實(shí)踐,2017,39(4):392-395