余沛 高素芹 張煊銘
[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(jì)競(jìng)賽及教學(xué)實(shí)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(lì)大學(xué)生發(fā)揮主動(dòng)創(chuàng)新精神,以期實(shí)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(jì)競(jìng)賽;結(jié)構(gòu)力學(xué);創(chuàng)新思維
[中圖分類號(hào)]G434 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A [文章編號(hào)]1008-7656(2022)02-0081-04
引言
結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽是土木工程專業(yè)主要學(xué)科競(jìng)賽之一,其主要形式是給定某種材料(竹材、木材、紙和有機(jī)玻璃等),設(shè)計(jì)并制作滿足賽題要求的結(jié)構(gòu)模型,并撰寫模型分析計(jì)算書,最終通過對(duì)計(jì)算書、模型制作質(zhì)量、現(xiàn)場(chǎng)陳述以及模型加載效果等分項(xiàng)評(píng)分相加得到綜合成績(jī)。該賽事為土木工程專業(yè)具有創(chuàng)新性和實(shí)踐性的學(xué)科競(jìng)賽。商丘工學(xué)院和信陽(yáng)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(jì)競(jìng)賽為基礎(chǔ):一方面,以歷年競(jìng)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(shí)踐及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)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(lì)大學(xué)生的創(chuàng)新思維,最終實(shí)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?jī)?nèi)容,并提出新的要求。結(jié)構(gòu)力學(xué)對(duì)數(shù)學(xué)及其學(xué)科的發(fā)展也起到推動(dòng)作用,適合進(jìn)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(diǎn)及學(xué)生接受知識(shí)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(jìn)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(qiáng)[1],大規(guī)模的工程結(jié)構(gòu)需要精確的分析和計(jì)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(gè)模塊,可以用模塊組合的方法模擬復(fù)雜結(jié)構(gòu)及其機(jī)理,這一觀點(diǎn)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(jiǎn)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(duì)象,其中桁架結(jié)構(gòu)由獨(dú)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(dòng)力計(jì)算基礎(chǔ)。在教學(xué)中應(yīng)從理論分析、實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值計(jì)算三個(gè)方面對(duì)結(jié)構(gòu)力學(xué)進(jìn)行討論,把實(shí)際結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為計(jì)算模型,然后對(duì)計(jì)算簡(jiǎn)圖進(jìn)行計(jì)算。在教學(xué)中,要求學(xué)生認(rèn)識(shí)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(duì)“觀控方式”進(jìn)行選擇,這表現(xiàn)了學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性。在結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算方法中,對(duì)同一桿件可以用力系的平衡方程或運(yùn)動(dòng)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(jì)算機(jī)的出現(xiàn),對(duì)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(jì)算方法,對(duì)桿件的簡(jiǎn)圖、節(jié)點(diǎn)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(jì)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(gè)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(shí)(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(qiáng)調(diào)的內(nèi)容,鼓勵(lì)大學(xué)生主動(dòng)分析問題、解決問題和創(chuàng)新問題,進(jìn)而提升分析能力、計(jì)算能力、自學(xué)能力和表達(dá)能力。
(二)力學(xué)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)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(shí)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(shí)際情況進(jìn)行力學(xué)分析,只能用一個(gè)簡(jiǎn)化的圖形來代替實(shí)際結(jié)構(gòu)。大學(xué)生對(duì)實(shí)際結(jié)構(gòu)過程缺少實(shí)踐認(rèn)知,這一環(huán)節(jié)應(yīng)在教學(xué)和課外獲得補(bǔ)充。在教學(xué)中,可以引入結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽的相關(guān)題目,因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽是最能體現(xiàn)專業(yè)知識(shí)運(yùn)用和創(chuàng)新能力的環(huán)節(jié),賽題全部來自工程實(shí)際。例如2017年河南省第六屆大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽,賽題是完成塔吊結(jié)構(gòu)模型的設(shè)計(jì)、制作,并進(jìn)行吊裝測(cè)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(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重心低、運(yùn)轉(zhuǎn)靈活、速度快、效率高等特點(diǎn),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(yùn)輸作業(yè)。在實(shí)際工作中,要防止塔吊倒塌事故的發(fā)生,避免財(cái)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(jì)、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(shí)付諸于實(shí)踐,甚至能提出新的結(jié)構(gòu)類型。通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)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(huì)自動(dòng)消失,這是一個(gè)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(duì)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(gè)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(shí)。要應(yīng)用這些知識(shí)解決具體的樓房或橋梁?jiǎn)栴},要進(jìn)入設(shè)計(jì)階段,而設(shè)計(jì)階段要把形成力學(xué)一般原理時(shí)所舍棄的各種次要因素、偶然因素一并考慮進(jìn)去。在分析問題的時(shí)候,理論要聯(lián)系實(shí)踐,實(shí)踐結(jié)果是在理論指導(dǎo)下進(jìn)行的,但有實(shí)踐結(jié)果的失敗卻不能反推理論指導(dǎo)是錯(cuò)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(cuò)誤的,理論與實(shí)踐結(jié)果之間不是一對(duì)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(jì)算的錯(cuò)誤,可能是在施工材料、施工方法、天氣等原因所致。046704F1-DA6B-49E1-91FE-B3AED629212D
在教學(xué)中要培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新思維,創(chuàng)新起源于對(duì)某些認(rèn)知的懷疑,要教會(huì)大學(xué)生要有理性的懷疑精神,要換個(gè)角度看問題,對(duì)問題要既堅(jiān)持又發(fā)展,尋找新的“觀控方式”。
二、多葉客觀性及創(chuàng)新思維的激勵(lì)
創(chuàng)新思維的提升不僅是能解決結(jié)構(gòu)力學(xué)的計(jì)算及分析,還能在實(shí)際工程中加以體現(xiàn),學(xué)生本身要掌握創(chuàng)新的理論,能用這種理論在求實(shí)中創(chuàng)新,真正掌握科學(xué)精神的精髓,達(dá)到學(xué)習(xí)的更高境界。
(一)多葉客觀性教學(xué)
多葉客觀性反映的是,事物的客觀性伴隨著“觀控方式”的改變而呈現(xiàn)出來的多樣性、層次性。其中,每一個(gè)“葉片”標(biāo)志著一種客觀性,對(duì)應(yīng)著一種“觀控方式”,而n個(gè)“葉片”標(biāo)志著n種客觀性,對(duì)應(yīng)著n種“觀控方式”,示意圖如圖1所示。
圖1 多葉客觀性示意圖
在結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)中,一方面教師要注重學(xué)生的主觀能動(dòng)性的培養(yǎng),培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí),講解問題要從多方面入手轉(zhuǎn)變“觀控方式”,應(yīng)以學(xué)生為中心,讓學(xué)生參與課堂教學(xué),聽取學(xué)生的意見,引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)思考。另一方面要發(fā)現(xiàn)新的客觀性,如工程中的鋼筋,已知鋼筋的體積和重量等客觀屬性,對(duì)應(yīng)的尺子和秤等,如果在教學(xué)過程中想了解鋼筋的拉力、壓力及剪切力,就要增加拉伸試驗(yàn)、壓力試驗(yàn)及剪切試驗(yàn)的方式。通過這種學(xué)習(xí)方式,培養(yǎng)大學(xué)生的主動(dòng)創(chuàng)新能力,激發(fā)大學(xué)生的創(chuàng)新思維,可使后續(xù)的課程學(xué)習(xí)增添動(dòng)力。
(二)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽實(shí)踐教學(xué)
結(jié)構(gòu)力學(xué)中提及的工程結(jié)構(gòu)實(shí)際上都是空間結(jié)構(gòu),各部分相互連接成為一個(gè)空間整體,而在教學(xué)過程中忽略一些次要的空間約束而將實(shí)際結(jié)構(gòu)分解為平面結(jié)構(gòu),也有一些結(jié)構(gòu)具有明顯的空間特征而不宜簡(jiǎn)化成平面結(jié)構(gòu),這就需要教師在教學(xué)的同時(shí)聯(lián)系實(shí)際,進(jìn)行實(shí)踐教學(xué),在理論教學(xué)的同時(shí)增加實(shí)踐課時(shí),通過學(xué)生分組組隊(duì)設(shè)計(jì)制作結(jié)構(gòu)模型,比如靜定結(jié)構(gòu)模型、超靜定結(jié)構(gòu)、可變結(jié)構(gòu)及空間桁架等,把平面圖形變成空間模型,使得知識(shí)更形象化,在講解鋼架的整體剛度矩陣時(shí),可以結(jié)合大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽賽題引導(dǎo)學(xué)生建立模型,以工程實(shí)例為例,提高大學(xué)生課堂的趣味性,同時(shí)也激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維,把理論與實(shí)踐更好地結(jié)合起來。
商丘工學(xué)院和信陽(yáng)學(xué)院的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽,以河南省大學(xué)生結(jié)構(gòu)競(jìng)賽及全國(guó)大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽為基礎(chǔ),引導(dǎo)大學(xué)生利用理論知識(shí)解決工程實(shí)際的力學(xué)問題,通過動(dòng)手制作模型,學(xué)生在一次次改進(jìn)過程中,既能得到專業(yè)的實(shí)踐鍛煉,同時(shí)也能提高解決問題的能力。在這一過程中,學(xué)生能設(shè)計(jì)出許多巧妙新穎的構(gòu)件或連接形式,對(duì)于創(chuàng)新能力的培養(yǎng)也大有幫助。完成一個(gè)好的模型需要組員通力合作,這對(duì)鍛煉學(xué)生溝通能力和團(tuán)隊(duì)意識(shí)大有幫助。
大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽為學(xué)生提供了一個(gè)良好的平臺(tái)[4],采用手算的同時(shí),鼓勵(lì)大學(xué)生學(xué)習(xí)軟件模擬,采用軟件進(jìn)行比賽模型的結(jié)構(gòu)分析,其優(yōu)勢(shì)就是分析效率高。建立一個(gè)模型,可以通過改變截面尺寸參數(shù)或增減基本構(gòu)件而得到同類型結(jié)構(gòu)體系的一系列分析結(jié)果,特別適合優(yōu)化設(shè)計(jì)。學(xué)生在自學(xué)有限元軟件過程中需要查閱大量的學(xué)習(xí)資料,這樣就主動(dòng)獲得了類似于研究型教學(xué)的鍛煉,這種數(shù)值計(jì)算能力的訓(xùn)練,對(duì)于找準(zhǔn)解決實(shí)際工程問題的方向是大有裨益的。同時(shí),在尋找理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)際模型差距過程中,學(xué)生會(huì)加深對(duì)結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)。
三、結(jié)語
文章結(jié)合廣譜哲學(xué)、多葉客觀性的創(chuàng)新思維方法,以結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽為導(dǎo)向,積極開展結(jié)構(gòu)力學(xué)課程的教學(xué)改革與實(shí)踐,意在培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新思維能力,在實(shí)際結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)中,在課堂上積極引導(dǎo)大學(xué)生看問題的角度,在繼承中培養(yǎng)創(chuàng)新能力,在學(xué)習(xí)中發(fā)現(xiàn)疑點(diǎn),是走向解惑和創(chuàng)新的起點(diǎn),從而達(dá)到結(jié)構(gòu)力學(xué)的教與學(xué)的目的。
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[作者簡(jiǎn)介]余沛,信陽(yáng)學(xué)院、信陽(yáng)市裝配式建筑重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副教授、高級(jí)工程師,碩士,研究方向:土木工程施工管理與科研;高素芹,信陽(yáng)學(xué)院、信陽(yáng)市裝配式建筑重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室工程師,研究方向:土木工程施工與檢測(cè);張煊銘,商丘工學(xué)院講師、工程師,碩士,研究方向:土木工程教學(xué)與科研。
[責(zé)任編輯 韋志巧]046704F1-DA6B-49E1-91FE-B3AED629212D