基于结构设计竞赛的结构力学教学体系改革研究

　　来源：广西广播电视大学学报 2022年2期

　　作者：余沛1,2高素芹1,2张煊铭3

　　单位：1. 信阳学院土木工程学院2. 信阳市装配式建筑重点实验室3. 商丘工学院土木工程学院

　　[摘 要]在以创新思维能力培养为基础的高等院校结构力学教学体系中，可以结合大学生的结构设计竞赛及教学实践，在大学课堂的教学中注重培养大学生的创新思维，鼓励大学生发挥主动创新精神，以期实现应用型和创新型人才培养的目标。

　　[关键词]结构设计竞赛;结构力学;创新思维

　　引言

　　结构设计竞赛是土木工程专业主要学科竞赛之一，其主要形式是给定某种材料(竹材、木材、纸和有机玻璃等)，设计并制作满足赛题要求的结构模型，并撰写模型分析计算书，最终通过对计算书、模型制作质量、现场陈述以及模型加载效果等分项评分相加得到综合成绩。该赛事为土木工程专业具有创新性和实践性的学科竞赛。商丘工学院和信阳学院土木工程学院在结构力学教学中，以结构设计竞赛为基础：一方面，以历年竞赛题目为导向，在课堂教学中传输创新理念;另一方面，积极探索创新理论，综合理论、实践及现场实操等多种教学手段，在结构力学教学过程中，注重培养大学生的创新思想，鼓励大学生的创新思维，最终实现应用型和创新型人才培养的目标。

　　一、以创新思维为导向的广谱分析

　　结构力学是一门发展迅速的学科，新型的工程材料和工程结构的大量出现，以及工程的相关问题，向结构力学提供了新的研究内容，并提出新的要求。结构力学对数学及其学科的发展也起到推动作用，适合进行大学生创新思维的训练，在结构力学的教学过程中，教师应该依据结构力学的课程特点及学生接受知识的程度，向学生展示有趣和完整的学科广谱分析，有助于大学生在结构力学学习过程中，转变看问题的方式，从而把握结构力学问题的核心，促进大学生的创新思维能力的提升。

　　(一)结构力学教学的客观性

　　结构力学的逻辑性较强[1]，大规模的工程结构需要精确的分析和计算。很多事物都可以显化为某种结构，每一结构是一个模块，可以用模块组合的方法模拟复杂结构及其机理，这一观点具有方法论的性质，它告诉我们，复杂结构可以由简单结构组合生成，正如结构力学以杆件结构为主要研究对象，其中桁架结构由独立的杆件组成。

　　结构力学主要内容包括四部分：静定结构分析、超静定结构分析、矩阵位移法和动力计算基础。在教学中应从理论分析、实验研究和数值计算三个方面对结构力学进行讨论，把实际结构简化为计算模型，然后对计算简图进行计算。在教学中，要求学生认识工程结构，要通过不同的“观控方式”(如观察方式、控制方式、观察水平、控制水平)，而且可以对“观控方式”进行选择，这表现了学习的主观能动性。在结构力学计算方法中，对同一杆件可以用力系的平衡方程或运动方程、变形与位移的几何方程、应力与变形间的物理方程等。另外，电子计算机的出现，对结构力学学科产生了巨大影响，由“手算”到“电算”，无论采取什么方式或计算方法，对杆件的简图、节点的受力分析等“观控”方式的结果，不因学生人数的多少或观察次数的增加而改变结构力学的计算，这正反映了结构力学的客观性。

　　在例题讲解过程中，按照客观性的概念，同一工程的结构是在一定的“观控方式”下，n个教师或学生，n次讲解或听讲下结构的不变形。显然，当“观控方式”改变时(如条件改变)，可以获得不同的结果(客观性)，这正是教师在教学过程中应该反复强调的内容，鼓励大学生主动分析问题、解决问题和创新问题，进而提升分析能力、计算能力、自学能力和表达能力。

　　(二)力学与结构设计竞赛及工程的结合

　　房屋中的梁柱体系、水工建筑物中的闸门和水坝、公路和铁路上的桥梁和隧洞等，都是工程结构的典型例子。实际工程结构很复杂，在结构力学教学中，很难完全按照结构的实际情况进行力学分析，只能用一个简化的图形来代替实际结构。大学生对实际结构过程缺少实践认知，这一环节应在教学和课外获得补充。在教学中，可以引入结构设计竞赛的相关题目，因为结构设计竞赛是最能体现专业知识运用和创新能力的环节，赛题全部来自工程实际。例如2017年河南省第六届大学生结构设计竞赛，赛题是完成塔吊结构模型的设计、制作，并进行吊装测试。

　　塔吊按其回转形式可分为上回转(塔身不回转)和下回转(塔身回转)两种。下回转塔式起重机具有结构简单、重心低、运转灵活、速度快、效率高等特点，适用于砖混砌块结构和大板建筑的工业厂房、民用住宅的垂直运输作业。在实际工作中，要防止塔吊倒塌事故的发生，避免财产损失和人员伤亡。因此，为保证安全，必须保证建筑塔吊的可靠性和安全性。此赛题能较好地培养和锻炼参赛者在土木工程结构、材料、力学、設计、制作及专业软件使用等方面的能力，学生通过结构选型工作，把专业知识付诸于实践，甚至能提出新的结构类型。通过结构设计竞赛与力学的紧密结合，增加了大学生的学习兴趣，也在教学中贯彻创新思维奠定了基础[2-3]。

　　(三)广谱哲学的创新思维

　　哲学家维特根斯坦说过，“一旦新的思维方式建立起来，许多旧问题就会自动消失，这是一个值得每位所谓传统的制造业者思考的问题”。按照广谱哲学中的方法论，创新思维就是改变“观控方式”，使研究对象显现新的客观属性、功能或新的客观关系。由于广义的“观控方式”是各种各样的，而且还在不断发展之中，因此，“改变观控方式(换个角度看问题)”就是丰富多样，这将使创新思维具有更加丰富多彩的模式与方法。

　　在广谱哲学的方法论中，提及牛顿力学原理的共性、一般性，可举例盖房子和建桥梁，需要探索牛顿力学的原理在不同材料、不同条件下的表现形式，从而形成材料力学、结构力学、土力学等具体的学科知识。要应用这些知识解决具体的楼房或桥梁问题，要进入设计阶段，而设计阶段要把形成力学一般原理时所舍弃的各种次要因素、偶然因素一并考虑进去。在分析问题的时候，理论要联系实践，实践结果是在理论指导下进行的，但有实践结果的失败却不能反推理论指导是错误的，如工程施工中，若一座桥梁倒塌，不能推出结构力学是错误的，理论与实践结果之间不是一对一的、单值的因果关系，原因在于它们之间跨越了若干不同的层次、经历了许多环节。桥梁倒塌可能不是结构力学分析计算的错误，可能是在施工材料、施工方法、天气等原因所致。

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