时间：2022-04-18 08:38:09
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1当前结构力学课程教学中存在的问题
在现有的培养模式下，当前应用型本科院校结构力学教学中普遍存在下列问题：
1.1课时有限
各类本科院校目前都存在这样一个问题，公共课占用课时过多，造成大部分专业课课时大幅削减，结构力学也不例外，从而使教学内容多，学时少的矛盾日渐突出，因此应用型本科必须对结构力学相应的教学内容进行调整。
1．2教学手段单一
结构力学课程理论性较强，讲授内容繁多，教学方法以传统的理论教学为主。教师注重教学内容的重点和难点，但教学方法和教学手段单一，缺乏创新，而学生也只知道被动的接受，对老师的讲课产生依赖性，而不主动的思考，这样就难以达到对学生实践创新素质培养的要求。
1．3实践经验较少
在现有的教学模式下，结构力学课程教学往往集中在课堂教学，导致教学中存在着“重理论、轻实践”的通病。学生在完成结构力学课程的学习后，不知如何在工程实践中应用理论知识解决实际问题，实际动手能力较差。传统的教学模式中，实践性学时太少，学生真正将理论知识与实践结合起来的机会更少。
1．4考核方式单一
传统的考试模式，仍然是对课程内容中的重点、难点进行归纳总结，采用典型的试题来考核学生对知识的理解和掌握情况。学生为了考试过关常常死记硬背典型试题的解题步骤，这些从一定程度上讲都阻碍了学生发散思维和创新能力的发展。
2具体的改革措施
针对应用型本科结构力学课程教学过程中存在的问题，结合教学实践经验，从以下几方面，对结构力学教学改革提出一些初步的探讨。
2.1教学内容的调整
为适应应用型人才培养的需要，针对结构力学课程内容多、学时少的特点，以及应用型本科院校的生源特点，具体在课程内容上围绕以下几个方面加以调整：
（1）在教学过程中删去一些理论性较强而对培养学生应用能力作用不大的内容，比如说变形体虚功原理的推导、证明等。
（2）对于结构力学的主要内容，着重于介绍基本概念、基本原理与基本方法；在基本计算方法方面，注重加强工程实用计算方法的训练。
（3）对于静定结构和简单的超静定结构，要求学生能进行手算，这有利于学生对基本概念、基本原理与基本方法的理解和掌握；对于较复杂的超静定结构，要求学生能运用学过的基本原理和方法对其进行定性分析，为后续的电算课程打好基础。
2．2教学方法和教学手段的多样化
结构力学有较强的理论性和实践性，学生常有理论易懂，题目难解的反映，这可以说是本课程的难点问题。为了解决这个问题，改进教学方法，采用多种教学手段，培养学生的自学能力，以达到最优的教学效果。
（1）教学方法要灵活多样。我们采用的主要教学方法包括启发式、归纳对比式、提问式、讨论式与案例式教学等，收到了良好的教学效果。采用启发式教学，可以激发学生的潜能；通过归纳对比可以促进学生积极思考，培养学生独立思考和创新的能力等。
（2）加强习题课的综合训练。在每一章课程学习结束后安排习题课，通过习题课，讲解典型例题，帮助学生深化理解基本概念、基本原理与基本方法。在习题课中让学生动手做题再讲解，避免学生眼高手低。还可以选择一些具有代表性的学生易出错的习题，分析错因，使学生更好掌握解题的基本方法。
（3）采用板书与多媒体相结合的教学手段。用传统的板书进行课堂讲授时，结构绘图与计算过程耗时较多，速度较慢，课堂教学信息量较小。而多媒体教学可以通过形象具体的图片、动画或视频等把学生无法想象、教师也难于用语言来描述的内容，生动、形象地演示出来，学生接受快、印象深刻，可有效提高学生对概念的理解和掌握。但是如果只采用多媒体，教学信息量大，学生没有充分时间理解授课内容，重点难以把握，又会适得其反，因此合理的把两种教学手段有机结合起来，扬长避短，才能取得良好的教学效果。
（4）加强理论与实际相结合的教学手段。教师在讲解新内容前，通过视频、图片和动画等手段，创造实际工程情境，从而引出将要教学的内容，以充分激发学生的学习兴趣。在讲解完相关理论知识点后，可以通过分析典型的工程案例加强理解，从而潜移默化地将工程思维渗透到学生的学习过程中。例如在讲解到桁架结构时，可以带领学生到桁架结构的工厂或公共建筑进行实地讲解；在讲解到超静定的刚架结构时，可以与实际的框架结构工程对比等。
（5）创建网络教学平台。通过建设网络教学平台，教师可以把教案、多媒体课件、习题练习、试题库等教学资源上传，提供各种学习参考资料，为学生的自主学习提供了方便条件；同时通过网络教学平台，还可以实现教师与学生的实时交流互动，及时帮助学生解决在学习中所遇到的困难。
2．3增加实践教学环节
力学概念是从实践中来的，开设结构力学课程实验有助于学生理解课堂上的一些基本概念和专业知识，培养学生的综合分析能力、独立解决实际问题的能力、创新能力等。另外，土木工程专业还可以增设结构模型大赛，让学生自行设计结构模型，激发学生的创造性和自主学习的能力，增强学生对专业的感性认识和学习兴趣。
2．4考核方式的改革
传统的考试方法只能考核学生对课本基本理论知识的掌握程度，这种考核不能反映学生的综合能力，是不全面的。为适应现代结构力学教学模式的要求，对原有的一次性考核进行改革，具体如下：
（1）加强日常教学管理，不仅对学生平时课堂出勤率、作业完成情况进行考核，还要对学生整体表现进行考核，比如课堂回答问题的情况、答疑质疑情况等。
（2）增加期中考试，对学生阶段性知识掌握情况进行考核，通过考核结果反馈学生对所学知识的掌握情况，从而为下一步的教学工作奠定基础，并把考核结果按比例记入期末考试总成绩。
（3）对考试试题类型进行改革，区别于以往的以典型题目计算为主的题型，增加对定性分析内容的考核。通过灵活的考核方式，来提高学生的学习兴趣和创新意识。
3结语
随着社会的发展，立足于应用型本科教学的培养目标，应用型人才培养是结构力学课程教学改革的定位。只有不断改进结构力学教学模式，加强结构力学与工程实践的联系，与时俱进，才能提高学生运用力学知识解决工程实际问题的能力，增强学生的市场竞争力，真正实现新形势下结构力学课程“厚实基础、服务专业、强化应用”的培养目标。
作者：赵丽君 单位：洛阳理工学院土木工程系
一、激发学生的学习兴趣，调动学生的学习主动性
教师在绪论中可结合工程实例讲述“结构力学”在工程设计中的广泛用途，指出“结构力学”的概念来源于工程实际，最终还是要应用到工程实际中去，具有很强的工程应用性质，通过教师的引导，学生对课程有一个形象、直观的认识和定位，以此明确学习目的。其次，教师讲课要生动、活泼、有趣，避免照本宣科。在讲解一些重要定义和基本概念时，例如结构形式的种类包括梁、刚架、桁架等，要注重与实际工程结构相结合，在演示文稿中适当引入实物图片，通过实物对比明确什么样的结构可以简化成为上述常用的结构形式，实践表明，理论联系实际，可以使学生更易理解和接受。第三，在教学中要强调学生的主体地位。在讲清楚基本知识和概念的前提下，教师要注重培养学生科学的思维方法，着重引导学生深入思考，系统理解，并利用所学知识解决实际问题，从而培养他们自主学习的能力和发散思维的水平。俗话说“授人以鱼不如授人以渔”，只要学生掌握了基本知识和概念，再加上科学的思维方法，多数情况下对遇到的问题可以迎刃而解。反之，如果教师只以灌输知识为主，而忽略了学生的主观能动性，只能达到事倍功半的效果。
二、注重基本方法和基本概念，注意归纳总结
基本方法和基本概念是学习《结构力学》及其他所有课程的基础。只有将基本概念理解透彻了，将基本方法掌握了，才能将所学知识融会贯通，做到举一反三。例如，实际教学中我们发现，有些同学在学习过程中受之前所学材料力学的影响，弯矩还总是以下端受拉为正，材料力学的规定是因为其研究对象主要是梁，而《结构力学》的研究对象既包括梁，也包括刚架结构，如果还是简单套用材料力学的规定肯定是不合理的，因此，在授课过程中，教师应当特别讲清楚，在《结构力学》中弯矩一般是不区分正负的，其图形画在受拉侧。类似这些都是最基本的符号规定，是学生必须掌握的，教师上课时须不厌其烦地反复强调。在教学过程中，教师要引导学生学会归纳总结，促使其养成良好的学习习惯。只有学生通过教师讲解和自身练习将知识转化成自己的理解，才能真正掌握所学知识并学以致用。教学过程中我们发现，很多学生在拿到一个问题后总是感觉无从下手，通过调查了解，我们总结其根本原因主要是不会取研究对象。因此，教学中教师要特别注意讲解透彻如何取研究对象，重点讲解清楚取研究对象就是取出包括欲求解的截面的部分结构，画出其所有受力，包括内力和外力，然后进行受力分析，使其保持受力平衡，从而求出未知内力。很多同学反映学到矩阵位移法和结构动力学等章节的内容时，学习力不从心，究其原因就是前面力法和位移法没学好，因为这些章节的内容要求熟练掌握力法和位移法并综合运用。可见，《结构力学》的内容都是前后衔接、互相联系、环环相扣的，学生在整个学习过程中不能时紧时松、厚此薄彼，更不能马马虎虎、掉以轻心。
三、多媒体教学要与传统板书教学有机结合
运用多媒体可以十分方便地向学生展示大量的工程实例，创造形象生动的教学情境，这是传统的教学方式所不能达到的。例如，在学习结构动力学时，给学生播放一段美国华盛顿州塔科玛大桥在风速作用下引起扭转振动而倒塌的视频，就会使学生对于结构振动而引起的危害有更加直观、形象的认识，同时也增强了其对学习结构动力学重要性的认识，激发了学习兴趣。此外，运用多媒体教学可以减少教师课堂板书的内容和时间，从而增大教学容量，提高教学效率，有效地解决教学内容多与教学时数少这一矛盾。但同时也应看到，多媒体教学毕竟只是一种教学手段，《结构力学》教学不能过分依赖于多媒体而抛弃传统的教学方式。因此，教学过程中，应根据教学内容和教学效果的需要，合理地应用多媒体教学，实现多媒体教学方式与传统教学方式的有机结合。通过教学实践我们感到，对于概念的文字表述、例题的题干、分析方法的总结和比较复杂的图表，应多采用多媒体课件来表现；而对于公式推导、基本计算分析方法（如力法、位移法等）、典型例题求解过程的讲解，则应充分发挥传统教学手段的优势，采用板书的形式，以便于学生理解掌握，减轻跟学压力。只要把握好多媒体教学方式与传统教学方式的有机结合，就能达到课堂氛围张弛有度、教学过程寓教于乐的目的。
四、开设习题课，坚持课后答疑
《结构力学》不仅理论概念性强，而且方法技巧性要求高。理论概念需要通过练习来加深理解，方法技巧则需要通过多做习题来熟练掌握，因此在教学过程中需要定期开设习题课，以强化学生对解题和运算能力的基本训练，培养他们分析问题、解决问题的能力，从而达到弄懂概念、掌握理论、熟练方法技巧的目的。例如，在习题课上，教师应当精选一些典型的例题，对学生进行简单提示后，由学生亲自动手做练习，教师则走下讲台到学生中去检查了解学生的解题情况，最后由教师结合实际有所侧重地讲述关键的解题步骤和结果，并就学生解题过程中出现的一些问题进行总结点评。通过这种课堂练习，教授不仅给了学生解题的方法技巧，还能及时发现学生的问题并给予纠正。
《结构力学》课程是专业基础课程，一般上课人数比较多，每名学生的学习能力也有所不同。因此，在课程进度和难度的把握上，教师必须依据学生的平均水平而定，而不能面面俱到，以偏概全，舍本逐末。因此，教师在课后要拿出专门时间对学生进行答疑，以满足不同层次学生的学习需求。
作者：李艳杰 刘增夕 李永莉 单位：济南大学土木建筑学院
摘要：电脉冲除冰（electro-impulsede-icing,EIDI）作为一种电动-机械式除冰系统，具有广阔的应用前景。本文采用线圈和金属平板组成的电脉冲系统作为EIDI结构动力学模型的研究对象，基于有限元分析软件MSC/NASTRAN，建立了一套针对典型平板-线圈结构的EIDI系统结构动力学仿真模型，研究了模型的固有特性（模态与频率）与时域响应分析，并开展了仿真模型的实验验证。最后研究了基于模型的EIDI系统结构动力学特性，重点关注最大应变和位移在空间的分布规律，并讨论了电容、电压等放电参数的影响。研究表明，电脉冲作用下，平板最大位移分布特性近似“马鞍型”，提升电容和电压可以增大脉冲力峰值和结构变形量，同时减小固定位置处的应变。
关键词：防冰除冰；电脉冲除冰；有限元分析；模态分析；应力应变
在结冰条件下，飞机机翼前缘和进气道口易发生结冰现象，这将导致升力下降、飞行阻力增大，进而引起飞机的操纵性和稳定性品质恶化，严重时甚至引起飞机失事[1,2]。因此，飞机结冰防护系统是现代飞机中必不可少的功能性组件。电脉冲除冰（EIDI）作为一种电动-机械式除冰系统，主要原理是通过机翼内部线圈产生的电脉冲激励机翼蒙皮高频振荡来除冰，具有耗能低、重量小、易维护、可靠性高等优点，具有广阔的应用前景[3-5]。对EIDI系统的研究，可分为电动力学研究、结构动力学研究和应用试验研究等方向。在结构动力学方面，主要研究系统结构对脉冲力的动力响应特性，如加速度、应变等。在脉冲力作用下，蒙皮的真实响应是沿三维空间分布且随时间变化的。Bernhart等[6]采用Love-Timoshenko运动关系式建立了闭合的状态方程组。该方法考虑了横向剪切力的合成以及纵向惯性对于结构的影响，能够以较高精度预估蒙皮的响应能力。然而，真实的EIDI系统具有极为复杂的边界条件，其中绝大多数无法利用此方法直接获得精确解。因此该方法仅具有理论分析的价值，无法处理实际问题。随着计算机技术的不断发展，采用有限元方法仿真求解结构动力学问题已成为当前的主要研究手段。Zumwalt等[7]率先对铝质矩形平板在电脉冲作用下的结构响应展开研究。他们首先获得了线圈附近法向脉冲力的分布形式；随后计算了铝板受上述脉冲力作用下的动态响应（应力和加速度随时间的变化），与实验情况进行对比，计算得到的正加速度峰值比实验值小12%，应力最大值比实验值小5%。Gien[8]采用有限元模型研究理想半圆柱前缘结构在脉冲力作用下的结构变形。为了验证模型的正确性，首先在简单边界条件下对比模型结果与闭合状态方程的精确解。结果显示，对于正加速度的峰值二者误差约为7%，负加速度峰值误差约为4%，从而验证了模型的正确性。在此基础上，对半圆柱试验结果与该有限元方法的计算结果进行对比，发现计算与试验的误差约为7%。Khatkhate等[3]采用MSC/Nastran有限元软件，对铝质蒙皮和积冰层建立模型，重点研究了冰层与蒙皮之间的剪切应力。同时，将计算结果与NASALewis研究中心开展的一系列针对EIDI系统的冰风洞实验结果进行对比，验证了该方法可用来预测除冰区域。Scavuzzo[86]在此基础上进行了改进，考虑了蒙皮振动时的阻尼现象。他们的计算结果显示，蒙皮与冰层之间的剪切应力在线圈附近较大，从脉冲位置处沿弦向迅速衰减。Labeas等[9]在前人研究基础上，利用ANSYS有限元仿真软件对EIDI系统的除冰过程进行了仿真研究，分析了冰层厚度、线圈位置、线圈数、脉冲振幅、前缘曲率半径对除冰效果的影响。国内李清英等[10,11]搭建了包括电路系统、除冰实验机架与结除冰环境实验舱的电脉冲除冰系统实验台，完成了脉冲放电电路的性能测试，同时也完成了振动实验如加速度、位移、模态实验，进行了电脉冲除冰实验。张文杰等[12]研究了冰层失效的范围，运用动力学分析了冰-铝板界面之间的应力状态。本文采用线圈和金属平板组成的电脉冲系统作为EIDI结构动力学模型的研究对象，使用商业有限元软件MSC/NASTRAN，对实验对象进行固有特性（模态与频率）与时域响应分析，并利用实验数据进行对比和验证，最后重点研究了基于模型的EIDI系统结构动力学特性，蒙皮表面应变与位移随时间变化的规律及最大应变和位移在空间的分布规律。
1研究方法
1.1有限元建模
本文选用一块长方形铝板作为飞机蒙皮的简化计算/实验模型，如图1所示，铝板长300mm、宽200mm、厚度2.5mm。四个边角及长边中点位置共有6个直径为10mm的固定圆孔，实验中通过螺栓固定。利用同轴双圆环电流电磁理论建立了EIDI电动力学数学模型，数值求解获得脉冲载荷在时间域和空间域上的分布。脉冲力和通电线圈电流随放电时间变化的示例见图2(a)，脉冲力沿线圈半径方向分布见图2(b)，本文所使用的EIDI电动力学数学模型详见文献[13]。将上述电动力学分析获得的脉冲载荷的作用区域简化为一个受力中心点与平板中心同轴的圆形。受力区域的直径为63.5mm，在整个受力区内，沿半径方向等间距划分为10个同心的圆环。假定在每一个圆环内，所受的力是平均作用在各圆环面积上的。在有限元模拟中，以压强方式进行载荷加载。本文有限元建模采用平面模型。四个边角处的圆孔相对于整个平板的尺寸不可忽略，因此有限元建模时必须保留其存在。为了方便载荷加载，在平板的中心建立了10个同心圆环。在网格划分的时候，将圆环之间共用的结点重合。模型材料为硬铝，弹性模量为70GPa，泊松比为0.33，密度为2700kg/m3。通过与实验数据的对比，将结构阻尼系数设置为0.1。模型的约束方式和载荷加载区域如图3所示。考虑到实际物理模型是通过埋螺帽固定平板的四个圆孔，在有限元模型中，约束方式是固定圆孔边上的结点的x、y、z三方向的位移。
1.2实验方法与设备
为验证有限元计算的可靠性，本文还在已有EIDI实验台[14]上开展了铝板结构响应的实验测量，测量内容包括铝板表面应变与位移。实验件与计算模型相同，电脉冲发生装置的充电电压实验在600V~800V范围内可调，充电电容在200μf~400μf范围内可调，铝板与线圈间距为2.5mm。在图1所标示的1-8号站点粘贴应变片。EIDI实验台与应变测量系统见图4。位移测量采用激光非接触测试系统。
2结果与分析
2.1模态分析
为了了解模型的振动以哪阶模态为主，首先对有限元模型进行模态分析，得出模型的固有频率。表1给出了模型的固有频率。采用模态叠加法对模型进行瞬态响应分析，得出中心点的位移如图5(a)所示。最大位移为1.619mm，发生在t=2.39×103s。图5(b)给出了中心点位移数据的频谱分析。可以看出，中心点的位移主要以149.92Hz以及599.7Hz的振动为主。对比模型的固有频率可知，模型受到冲击载荷作用下，主要以第1阶模态和第7阶模态振动为主。
2.2实验验证
根据仿真模型，可求解获得蒙皮表面任意位置处在整个脉冲过程中的应变。为了验证仿真结果的正确性，将其与实验测量的结果进行对比。图6对比了图1中5号站位处实验测量与有限元仿真所获得的应变的时间历程。如图所示，在实验参数范围内，仿真模型能够准确预测出应变峰值及达到峰值的时间。在峰值之后的过程中，仿真结果与实验数据的变化趋势基本相同。但仿真分析的数值普遍低于实验，其原因可能是有限元模型中结构振动的阻尼特性设置偏大，导致蒙皮在经过第一次振动后，振动幅度快速降低。此外，还将模型中心点处沿外法线方向的位移进行了对比验证，如图7所示。仿真结果和实验数据的中心点位移时间历程几乎相同，尤其是峰值（或谷值）出现的时刻以及幅值能够较好的匹配。综上，仿真模型的计算结果与实验测量结果在应变率与法向位移两方面均能较好吻合，由此验证了本文有限元仿真的可靠性。
2.3最大应变和位移的空间分布
最大位移（或应变），是指在一个电脉冲信号周期内蒙皮表明所达到的最大变化值。该参数是一个与时间无关的物理量，仅取决于位置点坐标，即zmax=f(x,y)，便于理解蒙皮表面的结构变形特性。图8给出用有限元仿真得到的最大位移和最大应变在蒙皮表面的分布，EIDI系统参数；电容200μf、电压600V、间距2.5mm。此工况下，脉冲力的最大值为730N。如图所示，最大位移的分布特性近似“马鞍型”。此外，在线圈对应位置处的应变较大，且沿半径方向逐步递减，而在长边处应变再次增大。这是由边界条件决定的：四个顶点固定的约束条件，决定了在较长的边界上将会产生较大的变形。在图8(b)中，四个固定点附近的应变远大于平板其他位置。如果不考虑这些固定点，则线圈对应位置处、靠近y轴与蒙皮交汇处、靠近x轴与蒙皮交汇处的地方，应变较大。进一步的仿真结果表明，增大EIDI系统参数至电容400μf、电压700V，脉冲力的峰值将增大至1800N。此工况下，最大应变、最大位移的数值（如图9所示）均大于图8所示工况，最大位移（图9a）在蒙皮表面的分布规律与图8(a)无异。但线圈对应位置处的最大应变明显高于其他位置的结果，甚至高于固定螺栓位置。导致这一结果的原因，主要是脉冲力的绝对值改变了蒙皮表面的振动特性，此外，脉冲力的作用时间也发现了显著改变。在该工况下，蒙皮的结构变形量得到显著提升，有利于除冰效果；另一方面，固定位置处的变形量反而减小，避免了疲劳损伤。
3结论
本文基于有限元分析软件MSC/NASTRAN，建立了一套针对典型平板-线圈结构的EIDI系统结构动力学仿真模型。模型计算的应变和位移结果与实验测量数据吻合较好，模型的正确性得以验证。根据有限元仿真结果，提出了最大应变和最大位移的概念，分析了这两个参数在蒙皮表面的分布规律和特性：（1）在本文给定的边界条件下，最大位移的分布特性近似“马鞍型”。此外，在线圈对应位置处的应变较大，且沿半径方向逐步递减，而在长边处应变再次增大。（2）将电容和电压由200μf/600V提升至400μf/电压700V后，脉冲力峰值增大，且振动特性发生变化。一方面使得结构变形量显著提升，另一方面削弱了固定位置处的应变。
土木工程是工程学科中的基础专业，其内容涵盖建筑、桥梁、地下空间等方向，是我国基础设施建设最重要的行业。如何顺应国际高等教育的发展趋势与工科高等教育的发展需求，在未来10年内成功实施土木工程行业的“卓越工程师”计划，培养大批高质量土木工程技术人才，已成为目前土木工程教育亟待解决的问题［1］。结构力学是土木工程的专业基础课程。其理论由实际工程抽象、简化、概括、总结，并用于指导实践［2］。其课程任务是掌握平面杆系结构的计算原理和计算方法，为学习后续专业课程以及进行结构设计与科学研究打好坚实的基础。本文将从土木工程专业结构力学课程教学特点，结合教学过程中学生的学习情况谈几点想法。
1结构力学课程特点
1)概念抽象、理论性强。理论力学、材料力学与结构力学，是土木工程的专业基础课。其中理论力学与材料力学又是结构力学的先修课程。由于结构力学课程较抽象，其理论体系庞大，知识点多，学习难度大。2)教学内容多，课时紧张。“结构力学”的教学内容可分为结构力学基础和结构力学专题(如图1所示)，总学时约为60～80［3］(部分高校仅为45课时)。教学内容偏多，课时偏少。因此，教师通常加快教学进度，致使部分知识点无法展开，学生课后很难及时消化。这可能是目前各高校在结构力学教学过程中普遍存在的问题。3)理论复杂，计算繁琐。结构力学涉及到很多复杂的理论。例如，在结构力学基础部分中，涉及到的虚功原理、力法、位移法、力矩分配法;在结构力学专题部分中，涉及到的极限荷载、弹性稳定、动力学均属于理论复杂的部分。理论复杂则难以理解和把握，课堂例题和课后作业的讲解与计算就显得繁琐，不利于学生对各知识点的掌握。4)地位重要，起基础作用。结构力学的学习情况将影响专业课的开展。以土木工程专业为例，专业课主要有混凝土结构基本原理、混凝土结构设计、钢结构、砌体结构、结构抗震设计、桥梁结构以及基础工程等主干课程，及相关的课程设计和毕业设计。如果学生结构力学基础薄弱，后续课程都受到影响。而且，对学生而言，能否建立正确的结构力学概念，对毕业以后从事结构设计，结构施工、教学培训等工作而言，都有举足轻重的影响。可见结构力学的课程学习最终会影响到学生的专业素质。
2教学过程中的改革设想
1)建立力学概念，邀请名师讲座，夯实力学基础。建立正确、清晰的力学概念，是学好结构力学的首要前提。在理论力学和材料力学的学习过程中，就应该注重学生力学概念的建立，打好力学基础。如果可以做到这一点，学生在学习结构力学的时候，就会有信心学习更复杂的概念和理论。2)强调课程地位，建立讨论小组，分析典型案例。在授课过程中，要强调结构力学对后续专业课、课程设计，毕业设计的影响。结构力学的课程学习不仅会影响到在校学习，最终会影响工作后的专业发展，增强学生的学习意识。为学好这门课，要求全体师生共同努力，成立课后讨论小组。通过小组讨论交流，激发学生的兴趣，促进其对课程的学习。3)细化教学大纲，突出教学重点，加强课后练习。“结构力学”的教学内容偏多，课时偏少已是普遍问题。在课时没有增加的前提下，如何保证教学质量就成了教学过程中需要面对的问题。在教学过程中，教学进度的设定和安排以教学大纲为标准。各院校都会按照专业要求结合实际情况制定结构力学教学大纲。在制定结构力学教学大纲的过程中就要考虑课程的特点，将大纲逐项细化，把每个知识点划分到相应的课时。同时在重点内容处，必须设置典型例题，以突出重点。值得一提的是，在教学过程中，必须把握由浅入深、由简到难的规律，设置典型例题必须简单易懂，且具有代表性。只有这样学生才能在有限的课时中学习到最核心的知识点。4)引入工程概念，激发学习兴趣，培养创新能力。为提高学生对结构力学概念的应用和工程实践能力，在课外学习中引入结构模型设计及制作，鼓励学生参加建模大赛。例如，针对移动荷载作用下结构的受力特性，要求学生利用木材、有机玻璃或者塑料等简易材料设计和制作桥梁结构(或吊车梁)，并通过手拉小车施加移动荷载，观察模型的变形与应力变化。通过试验，让学生感受动力荷载对结构的影响，初步了解如何通过结构力学知识合理的设计工程结构。就模型试验而言，目前引入的结构模型试验仍以教师命题式为主，开展形式和范围有一定局限性，还不能充分锻炼工程实践能力与概念应用。在今后的教学改革中，应着重构建“结构力学”研究学习实践平台，针对教学内容设计多个模拟工程实践项目，甚至由学生自行设计创新实践项目，供学生自主选题并可随时开展研学活动，使学生对力学概念有更直接的了解，并与工程实践相结合，从而真正实现工程思维能力与创新实践能力的培养。
3结语
本文分析了土木工程专业结构力学课程的特点，提出了在教学过程中的几点改革设想。总之，结构力学的课程学习很重要。必须要求学生和任课教师从思想上，行动上与教学大纲统一起来;课堂和课外不间断地抓好结构力学的教与学，才能较好地完成“结构力学”课程教学任务。
作者：陈妤 单位：江苏大学土木工程与力学学院
0引言
现如今的桥梁不仅可以跨过大河、海洋，解决自然沟壑对人类出行带来的不便;也可以使道路在空间上进行分层，解决了城市用地紧张和交通流量大的问题。根据桥梁的组成部分可笼统的把桥梁分为上部结构和下部结构，根据各结构的构造类型和施工方法的不同，对桥体结构有一个分类的解析。
1桥梁基础
排除一些小型简易的桥梁不谈，桥梁基础由于地基的软弱、上部荷载作用力大的特点，使其所选用的基础形式并不多。在一些中小型桥梁上，有时可根据设计采用刚性扩大基础，这种基础属于浅基础的范畴，其施工工艺简单，工程造价也相对较低。工程中最常见的桥梁基础———桩基础，属于深基础的一种，由于它可以适应各种不同类型的地基，在荷载作用下沉降较小，并且在施工技术和造价方面有一定的优势，在市政工程的高架桥上、高速公路的架桥和跨越河流的大桥上都有很广泛的使用［1］。在一些特大桥梁或者地基软弱层太厚桥梁的建设上也会采取沉井基础和气压沉箱基础，1968年在南京长江大桥的建设中，工程师们发现，江水深度在40m左右时，江底的淤泥厚度已经超过了40m，因此在一部分基础的选取上采用了沉井基础，这种沉井基础做的很大，相当于一栋占地面积为一个篮球场大的14层楼房。气压沉箱基础由于具有在水下可以方便施工的优势，被世界上第一大悬索桥———日本名石海峡大桥在技术设计上所采用。这几种基础的使用，都是建立在使实际施工更为简单的基础上的，没有最好的基础形式，只有更适合实际的基础形式。
2桥墩与桥台
桥台和桥墩是整个桥梁的支撑结构，两者之间的区别在于:一个是在桥的端部，连接两岸的路堤;一个是位于桥梁之间只进行上部荷载的传递。桥台、桥墩和基础在一起称为桥的下部结构。桥台不仅要承受桥面上传递来的荷载，还要保证和它相连的路堤的稳定性，因此在设计施工时要进行多方面的考虑。桥台的高度往往不能太高，保持在20m以下，桥台根据形式的不同可分为实体式和埋置式。实体式桥台多建造成U形，这种桥台构造简单，施工方便，但自重过大，对地基有一定的影响，多用于埋土高度不大，桥跨稍大的桥梁。埋置式桥台由于埋于台前锥形溜坡内，只留台帽露出地面，因此增大了其抗拔性能，在桥台的建造时可以减小一定的体积［2］。埋置式桥台由于受到的是台后的主动土压力，所用的圬工量就会减少，但它的弊端在于溜坡的设置，溜坡会侵占一部分的河道，阻挡水的流动，为了解决这个问题往往会增加桥的长度，从而增加了工程的投入。埋置式桥台的溜坡会受到水流的冲刷，导致桥台的裸露，因此适用于桥头为浅滩的河床。当地基情况较好时，可将桥台设置为空心拱形，减少圬工和自重。
3桥跨的结构形式
桥跨结构被称为是桥梁的上部结构，根据桥跨结构形式的不同有几种常见的分类。3．1梁式桥最常见的桥梁形式是梁式桥，它根据梁的连续形式可分为简支梁、连续梁和悬臂梁桥，而简支梁桥应用的最为普遍。梁式桥的传力形式是垂直传力，在跨度上也比较小，普通混凝土简支梁桥的跨度在25m之内，预应力混凝土梁式桥跨度一般也不会大于50m。我国最大跨度的简支梁桥是1988年建成的飞云江桥，最大跨度已经达到62m。预应力混凝土连续梁桥在跨度上有较大的突破，我国最大跨度的连续梁桥是1991年建成的六库怒江桥，最大桥跨为154m。3．2拱式桥拱式桥的发展历史悠久，距今已有两千年。拱桥主要依靠拱圈或者拱梁把上部的垂直力变为作用在桥墩台上的水平推力，因此在桥墩台的建造时对基础的水平承载力要求较高。由于在拱圈内的弯矩较小，在跨径上就有了一定的优势，跨径大的拱桥，在外形上美学意义也更加突出。拱桥在修建时的施工难度相对较大，但是比较经济，在条件许可的情况下，往往就会选用拱桥［3］。拱桥根据拱圈位置的不同可分为三类:1)上承式拱桥是指拱圈在桥面的下方，行车和行人在拱的上面;2)中承式拱桥的拱被桥面分为上下两部分，桥面上的拱运用吊杆提拉桥面;3)下承式拱桥的拱全部设置在桥面上部，通过吊杆和泵杆与桥面进行连接。我国的拱桥技术无论在古代还是现代都是世界领先，古有赵州桥世界闻名，现有万县长江桥跨度为世界之最。3．3钢架桥钢架桥和梁式桥相似，只不过钢架桥的梁和桥墩是连接在一起的一个整体，它同时受到竖向荷载和水平推力的作用。钢架桥也有三种分类，根据形式不同各有优点:T形钢架桥便于预应力的施加;连续钢架桥的整体性好，抗震性能高;斜腿钢架桥形式美观，经济合理。钢架桥的跨中弯矩较小，可以据此降低钢架桥的建筑高度，为桥的纵坡设计、行船带来方便。这种桥基本都采用预应力混凝土，我国的黄石长江大桥、贵州六广大桥都是跨度超过240m的钢架桥。3．4斜拉桥斜拉桥由于在斜向拉力的计算上难度较大，因此出现的较晚。斜拉桥通过塔柱和斜索将主梁进行固定，桥面所受的所有荷载通过斜索的拉力传递给桥塔，因此斜索的抗拉性能要大，桥塔的受拉稳定性要高。斜索的布局有辐射式、竖琴式、扇形三种，桥塔的建设也有单塔、双塔和多塔的形式［4］。斜拉桥的自重轻，跨越能力很大，跨度在200m～1100m之间。3．5悬索桥悬索桥是所有桥梁中跨度最大的桥梁之一。在悬索桥中最主要的结构就是缆索，它通过吊杆连接桥面，承受桥面的竖向荷载，再通过桥塔把所承受的拉力传给河岸的锚定结构。缆索往往采用高强度的钢缆绳，锚定结构会做成埋深特别大的大体积混凝土结构。如今世界上跨度最大的桥梁就是日本的明石海峡悬索桥，最大桥跨为1991m。3．6综合体系桥桥梁的各种形式可以进行叠加构成综合体桥梁，这种桥梁把两种或者几种桥形式的优点结合起来，使桥梁的受力更加合理，外形也更为美观。在工程实践中，梁与拱的结合，钢桁架与钢拱的结合，斜拉与悬索的结合都得到了完美的效果。在将来的桥梁建设中，综合体系的桥梁将会有很广泛的使用［5］。
4桥梁的总体规划与设计
桥梁在修建时要进行桥位、桥型、纵横断面和桥跨分孔的规划。在保证桥梁安全稳定性的同时，做出最合理的经济规划;在保证使用畅通的前提下，要尽量做到美观与环保。随着科学技术的不断发展，人们对桥梁的追求不只是停留在安全方便上，对美的要求也在不断增加。桥梁设计难度的增加不仅要工程师们有一个专业知识过硬的大脑，还要求工程师们有一颗设计美、创造美的心。
作者：郭继祥 单位：中铁十二局集团第四工程有限公司
课程学时紧张结构力学的课程内容可分为结构力学基础和结构力学专题两部分，其选修情况及相应的课时数据各院校、各专业略有不同，两部分总学时约为80课时～90课时［3］。以南京理工大学泰州科技学院土建方向为例，结构力学分两册教学。上册48课时，教学内容有结构组成分析、静定结构受力分析、结构位移计算和力法;下册32课时，包括位移法、力矩分配法、影响线、极限荷载、弹性稳定和结构动力学。可见，教学内容偏多，教学课时偏少。由于课时紧，教师加快教学进度，重要知识点无法展开，学生课后难于及时消化，教学效果不太理想。这可能是目前各院校在结构力学教学过程中都面临的问题。学生基础较差，自学能力不足与其他本科院校相比独立学院的生源质量较差。
如某重点大学的三本与一本录取分数相差80分～100分，与二本的录取分数相差30分～80分，独立学院学生学习基础、学习能力与“一、二本”学生有所差距［4］。在教学过程中，这一点是不能忽视的。授课形式多有弊端与其他本科院校相比，独立学院的结构力学授课形式多有弊端。首先，多数独立学院的办学地点与母体院校分离，其自有授课教师的人数有限，不得不依靠外聘教师。外聘教师来独立院校授课，其授课时间多数集中。比如:安排在周末或者四节课连上。在这种教学模式下，要取得好的教学效果是很难的。其次，在近些年的发展过程中，不少独立学院虽拥有了自有教学队伍，但是大多是教学经验不足的青年教师，对“结构力学”课程的把握还有待加强。
明确课程地位，促进课后学习首先，在课程介绍时，使学生明确“结构力学”在土木工程专业课程中的位置，强调结构力学对后续专业课、课程设计、毕业设计以及工作后的专业发展的影响，增强学生的学习意识。其次，建立结构力学学习小组。通过“课堂上组内讨论，课后组间交流”的方式提高学生的学习兴趣，促进学习。建立力学概念，打好力学基础力学是土木工程的基础。理论力学、材料力学是结构力学的基础。因此，在独立学院土木工程专业培养方案中，力学课程的教与学应该是一个体系。通过各项举措，提升理论力学、材料力学的教学质量，打好力学基础。这样，学习结构力学时，学生才更有信心。细化大纲，突出重点结构力学教学内容偏多，教学课时偏少已是普遍问题。
首先，在重点内容部分，应将大纲逐步细化到每个知识点，并划分到具体课时。同时必须设置简单易懂的典型例题，以突出重点，引导学生学习。只有这样，学生才能在有限的课时中学习到最核心的知识点。其次，根据学生的专业方向，在一定范围内对难点内容进行取舍，以精简教学内容。将教学课时向重要知识点倾斜。适当安排教学节奏，提升自有教师教学能力首先，“结构力学”课时的安排应被重视。在安排课时时，独立学院应考虑学生的实际学习能力，将教学时间相对分散。
在教学的过程中，只有遵循教学规律，才能取得好的教学效果，从而提高教学质量。其次，独立学院应不断加强自有青年教师的专业学习，提高其专业教学能力，从而提高教学效果。自有青年教师的学习和深造对独立学院教学质量的提升相当重要。
作者：李十泉 孟玮
1筒体结构中的剪力滞后效应
高层筒体结构可以简化成为一端固定的箱型悬臂构件．在受到水平荷载时，腹板和翼缘的正应力根据平截面假定应该呈现线性分布，如图7中的虚线所示．而在实际情况中，腹板和翼缘的正应力呈现出两边大中间小的现象，应力在角柱处集中，如图7中的实线所示，这并不满足初等梁纯弯曲理论中的平截面假定．这种正应力不均匀分布的现象，称为剪力滞后．剪力滞后效应使筒体作为空间结构的受力特性遭到削弱，一些柱的承载能力没有得到充分发挥，降低了筒体抵抗水平力的能力．剪力滞后引起柱应力不均匀分布，在材料还处于线弹性的情况下，柱的应力分布形态与位移分布形态相同，这还会引起楼板的翘曲．已有研究认为剪力滞后产生的原因是：翼缘（主要是裙梁）的剪切变形引起角柱轴力加大，增大柱与柱之间联系的裙梁抗剪刚度，剪力滞后现象随之减少．文献详细解释了这一过程：翼缘框架各柱和窗裙梁的内力由角柱传来；角柱受拉，使与它相连的裙梁承受剪力，同时又使与裙梁相连的第二根柱受拉；剪力就以这种方式传递．这种传递造成中柱的轴力减小，角柱轴力增大．为了定量分析剪力滞后的程度，我们重新定义柱的剪力滞后系数λ（适用于平面形状为矩形的筒体）如下式中，σ表示柱的实际正应力，σ′表示受拉翼缘柱的平均正应力，ΔL表示柱中心到中性轴的距离，L表示柱对应的角柱中心到中性轴的距离，如图8所示．从剪力滞后系数的定义不难看出，当λ＞0且越大时，应力集中于此柱，剪力滞后效应越严重；当λ＜0且越小时，柱承载能力没有得到充分发挥；λ越接近于0则越符合理想的平截面假定，剪力滞后效应越弱．
2新结构体系中的剪力滞后效应分析
2.1新结构体系的分析方法与模型建立研究高层筒体结构剪力滞后的方法主要分为连续化方法和离散化方法两种．连续化方法是把带有规则开洞的筒体经压弯与剪切等效化为连续的板来进行分析，假定位移函数分布，利用应变能变分原理来建立位移的控制方程，从而得到结构的位移与内力解．但连续化方法中不同位移函数的假定对分析结果影响较大．离散化分析方法主要是有限单元法，这种方法较为灵活，适用范围广，但未知数量多，求解规模庞大．本节采用有限元分析软件对拟建模型进行分析．本节分析的拟建工程模型采用新型空间钢网格“筒中筒”盒式结构，共50层，标准层高3．6m，总高度180m，标准层平面布置见图9．楼盖总厚度为680mm，其中钢筋混凝土板厚为80mm，钢空腹夹层板厚度为600mm．空腹夹层板上、下肋采用T形钢，高度均为150mm，空腹夹层板中空为300mm，剪力键采用方钢管．外筒柱均采用型钢混凝土柱，角柱尺寸为600mm×600mm，边柱尺寸为550mm×400mm．核心筒厚度为700mm．为研究水平力作用下模型的剪力滞后效应和不同因素对剪力滞后效应的影响，对模型做以下假设：（1）结构仅受水平荷载作用，不考虑竖向荷载（包括自重荷载）；（2）所有楼层均采用统一标准层．水平风荷载按规范，基本风压50年一遇为0．4kN／m2，根据《建筑结构荷载规范》第7．1．2条和《高层民用建筑钢结构技术规程》第4．2．2条要求，基本风压取1．1×0．4＝0．45kN／m2．地面粗糙度按B类，体型系数取1．3．由于平面布置具有两个对称轴，可以取四分之一的模型进行分析，对四分之一外筒柱进行编号，见图10．
2.2新结构体系中的剪力滞后现象根据标准模型四分之一平面绘制出的外筒剪力滞后系数分布见图11．很明显，角柱的剪力滞后系数在底层最大，向上呈递减趋势．由33层开始角柱剪力滞后系数小于0，表明33层以上的楼层呈现出负剪力滞后现象．腹板侧柱的剪力滞后系数除顶层外均为负数，说明其承载力没有充分发挥．腹板柱抵抗水平力引起的弯矩上所起作用本身并没有翼缘柱大，腹板中柱附近的柱子接近中性层，它们的剪力滞后系数不具备研究价值，而靠近角柱的腹板柱的剪力滞后系数楼层越高越接近于0，表明层数越高，腹板的正剪力滞后效应越弱．图11中翼缘侧的剪力滞后系数分布与以往的研究结果有些差异，主要是中柱附近的翼缘柱也产生了和角柱一样的应力集中现象．16号到19号柱在所有楼层的剪力滞后系数均大于1．从平面布置图上来看，从15号柱开始要与核心筒相连接，增大了其抗侧刚度，导致了正应力的增大．以往对剪力滞后效应的研究大都针对框筒结构，没有考虑到与核心实腹筒体连接对抗侧刚度的贡献，结论显然不能适用于筒中筒结构．从数值上看，底层角柱剪力滞后系数最大也仅为0．135，顶层中柱在前文所提的抗侧刚度增加和负剪力滞后效应的叠加作用下，剪力滞后系数最大为0．173，剪力滞后效应引起应力增量相对理论值都没有超过20％．可见新结构体系的剪力滞后效应相对较弱．虽然顶层中柱的负剪力滞后效应比较严重，剪力滞后系数数值很大，但是顶层的倾覆力矩很小，负剪力滞后效应对结构的影响不是很大．以下分析中，主要考虑底层的正剪力滞后效应．
2.3与常规筒中筒结构剪力滞后的对比分析在相同的设计条件下建立常规的筒中筒结构模型，平面布置如图12所示．四分之一模型的外筒柱编号见图13．常规筒中筒结构与新结构体系的区别主要有以下三点：（1）常规结构柱距略大于新结构；（2）常规结构楼盖为井字形钢梁而新结构楼盖为协同式空腹夹层板；（3）常规结构不设墙架．加载相同的水平风荷载后，正剪力滞后效应最严重的底层剪力滞后系数分布图如图14．从图14可以看出，常规结构角柱的正应力集中现象十分明显，剪力滞后效应引起的轴力增量达到了39．3％，是新结构形式的三倍．常规筒中筒结构翼缘侧的剪力滞后曲线十分陡峭，而新结构形式翼缘侧的曲线相对平缓．这表明新结构体系翼缘柱的受力较为匀，空间整体性更强．图15为常规筒中筒结构和新结构体系角柱剪力滞后系数沿楼层分布的对比曲线图，从图中可以看到，常规结构角柱的正剪力滞后效应沿竖向分布均大于新结构形式，常规结构形式从47层起，正剪力滞后效应才消失，几乎所有楼层角柱都存在正应力集中的现象．从剪力滞后系数的横向分布和沿楼层的纵向分布来看，新结构体系的剪力滞后效应远小于常规筒中筒结构．整体抗侧刚度的均匀分配使新结构体系的空间整体性更佳．
2.4墙架对剪力滞后效应的影响新结构形式的外筒壁用三道横梁构成了墙架，墙架提高了外筒的抗剪刚度和抗侧能力，但墙架对剪力滞后效应的影响并非完全是正面的．图16为标准模型、去除横梁模型和横梁截面加大三种模型下底层外筒柱的剪力滞后系数分布图．图16中角柱的剪力滞后系数随着横梁尺寸的增大而增大，这是由于角柱跟腹板侧横梁的连接，使抗侧刚度增大，墙架尺寸越大，刚度增加多，角柱的剪力滞后效应越显著．但是翼缘中柱的剪力滞后系数随着墙架尺寸的加大而减小，这使得在设计时必须把握好墙架横梁与柱的刚度比，刚度比过大，应力集中于角柱，刚度比过小，应力集中于翼缘中柱，两种情况都是相当不利的．
2.5角柱尺寸对剪力滞后效应的影响角柱的作用在于提供了腹板框架和翼缘框架之间的联系，使结构能够实现空间受力，中柱的主要作用是提供巨大的抵抗矩来承担外倾覆力矩．图17是不同尺寸底层角柱的剪力滞后系数分布图。从图17可知，角柱尺寸的改变对腹板柱的影响很小，角柱尺寸的增加并没有使角柱本身的剪力滞后系数增加，反而下降，但是中柱的剪力滞后系数上升．这个结论与以往的研究有所不同，产生不同的原因是以往的研究中以轴力作为剪力滞后效应的研究特征值，角柱面积增大导致轴力增大是必然的，但是应力实际上是有所减小．在新结构形式的设计中，应该重视角柱在结构中所起的重要作用，既要承担两个方向的水平荷载，还在抗扭转中起重要作用，所以角柱的尺寸不宜过小，且应该适量增加配筋．角柱的大小在满足设计要求的情况下，尽量平衡角柱和中柱的剪力滞后情况．如果角柱过大则会导致翼缘中柱的应力集中．
3结论
（1）新结构体系的正剪力滞后现象底层最为严重，由剪力滞后引起的底层柱的应力增量小于20％，剪力滞后效应相对较弱，结构的三分之二高度以上开始出现负剪力滞后效应，但负剪力效应对结构的影响不大，设计时可不考虑．（2）与常规的筒中筒结构相比，新结构体系的剪力滞后效应更弱．底层角柱的应力增量仅为常规结构的三分之一，角柱正剪力滞后效应在所有楼层均小于常规结构．（3）网格式墙架横梁刚度越大，应力越集中于角柱；刚度越小，应力越集中于翼缘中柱．（4）角柱刚度越大，应力越集中于翼缘中柱；角柱刚度越小，应力越集中于角柱．设计时应使抗侧刚度沿水平均匀分配，平衡角柱和中柱的剪力滞后情况．（5）新型超高层装配整体钢网格盒式“筒中筒”混合结构外筒的抗侧刚度和抗剪刚度大于常规结构，正剪力滞后效应较弱，结构整体受力均匀．楼盖的空腹部分可以布置管线，有效降低了结构层高，在总高度相同的情况下，可以布置更多楼层，更具经济性．
作者：余德冕马克俭张华刚单位：贵州大学空间结构研究中心
对立统一规律
在自然辩证法的三大规律中，对立统一规律(也称为矛盾规律)处于核心地位，矛盾是指客观事物本身所固有的既对立又统一的本性及其在人们头脑中的正确反映。矛盾的统一性和对立性相互联系，不可分割，在分析矛盾和处理矛盾时，必须把统一性和对立性有机结合，在对立中把握统一，在统一中把握对立，反对形而上学的片面性。例如，在讲结构力学几何组成分析的三个规则时，既要看到三刚片规则、两刚片规则和二元体规则在分析问题上的不同，又要学会看到三个规则之间的联系，即可以看成一个整体———三角形规则。针对具体问题，既要看到有些问题只能利用其中一种规则分析的对立性，又要看到一些问题均可以用三个规则分析的统一性，分别举例讲解，避免学生“不识三则真面目，只缘身在一则中”的困惑。又如，讲到超静定结构2种基本计算方法:力法和位移法时，既要让学生看到这2种方法计算原理上的对立性，又要让学生看到计算步骤上的统一性。二者的对立统一如图1所示。
质量互变规律
辩证法认为，事物的发展是通过量变和质变及其相互转化实现的。质量互变规律揭示了事物发展的形式和状态。量变是事物数量的增减或者空间排列次序的变化，质变是事物根本性质的变化，量变和质变是辩证统一的。事物的发展是量变和质变、连续性和间断性的辩证统一。在实际教学中，既要有合理的教学计划，又要根据学生的实际掌握程度量力而行;既要重视课堂上同类型例题的讲解，又要注意新内容的学习。例如，在讲平面体系的几何组成分析时，根据几何组成分析规则，可知原体系为几何组成且无多余联系，图2(a)所示。但当将EC杆和CF杆分别移动到与AE杆和BF杆所在直线上时，如图2(b)所示，则体系的性质将发生变化，由原来的几何不变体系变为现在的瞬变体系。这其中蕴含质量互变规律的自然辩证法原理:2个体系中的杆件数量没有发生变化，只是排列方式变化或者杆件尺寸改变，就会带来不一样的结果，前一种体系可以作为结构，后一种体系不可以作为结构。结构力学课程教学基本要求(A类)指出结构力学课程教学对学生能力的培养包括4个方面:分析能力、计算能力、判断能力和自学能力［10］。基础结构力学是对结构力学中基本计算方法的掌握和计算能力的培养，程序结构力学是对结构计算程序的使用能力，定性结构力学是对结构的理解、分析、判断和选择的能力。基础结构力学中知识的学习是对学生的最初级要求，是自然科学知识体系方面量的积累;程序结构力学中的知识帮助学生学会程序阅读，利用计算机辅助设计，是工具知识体系方面量的积累;定性结构力学是对学生力学素养的培养，是对结构的宏观理解和本质把握，这是结构力学教学的最终目标，是感性认识到理性认识质的飞跃。由此可见，结构力学教学内容是质和量的统一。
否定之否定规律
(一)辩证的否定
唯物辩证法认为，否定是事物的自我否定，它是事物发展过程中具有决定作用的环节，其实质就是扬弃。辩证的否定观具有重要的方法论和意义，对事物不能简单地肯定一切或否定一切，而要依据事物的内在矛盾运动和发展的规律具体分析。例如，在讲结构位移计算的内容时，首先应讲解积分法，然后再讲图乘法。通过笔者多年的教学经验，发现学生容易混淆积分法和图乘法的区别与联系，认为两者都可以对同一问题求解，不会有所侧重或互相结合去解题，甚至有些学生将轴力图与剪力图也进行图乘法运算，学习了图乘法，忘掉了积分法，出现这些问题就是没有理解这2种计算方法的区别与联系。自然辩证法认为任何事物内部都包含肯定和否定两方面。结构的位移计算方法也不例外，积分法在计算结构位移上值得肯定的是应用范围广。表现在以下几个方面:(1)从变形类型看，可以考虑弯曲变形、轴向变形、剪切变形和支座位移。(2)从变形原因看，可以考虑荷载作用、温度改变、支座移动等不同原因引起的位移。(3)从结构类型看，可用于计算梁、刚架、桁架、拱等各种类型结构的位移，静定结构和超静定结构都适用。(4)从材料性质上看，可用于弹性材料，也可用于非弹性材料。
否定的方面是积分法计算需要列出实际状态和虚拟状态下的内力方程，当杆件多、荷载复杂时，积分运算相当复杂，而且容易出错。于是1925年莫斯科铁路运输学院的学生Vereshagin提出图乘法概念，他发现利用积分法计算荷载作用下梁和刚架等以弯曲变形为主的结构位移时，可以将积分运算转化为代数和的运算形式。图乘法不需要列出实际状态与虚拟状态的内力表达式，利用2种状态下的弯矩图进行运算，计算速度快，而且应用非常方便。同时，也要认识到图乘法的局限性，即应用时要满足一定的条件:(1)杆件为等截面直杆;(2)EI为常数;(3)Mk、Mp图形中至少有1个为直线图形。计算梁和刚架在荷载作用下的位移时，图乘法保留了这种结构的主要变形———弯曲变形，而轴向变形和剪切变形从工程应用角度对位移的影响很小，可以忽略，这从哲学角度上称为“扬弃”。把握了否定的实质，是正确理解辩证否定的关键。例如，结构力学中桁架位移计算法包括结点法、截面法、结点截面联合应用法，其中结点截面联合应用法是对前两种方法的一种辩证否定。超静定结构位移计算的基本方法有力法和位移法，根据具体情况，可以采用力矩分配法、无剪力分配法、矩阵位移法等，力矩分配法、无剪力分配法和矩阵位移法，其理论基础都是位移法。计算连续梁和无结点线位移的刚架时，采用力矩分配法更方便;对有结点线位移的刚架，可以考虑位移法与力矩分配法联合应用求解;除无侧移杆外，其余杆为剪力静定杆时，采用无剪力分配法更适宜;利用计算机求解复杂结构的位移与内力时，则体现出矩阵位移法优势。这些知识点都渗透着自然辩证法中辩证否定的思想，去其糟粕，取其精华，保留新事物中一切有利于事物发展的积极因素，从而保证发展过程的连续性。
(二)否定之否定
事物的发展都是通过否定实现的，辩证的否定不是一次完成，而是事物自我发展、自我完善的过程。在这个过程中，事物的发展经过三个阶段两次否定，即由肯定到否定，再由否定到否定之否定。在这个周期中，事物的发展经过两次辩证的否定，表现为螺旋式上升和波浪式前进［11］。例如，结构力学教学手段的发展过程是:“板书为主”到“多媒体为主、板书为辅”再到“多媒体为辅、板书为主”，其体现的就是否定之否定的发展过程。过去计算机技术还不够成熟，教师的讲解主要是通过板书，速度较慢，但便于师生交流、利于教学互动，教师从学生的课堂反应中能及时了解学生的学习情绪、理解程度、出现的问题及症结等，并可及时采取对策，发挥教师的主导性，使学生可以与教师思维同步。由此可见，“板书为主”的教学手段曾在教学过程中发挥重要作用。
20世纪末，随着大土木专业体系的建立，人才培养目标转变为“厚基础、宽口径”，结构力学的授课学时也由原来的120～140学时压缩到80学时，原来教学大纲的内容按传统的教学方法难以完成。随着新技术和新型结构体系的发展，计算机技术在土木工程专业广泛应用，给传统结构力学补充了新内容。多媒体教学由于授课信息量大，可将大量的工程实例引入课堂，教学效率高，解决了内容多学时少的矛盾。对复杂的工程实例，教师无法用语言来描述，可以采用多媒体手段演示，把实际的结构与抽象后的计算简图相联系，加强了教学良性互动，提高了教学效率，弥补了以“板书为主”教学手段的不足，发展成为“多媒体为主、板书为辅”的组合式教学手段。结构力学课程计算量大，基本原理需通过具体例题讲解，宜采用“多媒体为主、板书为辅”的教学手段。
近几年，由于招生规模扩大，学生整体素质下降，学生的基本计算能力与分析问题能力较差，难以跟上多媒体教学节奏，学生更希望教师利用黑板进行公式推导和具体例题讲解。另外随着社会发展速度加快，教师的社会压力增大，教师待遇又普遍偏低，部分教师在教学同时从事一些兼职工作，于是不可能全身心投入教学，整体教学质量有所下降。在此背景下，学校鼓励教师采用“多媒体为辅，板书为主”的新形式。教学中让学生体会到“板书—多媒体—板书”的过程就是螺旋式上升的过程，是一个扬弃的过程。虽然看似回到了板书的教学方式，但实质是对单一板书的否定，吸取板书在教学上的积极因素，消除消极因素，增加了多媒体辅助教学的内容，每经过一次否定，都加进了富有生命力的新内容，从而使事物达到更高的水平。
结语
结构力学的教学内容、教学手段和教学方法是在教学过程中长期形成的创造性成果，其中蕴含深厚哲理，因此，结构力学教学不仅是知识的学习过程，更是科学哲理的探索过程。教学中运用自然辩证法、美学理论等将是对力学教学的升华，同时，也对专业课教师的哲学修养提出了更高要求。（本文作者：周海龙、李平、申向东单位：内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院）
摘要:为探索基于ANSYS平台开发各类工程结构分析软件的通用方法,以高炉炉壳结构力学分析软件包为例,用VC++编写程序并实现对ANSYS的封装. 该方法可修改ANSYS的APDL数据文件中的输入参数,自动运行ANSYS的APDL批处理程序,利用ANSYS的OUT结果文件进行后处理,也可借助其他后处理软件进行后处理操作. 该方法可使用户在不必熟练掌握ANSYS模块的情况下,利用ANSYS进行工程有限元问题的分析计算.
ANSYS的功能十分强大,要求操作人员较为熟悉所用到的ANSYS模块,并对掌握力学和有限元的理论知识有较高要求.[1]针对实际工程问题,可用ANSYS的APDL封装ANSYS软件开发出个性化系统.这种系统只要求操作人员输入前处理参数,然后自动运行ANSYS进行求解.但完全用APDL编写的宏还存在弱点,如用APDL较难控制程序的进程,虽然它提供循环语句和条件判断语句,但总体还是个流水账.APDL也提供参数的界面输入,但功能还不是太强大,交互性不够流畅,图形处理功能也不是很强.针对这种情况,本文用VC++ 6.0开发出高炉炉壳结构力学分析软件[2-5],能克服上面提到的一些不足,并使整个产品成为商品化软件.
1实现方法
利用ANSYS的特点建立通用有限元模型,并计算求解.在建立模型时,先根据模型中所有可变数据定义相应的参数名,并使用参数名表示相应的数据值;然后用APDL将其生成为程序模块.
编写程序必须具备4个功能:(1)前处理参数输入;(2)根据用户输入的参数修改APDL程序模块参数表中对应的参数值;(3)将完成的APDL程序模块提交给ANSYS程序进行批处理操作;(4)程序必须能够判断ANSYS的批处理操作何时结束.
2关键技术
该高炉炉壳结构力学分析软件是基于ANSYS的APDL参数化模型开发技术[6-7],在ANSYS平台上进行二次开发形成的.APDL是一种面向工程的、结构化的解释性语言,具有高级语言的基本特征与功能,但其逻辑运算和条件处理等功能较弱.
2.1模型参数库的调用
APDL中打开库文件的命令为*ULIB,〈库名〉,〈扩展名〉. 利用它先打开上述模型参数库文件,再利用宏调用命令*USE,〈参数模块名〉. 这样可将结构的参数模块嵌入到其模型产生程序中,并可在其后程序段中引用这些变量名或数组名.因此,结构参数模块的独立定义与有限元模型的产生程序可分开进行.这样熟悉工程设计但不懂APDL编程的工程师就可以方便地定义结构的参数模块.
2.2参数化模型程序的开发技术
利用APDL开发具体的结构有限元参数模型程图 1二次开发高炉炉壳结构力学分析软件流程序,是与具体的工程对象相结合的二次开发工作.图1给出利用APDL进行二次开发的高炉炉壳处理流程.炉壳有限元模型程序库包括方案设计模型及详细设计模型的产生程序,主要输入参数是相应模型结构几何参数模块和载荷参数模块等.这些程序的主要输出结果是ANSYS求解器能够执行的有限元模型及运行流程命令行.这些参数化程序的集合构成高炉炉壳的FEM模型程序库.图2给出模型程序库中高炉炉壳参数化模型程序的结构框图.它们调用相应的结构参数模块及有关载荷参数模块,各种炉型及炉容应具有自己的参数模块形式,因此与其相应的FEM模型产生程序也不相同,彼此独立.具体的FEM模型产生程序是APDL语句流,可分为:(1)ANSYS分析控制与分析类型定义;(2)打开参数库参数块的调用;(3)参数变量及数组定义;(4)关键点(KP)定义;(5)线的几何与分网定义;(6)面和面的材料与物理特性定义;(7)载荷定义;(8)约束定义;(9)分析流程定义;(10)后置处理定义.
图 2高炉炉壳参数化模型程序结构
2.3用户界面接口技术
用VC++ 6.0编制菜单调用ANSYS软件,前处图 3数据转换流程理模块主要包括输入参数和自动生成有限元计算模型等.高炉炉壳结构计算模型主要包括ANSYS的结构力学(包括弹性及弹塑性)分析计算,后处理模块主要包括生成应力沿母线及环向分布曲线图、薄膜力及边缘效应、洞口应力峰值等.图3为程序的数据转换流程.在VC++ 6.0中可利用CreateProcess函数创建1个进程以执行其他程序,并且可以设置该进程的优先级.ANSYS提供一种批处理方式的格式:“Ansys.bat-I InputName-OutName”,其中InputName和OutName分别为输入和输出文件名.假设log文件名存放在m_LogFileName变量中,而结果输出文件名存放在m_OutFileName变量中.程序代码如下:
3高炉炉壳结构力学分析软件
用上述编程思想和技术编制软件包,它包含工程设计人员必须涉及到的设计输入输出信息.运行该软件后,可以十分方便地得到供计算使用的有限元模型和后处理结果,设计可靠性和效率大大提高.
4结语
(1)用VC++编写针对高炉炉壳结构力学分析的封装程序.操作用户只需输入工程中的可变参数,即可运行ANSYS的批处理进行分析计算.后处理部分可以借用ANSYS的后处理功能,也可借助其他商业软件进行后处理操作.(2)摸索1种封装ANSYS软件的方法,从而达到让不了解ANSYS的人运用ANSYS的强大功能分析计算工程实际问题的目的.(3)工业建筑结构中,具有相同功能的构筑物,其有限元模型的参数通常可以归为1类.上述编程思路可用来开发各种类构筑物的通用有限元分析软件,就这个意义而言,本文探索出1条开发软件的思路,并能大大提高工程设计的质量与进度.
摘要:该文介络了高层建筑结构力学模型仿真的理论基础、关键技术和实现途径,并简述了高层建筑结构多媒体仿真系统MSTB的设计特点。
关键词:高层建筑结构;仿真系统
1 概述
高层建筑结构在荷载作用下的反应,特别是在风荷载、荷载作用下的动力反应问题;一直是这一领域的研究热点。已经研制出一批可用于高层建筑静、动力分析的软件等。但是,对于材料多样,体型巨大,结构复杂的高层建筑,高速计算机的分析结果往往是一大堆数令人难以把握,给研究和设计都带来很大的不便。目前由物理模型、数值方法和可视化技术相结合而发展起来成熟的计算机仿真技术,不仅可靠直观,而且正迅速发展,因而受到广泛重视。特别是随着多媒体技术的成熟和应用范围的不断扩大,使计算机仿真领域出现了革命性的变化和发展。本文将结合作者在力学模型系统仿真系统研究方面的工作,着重介绍高层建筑结构力学模型仿真系统设计的关键和方法。
2 建立高层建筑结构力学模型仿真系统的基本思路
高层建筑结构力学模型仿真分析须具备二个条件,即:
1) 构成建筑结构的有关材料的的本构关系或物理模型,包括地基的物理力学性质。这可由制作小尺寸试件或现场采样,由性能试验确定。
2) 有效的数值方法,如有限元法,边界元法,差分法等,都是很成熟的方法,可直接用于结构系统仿真。基于这二个条件的高层建筑结构力学模型仿真系统分析思路如图1所示。
3 仿真分析的数学物理模型
对于高层建筑力学模型计算机仿真系统来说,其建立数学模型的方法和理论在结构力学中己相当成熟,因此,结构仿数学物理模型的建立必须同时考虑已有的数学物理模型和计算机仿真的目标两方面因素。
3.1 数学模型
数学模型的含义很广,如三角函数,代数方程;微分方程,积分方程,矩阵等由数学式子表示的函数关系或算法系统都属于数学模型。数学模型来源于事实,但又抓住了现实申的本质问题。用于高层建筑结构的数学模型很多,如按所使用的数学方法来分,大致上有以下三种类型:
1) 确定性模型。模型各变量之间有确定关系,其模型表示形式是各种方程式(代数方程、微分方程等)和各种函数关系,大多为经典的数学方法。
2) 幻随机性模型。由于结构工程材料、施工、荷载、环境等因素具有随机性,因而结构度反应也具有随机性。采用随机模型的数学工具主要有概率论,数理统计和随机过程等。
3) 模糊性模型。结构工程中有些性质是具有模糊性的。如结构安全性的好与差,材料合格界限等。因此有些分析可采用模糊性模型。模糊性模型的数学工具主要是以模糊集合为基础的模糊数学。
3.2 物理模型(本构关系)
对金属材料,采用一般的弹塑性本构关系,而对千混凝土、岩土等材料,由实验可知这些材料的破坏曲面在偏平面上是非圆形的凸曲边多边形,在子午面上也是曲线,且近于向等压轴开口的二次曲线,因此得采用多参数破坏准则[1]。
对于前面所介绍的几种数学模型,若采用基于面向对象(OOP)的仿真实现方案,则可以方便地将各种数学模型置入仿真系统中,响应的仿真模型可以根据仿真要求重载其中某个数学模型。这OOP是方法用于结构仿真的优越之处。
4 系统特点及实现途径
目前,我们研制的高层建筑力学模型仿真系统建立在Windows平台上的。系统充分利用了Windows的多任务机制、事件(消息)驱动和动态交换功能来实现仿真的控制和驱动。系统具有以下几个特点;:
一是模块式结构。MSTB的开发充分利用了Windows的多任务特性,仿真控制器的各功能块设计成可以并发的事件驱动按钮,各仿真功能可以交叉调用,使用户可以按照自己习惯的方式控制仿真过程。利用仿真控制器可以方便地实现多次运行,并能对实验条件灵活地加以改变,对实验结果作有效地统计分析。
二是数值机仿真和图形仿真的分离及人工智能技术的运用。在MSTB中数值仿真采用定量方式进行仿真,由数值计算程序进行仿真分析,然后对计算结果进行对比分析,给出状态曲绎而图形仿真采用定性方式进行仿真,主要是结合数值仿真的计算结果,采用专家系统和知识把实验过程形象地显示在屏幕上,帮助用户进行分析,显示的内容不但包括实验时可以见到的现象,还可以是某些状态量(如位移,内力)的变化过程。这样就覆盖了人们在真实试验中所全部信息数值结果和现象,全面地实现了仿真的目标。
三是工程数据库的应用。由于仿真系统的数据类型复杂多样,数据量大,而且仿真系统,-互要求很高,数据的存取、检索频繁,因此MSTBIS用工程数据库将这些数据管理起来。数据库系统,关键在于采用合理的数据存储方案以及快速有数据库I/O平台方式,这样在仿真系统的开发中,可以自曲地选用更合适的编程工具。
四是交互式多媒体用户界面。在MSTB中系统用户界面统一、直观、简单实用,并配有动画音响效果,充满表现力,为用户提供了一个友好、轻松的仿真实验环境。
5 结束语
本系统目前已实现了高层框剪结构在一般静动力荷载作用下的位移场和内力场及随机振动的动态模拟的可视化以及随机振动的动态模拟。今后的工作将要考虑施工误差、损伤累积、蠕变等因素的影响。对高层建筑结构进行疲劳生命周期的全仿真分析,因此今后还有很多工作要做。
摘 要 本文作者根据结构力学课堂教学特点，通过让学生课前观看视频学习基本概念和原理，课堂上给学生留出更多的时间进行讨论，分析研究问题，做作业。这样，学生主动参与到教学中来，形成师生互动的良好局面，既提高了教学效果，又调动了学生的积极性。实践证明，这种翻转课堂教学模式应用于结构力学教学实践是行之有效的。
关键词 结构力学课程 翻转课堂教学模式 师生互动
1 翻转课堂提出
目前在我们的大学课堂上学生迟到、早退、上课睡觉、玩手机的现象比较普遍。原因主要在于以下几个方面：（1）授课方式单一，课堂授课成了老师讲解或者跟读事先准备好的PPT的过程；（2）教师在课堂上传授的知识几乎是不变的，封闭的。例如有些课程教材已经换了好几版，但是教师的课件或教案还是几年前的，没有什么变化。表现在结构力学课堂上就是学生学习兴趣不高，课堂气氛不活跃，随着课程的深入，学习难度加大，学生课堂理解变得困难，因此缺课的同学不断增加。个人认为学生对于理论知识的理解尚且容易，但是原理方法的应用就显得力不从心，提笔解题困难重重，做作业花费时间长，效率低。
让学生喜欢课堂，回到课堂，老师仅有认真负责的态度，扎实严密的知识结构还不够。因为我们处在日新月异的信息时代，面对的是一群充满活力的21世纪新青年，作为一个优秀的老师必须思考采纳好的教学模式激发学生兴趣。首先，要改变教师课堂教学方法。应该少讲、精讲，留出相当部分时间给学生思考、提问、讨论和练习。其次，教师在课堂上应该补充一些教材以外的知识内容，把知识的原始出处、演变告诉学生，把日常生活、工程实际和最新成果引入到课堂教学过程中来，形成开放式知识体系，能有效地激发学生的好奇心和求知欲。最后，教师要善于利用网络信息技术、资源引导学生自主学习，探究问题，加强和学生课后的联系与交流。翻转课堂就是适合这种特点的新型教学模式。它把对知识点的学习放在课后，学生分组通过录制好的视频学习。课堂上重点在于知识的运用分析，讨论和做作业上；是改变老师一个人在讲台上讲，学生在下面被动地听的单调枯燥课堂教学过程。使学生也参与到教学过程中来，提升学生的学习兴趣。笔者根据多年的教学经验，针对结构力学课程特点，对课堂教学进行了改革，取得了显著的效果。
2 课堂教学改革实践
本着提高学生学习兴趣，提高学习效率的原则 ，笔者对所教的结构力学课堂教学进行了改革。教学对象是水电专业大二学生，教材是清华大学编著的《结构力学I》第3版，课堂教学63学时。学生的学习活动包括课前视频学习、课堂讲授和课堂做作业三部分。
2.1 选择教学内容
选择教学内容时，不仅要考虑理论知识，也要考虑学习方式，时间活动，应该在学生现有的知识积累的基础上，结合学生兴趣和能力让学生有所提高。教师应把教学内容分为三个层次：
一是学生应该熟练掌握，但是难度不大，不需要在课堂上精讲的，可以在课堂上提一下的概念和原理等知识点提前录制成微视频；每个视频录制时间控制在20分钟左右，便于学生集中精力学习。组长负责组织学习，时间相对灵活，又利于讨论和监督，保证学习有序进行。每段视频后有与所学内容相关的问题需要思考，便于在课堂中进行交流讨论。
二是学生应该熟练掌握，并且有一定难度的是学习利用基本原理分析问题、解决问题的方法。这是老师在课堂上应该细讲、精讲的部分。需要通过具体例题讲解，重点讲授学生疑惑的部分，老师注重引导学生思考，打开学生思维。
三是学生应该熟练运用已有知识自主解决问题的部分。这部分通过课堂做作业来强化。把作业放在课堂上进行利于学生对所学的原理方法及时巩固和掌握，有问题可以及时讨论。注重培养训练学生驾驭基本原理解决复杂问题的能力。
通过比较发现，课堂完成作业比课后完成效率大大提高，更容易理解和掌握知识，而且记忆持续时间更长。由于时间的限制，在课堂上做作业重点在于梳理出解题的思路，讨论多解的方法，书写作业过程可以放在课后完成。
2.2 一个教学单元的设计
课前学习和课堂学习不是分裂开来的，而是相辅相成的，翻转课堂就是改变现有传统教学过程的课前、课中学习顺序，即课前利用视频学习资源进行自主学习，而利用课中时间在教师和同学的互动下学习运用视频中学到的知识解决问题。这样不仅提高了学习者学习的主动性和积极性，而且在某种程度上也大大提高了W习者的学习效率。在这个过程中学生必须积极主动地参与进来。老师和学生协同努力完成学习。老师要选择和制作好课前视频、充分备课为课中学习选择典型例题和制作课堂PPT课件，准备补充材料。学生则需要保证课前视频学习到位 。因此第一次课后学生以宿舍为单位分成若干组。为之后以组为单位进行课前视频学习和讨论做准备，组长对每次课前视频学习做好考勤，保证每个人都能完成学习，对学习中存在的问题做好记录，便于课堂上进行讨论。以每次两节课连上，90分钟为一个时间单元，选5个章节以表格的形式给出一个学习单元的组织流程图，见表1。
需要提醒的是课前视频学习并不是每次课前都有，也不是每次课前仅学一个，有时可能是两个知识点，需要两个视频学习。例如结构几何组成分析中课前6个概念知识点学完后，课堂上仅用极少的时间供学生提出不懂的地方，老师做出解释和简单的提问就可以结束。在这种情况下课前需要学习两个视频，两知识点之间不需要进阶的练习，学起来也很容易，但仍然可以分阶段学习。课堂上大部分时间放在运用三个规则分析各种各样复杂几何体系上，这是我们的这一章的难点和重点内容。有时一个课前视频学习需要结合两次课堂练习才可完成，或者需要补充一些新内容，例如引入一些工程实际，历史背景，学科前沿等，课前就不安排视频学习。做作业30分钟也可以穿插在讲解完每个类型例题之后进行，不必要一定集中在最后完成。
考核是对教学效果的有力推进。也是保证学习效果的有效手段。学生期末总评成绩有课堂作业、中期论文、综合讨论课和期末考试4部分组成，为了提高学生学习的积极性，主动性和参与性，尤其是课堂讨论和课堂作业这一块的平时成绩所占的比例应加大，降低期末成绩所占的比例。对学习的积极性具有一定的促进作用。
2.3 教学效果评价
一个教学方法的的好坏，关键是学生的评价和认可度。也是教师改进方法、提高教学效果的重要参考和依据。因此在课程结束时对教学效果在网上进行无记名投票调查，参与投票的人数65人。调查分两个方面：一是给出定量的评价问题，学生给分的形式，每题满分100；二是开放性问题提问，学生做出回答。
定量评价问题：（1）教学方法灵活多样，合理使用各种教学手段，有启发性（98.3）；（2）作业时间设置合理（98.8）；（3）激发了我的学习兴趣，上课出勤率高、学习投入量大（98.3）；（4）该课程安排、考试方式合适（98.6）。
开放型问题：我对该授课形式的意见和建议。学生回答普遍认为：（1）上课气氛活跃，老师和学生的互动性得到了充分的体现，能调节同学积极地参与课堂讨论和发言；（2）课上给时间写作业，课上交流与讨论很多，每一章上完了还会组织大家一起讨论，让结构力学也变得轻松起来；（3）老师上课课堂形式多样，开拓了我们的视野，让人感觉不是为了讲课而讲课，很有吸引力，让人乐意去集中注意力听讲。
总体上说，结构力学翻转课堂模式设计比较合理，授课形式新颖，学生普遍认可，明显激发了学习兴趣和提高了学习效率。
3 总结
从课前视频学习、课堂教学、课堂做作业三个环节看，学生对于这种课堂模式的认可度和完成效果评价较高。与传统课堂相比，它的优点主要体现在如下几个方面：
（1）调动学生课堂参与的积极性，提高了学习兴趣。在传统课堂下，教师讲授力求完整详尽，学生没有发挥余地，趋向被动接受。在翻转课堂下，把一些易懂的概念和原理放在课前视频学习，课堂上老师只讲重点难点内容，讲授学（下转第130页）（上接第128页）生疑惑的部分，可以留出更多时间给学生进一步主动探索的空间，能够引发学生学习的主动性。
（2）增加生生、师生互动交流。在传统课堂下，教师讲授后学生各自学习，缺乏交流，学习难度大，兴趣不高，翻转课堂下，把互动交流放到课堂上，学习环境好，对于问题来相互协作共同解答。学生在讨论中锻炼表达能力，学会借鉴他人。
（3）提高了做作业的效率。在传统课堂下，教师讲授后学生各自做作业，比较枯燥，碰到问题不易解决，容易受挫。翻转课堂模式下，把题目思路梳理放到课堂上，学生可以充分表达自己的观点和疑惑，老师只是点拨和引导，作业书写过程利用课后很少的时间就可完成。
综上所述，基于结构力学翻转课堂教学模式的探索出发点是调动学生的学习e极性、提高学生的学习兴趣。因此要让学生能够主动参与到教学中来，教师在课堂上必须让出部分时间，交给学生掌控，形成师生互动的课堂，这是翻转课堂教学模式的特点，也是目前比较有效的教学模式。其具有极为广泛的应用，也为进一步实现网络视频课程、大学慕课提供基础。
摘要：本文从结构力学课程教学实际出发，然后针对目前存在的问题，从教学内容、教学手段、学习质量监控及评估体系三个方面对结构力学教学改革进行了探索并提出改革措施，以促进结构力学教学改良和发展。
关键词：结构力学；教学改革；教学质量
一、前言
结构力学课程是土木工程专业的一个重要的基础课程。该门课程是在高等数学、线性代数、理论力学、材料力学等课程结束才开始学习的课程，同时结构力学也是钢筋混凝土结构和砌体结构、土力学与地基基础、钢结构和结构抗震设计等核心专业课的力学基础，是连接基础课和专业课的纽带，在整个专业培养计划体系中占有举足轻重的地位。结构力学教学效果的好坏不仅直接影响到学生对专业课程的掌握，而且还会影响到学生在实际工程中分析问题和解决问题的能力。学生在课程设计、毕业设计的过程中也要反复用到结构力学的知识。如何提高结构力学的教学质量，提高学生运用所学力学知识分析和解决实际工程问题的能力，是结构力学课程教学改革需要主要解决的问题。
二、教学内容改革
1.整合教学内容，提高教学质量。结构力学教学内容一般包括：结构体系的机动分析、静定结构的内力和位移计算、静定和超静定拱、静定结构的影响线、力法、位移法、力矩分配法、矩阵位移法、结构动力学和结构力学求解器、塑性极限分析、结构的灵活性和稳定性。结构力学在专业课与基础课之间起着桥梁作用，但随着新学科的发展，越来越多的课程开放实践，结构力学的时间减少，所以建议在理论力学知识，如桁架梁结构的静态和静态力计算。矩阵位移法在本章中因为内容复杂，一般没有足够的时间进行讲解，需要把握好重点、难点，对课程内容进行适当提炼。用最少的课时，达到要求的教学效果。有些学校不是关于动态内容，而是动态计算，是现代结构计算的重要M成部分，也是大多数高校研究生和注册结构工程师考试的内容，因此应该是教学的重点。
2.增加实践环节。结构力学的课程主要是理论研究，但它可以使学生了解抽象的、困难的和难以掌握的知识。例如，结构设计和开放实验，让学生创造性的设计房屋和桥梁模型，分析几何组成，计算结构的强度、刚度和稳定性，并通过试验测定了结构模型的强度、刚度和稳定性。同时，对实验和理论之间的差异进行了分析，并提出了优化方法。结构模型设计和制作的趣味性和概念性，大大拓展了学生的视野，学生可以把理论与实际结合，激活其用力学概念进行结构设计的潜质，锻炼其工程思维能力，从而取得良好的教学效果。
三、教学手段改革
1.重视传统教学与多媒体教学的有效结合。教师在黑板上解释和写的过程中向学生传达课程信息。随着计算机的广泛使用，多媒体技术在课堂教学中的应用越来越广泛。多媒体技术为现代教育提供了方便，利用多媒体技术对图像、声音、动画、文本、图形、线条等进行处理，可以提高学生的学习兴趣。但在抽象理论的解释中缺乏优势。例如，在计算结构力学公式时，如位移计算中的乘法公式、位移法等。如果直接用PPT演示，推导过程讲解太快，不宜于学生的理解和接受。教师在黑板上用文字说明，只有通过口头的、循序渐进的推导，并与学生互动，才能让学生在思考和速度上跟上节奏。可以引导学生同步思考，吸引学生的注意力，引导学生的思维，也可以使学生和教师产生教学良性互动，使教学效果达到最佳。因此，教学方法是充分利用自己在黑板上的写和多媒体相结合，从而提高教学质量。
2.重视网络教学的应用。网络教学已成为21世纪教学平台的一个组成部分，教师将课堂上讨论的问题在网站上展示，引导学生预习、复习和学习，从而提高课堂效率，丰富学生的力学知识有较强的自学能力，满足学生的求知欲，提高教学效率。网络是一个搭建沟通中心的平台，在以上问题的师生，让学生参与进来，通过沟通、讨论，消除混乱，加深对知识的理解和升华，取得良好的教学效果。
四、建立全过程学习质量监控及评估体系
建立全过程的学习质量监控体系，把学生的学习质量把控在整个教学过程。良好的质量评估体系会激励学生全程参与课程教学，让学生从被动学习到主动学习，从而成为课程主体，让学生从一开始上课就全心投入直至课程结束，保持课程知识体系的连续性。
建设质量监测评价体系的研究，应遵循“双评价、教与学、教与学”的互动评价体系，对教师和学生都有好处。确保质量的指导思想，树立以人为本、监控平台的结构和功能，根据监测对象的多维监控系统分为监控中心，可以快速响应各种学习活动的教学科目的学习跟踪、主体认识、指导、监控的要求，给出评价结果。多维监测的实施，学生做到全程、全员、全方位的监控，过程因素的教学和学习活动的识别，识别的影响教学质量的因素及该项目的主要内容学习。首先是出勤率。结构力学课程知识具有很强的连续性。经常性的缺课会让学生在下次课听课时，无法理解本节课讲述的内容，无法跟上讲课进度。为了避免学生不必要的缺课，可以进行课堂随机点名，课堂考勤作为平时成绩的一部分，保证学生课程学习知识的连续性。然后就是课堂提问。课堂提问一方面可以了解课堂的知识，另一方面可以在学生的监督中发挥作用。把课堂提问的问题回答情况计入平时成绩。学生为了得到一个较好的平时成绩，必须回答正确课堂的问题，这就需要在课堂上认真听讲。再者就是作业监控。因为结构力学课程的特点，学生必须在课下完成一定的作业，以此来检查对所学知识的掌握情况。作业是检查学生学习结构力学效果的一个重要工具，但是结构力学课程作业抄袭现象比较普遍。为了避免学生抄袭，可以增加作业题库容量，针对同一类型的习题，让学生完成自己学号最后两位对应的相应题目。对教师来说，要提前建好作业题库，而且还要建立比较完整的题目解答过程，方便教师的作业批改及课后对题目中错误的改正。这样，任课教师的工作量就比较繁重。最后是阶段性小测验。当所学知识成为一个小体系时，可以针对阶段所学内容，出一份试卷随堂考试来检验学生阶段的学习效果，及时发现学生课程学习中的问题。
以上几种方法均作为学生平时成绩的依据，最好能够明确各部分所占平时成绩的比例及平时成绩换算方法，让学生在接触课堂后就能了解如何来获得平时成绩，并且把平时成绩每两个星期公布一次，在考试前把平时成绩全部公布。让学生在学习过程中知道自己的学习情况及平时成绩的多少。这样引导学生把课程学习尽量在课堂上完成，通过每节课、每次作业、每次测验来监控学生的学习情况，避免普遍存在的在考试前集中突击的现象，让学生在学习中真正掌握课程知识。
五、结语
结构力学课程因为其教学内容的抽象、课堂容量大、课时紧，要在有限的时间内提高教学效果不是一件容易的事情，因此需要在实际教学活动中不断探索和发展。一方面，现代教学方法应充分利用；另一方面，充分调动了学生的主动性和积极性。结构力学课程教学改革任重道远，需要任课教师在授课过程中不断的发现和总结，针对教学中的问题来提出改革的有效措施。
摘要：结构力学是固体力学的一个分支，它是土木工程专业和机械类专业学生必修的学科。文章针对目前结构力学课程当中存在的主要问题，从教学内容、教学模式、与工程实践环节的关联，三个方面进行阐述，并结合前人的研究成果，对结构力学课程教学方法的改革和实践提出建议。
关键词：结构力学；教学内容；教学方法；教学实践
一、前言
结构力学是固体力学的一个分支，它主要研究工程结构受力和传力的规律，以及如何进行结构优化的学科，它是土木工程专业和机械类专业学生必修的学科。结构力学在教学计划中起到承上启下的作用，结构力学的学习是以高等数学、大学物理、静力学、材料力学等课程为基础，为后续的钢筋混凝土结构、土力学与地基基础、房屋建筑学等专业课打基础。本文针对目前结构力学课程当中存在的主要问题进行阐述，并结合前人的研究成果，对结构力学课程的教学方法的改革提出几点建议。
二、结构力学教学中存在的问题
结构力学课程在构建大土木专业教学改革背景下出现了多元化，即：经典力学、计算力学、工程实例分析计算。经典力学是以结构力学为基础，简化教学内容，偏重基本概念，基本理论，基本方法的研究；计算力学是以计算机为基础，熟练应用结构力学软件，进行相关的结构力学模型的建立；工程实例分析计算是以经典力学为基础，运用计算机对工程结构进行简化、建模、计算。
目前，从我国的结构力学课程学时来看，很难完成这三方面的教学，即使是经典力学都很难完成教学计划。由于课时的缩减，教学进度的加快，造成了结构力学教学存在的普遍现象：理不难做题难，上课易懂下课不会。
（一）教学内容的重复设置
由于力学课程的设计缺乏系统性，导致教学内容重复，如静力学中已经学过桁架的内力计算，在结构力学中没有必要再次讲解。再如在材料力学当中讲过的静定梁的内力计算，在结构力学中只需一带而过。
（二）教学方法单一
目前的结构力学的教学方法多是以多媒体课件为主并配合板书进行相应的讲解，单调的讲课模式容易让学生产生厌倦感。教学方法的单一不能很好地激发学生的学习兴趣，在很大程度上降低了学习效果。
（三）与工程实践脱节
结构力学课程是为了让学生在掌握经典力学的基础上，可以对工程中实际问题进行简化，用结构力学的方法和理论解决工程问题。因此结构力学课程重视的不仅仅是学生能够正确地解答课本上的习题，更主要的是能够把理论与实践有机地结合，然而事实证明目前的教学方法很难达到这样的目的。
结构力学涉及的领域相对广泛、内容相对较多，且由于高度抽象的理论演绎，要传授学生熟练掌握、灵活运用结构力学知识确实不易，此外，客观上还要求兼顾教学效率和教学质量，无疑给结构力学的教学增加难度。
三、结构力学课程教学方法改革和实践的探讨
基于结构力学教学当中目前存在的问题，以优化课程建设，变换多元化的教学方法，激发学生浓厚的学习兴趣，把理论教学与工程实践结合，为学生更好地掌握结构力学的基本思想和理论，可以对结构力学课程教学方法改革和实践作如下探讨。
（一）教学内容的精简
删除与静力学、材料力学重复的内容，教师应该精读教材及相关的参考书，在深刻把握知识点、节、章的基础上，对教学内容进行精简――旧粗新细，旧的知识点我们只需要简单地回顾，新的知识点我们需要详细地讲解。对于截面法求内力部分的内容在材料力学当中进行过详细地介绍，因此在课堂上只需要用简短的语言对截面法求内力进行简单地回顾，如“截、取、代、平”。此外，在讲新知识点的过程中，要注意对相关旧知识的复习，加深认识和领悟的一个重要方法就是重复，在对旧知识重复的过程中加深对新知识的认识，这种新旧对比有助于认知过程的温故知新。对于位移法我们需要进行详细地讲解，在回忆力法的基础上，讲解位移法的基本思想及推导过程，对比力法和位移法的优缺点，帮助学生更好地记住这两种方法。
通过对教学内容的提炼，在不降低教学质量的前提下缩短课时，大大提高了教学效率，为后续的实践课程提供充分的课时。
（二）教学方法的多元化
结构力学课件的制作是一个既费时又费力的工作，因此我们建议由课题组老师一起分工完成，由教学经验丰富的老师负责内容的选择，由熟练掌握PPT应用的老师制作。为避免重复性的工作，每位老师负责指定章节的内容。在具体制作的过程中，注重制作的技巧和效果，对页面要求简单，不过于花哨；在艺术效果上力求多样化；注重信息反馈和课件的实时更新，通过总结教学过程中学生的反馈信息，对课件要进行相应的修改，达到制作―使用―反馈―修改的不断循环。
结构力学课程概念多，理论性强，计算烦琐，使单调的多媒体课件文字和板书讲解变得乏味，为更好地激发学生的主观能动性，在原有的多媒体课件上需要增加一定的图像、声音、动画等内容，有助于学生理解概念，掌握规律。此外，改变传统的满堂灌式的教学，每节课给学生留出一小部分时间对本节课学习内容进行总结，并允许学生提问，这样可以更好地帮助学生掌握上课内容，并激发上课的积极性性。多媒体课件的网络化是必然趋势，为便于学生自主学习，课程建设老师可以建设结构力学课程网络教学平台。把电子版的教学大纲、方案、课件及重点知识点讲解视频等资源上传至网上，供学生自主学习，并开通答疑通道，实现教师与学生的课下交流。
（三）重视自学能力的培养
现阶段的知识和技术手段更新周期越来越短，自学能力的培养更是体现出现代高等教育的鲜明特点。在校期间对学生的自学能力进行培养，对他们走向社会后及时补充新知识、提高竞争力是非常必要的。为此，除课堂讲授外，还可让学生进行自学。例如，明确一些自学章节，指定一些参考资料，对自学内容提出要求，并提出自学思考题，引导学生在自学中发挥自已的想象力和创造力。最后，可通过课堂提问、讨论、自学作业及期末考试等形式来检查自学效果。
此外，Ρ榷耘佳习法、复述学习法也都是比较有效的学习方法，结构力学课程中的力法和位移法、虚功原理和虚功位移原理等都是对比对偶的关系，善于抓住其相互联系可以大大提高学习的效率；对于一些重要的方法和原理，比如功的互等定理等教学内容，应该鼓励学生模仿老师课堂上的表达用自己的语言进行复述，在反复的练习中加深对知识点的掌握，有效地达到自主学习的效果。
（四）结合工程实践，强化学习目的
兴趣是最好的老师，为使学生对结构力学课程产生浓厚的兴趣，在教学当中需要引入大量的工程实例。结构力学课程中的力学模型背后蕴藏着大量的工程背景，与生活实践息息相关，因此我们可以根据每章的教学内容，在每一章刚开始引入工程当中存在的问题，引发同学积极思考解决的办法，并在每章内容学习之后，用这一章的知识点解决引例，激发学生学习的动机。此外，教材实例大量缺乏，因此在讲课过程中我们要从结合生活中的小事到联系实际中的大事，这对工程应用知识匮乏的学生来说是行之有效的方法。
学好结构力学仅仅靠课堂理论知识的教授是不够的，为引导学生发现问题并利用所学的知识解决问题，需要开展更多的课外学习，如发展结构设计大赛、结构模型的搭建，让学生通过自己对结构力学基本知识的理解，搭建各类结构模型，这样不仅能提高学生的学习兴趣，更激发学生的主观能动性。
四、结语
作为土木工程专业中的重要专业基础课，结构力学在工程实践中具有重要的地位。目前各大工科院校对结构力学课程教学方法和实践提出了多方面的建议，主要在于打破陈旧的教学方法，合理地设计结构力学的学分安排，提高学生学习热情，结合工程实践，为学生更好地掌握结构力学课程做好铺垫。
【摘要】《结构力学》是船舶与海洋工程学科的两大力学支撑之一，在整个专业的教学和人才培养计划中具有相当重要的作用。随着教育部“卓越工程师教育培养计划”的出台，工科专业对学生的工程能力和创新能力有了更高的要求，本文结合《结构力学》课程的教学改革工作，对如何培养应用型、创新型的复合人才提出了几点看法。
【关键词】船舶与海洋工程 结构力学 课程改革
《结构力学》是船舶与海洋工程学科的两大力学支撑之一，是船舶与海洋工程专业的重要学科基础必修课程，它既是对前期学习的理论力学、材料力学课程的延续与深入，同时也为后续的船体强度与结构设计、钢结构设计基本原理等课程打好基础，因此在整个专业的教学和人才培养计划中具有相当重要的作用。
随着教育部“卓越工程师教育培养计划”的出台，工科专业对学生的工程能力和创新能力有了更高的要求，本专业按照新要求制定了卓越工程师培养方案，修订了本科教学大纲，并且在教学过程中大力推进改革创新，着力培养适应未来行业发展要求的应用型、创新型复合技术人才。下面我就结合《结构力学》课程的教学改革工作，就如何培养应用型、创新型的复合人才谈谈自己的看法。
一、教学内容改革
1.合理搭配专业教材，突出船舶与海洋特点
目前，工科结构力W的教材主要是针对土建、水利、道桥、力学等专业编写的，教材中对通用的理论知识讲解非常透彻，但是例题和延伸知识中却缺乏和船体结构相关的内容，因此本课程在教材选取上，采用了由高等教育出版社出版的龙驭球教授、包世华教授主编的《结构力学》以及上海交通大学出版社出版的陈铁云教授、陈伯真教授主编的《船舶结构力学》两本书组合的形式。这样既包含了结构力学传统的基础知识，又增加了针对船舶与海洋专业特点内容的拓展，保证了教学内容上的丰富多彩。
2.适当结合工程背景，突出专业知识应用性
部分学生到了毕业设计或是工作阶段会感觉学习的专业知识无法应用到实际工作中，这主要是由于理论知识的学习和工程背景脱节造成的。因此，对船舶与海洋工程专业学生分析和解决实际问题能力的培养，必须在专业基础课程中就予以重视。在结构力学课程的教学工作中，需要将力学知识的讲解和具体工程背景下的力学模型结合起来，在进行计算分析时应多给学生介绍船体结构中板材、骨架的结构形式，使学生对工程实际中各种构件、支座的简化形式、载荷传递的简化方法熟悉掌握，这样才能将理论知识通过简化计算模型同船舶与海洋工程的实际结构联系起来，突出结构力学知识的应用性。
3.增加软件培训教学，贴近工程应用实际
传统的结构力学教学内容，主要是采用手算方法对比较简单的结构形式进行计算分析，旨在培养学生对工程结构进行校核分析的基本方法。而目前在船舶与海洋工程工业领域，已经有很多成熟的计算软件，使用专业软件对工程实例进行计算分析已经是行业内对毕业生基本的技能要求。因此，在结构力学的教学工作中，在打牢理论基础的前提下有必要培养学生使用软件建模、计算分析以及编程二次开发的能力，这样能够提高学生的综合素质、拓宽学术视野，为其后续的学习研究以及参加工作奠定扎实的专业基础。
二、教学方法改革
1.合理搭配板书教学和多媒体教学方法
结构力学是一门实践性很强的理论课程，要想达到良好的教学效果，首先必须坚持黑板板书的传统教学方法。口头讲解配合板书的教学方法逻辑清晰，重点突出，在教学速度上更容易被学生接受，特别是在公式推导和理论计算时，板书教学法对过程的分析更加细致，更容易被学生理解，因此，在教学过程中一定要坚持板书教学。
其次，应当利用多媒体教学手段提高教学质量。结构力学是一门与工程实践联系紧密的应用性学科，一些工程实例特别是复杂的结构形式无法通过语言和板书给学生进行描述，这就需要充分发挥多媒体教学手段的优势，通过图片、视频资料将实际结构形象的展现出来，这有助于学生将枯燥的理论简化模型同生动的工程结构实物联系起来，加深对所学知识的理解并能够学以致用。
2.充分发掘实习环节的教学作用
船舶与海洋工程专业的本科教学非常注重实践环节，安排了大量的现场实习教学工作，如认识实习、生产实习、毕业实习等。实习过程不仅能够使学生了解船舶设计和生产的原理、流程和工艺等实践知识，还可以发挥对专业课程的辅助教学作用。例如对结构力学课程中涉及的船体结构计算分析，就可以在实习工作中进行现场教学，直观生动的教学环境能够加深学生的理解和印象，起到事半功倍的效果。此外，还可以在实习过程中与经验丰富的技术人员进行交流，收集与结构力学专业课相关的生产实践知识，以及拍摄视频和图像资料，用以后续课程中作为补充内容进行授课，进一步拓展学生的视野，并将课程内容与生产实际相结合。
三、考核方式改革
1.考核成绩计入参加相关竞赛的成绩
参加结构力学专业相关的各级竞赛活动，不仅能巩固结构力学专业知识，还可以提高学生的综合能力，因此很有必要进行引导和支持。例如对于参加校级结构设计大赛表现优异的团队和个人，可以在课程考核中合理设置加分，通过加分奖励制度鼓励学生多参加相关竞赛，通过竞赛来检验学生的学习成果，不仅有利于课程教学效果的提高，也能够激发学生将理论知识应用于实际工程设计的创新潜质，推动教学工作和竞赛活动的互相促进。
2.考核成绩计入参加相关科研项目的成绩
教学和科研工作是相辅相成的，要提高专业课的教学质量，可以从鼓励科研入手。本科学习阶段，部分成绩优异且对科研活动感兴趣的学生很早就开始了科研工作的起步，而通过考核成绩中计入参加相关科研工作的方式来引导和鼓励学生参加科研，是提升教学质量的好办法。例如本校的本科生研究发展计划（SRDP）吸引了大量本科生的参与，对于结构力学课程教学而言，可以通过在最终考核成绩中计入相关专业SRDP项目成绩的方式来对学生进行引导，鼓励学生在达到结构力学课程本科要求水平的基础上，进一步深入学习专业知识，为后续的研究和工作提前打好基础。
随着船舶与海洋工程行业的发展和技术进步，对于本专业的结构力学课程教学要求也在不断提高，为了培养适应未来行业发展要求的应用型、创新型复合技术人才，结构力学课程的教学改革工作必须持续推进，而只有通过教学内容、教学方法和考核方式的改革将教学、科研、竞赛等活动有机的结合起来，才能推动结构力学课程教学质量的进一步提升。
【摘 要】本文阐述了笔者在独立院校的课程教学中所观察到的一系列问题，通过对比国内外高校的结构力学教学改革现状，并且结合学生的学习特点，在优化教学内容、培养学生能力、转变教学模式等方面提出了几点建议，采用优化教学内容、合理利用教学资源，加强实践教学等措施，来达到提高学生对结构力学的兴趣和加深对该门课程的理性认识。
【关键词】结构力学；教学方式；教学优化
1 结构力学课程教学改革的目标
目前，许多的二、三类本科院校正在过渡为应用型本科，将培养重点放在教育出具有实践操作能力的应用型人才。因此要达到该目标的重要举措之一就是进行专业实践教学的改革。
现代科学技术的发展对土建类人才的要求越来越高。随着我国城镇化进程的飞速发展，无论房屋还是桥梁的结构形式都日趋复杂，计算机辅助设计与有限元分析已成为工程实践中必不可少的应用手段。在以往的结构力学教学过程中，过度强调学生计算能力的培养方式已不能满足用人单位的需求。特别对于独立院校的学生，毕业后进入生产一线的比重很大，部分学生认为结构力学的学习无益于今后的工作，导致对着门课程兴趣不大、轻视了对结构力学的学习，致使学生缺乏在解决实际工程中相关结构问题的能力。因此，在许多以培养应用技术型人才的独立院校中，如何将以理论授课为核心的《结构力学》课程与实践结合起来，探索一条符合时代需求的教学实践化改革道路，已成为我们必须要思考的问题。
2 结构力学教学中存在的问题
目前在许多院校中，学生对结构力学的学习不够重视，同时教学也存在着一些不足和欠缺，造成了结构力学成为土木工程专业最难学的基础课之一，主要体现在以下方面：
2.1 教学模式单一与创新意识脱节
结构力学基本教学模式都是以板书和教科书结合为主要授课方式，并采取口授形式进行教学。教学课堂枯燥单调，表述形式太过于抽象，公式推导繁琐、机械工作化较多，教学效率低下[1]。可以适当增加多媒体或软件教学可大大提高学生自主学习能力和开拓创新思维能力。
2.2 内容抽象、复杂
结构力学研究计算的是结构在各种效应作用下的响应，包括内力的计算及位移的计算。由于内力看不见，摸不着，学生在学习的过程中缺乏感性的认识，学生很容易将内力等概念混淆，造成对知识点的模糊。
2.3 缺乏教学实践环节
由于结构力学的理论性非常强，为加强学生对基础知识的理解，教学过程以理论讲解作为重点，实践环节缺失。学生在完成结构力学课程的学习后，纵使掌握了对静定结构和超静定结构的内力计算方法，也不知如何在工程实践中应用。
3 结构力学教学改革探讨
3.1 优化教学内容，提升学习兴趣
结构力学是一门专业基础课，主要研究杆系结构的内力和变形，具有内容较多，理论性强，概念较为抽象，解决问题的思路多样化等特点。这就造成学生在接触到这门课程时容易产生畏难情绪，再者由于学生在学习过程中没有明确的目的性，“怎样去学习”、“知识点该如何运用”、“如何分析力学模型”等问题普遍存在。根据这一情况，在结构力学课程教授过程中，可以将实际工程案例引入到教学中来，授课教师可以对课堂上讲授的每一个章节、每一个知识点都能够找出相对应的工程应用案例，针对实际工程案例，授课教师应着重讲述本章学习内容与实际案例之间的紧密联系，例如在讲授受弯构件时，如何将建筑中的梁、荷载、支座简化为力学模型来进行受力分析，利于学生在思考问题时可以结合实际，将抽象的概念具象化。通过这种方式，潜移默化地让学生意识到结构力学的学习对解决工程实际内容起着至关重要的作用。
3.2 培养学生的力学思维，提升优化结构的能力
随着建筑材料的复杂化，结构形式的复杂化，实际工程中，能通过人们手算的例子变得少之又少，取而代之的是高性能计算机的广泛应用，然而结构设计中，并不是一味的强调运算的准确性与高效性，更多强调如何将复杂的问题简单化，如何在众多结构中选出最合理的结构，这才是工程人员的价值所在。在实际工程中，利用监测数据与力学概念分析，确保在施工过程中不出现安全事故，保证施工顺利有效进行[2]。因此，除了在课堂上培养学生解题的相关思路，还要增强他们在生活中的力学思维，即构建“力学模型”的思维。“力学模型”是连接理论知识与实际问题的纽带，将课堂的知识带到课外实际运用中，才是教学的目的。因此，教师在教学中除了传授基本概念和解题方法，还应该把教学重点放在如何构建力学模型上，将复杂的工程问题精简为力学模型进行分析，从构件尺寸的特点、材料的特点，约束的特点，荷载形式的特点等方面，逐步引导学生把实际问题转化为习题中常见的模型，最后向学生们提出问题，如对于要在不改变材料的前提下提高构件的强度可以从哪些方面着手？怎么样将结构形式进行优化？这些都需要通过学生在日常学习中获得的专业知识经过计算解决，久而久之便使他们养成了抽象概括的能力，加强了对结构力学知识的应用。
3.3 加强实践教学，提升实验效果
结构力学的课程学习中，学生接触到的都是平面问题，面对死板的内容，较多的提高的是学生的解题能力。可是在工程中设计人员所要设计的是三维的实体模型，这就要求学生能从课堂中的二维结构过渡到实际工程中的三维建筑，从纸面上的计算应用到设计中去，所以针对结构力学这类内容抽象，理论性较强的学科，在培养基本知识的灵活应用的基础上，还需要有对应的实验安排，深化学生对结构组成的认识[3]。同时，结构力学课程的实践教学环节可以与结构设计大赛及计算机仿真模拟大赛有机的结合在一起。任课老师在教授完课程内容以后，可以根据学生的掌握情况，按照结构设计大赛的比赛模式出题。考虑到学生们的完成能力，让学生分组合作自行设计，确定结构形式，运用有限元软件计算结构的承载能力，实现将实际问题放到电脑里处理；同时任课教师根据同学们设计的模型样式以及运行结果与同学们讨论，优化结构方案，选定最优的几种方案，再以纸、木、竹为材料进行实体模型制作，并通过加载仪器进行加载。校核学生自己动手做出的结构是否满足要求，实现将电脑或手工计算的结果落实到应用中去。
4 结语
通过对结构力学课程进行上述内容的改革与实践，开阔了教师的视野，拓展了教师的思维，使教师在教授课程中不仅仅局限于书本，而是引用工程实例，真正做到从实际中来，进书本中学，再到实际中去的螺旋式上升的教育理念。在进行结构力学理论授课的同时，增加实践教学环节，实现结构力学与结构设计大赛与虚拟软件模拟仿真的有机融合，充分激发学生的学习兴趣与学习热情，调动学生学习的积极性和主动性。以上是笔者根据在结构力学课程实际教学中发现的一些问题，提出了对课程教学改革的一些肤浅的看法，希望能结构力学这门课程教学质量的提高有所帮助。
摘 要：结构力学作为土木专业传统的基础力学课在土木工程专业的教学和学生学习中起到基石作用，随着我国卓越工程师教育改革的深入，如何培养学生的创新能力和实践能力成为土木专业教师需要思考的问题。文章从教学内容、教学手段、实践环节设置等方面探讨了结构力学课程的改革，为今后相关课程改革提供了一定的借鉴。
关键词：结构力学；创新能力；课程改革
0引言
教育部“卓越工程师教育培养计划”要求高校培养造就一大批创新能力强、的高质量各类型工程技术人才。其实质就是要求高校根据社会需求培养出“基本功扎实，上手快，能力强”的高素质创新人才。这就要求高校在人才培养方面从专业基础课到专业课中自始自终贯穿对人才创新能力和工程能力的重点培养。而结构力学作为土木专业最重要的专业基础课，在整个土木工程专业课程体系中具有不容置疑的重要地位。结构力学课程教学的目标，要从传统的“会解题”，转变为会“解决问题”，要从传统的力学知识的掌握，提升为创新能力和工程能力的培养。因此，有必要对土木工程专业结构力学课程从教学内容、教学手段、实践环节设置等方面进行研究和改革，真正提高学生力学素养和创新能力。
1对结构力学教学内容和教学手段的改革研究
（1）教学内容及讲授例题与工程实践紧密贴合。传统结构力学教学通过学习力学理论、讲解例题来达到知识的掌握，对例题的选择与工程实践结合不够紧密，学生学会了解题，却很难提高解决工程实践问题的能力。因此，有必要结合土木工程各类典型结构合理选择各章例题，力求最大程度贴近工程实际，将工程实际问题作为教学例题进行分析讲解和讨论，如运用力学原理分析工程事故、对工程结构进行优化设计等等。由注重单一解题能力的培养向提高力学素养转变，同时，与工程实践的结合也将大大提高学生的学习兴趣，对后续专业课的学习也奠定了更有利的基础。
（2）由单一的课堂讲授向多元化教学模式的转化研究。以前的结构力学授课多采用课堂讲授为主，整个课堂由老师唱“独角戏”，学生被动接受，学习效果不好。而真正要提高学生解决问题的能力，就不能只由老师来唱“独角戏”，也要由学生来“唱一唱”。知识听懂了，还转化不成能力，只有在此基础上经过思考、总结和提高，才能一步步转化为能力。因此，需引入多元化教学模式，注重学生兴趣的激发和创新能力的培养，尤其应加强课堂讨论环节，引导学生思考、总结，通过讨论，加深对知识的理解和把握，从而提升能力。比如，在结构的内力计算相关章节，可以引导学生讨论如何减小杆件的弯矩，如何调整连续梁的内力，如何减小超静定结构的温度应力等等。既激发了学生对力学学习的兴趣，又提高了学生运用知识解决问题的能力。除此，还可以采取学生讲课、学生做分析报告等形式。
（3）结合工程实际合理确定各章节课后作业。作业是课堂授课的必要补充，只有切实认真地完成课后作业，才能真正将力学理论应用于解决问题。为了提高学生解决问题的能力，课后作业的选择非常重要。课后作业应贴近工程实践，更重要的是，要由单一注重定量计算向提高学生运用力学知识对比、分析问题、解决问题能力培养方面进行改革。传统的力学作业注重解题能力，题解出来了，问题就结束了，只解决了“会解题”的问题，而要提高学生的创新能力，不仅要注重加深学生对知识的理解和掌握，更要学生灵活掌握知识，学会活学活用。比如学生学习了位移的计算，课后作业可根据工程实践进行结构的位移计算，并要求分析哪些因素可影响位移值，若位移值不满足要求，可采取哪些办法等等。引导学生养成思考问题的习惯，比会解题更重要，只有经过思考经过总结，知识才能更快地转化为能力，这也是提高创新能力的基石。
2师资力量的合理配置
为有效培养学生的创新意识和实践能力，可尝试选择土木工程的专业课老师担任结构力学课程的授课工作。缺乏工程实践经验的力学老师，很难将力学知识与工程实践问题结合起来，而土木工程的专业课老师一般均具有较高的力学素养，不仅能够胜任结构力学课程的教学，同时又具有较高专业素养及工程实践经验，很容易将专业知识融入于力学教学中，对培养学生利用力学知识解决专业问题有很大的帮助，对后续专业课的学习也起到很好的铺垫作用。
3强化学生综合素质和创新能力培养的实践环节改革
习题做的再多也是纸上谈兵，因此，一定要鼓励学生多接触工程实践，在实践中提高分析问题和解决问题的能力。近年来，国家、省市及院系组织了很多力学竞赛及结构设计大赛，旨在提高学生的实践能力和创新能力。因此，应积极鼓励和组织学生参与这些竞赛。实践证明，对于在校学生来说，参与工程实践的机会很少，而结构设计大赛、力学竞赛等能大大提高学生的动手能力和解决问题的能力，是培养人才创新能力的重要环节。在结构力学的教学中增加这类实践环节，不仅能大大激发学生学习力学的兴趣，更能在动手过程中提高实践能力和创新能力。
4由传统的手算到手算与算结合的改革研究
手算对学生培养清晰的力学思维有很大帮助，然而对于较复杂的力学问题，手算将耗费大量的时间和精力，还容易出现错误。随着计算机技术的飞速发展，工程实践中多采用电算，为很好地与工程实践接轨，在大学教育中应注意手算与电算相结合。手算有助于对解题方法和步骤的理解，在力学的学习中不可或缺。然而大量而繁琐的计算大可采用电算，且可运用电算来进行结构的对比分析等，双管齐下，才能取得更好的效果。
5结语
要提高学生的综合素质和创新能力，要求我们真正把能力培养贯穿于整个结构力学的教学和实践中，及时考察改革效果并不断进行改进，只有这样才能真正培养出符合市场需求的具有创新能力和实践能力的土木工程人才。
作者简介：
李锐（1975.9-），女，讲师，工学硕士。
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