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    加強土建類力學課程實踐教學

    發布時間:2022-03-21 10:01:01   來源:教學考試    點擊:   
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    [摘要]為適應21世紀高等教育與工程建設的需要,土建類力學課程教學改革應圍繞教學內容、教學方法及教學手段下工夫,充分利用現代先進技術和手段,加強實踐性教學環節,注重實驗教學和學生動手能力、創新能力的培養,使之在培養具有現代工程素質的工程師方面發揮更大的作用。

    [關鍵詞]力學教學實驗教學教學改革

    [中圖分類號]G642[文獻標識碼]A[文章編號]2095-3437(2014)10-0044-03一、引言

    理論力學、材料力學、結構力學等力學課程是高等院校土建類專業的專業核心基礎課,對這些課程力學知識的了解和掌握透徹與否,直接關系到后續專業課程的學習和解決工程實際問題的能力。多年來,土建類力學課程的教學內容以經典的力學理論和傳統的實驗方法為主,課程的一些內容已滯后于現代科學和工程技術的發展,在教學方法上雖然引入了多媒體教學,通過直觀形象的圖像、動畫等來加強學生對概念、公式的理解,通過工程實例的圖片加深對一些工程實際應用的感性認識,但仍存在互動性不足、知識面狹窄、缺乏新穎性等許多問題,主要體現在以下幾方面。

    (一) 理論聯系實際不夠緊密

    現在的學生工程知識較為貧乏,在力學課程教學和實踐中若不進行這方面的補充訓練,很容易將工程背景較強的力學課程教學偏向純理論性的推導和計算,而忽視了實踐內容,結果是部分學生甚至看不懂習題中簡圖的工作原理,理論與實際有較嚴重的脫節。同時當前力學教材中選編的例題和習題,大多缺乏工程色彩,很難使學生得到對實際的工程問題經過抽象、簡化從而建立力學模型的訓練。

    (二) 實驗教學內容陳舊,不能反映現代科技的發展

    目前力學實驗主要為驗證性實驗,學生只能按部就班地完成既定的實驗內容,限制了學生學習能動性的發揮,束縛了學生的創新意識和創新能力。力學實驗不僅具有傳授力學知識、為驗證力學理論服務的作用, 同時肩負著全面培養學生掌握科學實驗的基本技能、基本方法和獨立進行實驗以解決工程實際問題能力的責任,在培養學生的工程能力和科學素質方面具有重要的作用。

    (三)實踐內容和方法陳舊單一

    未能充分利用各種現代先進技術和手段,例如在教學內容和習題訓練中大多沒有引入利用計算機和現代專業工具求解的內容, 削弱了對學生借助現代先進技術解決實際問題手段和能力的培養;在課程設計和畢業設計中,多數仍然采用傳統的手算方式,即使應用了像PKPM之類的專業工具,也由于缺乏對其內在力學原理和方法較深入的理解和掌握,使學生知其然,而不知其所以然,不能有效地培養學生的創新思維與實踐動手能力。

    當前,高校土建類專業建設必須適應培養具有現代工程素質的創新人才的需要,因此對其力學課程教學改革更要充分利用和發揮現代先進技術和手段,培養學生的學習能力、實踐能力和創新能力,最大限度地提高學生的綜合素質。

    二、充分利用現代先進技術和手段,加強力學課程實踐教學

    (一) 應用MATLAB/MAPLE現代數學工具,提高學生動手實踐能力

    在力學課程教學和實踐中,嘗試引入一些新內容、新方法,使學生了解如何用計算機建立問題的力學模型以及如何用計算機求解問題,改變和淡化傳統課程體系中對技巧性解題方法的過分強調,培養學生的現代工程素質,使學生在學習過程中同時加強動手實踐能力。

    MATLAB/MAPLE軟件是當前廣泛使用的現代數學工具,提供了豐富強大的微積分、線性代數、矩陣運算、數據處理、圖形繪制和圖像處理功能,命令表達式與標準教科書中的數學表達式相近,使用界面友好,易學易用,只需聽幾小時課,上機練幾小時,就可以入門,以后自學也十分方便,對學生而言,是一個真正的集成化的計算工具環境。在理論力學教學中,借助MATLAB/MAPLE的強大功能,可以大大豐富多媒體教學的手段,理論力學涉及大量的受力分析圖、運動分析圖,常規教學中畫這些圖需要占用大量課堂時間,并且畫的圖也很不規范,特別是涉及復雜運動,絕對運動分解為牽連運動和相對運動時,要表明運動軌跡之間、速度之間的關系,常規教學方法不易表達清楚,利用MATLAB/MAPLE的圖片、動畫演示功能, 可以將許多機械運動——如牛頭刨床、蕩木機構、搖桿運動、曲柄滑塊、車床車削、彈簧系統等運動形式做成生動的課件,使學生對運動的特點有形象、生動、直觀的了解,有利于學生學習和掌握。在材料力學、結構力學教學實踐中,構件任意橫截面上的內力計算以及構件的內力圖(剪力圖、彎矩圖等)繪制是學生必須熟練掌握的基本功之一,利用MATLAB/MAPLE的符號計算功能,可以直觀地列出任意橫截面上的剪力方程、彎矩方程,并據此利用繪圖功能方便地繪制相應的內力圖。力學的傳統教學是通過做習題方式來培養學生的計算能力的,在課堂教學和習題訓練中應用MATLAB/MAPLE,使學生可以直觀地學習到,如何以理論公式為基礎對問題進行分析求解,其分析思考過程與傳統教學方式是一致的,但是將紙和筆換成了計算機和專業工具軟件,這樣不僅強化了傳統教學模式著力培養的分析推理能力,同時激發了學生采用新方法、新手段解決工程問題的學習積極性,是集問題力學建模、分析和計算于一體的綜合訓練,是一種面向能力培養的教學模式。

    當然將MATLAB/MAPLE現代數學工具應用于土建類力學課程教學和實踐的課時數畢竟是極其有限的,只能起到引導學生入門的作用,但這對培養學生如何把實際問題表示成計算機能處理的力學模型是有積極的推動作用的,同時也能更加激發學生的學習興趣,學生從中學到的不僅僅是會用MATLAB/MAPLE數學工具畫圖、公式求解和做數值計算,他們真正學到的是如何運用這些現代化的先進手段去學習掌握知識和研究解決實際問題,而具備這種能力才符合全面素質教育的要求,符合知識經濟時代的需要。

    (二)利用計算機輔助工程(CAE)手段,拓展學生現代工程知識

    計算機輔助工程(CAE)是隨著計算機技術的迅速發展而興起的信息與工程技術,借助計算機和相關的專業軟件,科技工作者、工程技術人員可以完成以前很難通過手工計算實現的重大工程和工業產品的分析計算、模擬仿真與優化設計等過程,是輔助人類進行創新研究、創新設計的重要手段,在科學研究、工程建設和學習教育方面有著廣泛的應用前景。當前,象ANSYS、ABAQUS、LS-DYNA、SAP等CAE軟件在高等院校和工程界都使用的相當普遍,已成為人們解決各類問題必不可少的輔助工具。

    力學的各門課程因其教學內容和體系結構不同,宜采用相應的CAE工具加強其實踐教學環節,例如對于材料力學、結構力學,由于它們是實踐性比較強的課程,在教學手段上更要積極引入計算機輔助教學、計算機仿真模擬。在這方面,ANSYS軟件是一個不錯的選擇。目前該軟件在土木工程、機械制造、航空航天、交通運輸、石油化工、能源及醫學等領域得到了廣泛的應用,許多高等院校將ANSYS作為本科生和研究生教學的一項重要內容。利用ANSYS軟件的優勢,將力學課程的教學內容與ANSYS軟件的數值仿真技術結合起來,能有效地提高學生的學習積極性和分析創新能力。材料力學、結構力學課程的主要任務是研究桿件、桿系結構在外力作用下的受力變形和破壞規律,強度、剛度、穩定性條件的表達形式,從而為合理確定桿件的材料和截面提供必要的理論基礎和計算方法。在學習材料力學、結構力學時,學生對工程結構及其構件尚缺乏必要的了解,對桿件受到的約束、荷載以及簡化過程沒有感性認識,對桿件的各種變形、結構的振動和屈曲很難想象。通過ANSYS軟件建模功能和直觀形象的圖形顯示,能真實地模擬出各種實際工程結構,能夠直觀地顯示梁彎曲中心的位置,精確計算出梁的截面特性,如截面慣性矩、極慣性矩、扭轉剛度等,給出截面的形心、剪心位置,可直觀地展示實際構件的受力與約束情況以及建模過程,同時形象地演示結構變形、結構振動和屈曲的過程??傊?,利用ANSYS強大的數值分析以及逼真的圖形顯示功能,將其與材料力學、結構力學的課堂教學和課程實踐結合起來,使得學生更易于理解和掌握該課程的基本概念,提高空間想象能力、形象思維能力,從而有效地解決學習過程中的一些疑難問題,可以有效地激發學生的學習興趣,使學生理論聯系實際,拓寬知識面,熟悉工程應用背景,增強學生的工程觀念,為工程結構分析和設計打下較為堅實的基礎。

    (三)加強實驗教學改革,培養學生工程能力和創新意識

    實驗教學是高等院校工科專業整個教學內容中極其重要的組成部分,對于鞏固學生的理論知識,培養學生的動手操作能力,提高學生觀察問題、分析問題的能力,養成獨立思考、科學謹慎的作風,增強學生的工程意識都具有十分重要的意義。

    力學實驗教學改革應以培養學生的探究能力和創新能力為目標,對傳統內容進行精選,建立實驗教學內容的新體系。在實驗教學改革中,綜合性、工程設計性和前沿性教學實驗是改革的重點,綜合性實驗是基礎實驗的補充和延續,實驗內容涉及面廣,綜合性、思考性強, 可以培養學生綜合運用基礎知識的能力,具有承前啟后的作用。工程設計性實驗是從工程中簡化而來的實驗問題,有利于加強學生的工程意識,鍛煉學生用實驗手段解決工程問題的能力, 是培養學生創新精神的重要途徑,對于提高學生的社會適應性也非常重要。前沿性教學實驗是指引入新的材料、結構形式、實驗技術的力學實驗,是面向少數優秀學生和在實驗方面具有潛能和興趣的學生,目的是為了開闊眼界,培養學生應用高新技術發揮創造性的能力。近年來,借助計算機輔助工程技術、虛擬儀器開發技術(如LabVIEW軟件等)和多媒體技術,設計各力學課程仿真試驗系統是提高力學實驗教學層次和教學質量的有效途徑之一。在試驗教學手段中將計算機技術與儀器設備有機結合,構成虛擬實驗室,學生可以隨時在計算機上選擇實驗內容、設計實驗框架、模擬實驗場景等,計算機虛擬實驗、網絡虛擬現實以及虛擬儀器技術不是取代傳統實驗的操作和過程,而是拓展實驗教學形式,豐富實驗教學內容。通過仿真模擬實驗,可以讓學生更多地學習了解在一次實驗課中無法反復觀察和實驗的內容,提升教學效果。由于基于計算機的模擬實驗,實驗設備和儀器具有不可破壞性,因此學生的實驗不再都是教師操作的復制,而是自己動手、動腦去解決一些與生活、工程密切相關的實際問題,讓學生主動去探索、試驗解決問題的方法,獲取更多的知識,培養他們的應用能力和創新能力,使力學實驗教學更加符合工程素質教育的要求。

    三、結語

    為了適應21世紀高等教育與工程建設需要,培養理論基礎扎實、實踐能力和創新能力強的高素質人才,土建類力學課程的教學改革應圍繞教學內容、教學方法及教學手段下功夫,充分利用和發揮現代先進技術,加強實踐性教學環節,使之在培養具有現代工程素質的工程師方面發揮更大的作用。

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    [責任編輯:碧瑤]

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