地方院校土木工程专业理论力学静力学的教学探索与思考.pdf

中文科技期刊数据库（文摘版）教育 49 地方院校土木工程专业理论力学静力学的教学探索与思考 陈泽鹏 陈 舟 卢汉文 佛山科学技术学院交通与土木建筑学院，广东 佛山 528000 摘要：摘要：理论力学课程具有概念抽象化、推导理论化的特点，土木工程专业学生在学习过程中普遍反映课程很难，无法有效掌握课程要点。本文以佛山科学技术学院土木工程专业理论力学课程静力学教学为例，分析了地方院校理论力学教学存在的问题，总结了教学策略与技巧，形成了对于静力学教学的新想法和新理念，为充分调动学生学习的积极性和主动性、提升课堂趣味性和科学性提供了可行性的策略。关键词关键词：理论力学；土木工程；地方院校；教学策略与技巧 中图分类号：中图分类号：G642.0 0 引言 理论力学课程是土木工程专业的专业基础课程1,2，该课程内容多、难度大，无论对学生后续很多专业课的学习，还是对学生分析和解决实际工程问题能力的培养，都起着举足轻重的作用。理论力学中静力学篇章包含的受力分析在土木工程专业学生后续专业课程几乎都有所涉及，且属于土木工程问题分析的最初期阶段。该部分内容掌握不牢固，将对学生后续课程的学习造成严重困扰3。然而，目前大部分教材中采用较为严谨、抽象的数学化思维进行知识点阐述和理论推导，这极大地增加了学生的学习难度，这点对于地方院校土木工程专业学生尤甚3。另一方面，随着科技的发展，大学阶段所要掌握的知识越来越多，大量基础课学时受到挤占和压缩，理论力学课程学时也是一减再减，导致学生在短时间内难以消化大量的理论力学课程知识。2000 年后出生的新一代学生处于知识爆炸时代，面临多元文化冲击，学生思想独立，更加强调主体的个性他们正处于人生价值观快速塑造阶段，倾向于根据自我的感知与理解，建立自身的知识体系4。因此，在这个阶段应该加强课程的教学质量，积极引导学生通过系统的课程知识体系学习，培养逻辑思考和分析解决问题能力，树立创新意识，建立良好的社会责任感，初步完成人生观、价值观和世界观的塑造5。有鉴于此，本文以个人教学过程中的一些心得体会，总结相关教学方法及技巧，为土木工程专业理论力学教学提供一定的思路。1 静力学教育过程中存在的问题 通过个人教学总结，笔者认为地方院校土木工程专业理论力学教学过程中存在以下三个问题。1.1 基本概念传导不清晰，学生基础不牢固 理论力学是一门高度抽象化的力学课程，课程强调概念定义的一致性和理论推导的严谨性，这使得课程学习过程中相对枯燥。在静力学篇章的受力分析、力的合成和力的平衡这三部分主要内容中，涉及到许多基本公理及概念的定义。从平面问题过渡到空间问题的过程中，虽然仅增加了一个维度，但自由度却从 3个变为 6 个，特别是转动自由度由 1 变 3 的过程，对力的合成及力的平衡的学习难度陡然增加。基础性概念学习的不牢靠导致的学习效率下降，会进一步传导到高阶性知识的学习，极大降低学生的学习自信心，不利于后续课程的学习。1.2 学生知识体系零散，无法有效化繁为简 理论力学传统的静力学篇章分受力分析、平面力系、空间力系和摩擦四部分内容。其中，平面力系及空间力系又分为汇交力系、力偶系和一般力系三部分。学生在学习过程中，由于初学的关系，无法有效地总结各部分内容之间的内部联系，以致将各部分内容当成零散的知识点进行学习。随着知识点的不断增多，由于无法有效归纳造成的“知识超载”使得学生逐渐散失学习的动力。由此可见，在教学过程中，如果无法有效应用“剃刀原理”，简化学习框架及流程，极易造成教的越多学生越糊涂的现象。中文科技期刊数据库（文摘版）教育 50 1.3 抽象化理论过于枯燥，学生容易陷入推导误区 理论力学是一门严谨的科学，相关概念的定义偏数学化，同时推导过程亦呈现严谨的数学化特征6。对于地方院校土木工程专业学生而言，如果教师在理论推导中花费大量的时间讲解细节，容易给学生营造理论推导很重要的错觉，以致学生会花费大量时间研读理论推导，而学生本身水平的参差极易导致该过程所获甚少。即便是少数学生能将推导过程熟稔于心，一遇到习题求解或工程应用，反而束手无策、无从下手。2 土木工程专业理论力学静力学教学改进与实践 针对土木工程专业理论力学的上述所提问题，本文从重概念、重框架和重应用三个角度出发，阐述土木工程专业理论力学静力学教学的改进与实践，旨在增强学生的学习自信心，提升学生对于知识点的掌握。同时，也希望借此文章，与广大理论力学教师交流想法，共同为理论力学课程的教学的改革和进步提出建设性意见。本教学团队总结的具体改进策略如下。2.1 重概念与定义，强调关键词 该部分改进策略强调对于概念的理解和重视，通过关键词提取的方式简化教学过程、提升教学质量。以下总结课程教学过程中的三种策略加强对静力学部分的学习和理解。（1）“135”总结理论力学。采用 135 的教学方式，即 1 个分析对象（刚体）、3 个研究内容（静力学、运动学、动力学）和 5 个公理，既便于识记，同时也可以深化学生理论力学课程的理解。（2）二力构件及三力汇交的概念深度剖析。对于二力构件的定义基本为“只在两个力作用下平衡的构件”。在该定义中，“两个力”中的“力”实际表示的是作用点处的合力，而学生初学理论力学极易理解为两个集中力的意思，这会造成学生判断二力构件的困扰。例如，在图 1 所示的结构中，AB 杆为二力构件，但其受到滑动支座、AE 杆和 DB 杆三个力的作用，与定义中所表述的“两个力”并不一致。因此，笔者认为诸如二力构件的基础性概念，在定义表达上应该采用更准确的表达，例如可以将二力构件的概念定义修改为“只在刚体上两点受力的平衡构件”，则初学者只需确定力的作用点数量，即可快速判断二力构件，避免学习过程中的困扰。诸如此类的概念还有“三力汇交”，采用“刚体上三点受力的平衡构件，此三点处合力延长线汇交于一点”的表述更不容易产生误解。图 1 受力分析结构（3）转动概念的共性与差异。在空间力系到平面力系的学习过程中，最典型的是力矩与力矩矢、力偶矩与力偶矩矢这两组概念的拓展与一脉相承。在平面问题中，力对点的矩和力偶的矩为标量，采用力矩和力偶矩进行描述。而到了空间问题中，这两个矩则变成了矢量，并变成采用力偶矩与力偶矩矢进行描述。为了方便后续课程的教学，在力矩和力偶矩的教学过程中，应该强调这两个概念的特殊性，即由于广义力（力和力偶）与矢径共平面。这造成了力对刚体的旋转效应始终绕平面法向，故不需要严格区分方向。而转换到空间问题时，不同的广义力作用在不同平面，它们使刚体转动的转轴也各有不同。此时，标量叠加显然无法描述不同转轴的旋转效应的合成，因此需要引入矢量的概念，即力矩矢和力偶矩矢。虽然它们是两个新的概念，但其实是对力矩和力偶矩两个平面概念的延展。具体表现为，平面转动是空间转动的一个特例。平面转动只有一个转轴方向，而空间转动则有三个独立的转轴方向，因此，平面的力矩和力偶矩是力矩矢和力偶矩矢在其中两个转轴方向投影为零的一种特殊情况。广义力对刚体转动效应在平面和空间上的异同如图 2 所示。图 2 广义力对刚体转动效应在平面和空间上的异同 2.2 重框架与体系，塑造理论力学核心框架（1）矢量方程和投影方程。针对静力学篇章的力的平衡内容，本文提出紧抓矢量方程和投影方程，塑造理论力学核心框架的理念。采用这种方式，静力学篇章最重要的受力平衡问题可以得到最大程度的简化。本质上，汇交力系和力偶系为一般力系的特例。据此，在平面问题中，一般可以建立三条平衡方程，其中两个力的投影方程和一个力矩平衡方程。广义力对刚体的转动效应平面问题平面力平面力偶空间问题空间力空间力偶力矩力偶矩力矩矢力偶矩矢某个投影某个投影中文科技期刊数据库（文摘版）教育 51 针对一般力系这种一般情况，在教学过程中，优先教导学生使用规范化的求解思路，如图 3 所示。图 3 静力学约束反力求解一般流程 在空间力系问题中，则延续该求解思路，只是将原有 3 个方程扩充为 6 个方程，建立三个力的投影方程和三个力矩平衡方程的求解思路。（2）解析思维的推广与应用。解析法又称为分析法，它是应用解析式去求解数学模型的方法。数学中用解析式表示函数或任意数学对象的方法叫解析法。在平面问题中，力的解析表达主要通过分力进行表达，而力矩的解析表达则通过分力和作用点坐标共同表达。当力系发展为空间问题是，力的解析表达只需增加一个分力，而力矩则扩展为三个平面力矩分量。当然，此时力使刚体绕点转动的效应可以分解为三个绕轴的分量，因此将平面力矩的标量概念扩展为力矩矢的矢量概念。表达上，平面力系和空间力系的解析表达体现了数学上的对称美。图 4 解析法在静力学中的应用 采用解析法表达力系的合成及平衡之后，归纳总结得到如图 4 所示的结构。可以看出，该归纳总结极大的减少了静力学章节的学习内容，以此形成了便于识记及应用的静力学核心框架。2.3 重应用与理解，避免过多抽象性推导 在此仅举平面力系简化过程中涉及到一组容易混淆的概念，即简化中心和主矢作用点，为例。学生对于简化中心和主矢作用点重合的情况理解较为清晰，但对于主矢作用点不在简化中心的情况则不容易理解。传统的教材采用了非常理论化的方式进行了推导，这其实非常不利于学生理解。鉴于土木工程专业偏重应用的特点，笔者在教学过程中，选择如图 5 所示的特例进行讲解。在原力系向 A 点简化的过程中，图 5(b)和(c)两种简化结果虽然形式不一致，但对简化中心的作用效应却是一致的，即保持主矢为 2F，主矩为 0。通过这个例子，也可以明显的看出简化中心和主矢作用点的区别，方便学生对这两个概念的理解。图 5 平面力系简化特例 3 结束语 本文以佛山科学技术学院土木工程专业理论力学课程教学实践为例，针对当前授课、教学模式存在的问题进行了教学策略探讨，提出了重概念、重框架和重应用的教学策略。课程本着“如无必要，勿增实体”的剃刀原理，通过课程教学总结，简化学习框架，结合特例强化学生对于概念的理解，为新时代下的理论力学课程教学发展提供了可行的思路。同时，也为培养复合型土木工程专业人才提供了有理保障。当然，本文仅针对静力学篇章进行概括总结，而整门理论力学还包括运动学及动力学两大部分，后续教学策略还需进一步验证及扩展。参考文献 1郇筱林.地方院校土建类专业力学系列课程教学体系改革与实践J.高等建筑教育,2019,28(4):68-72.2吴云存,胡运康.工科理论力学教学体系改革J.力学与实践,2001(6):48-49.3崔玉洁.混合式教学在理论力学课程中的研究与实践J.高教学刊,2022,8(14):94-97.4汤可可.工科特色理论力学课程育人的三维融合模式建设J.力学季刊,2022,43(1):190-195.5张正,毕仁贵,黎罡.地方高校工学类本科专业课程建设与改造问题论析J.高教论坛,2019(5):22-25.6苏禾.对学生进行科学方法教学的几点体会在理论力学教学中J.力学与实践,2012,34(3):78-80.7周锡武,吴本英,卢锦钟.地方院校土木工程专业3+1模式实践教学探索J.大学教育,2015(9):3.8陈孝珍.土木工程专业理论力学教学改革实践与探索J.南阳师范学院学报,2017,16(12):3.作者简介：作者简介：陈泽鹏（1992），男，广东揭阳人，讲师，博士研究生，研究方向为结构健康监测。