与虚拟仿真实验相融合的结构力学课程教学创新与实践
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作者:缪志伟 马栋梁
[摘 要] 分析目前结构力学课程教学过程中存在的过多关注基础性忽视专业应用性的问题，通过将虚拟仿真实验融合进传统的结构力学理论教学，进行课程教学的创新和实践，探索更灵活有效的教学模式，从而使结构力学成为让学生从土木工程中的力学基本理论过渡到工程实际应用的重要桥梁。
[关键词] 结构力学;虚拟仿真实验;教学创新实践
在土木工程教育的培养计划和课程设置体系中，结构力学课程具有十分重要的基础性地位，它是联系前期各基础力学课程和后期各专业课程的纽带，是让学生从土木工程中的力学基本理论过渡到工程实际应用的重要桥梁[1]。因此，在各高等工科院校的土木工程教育中，均将结构力学作为最重要的专业基础课。
一、结构力学课程教学现状与存在的问题
笔者通过多年来的结构力学课程教学实践，发现目前在结构力学的课程教学过程中存在一个问题，即作为一门专业基础课，其“基础性”被过多的重视，而其“专业应用性”则相对被忽视。具体来说，体现在以下两个方面。
1.从教师“教”的角度而言，目前主要是通过课堂理论教学的方式实现对课程基本概念、原理的讲授和基本方法的训练。这一教学方式突出了课程知识的基础性，却相对忽视了其工程实践的专业应用性，无法有效激发起学生学习的积极性和主动性。机械的教学手段也使得学生缺乏感性认知，产生知识理解上的困难。更重要的是，实际工程中需要的应当是结构力学概念清楚、工程思维性强、结构创新意识浓厚的优秀专业人才。而偏重基础知识的传授，将无法使学生理解所学基础知识的意义，不能激发其学习兴趣，使其在后续专业课程的学习中不能主动地应用本课程所学基础知识。
2.从学生“学”的角度而言，由于本课程属专业基础课，理论性很强，学生对于本课程产生了先入为主的“刻板”印象，并沿用过去学习公共基础课的一些经验，形成了被动接受新的概念原理——机械掌握新的计算方法——通过题海战术训练巩固解题能力的学习模式。这样，经过一学年的课程学习，只培养了针对特定题型的定量计算能力，而缺乏对结构概念原理的深入理解和灵活把握，没有建立起工程思维和创新意识，不具备将所学的基础知识应用于解决专业的实际问题的能力。这对于本专业的后续专业课程学习是很不利的。
综上所述，现今的结构力学课程教学应更加注重培养学生能够将力学概念与实际工程进行紧密联系和有效融合，进而在定性分析的基础上进行合理结构创新。为此，有必要通过引入更为生动的实验教学，并与传统的课堂理论教学进行有机的融合，以解决上述问题。
二、虚拟仿真实验对于结构力学课程教学改革的意义
土木工程专业实验教学有其自身的特点。由于实验综合性强、设备体量大、实验环境恶劣、资源消耗大、成本高，因此在实践环节中往往存在一定的技术困难，特别是高危险、大型复杂但与实际工程结合紧密的一些实验无法在实验室内让本科生直接深入参与。
然而，随着专业和学科的发展，特别是计算机技术的不断进步，虚拟仿真实验可以利用专业仿真计算软件和计算机平台，构建高度仿真的虚拟实验环境和实验对象，并在虚拟环境中开展实验，从而克服上述技术困难。基于虚拟仿真实验系统，既可再现传统实验室中的经典试验，又可开展传统实验室中难以进行的高难度、高危险、高成本试验，使学生对需要掌握的基本概念和原理产生直观的认识和理解，从而激发学生主动探索学习的兴趣，培养创新精神、实践能力、自主学习能力以及获取信息、运用信息的能力[2-4]。
鉴于此，笔者通过将虚拟仿真实验融合进传统的结构力学课程理论教学，进行课程教学的创新和实践，探索更灵活有效的教学模式，同时与后续专业课程有效衔接过渡，从而激发学生对于结构力学课程的学习兴趣，培养学生的创新意识和工程思维，充分发挥本课程在联系前期基础力学课程和后期专业课程之间的纽带作用。
三、与虚拟仿真实验相融合的结构力学课程教学创新与实践举措
笔者通过如下两个方面的举措，实现了将虚拟仿真实验有效融合进结构力学课程的理论教学。
1.教学内容方面，一是虚拟仿真实验案例的选取与设计，实现传统课程理论教学与虚拟仿真实验的有机融合，前提是实现教学内容上的紧密联系，这就需要精心选择虚拟仿真实验案例;二是实验案例的选取与设计标准既能深刻反映所必须掌握的基本概念、原理和方法，同时又与专业工程应用紧密联系。通过虚拟仿真实验，让学生能够将所学结构力学知识应用到具体的工程实例，从而在建立抽象的力学体系的同时，尽早建立起具体的工程性思维，从而为后续学习、后续与工程设计、分析等緊密相关的课程打下良好的基础。因此，笔者通过广泛的专业调研与资料整理，收集和选择专业工程应用中各种与结构力学基本概念、原理和方法紧密相关的素材，并据此精心设计加工出若干虚拟仿真实验案例，如表1所示。
2.教学方式方面，实现虚拟仿真实验与传统课堂理论教学方式的有机结合。虚拟仿真实验教学是一种新型的教学手段，引入这一新型教学手段的目的是为了取得更好的教学效果而不是哗众取宠，因此教师授课时必须立足本课程的专业基础课地位，将传统课堂理论教学方式与虚拟仿真实验进行有机结合，否则将顾此失彼，分散学生的学习注意力，产生“喧宾夺主”的负面效应。笔者针对上述所选择的实验案例，开发了虚拟仿真实验平台。在该平台中，包括总体介绍、参数查看、经典案例、互动试验、结果分析等多个环节，可以真实地覆盖实验教学的全过程。在课堂教学中，利用多媒体条件，首先进行教师为主导的课堂虚拟仿真实验，主要用于演示虚拟仿真实验基本操作，深化课程知识体系中的基本概念，验证相关基本原理和方法，使学生获得专业工程应用上的直观感性认识，激发其课程学习的兴趣和积极性，培养其应用基础知识解决实际问题的工程思维和创新意识。然后，在课堂虚拟仿真教学的基础上，通过教师引导，引导学生应用所学结构力学基础知识和虚拟仿真实验手段在平台上自主进行较深入的专业课题研究，从而实现以学生主导的课外虚拟仿真实验，提高学生的自主学习能力和创新能力。
四、结论
针对目前结构力学课程教学过程中“基础性”被过多重视而“专业应用性”相对被忽视的问题，笔者通过在传统课堂理论教学的基础上融入形式更新颖、内容更丰富的虚拟仿真实验，实现了更直观的理论联系实际，激发了学生的学习兴趣，构建了知识性、趣味性、工程性于一体的结构力学课程创新性教学模式，从而充分发挥本课程在联系前期基础力学课程和后期专业课程之间的纽带作用，使其成为让学生从土木工程中的力学基本理论过渡到工程实际应用的重要桥梁。
参考文献
[1]周臻，陆金钰，尹凌峰，等.面向卓越土木工程师培养的结构力学教学改革与实践[J].高等建筑教育，2012，21（4）：74-77.
[2]陈华，王鹏凯，赵军，等.土木工程专业关于“虚实结合”教学体系改革与实践的研究[J].科技创业月刊，2017，（1）：104-108
[3]仁伟杰，李春林，宋维源.结构力学虚拟仿真实验教学研究[J].力学与实践，2015，37（2）：257-262
[4]徐明，熊宏齐，吴刚，等.土木工程虚拟仿真实验教学中心建设[J].实验室研究与探索，2016，35（2）：139-142.
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