基于虚拟仿真实验的《结构力学》课程改革.docx

基于虚拟仿真实验的结构力学课程改革 【摘 要】结构力学结构力学课程是土木工程专业学习中的基础课程，对后续课程的学习起到关键作用。本文针对该课程在教学过程中遇到的各种问题，从课程内容应用、试验融合、课时安排、考核体系四方面进行课程改革，为今后结构力学课程教学供应参考。 【关键词】结构力学;虚拟仿真试验;教学改革 中图分类号： O342-4;G434 文献标识码： A文章编号： 2095-245733-0028-002 DOI：10.19694/ki.issn2095-2457.2022.33.012 结构力学课程是土木工程专业重要的基础课程之一。它以高等数学、静力学、材料力学等课程为基础，探讨杆件组合体系的结构在荷载作用下的受力状况。本课程的主要任务是探讨结构的组成规律、合理形式及结构在外因作用下的强度、刚度和稳定性的计算原理与计算方法，以保证结构的平安并使之符合经济的要求。同时，该课程也为后续专业课程的学习做铺垫。给专业课程设计、毕业设计、毕业实习甚至今后毕业从事的相关工作供应必要的理论依据和计算方法。近年来，由于虚拟仿真试验技术具备形象化和真实化，可将工程结构实际状况呈现在人们眼前，在视觉上将抽象的理论转化成直观和真实感较强的模型，而逐步作为高校教学协助手段进入课堂。这种教学方式培育了学生良好的工程意识和创新思维，完善学问结构。因此，结合本课程的教学内容，以及现阶段学生学习的实际状况，构建以虚拟仿真试验为基础的结构力学翻转课堂教学应用模型，为达到培育适应工程需求的实践人员做打算。 1 国内外探讨现状 我国有探讨者以结构力学试验为基础，应用Flash开发系统建立了结构力学试验的虚拟试验环境和虚拟试验物理的模型1。也有学者认为在结构力学教学中，公式困难，推导及求解过程中须要较多的数学运算，因此特殊须要数学应用软件的介入2。结构力学课程教学涉及大量的公式推导、结构分析与计算等内容，学生理解起来较困难。将有限元软件引入课堂教学，可以将抽象的应力、应变等概念详细化，将结构的变形及应力分布状况生动、直观地呈现在学生面前，既有利于学生的接受，又能够为学生学习ANSYS一类的有限元软件奠定基础3。通过虚拟仿真试验技术帮助学生驾驭力学中各变量的关系，视察在变量改变的全过程模型的变形状况。在多次变量修改中找到最优结构形式，以优化结构。还有高校提出在教学过程中采纳制作建筑模型来协助学习的教学方式，以巩固学生的理论学问，熬炼学生的實践操作实力，培育其独立思索的实力，提高学生的学习爱好。同时在实践中能够培育对建筑结构和构件的简化实力，从而通过学生解决建筑工程实际问题实力5。国外高校仍旧侧重结构力学基本理论的讲解，同时也将软件应用到日常的教学活动。如麻省理工学院建成的微电子在线试验室，美国休斯敦高校的虚拟物理试验室3。美国的西点桥梁设计竞赛6，通过设计一座现实的桥梁，培育学生动手和处理问题的实力，让学生了解工程设计过程中所须要的数学与力学学问，并驾驭运用计算机解决工程问题的方法。 2 课程教学特点和难点 结构力学课程作为土建类重要的专业基础课程之一，其教学质量对学生今后的应用实力强起着举足轻重的作用。结构模型试验是课程中呈现学问点应用的关键。该试验多为破坏性试验，需耗费大量试件，破坏过程短暂，难以视察整个破坏过程。加上班级学生人数较多，试验具有肯定的危急性，难以保证学生有足够的动手操作机会。教学中理论学问向工程结构的应用转化和结构模型的优化设计成为课堂中的两大难点。所以，如何做好结构力学的教学工作是摆在该专业教学工作者前面的重要课题。 3 改革目标 3.1 理论学问可视化 日常教学中，结构力学主要探讨结构的组成方式及在外荷载作用下的内力、应力、变形计算，当中的理论性强，概念抽象，学生难以驾驭。可通过虚拟软件对构件进行建模和分析，绘制结构的变形图和应力云图等，用不同的色调来表示结构承载实力的强弱状况。借助这些软件，以图像的形式将其直观、形象的呈现，让学生对这些概念有直观的相识，提高学习效率，增加学习效果。 3.2 力学试验的可视化 结构力学课程最终需运用到实践中去，这必需在教学中将理论和实践相融合。但受到课时少，加上试验具有肯定破坏性，在试验前需打算大量试件，试验过程短暂又具有危急性，难以让每位同学都视察到结构破坏过程。在这些不利担当外界因素制约下，可将Abaqus和Flash等软件引入试验教学环节，以动画的形式演示构件试验的全过程，充分发挥软件的建模和分析实力。并利用软件模拟现场加载状况，找到最合理的结构形式，将其制作成模型，在课堂中现场展示，以加深学生对试验现象和过程的理解。 3.3 结构模型在工程实践中的应用 力学课程中只是将工程结构中的房屋、桥梁等困难结构简化的单跨形式，学生要真正驾驭整体结构的受力还有肯定的差距。而让学生毕业踏上相应的工作岗位，会变得无从下手。借助于软件模拟结构实际工况可帮助学生将力学模型转化为实际工程的结构模型，以解决困难的受力问题，进而提高解决实际工程问题的实力。 4 课程改革措施 4.1 理论学问的应用 结构力学将传统结构力学教材中的主要概念、学问点、计算模型与工程案相结合类比，让其内容趣味化、直观化、感性化地，其目的是帮助学生理解抽象计算模型和概念。教学支配上，采纳学问打算、案例引导、内容讲授、模拟试验的教学模式，并且根据初步建模、试验制作、模型优化三种形式进行组织课后教学过程。结合工程案例讲解理论学问点，让学生建立起工程实际，计算模型、理论计算的工程思维，培育学生运用学问解决实际问题的实力。 4.2 教学内容与虚拟仿真试验相融合加以应用 结构力学理论性强，结构形式多样，分析对象均为实际工程中抽象后的结构或构件，公式推导、计算繁琐乏味，学生难以保持学习爱好。通过虚拟仿真试验便可帮助学生建立困难力学模型，解决困难的力学问题。结合教学内容尝试让学生利用现有的试验材料将虚拟优化好的结构模型进行制作并加以试验。进而可以参与结构相关类竞赛，如结构设计竞赛、周培源力学竞赛通过竞赛等，熬炼了学生建立抽象力学模型、结构分析、电算软件运用、团队协作等实力。 4.3 内容教学、虚拟软件应用、建模试验的课时安排 总学时是肯定的，如何处理这三者之间的课时安排是关系到课程重点的问题。理论内容是基础，虚拟软件教学是协助，变抽象为详细，起到帮助学生理解理论学问的作用。建模试验是让学生明白设计流程以及如何进行结构施工方式，分析结果的合理性等，使学生能更快的走上工作岗位。同时还需对课程教学大纲进行修改完善。 4.4 健全课程考核评估体系 传统力学课程考核方式是通过笔试方法，但这种方式过于单一化。为了反映多元化的考核方法，体现学生实践实力的培育与提高，突出学生自身学习特点有必要对结构力学课程考核方式进行调整。评价不再仅仅依据结课考试成果来评定优良。在新的评价体系中，引入了课堂提问、考勤、平常作業、虚拟软件的应用、结构建模试验、力学竞赛等方面，将考试成果分期中与期末两次、课堂内与课堂外两个层面，分别引入不同的权重，设置了两套考察方案。 5 总结 结构力学课程土木工程教学中占据重要地位。在目前建设环境的需求指导下，对课程教学提出了创新性的要求。通过上述的关于课程内容建设的一系列改革，并在实际教学中，融入虚拟仿真试验技术，让学生深化了解建模过程，逐步引入理论内容，使教学内容更加丰富。在不断的更新和完善中，才能切实提高教学效果，促进学生对理论的理解和驾驭，提高学生的爱好，激发学生学习课程的主动性、主动性和创建性，增加学生的自主科研实力，为今后的学习和工作打下良好的基础。 【参考文献】 1任伟杰，李春林，宋维源.结构力学虚拟仿真试验教学探讨J.力学与实践，2022，37：257-262. 2李乐，刘迎春.Mathcad在结构力学课程教学中的应用J.课程教化探讨，2022，44：224-225. 3周强，熊拥军，闫小青.CAE软件在力学课程教学中的应用探讨J.教化现代化. 4洪泽印.结构工程领域对系统仿真和虚拟现实技术的应用探讨J.科技论坛，2022，18：121-122. 5刘琳.张明磊.模型制作在高职建筑力学课程教学中的应用J.辽宁高职学报，2022，20：38-39. 6贾新聪.结构竞赛模型材料物理力学性能及模型设计制作探讨D.辽宁高职学报，2022，5. 第7页 共7页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页