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摘要：結構力學作為土木工程專業的專業基礎課程，對學生的分析能力、計算能力和邏輯思維能力都有著較高的要求。由于結構力學雙語課程的講解和作業考試的語言都非母語，所以學生在完成教學目標時面臨更大的挑戰。文章根據結構力學雙語課程的特點，對于較難講授和掌握的知識點設計了與傳統習題模式不同的作業形式，取得了良好的教學效果。

關鍵詞：結構力學；雙語教學；作業設計；計算模型

結構力學是土木工程專業的核心專業基礎課程。同理論力學和材料力學相比，結構力學本身的理論和概念較少，對于不同的計算模型有針對性的分析思路。因此要求學生靈活運用不同的分析方法，能夠識別基本力學構件的受力特征。結構力學課程在很多學生眼中是一門比較難的課程，特別是結構力學雙語課程，學生還需要克服上課聽英語講解、課后用英語完成作業的困難。

一、作業設計的基本目標

結構力學是一門非常注重應用的課程。雖然該門課的概念知識點并不多，但是具體題目的變化形式多，在將學習方法應用到具體的題目時，學生會有許多疑問[1]。如果學生只是聽課看書，不去做練習和通過練習深入思考知識點，就會發現遇到題目時還是很茫然，經常不知道如何入手，或者在做的過程中出現很多錯誤和不清楚的地方。因此結構力學的作業需要滿足以下幾個基本功能：①能夠使學習的知識點在習題中有所覆蓋，學生通過做習題能夠掌握基本的概念和做題思路。比如幾何組成分析的題目，給出的體系能夠使得學生在題目中知道如何得到計算自由度，利用二元體規則、兩剛片規則和三剛片規則進行幾何組成分析，以及為什么可以應用某種規則，而另外的規則無法應用；②能夠使得學生在習題中掌握基本的分析步驟。比如采用截面法求解桁架問題，采用力法和位移法求解超靜定問題；③能夠使得學生在習題中將容易混淆的知識點弄清楚；能夠訓練學生正確地使用英文表達計算思路和求解過程。好的作業設計除了滿足以上四個基本功能外，還具有以下的功能：①能夠激發學生更多的思考并聯系到相關常見的實際的結構，比如靜定結構的局部效應，多跨靜定梁與常見的T形剛構等的關系和其受力特征；②培養學生定性分析常見結構在常見荷載下的受力特征，而不僅是通過一步步計算過程得到一個具體的數值答案；③能夠使得學生在做題中享受思維的樂趣、智能的施展和提高，完成后有較強的成就感，這就要求題目能夠給予學生更多的創造空間。

二、創新型作業設計

結構力學靜力學最后一部分是位移法和矩陣位移法。矩陣位移法是有限單元法的雛形，有助于學生了解目前結構分析中常用的商業軟件計算基本原理。但是由于矩陣和向量表達式書寫起來較為煩瑣，板書費時，用幻燈片講，學生又不能很好地跟上節奏，大腦容易處于惰性狀態，這一部分是結構力學教學中比較難講的點[2]。如何能夠使得學生在課堂教學中更專注，在課下能夠及時實踐教學內容，創新型的作業設計可以在這里發揮很大的作用[3]。具體教學實踐步驟如下：首先，在開始講授的時候就告訴學生這次的作業是一個需要自己完成的計算報告，里面包括手算和電算兩部分，電算要求他們自己采用MatLab軟件進行程序編制以求解力學問題。因此，學生需要開始自學MatLab軟件的基本操作。其次，該作業可以選擇學生前面學習位移法的一個習題作為要求解的目標，讓學生可以逐步地進入狀態。對不同屆學生選擇不同的題目可以避免其抄襲上一屆學生的作業。提供計算報告模板，讓學生可以明確作業目標。報告的模板包括封面、目錄頁都是給定的。模板規范了學生報告中每部分的內容。首先是位移法求解并畫內力圖，然后是手寫的矩陣位移法求解并畫內力圖，第三部分是編程求解并畫內力圖，在報告中需要展示程序的主要部分和各部分的功能。第四部分是比較位移法和矩陣位移法答案的異同，并思考是什么因素引起答案的差異。該作業需要最終提交一個紙質版的報告和一個包括了程序文件及其說明的文件夾。最后，考慮到學生在有限時間內從學習一門編程語言到應用到實際力學問題求解具有相當的難度，過于高的目標設定會降低學生的學習積極性，會給學生提供一個參考的程序，主要包括如何利用子程序進行輸入和分布計算，并且會給出一個難度較大的組裝整體剛度矩陣的程序，這樣，學生可以參考著將荷載向量也組裝好，進行結構內力求解。該作業設計的出發點是一題五用：①復習鞏固位移法，同時掌握矩陣位移法的計算，以及如何將力學問題的求解轉化為程序代碼。②了解程序編制的基本模式和注意事項，對程序提供必要的注釋和說明，進行合理的子程序分解，學會在程序調試中如何查錯。③編制程序給了學生很大的發揮空間。程序有很多種編法，最簡單的是將手寫的矩陣位移法輸入一遍，最后計算。更難的是輸入結構基本幾何物理特征參數和荷載參數后，能夠調用該程序進行自動計算，也就是換一個題目也可以計算。學生也可以嘗試開發輸入輸出界面友好的交互式界面（GUI）作為外圍程序，使得結構的計算輸入參數輸出結果更加直觀方便。④通過計算結果反思位移法和矩陣位移法的異同，進一步了解每個方法的特點。⑤學習撰寫一個完整的計算報告書，以及如何給讀者簡潔清晰的思路展示。該作業的評分標準是報告和編程代碼各占50%。報告的扣分點主要是看計算內力是否有誤，程序的主要步驟是否介紹清楚，結論部分對不同方法計算內力結果有差異的原因分析得是否正確。編程代碼的得分規則為：如果是最簡單的編程思路，也就是把手算的剛度矩陣和荷載向量直接輸入進行，那么會扣20%的分，如果是較為通用的結構計算程序會得滿分。

三、教學效果反饋

關于矩陣位移法的編程作業已經在七屆學生的結構力學雙語教學中進行了實施，得到了極好的教學效果反饋，作業的設計也是在每一屆學生的回饋中不斷完善的。學生通過計算報告的完成基本實現了期望的教學目標。從最近一屆完成的學生作業情況來看，總共59個學生，該項作業的平均分為84分，85%的學生及格，滿分的學生有9人，占總數的15%。不及格的主要原因是代碼部分為零分，程序無法運行或者有抄襲的痕跡。報告部分做得差的主要表現是最后結果的總結和前面的結果不對應或者解釋的理論有問題。優秀的學生編制的程序呈現以下特點：可以適用于不同結構的計算；程序框架清晰；自學能力強、對編程有興趣的同學還編制了交互操作界面GUI。從報告總結的部分發現，學生通過手算電算后的思考，對這部分內容的理解超過了教師的預期。相當一部分學生不僅指出了矩陣位移法和位移法的區別，還對例題里面的各單元的內力誤差進行了分析比較，指出彎矩的誤差大于剪力和軸力。同時，還對這兩種方法的優缺點進行了討論，評價位移法手算更簡便，矩陣位移法具有更好的通用性且適于編制程序。

四、結語

vbcx`1構力學是一門實踐性強的學科，題目變化靈活，作業是掌握該門課的重要環節。結構力學雙語作業又考核著學生英語表達、邏輯嚴謹的能力。因此，如何設計貼合內容、發揮學生積極性和創造性的作業是需要老師進行認真思考的。通過教學實踐，發現設計一個將幾部分內容綜合考核的小項目是一個很好的作業形式，可以促進學生對學過的內容進行主動的回顧、總結和思考，從而對教學效果起到正面強化的作用。

參考文獻：

[1]吳太權,焦志偉,《力學》課程課堂教學改革的實踐[J].教育教學論壇,2018,(15):72-74.

[2]萬云,甘利華,翁志強.力學教學中作業成績給定方法探索[J].高等教育,2018,(5):177.

[3]邱秀梅,姜德貴.結構力學教學中的答疑解惑新思維[J].教育教學論壇,2019,(06):253-255.

作者:武雋 劉冉冉 單位:長安大學