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探讨结构力学双语课程作业形式的创新
摘要：结构力学对于学习者的分析能力、计算能力及逻辑思维能力有很要的要求，其是土木工程专业的的一门专业基础课程。结构力学双语课程的讲解的语言并不是本国语言，且作业考试也是非母语形式，对学生来讲这是一个巨大的挑战。本文基于结构力学双语课程的特点，采用不同于传统习题模式的作业形式对较难讲授和掌握的知识点进行巩固，对教学效果起到正面强化的作用。
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结构力学是土木工程专业的核心专业基础课程。同理论力学和材料力学相比，结构力学本身的理论和概念较少，对于不同的计算模型有针对性的分析思路。因此要求学生灵活运用不同的分析方法，能够识别基本力学构件的受力特征。结构力学课程在很多学生眼中是一门比较难的课程，特别是结构力学双语课程，学生还需要克服上课听英语讲解、课后用英语完成作业的困难。
一、作业设计的基本目标
结构力学是一门非常注重应用的课程。虽然该门课的概念知识点并不多，但是具体题目的变化形式多，在将学习方法应用到具体的题目时，学生会有许多疑问[1]。如果学生只是听课看书，不去做练习和通过练习深入思考知识点，就会发现遇到题目时还是很茫然，经常不知道如何入手，或者在做的过程中出现很多错误和不清楚的地方。因此结构力学的作业需要满足以下几个基本功能：①能够使学习的知识点在习题中有所覆盖，学生通过做习题能够掌握基本的概念和做题思路。比如几何组成分析的题目，给出的体系能够使得学生在题目中知道如何得到计算自由度，利用二元体规则、两刚片规则和三刚片规则进行几何组成分析，以及为什么可以应用某种规则，而另外的规则无法应用；②能够使得学生在习题中掌握基本的分析步骤。比如采用截面法求解桁架问题，采用力法和位移法求解超静定问题；③能够使得学生在习题中将容易混淆的知识点弄清楚；能够训练学生正确地使用英文表达计算思路和求解过程。
好的作业设计除了满足以上四个基本功能外，还具有以下的功能：①能够激发学生更多的思考并联系到相关常见的实际的结构，比如静定结构的局部效应，多跨静定梁与常见的T形刚构等的关系和其受力特征；②培养学生定性分析常见结构在常见荷载下的受力特征，而不仅是通过一步步计算过程得到一个具体的数值答案；③能够使得学生在做题中享受思维的乐趣、智能的施展和提高，完成后有较强的成就感，这就要求题目能够给予学生更多的创造空间。
二、创新型作业设计
结构力学静力学最后一部分是位移法和矩阵位移法。矩阵位移法是有限单元法的雏形，有助于学生了解目前结构分析中常用的商业软件计算基本原理。但是由于矩阵和向量表达式书写起来较为烦琐，板书费时，用幻灯片讲，学生又不能很好地跟上节奏，大脑容易处于惰性状态，这一部分是结构力学教学中比较难讲的点[2]。如何能够使得学生在课堂教学中更专注，在课下能够及时实践教学内容，创新型的作业设计可以在这里发挥很大的作用[3]。具体教学实践步骤如下：
首先，在开始讲授的时候就告诉学生这次的作业是一个需要自己完成的计算报告，里面包括手算和电算两部分，电算要求他们自己采用MatLab软件进行程序编制以求解力学问题。因此，学生需要开始自学MatLab软件的基本操作。其次，该作业可以选择学生前面学习位移法的一个习题作为要求解的目标，让学生可以逐步地进入状态。对不同届学生选择不同的题目可以避免其抄袭上一届学生的作业。提供计算报告模板，让学生可以明确作业目标。报告的模板包括封面、目录页都是给定的。模板规范了学生报告中每部分的内容。首先是位移法求解并画内力图，然后是手写的矩阵位移法求解并画内力图，第三部分是编程求解并画内力图，在报告中需要展示程序的主要部分和各部分的功能。第四部分是比较位移法和矩阵位移法答案的异同，并思考是什么因素引起答案的差异。该作业需要最终提交一个纸质版的报告和一个包括了程序文件及其说明的文件夹。最后，考虑到学生在有限时间内从学习一门编程语言到应用到实际力学问题求解具有相当的难度，过于高的目标设定会降低学生的学习积极性，会给学生提供一个参考的程序，主要包括如何利用子程序进行输入和分布计算，并且会给出一个难度较大的组装整体刚度矩阵的程序，这样，学生可以参考着将荷载向量也组装好，进行结构内力求解。
该作业设计的出发点是一题五用：①复习巩固位移法，同时掌握矩阵位移法的计算，以及如何将力学问题的求解转化为程序代码。②了解程序编制的基本模式和注意事项，对程序提供必要的注释和说明，进行合理的子程序分解，学会在程序调试中如何查错。③编制程序给了学生很大的发挥空间。程序有很多种编法，最简单的是将手写的矩阵位移法输入一遍，最后计算。更难的是输入结构基本几何物理特征参数和荷载参数后，能够调用该程序进行自动计算，也就是换一个题目也可以计算。学生也可以尝试开发输入输出界面友好的交互式界面（GUI）作为外围程序，使得结构的计算输入参数输出结果更加直观方便。④通过计算结果反思位移法和矩阵位移法的异同，进一步了解每个方法的特点。⑤学习撰写一个完整的计算报告书，以及如何给读者简洁清晰的思路展示。
该作业的评分标准是报告和编程代码各占50%。报告的扣分点主要是看计算内力是否有误，程序的主要步骤是否介绍清楚，结论部分对不同方法计算内力结果有差异的原因分析得是否正确。编程代码的得分规则为：如果是最简单的编程思路，也就是把手算的刚度矩阵和荷载向量直接输入进行，那么会扣20%的分，如果是较为通用的结构计算程序会得满分。
三、教学效果反馈
关于矩阵位移法的编程作业已经在七届学生的结构力学双语教学中进行了实施，得到了极好的教学效果反馈，作业的设计也是在每一届学生的回馈中不断完善的。学生通过计算报告的完成基本实现了期望的教学目标。从最近一届完成的学生作业情况来看，总共59个学生，该项作业的平均分为84分，85%的学生及格，满分的学生有9人，占总数的15%。不及格的主要原因是代码部分为零分，程序无法运行或者有抄袭的痕迹。报告部分做得差的主要表现是最后结果的总结和前面的结果不对应或者解释的理论有问题。
优秀的学生编制的程序呈现以下特点：可以适用于不同结构的计算；程序框架清晰；自学能力强、对编程有兴趣的同学还编制了交互操作界面GUI。从报告总结的部分发现，学生通过手算电算后的思考，对这部分内容的理解超过了教师的预期。相当一部分学生不仅指出了矩阵位移法和位移法的区别，还对例题里面的各单元的内力误差进行了分析比较，指出弯矩的误差大于剪力和轴力。同时，还对这两种方法的优缺点进行了讨论，评价位移法手算更简便，矩阵位移法具有更好的通用性且适于编制程序。
四、结语
结构力学是一门实践性强的学科，题目变化灵活，作业是掌握该门课的重要环节。结构力学双语作业又考核着学生英语表达、逻辑严谨的能力。因此，如何设计贴合内容、发挥学生积极性和创造性的作业是需要老师进行认真思考的。通过教学实践，发现设计一个将几部分内容综合考核的小项目是一个很好的作业形式，可以促进学生对学过的内容进行主动的回顾、总结和思考，从而对教学效果起到正面强化的作用。
参考文献：
[1]吴太权,焦志伟,《力学》课程课堂教学改革的实践[J].教育教学论坛,2018,(15):72-74.
[2]万云,甘利华,翁志强.力学教学中作业成绩给定方法探索[J].高等教育,2018,(5):177.
[3]邱秀梅,姜德贵.结构力学教学中的答疑解惑新思维[J].教育教学论坛,2019,(06):253-255.
武隽,刘冉冉.结构力学双语课程作业的创新性设计[J].教育教学论坛,2020(4):224-225.
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2020-06-08
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期刊名称：力学学报
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主管单位：中国科学院
主办单位：中国科学院力学研究所
出版地方：北京
专业分类：科学
国际刊号：0459-1879
国内刊号：11-2062/O3
邮发代号： 2-814
创刊时间：1957年
发行周期：双月刊
期刊开本：大16开
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2020-04-25
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