建筑力学课程案例教学的研究与实践
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）29-0155-03
案例教学于20世纪80年代由美国引入中国高校。案例教学法是指由教师提炼的现实生活中已经发生的一些典型案例，让学生把自己纳入案例场景，通过讨论来进行学习的一种教学方法。建筑力学课程是一门集理论分析、工程应用于一体的专业基础课程。将案例教学应用于建筑力学课程教学，能因地制宜，因材施教。在很大程度上保证教学效果，提高学生积极性，培养学生的动手动脑能力。
一、建筑力学教学引入案例教学的必要性
近年来，随着我国社会和经济的快速发展，对技术应用型人才的需求不断增加，使职业教育大众化的进程不断加快，同时，也为职业教育的发展带来了新的契机。由于单招生招生人数的增多，职业教育出现了新的隐患，大部分单招生文化基础知识薄弱，自主学习能力和组织纪律性不强，旷课现象频繁，沉迷网络，自我约束能力较差，自卑心理较重，学习的积极性不高，影响了人才培养的质量。建筑力学课程的理论性比较强，课程内容包含三大力学，该课程公式推导涉及诸多数学知识，是大家公认的一门教与学难度均大的课程。目前建筑力学理论教学课时大幅度缩减，以前建筑力学教学主要是教师讲，学生听，学生刚开始学习这门课程时，因教师介绍了该门课程的重要性，学生开始兴趣还比较高昂，由于教学过程中缺乏师生互动，不让学生自己思考、分析与总结，学生会慢慢感觉无聊、枯燥。以前的坏毛病又体现出来了。因此，在建筑力学的教学工程中如何使复杂的力学理论深入浅出，如何提高学生分析问题和解决问题的能力，如何激发学生的学习积极性，是本课程在教学过程中要解决的主要问题，而案例教学正是解决这一问题的最有效方法。
二、建筑力学教学中引入案例教学的作用
1.案例教学为学生提供自主学习的机会。传统教学从书本到书本，从概念到概念的教学方式教给学生的是运用概念解决问题的现成答案，学生大部分时间只能被动地接受知识。案例教学将学生置身于真实的实际工程案例场景，改变了以往教师讲学生听的教学模式。案例教学十分注重学生学习的主体性与积极性。它通过师生互动，一起分析和讨论工程案例，运用所学的力学知识解决案例中的力?W问题，从而使学生获得了自主学习的方法和机会[1]。
2.案例教学能培养学生的责任心。学生缺乏学习自觉性，根本原因是缺乏责任心，而责任心是每个社会成员尤其是工程技术人员必须具备的一种基本素质，对学生进行责任心教育也是学校进行素质教育的一个重要内容。建筑力学的任务是解决结构安全与经济的矛盾，该课程有关内容对学生进行责任心教育有其独特的优势。工程事故案例，能提示启发学生思考，除客观因素外，从主观因素来说其成因是什么？通过典型工程事故案例，学生们都能很好的认识到：“不负责任”，“水平低”。由此认识到培养责任心的重要，而培养责任心就应从现在做起，首先对自己的学习负责，认真学习才是负责任。同时，也只有认真学习，才能提高“水平”[2]。
3.案例教学能将理论与实践相结合。建筑力学课程不但要求学生要正确理解基本概念，而且要求学生要学会用所学内容解决工程中的各种力学问题。建筑力学的主要任务可概括为解决工程结构安全与经济这对矛盾。工程事故案例包含有丰富的力学知识，它能帮助学生了解力学理论与实际工程的联系，使学生认识到工程结构的不同型式、结构的不同几何形状与尺寸等均与力学知识有关，从而使学生明确学习目的，提高了对力学课程的学习积极性。
4.案例教学是专业教师成长的阶梯。案例教学过程中，虽然学生活动是处于主要地位，但教师却起到了引导作用，如果没有高水平的教师指导，学生独立探讨问题可能费时过多，亦容易产生盲目性和失去主动性。因而案例教学就要求教师具有精深的专业知识，具有丰富的教学与实践经验，懂得将理论与实践融会贯通。所以，作为教师的我们，不能把视野仅仅局限于教材，应该利用身边一切有益的媒体充实自己，不断接受新知识、新理念，重视与外界交流[3]。
三、建筑力学案例教学应注意的问题
1.案例教学作为建筑力学教学的一种教学方法，其本质是为建筑力学教学目的服务的，案例教学应与建筑力学的理论知识有直接联系，如果案例与建筑力学内容不相符，那么这样的案例就没有任何价值，这一点是建筑力学实施案例教学的前提条件。
2.由于很多高职生沉迷网络，所选案例应具有新颖性，对所有学生应具有吸引力，能够吸引所有学生积极参与其中，这样才能让所有学生很好的掌握所学内容，为今后的实践打下扎实的理论基础。
3.由于高职学生文化基础水平较差，选择的案例要注意案例中所涉及的力学知识不能太难，要让每位学生都能参与分析与讨论，让他们从中体验到学习的快乐。
四、典型案例分析
案例一：2008年1月，贵州及长江中下游地区长时间连阴雨雪，部分地区持续冻雨天气，降雪降雨最终转化为冰凌，随着时间的推移，冰凌一层又一层地包裹高压电线，致使电线上冰的厚度都超过了电线直径的两倍，最终被电线拉断，铁塔倒塌。
问题：连阴雨雪为何压塌高压线铁塔？
分析：由于铁的密度是7.8g/cm3，冰密度是0.9 g/cm3，而冰的厚度超过了电线直径的两倍，所以电线的自重相当于增加了0.5倍，电线的实际承受荷载超出了它的许可荷载而最终被拉断。支撑高压线的铁塔被厚厚的冰块包裹，加大了自重，并承受着比平时高若干倍的高压电线拉力，而最终倒塌。 电线拉断是轴向受拉破坏：电线因结冰而沿轴向的拉力增高若干倍，而电线由于热胀冷缩已经超出设计限度，抗拉强度大大降低。
铁塔压垮的主要原因是局部压杆失稳造成的：铁塔是钢结构的桁架，主要由受拉构件和受压构件组成。受压构件受到的轴向压力不断增加，超过其临界力而局部失稳，从而导致整座铁塔倒塌[4]。
案例二：甲乙两队进行拔河比赛，为了获得比赛的胜利，各队负责人在选择参加比赛的队员时，首先选择一批力气大的队员，目的是有足够大的拉力把对方拉过来；然后在力气大的队员中选择体重大、鞋底表面较粗糙的队员作为最后的参赛队员，目的是有足够大的摩擦力使脚不打滑。
问题：除了上述条件外，为了赢得比赛，为什么人体用力姿势要往后倾斜？（如图1所示）
分析：物体在力作用下，除产生移动效应外，还会产生转动效应。力使物体产生转动效应是用力矩来度量，力矩的大小等于力的大小与力臂的乘积。本案例中摩擦力足够，脚不打滑，只能保证人体不产生移动，但不能保证不输。因为当作用在人体上的拉力与人体自身的重力不变的前提下，人体如果直立，则拉力的力矩大，重力的力矩小，由于力矩不平衡而导致人体向前倾斜（即转动）。所以为了增大获胜机会，人体用力姿势必须适当往后倾斜。
案例三：四川汶川地震造成了大量砖混结构严重破坏（如图2所示）和人?T重大伤亡，令人痛心。从建筑和结构上来说，砖混结构建筑由于墙与梁、柱的相互约束较弱，这就决定了此类建筑强度低，抗震性能较差。
问题：同样地震烈度下为什么砖混结构破坏严重，而刚架结构却较少破坏或局部破坏？
分析：对结构进行力学分析与计算前，为了使计算简便，需将原结构进行多方面的简化，得到一个代替原结构的结构计算简图，砖混结构的内部杆件相互约束较弱，杆件连接处通常简化为铰链连接（即铰结点），铰结点的受力特点是，不能承受弯矩与传递弯矩，所以对结构强度起决定作用的内力―弯矩分布不均匀，结构上最大弯矩较大，由于梁横截面上的正应力与该截面上的弯矩成正比，所以结构最大正应力大，应力越大，越接近材料的极限应力，强度就越低，材料就越容易破坏。刚架结构中梁与柱用钢筋混凝土现浇相连接，这种连接点称刚结点，其特征是，杆件连接牢固，结构变形前后，汇交点处各杆之间的夹角不变。因此，结点可以承受和传递弯矩，因而在刚架中弯矩分布较均匀，最大弯矩相对于同样尺寸的砖混结构要小。所以其强度大于砖混结构，不易破坏。实际工程中的刚架结构，杆件用刚结点连接，属于高次超静定结构，具有若干多余约束，该结构局部破发生破坏，一般不会引起结构整体破坏。
五、结语
教学实践证明，将案例教学应用于建筑力学课程教学，能让学生饶有兴趣地在工程实例中发现问题，思考问题并最终获得答案，它能激发学生的学习热情，有利于对力学知识的理解和应用，能有效地培养学生的思维能力和创新能力。
