鋼結(jié)構(gòu)課程教學(xué)改進探討

【摘要】鋼結(jié)構(gòu)課程教學(xué)體系形成比較早，部分教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法與實際工程應(yīng)用現(xiàn)狀存在差距，對部分鋼結(jié)構(gòu)原理教學(xué)和鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計學(xué)習(xí)內(nèi)容、學(xué)習(xí)方法進行了相應(yīng)的調(diào)整，得到了較好的效果。

【關(guān)鍵詞】鋼結(jié)構(gòu) 教學(xué)內(nèi)容 教學(xué)方法 應(yīng)用現(xiàn)狀

【中圖分類號】TU3 【文獻標(biāo)識碼】A【文章編號】2095-3089（2012）10-0002-02

鋼結(jié)構(gòu)課程是土木工程學(xué)科領(lǐng)域僅次于混凝土結(jié)構(gòu)的重要的核心課程，是高等學(xué)校土木工程專業(yè)重要的一門專業(yè)技術(shù)課[1]。目前，在建筑結(jié)構(gòu)體系當(dāng)中鋼結(jié)構(gòu)所占有的比重越來越大，特別是在高層、超高層建筑以及大跨空間結(jié)構(gòu)建筑中。鋼結(jié)構(gòu)學(xué)科因此而處于不斷的發(fā)展與更新之中，鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用領(lǐng)域從傳統(tǒng)的工業(yè)建筑向民用建筑拓展，同時各種新型的鋼結(jié)構(gòu)體系在不斷地涌現(xiàn)，例如大跨空間結(jié)構(gòu)（懸索結(jié)構(gòu)、索膜結(jié)構(gòu)、張拉結(jié)構(gòu)等）、輕鋼結(jié)構(gòu)等[2]。鋼結(jié)構(gòu)課程教學(xué)體系形成比較早，目前的鋼結(jié)構(gòu)教學(xué)體系與實際工程中的應(yīng)用現(xiàn)狀存在差距。

1.鋼結(jié)構(gòu)教學(xué)內(nèi)容與實際應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1鋼結(jié)構(gòu)教學(xué)內(nèi)容

鋼結(jié)構(gòu)教學(xué)內(nèi)容分兩大部分：鋼結(jié)構(gòu)原理和鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計，其中鋼結(jié)構(gòu)原理教學(xué)量占的比重大，約75%左右，剩余的25%左右教學(xué)量為鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計部分。鋼結(jié)構(gòu)原理主要內(nèi)容為：鋼結(jié)構(gòu)材料、鋼結(jié)構(gòu)連接、受彎構(gòu)件、軸心受壓構(gòu)件、壓彎和拉彎構(gòu)件等，就是鋼結(jié)構(gòu)基本組成構(gòu)件連接和單個桿件計算原理。鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計主要內(nèi)容為：單層廠房屋蓋設(shè)計，輕鋼結(jié)構(gòu)門式剛架設(shè)計、輕鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架設(shè)計初步原理等。教學(xué)過程中根據(jù)教學(xué)進程和計劃安排，實踐性環(huán)節(jié)教學(xué)（課程設(shè)計）安排在單層廠房屋蓋設(shè)計結(jié)束后（教學(xué)計劃第10-12周）兩周課余時間。其設(shè)計內(nèi)容大部分為三角形或者梯形角鋼屋架以及由H型鋼主、次梁組成的鋼平臺設(shè)計，通過理論計算后繪制設(shè)計圖紙。

1.2鋼結(jié)構(gòu)實際應(yīng)用現(xiàn)狀

現(xiàn)在鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用情況發(fā)生了非常大的變化。伴隨著鋼產(chǎn)量高速增長，鋼結(jié)構(gòu)在土木建筑領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛，例如鋼結(jié)構(gòu)的廠房、大跨度橋梁、多層及高層、超高層鋼結(jié)構(gòu)建筑、電視塔等高聳結(jié)構(gòu)，以及體育館、影劇院、會展中心等大型公共建筑等[2]。同時鋼結(jié)構(gòu)分析理論和應(yīng)用技術(shù)的不斷發(fā)展，輕鋼門式剛架結(jié)構(gòu)替代了原有單層廠房排架結(jié)構(gòu)，并且出現(xiàn)了鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)、懸索結(jié)構(gòu)、空間桁架結(jié)構(gòu)、索網(wǎng)結(jié)構(gòu)、膜結(jié)構(gòu)等多種新型鋼結(jié)構(gòu)體系。鋼結(jié)構(gòu)課程的教學(xué)計劃形成較早，這些變化和新的結(jié)構(gòu)體系和分析理論，在目前的鋼結(jié)構(gòu)教學(xué)計劃中還沒有認(rèn)真體現(xiàn)。

2.鋼結(jié)構(gòu)教學(xué)體系存在的問題

2.1鋼結(jié)構(gòu)教學(xué)計劃

鋼結(jié)構(gòu)課程教學(xué)目的是為社會培養(yǎng)鋼結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域應(yīng)用型高級專業(yè)人才，必須密切注視社會需求和相應(yīng)學(xué)科社會發(fā)展現(xiàn)狀，及時調(diào)整和改進教學(xué)計劃?，F(xiàn)有的鋼結(jié)構(gòu)教學(xué)計劃實施比較早，與目前的工程應(yīng)用現(xiàn)狀存在差距，但是鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)、懸索結(jié)構(gòu)、空間桁架結(jié)構(gòu)、索網(wǎng)結(jié)構(gòu)、膜結(jié)構(gòu)等多種新型鋼結(jié)構(gòu)體系，其分析理論大部分涉及到非線性分析和有限元分析，講課學(xué)時、學(xué)生理解能力等方面存在實際問題。適當(dāng)調(diào)整和改進教學(xué)劃是很有必要的，關(guān)鍵問題在于在現(xiàn)有的培養(yǎng)方案和教學(xué)大綱基礎(chǔ)上，提出切實可行的符合實際教學(xué)狀況的具體改進方法。

2.2鋼結(jié)構(gòu)原理學(xué)習(xí)過程

鋼結(jié)構(gòu)原理學(xué)習(xí)過程中，發(fā)現(xiàn)和反映問題最多的章節(jié)為第二章鋼結(jié)構(gòu)的連接。本章節(jié)的核心內(nèi)容是，鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件連接部位的焊縫連接和螺栓連接設(shè)計計算原理，焊縫連接主要內(nèi)容為，鋼板之間的相互連接和角鋼和鋼板之間的焊縫連接為主，沒有目前實際工程中應(yīng)用廣泛的空間管結(jié)構(gòu)體系的焊縫連接內(nèi)容，螺栓連接的主要內(nèi)容為，鋼板之間的螺栓連接和鋼結(jié)構(gòu)梁與柱的螺栓連接為主，沒有實際工程中已經(jīng)普遍應(yīng)用的管結(jié)構(gòu)及素網(wǎng)結(jié)構(gòu)的栓釘連接節(jié)點內(nèi)容。

2.3鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計學(xué)習(xí)過程

鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計學(xué)習(xí)過程中，設(shè)計計算過程和設(shè)計圖紙繪制過程最詳細(xì)的結(jié)構(gòu)體系為，桁架式角鋼屋架設(shè)計，所占有的學(xué)時為約4學(xué)時左右，但這一結(jié)構(gòu)體系涉及知識點較少，僅為軸心受力構(gòu)件和軸心力作用下的角焊縫計算，構(gòu)件類型少，接點單一，重復(fù)計算量大，有一定的局限性[3]。目前，鋼結(jié)構(gòu)實際工程中應(yīng)用最廣泛的結(jié)構(gòu)體系為，輕鋼結(jié)構(gòu)門式剛架和鋼框架結(jié)構(gòu)體系，其次為空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和空間桁架結(jié)構(gòu)。鋼結(jié)構(gòu)課程設(shè)計過程中，在節(jié)點設(shè)計上存在不少問題，單靠教科書上的理論知識和設(shè)計實例，很難全面掌握正確的設(shè)計知識。特別是在支座節(jié)點和桿件相交處的節(jié)點設(shè)計過程中，同學(xué)們?nèi)狈︿摻Y(jié)構(gòu)制作、安裝基礎(chǔ)知識，對節(jié)點的立體構(gòu)成缺乏概念，參考設(shè)計實例照舊繪制，說不出基本原理，考慮不到實際制作、安裝過程中將要遇到的問題。并且在鋼結(jié)構(gòu)原理學(xué)習(xí)過程中，所掌握和接觸到的節(jié)點連接方式非常有限，選用的范圍存在局限性。

3.完善和提高方法

3.1鋼結(jié)構(gòu)教學(xué)計劃

鋼結(jié)構(gòu)教學(xué)計劃中，教學(xué)總學(xué)時是敏感的問題，如何利用有限的教學(xué)時間讓學(xué)生有效地掌握大綱要求的內(nèi)容，是教師需要解決的一大難題[4]。必須在不增加學(xué)識、不違背教學(xué)大綱的前提下，對教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法進行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整和改進。通過對整個鋼結(jié)構(gòu)教學(xué)過程分析認(rèn)為，為了適應(yīng)目前鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展和應(yīng)用趨勢，在原有的教學(xué)時間中調(diào)劑出4-6學(xué)時，利用這些時間補充進去新的鋼結(jié)構(gòu)體系基礎(chǔ)理論和應(yīng)用基礎(chǔ)是可以做到的。在鋼結(jié)構(gòu)原理學(xué)習(xí)過程中調(diào)劑2-3學(xué)時，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計學(xué)習(xí)過程中調(diào)劑2-3時較為合理。

3.2鋼結(jié)構(gòu)原理學(xué)習(xí)

已經(jīng)提到，鋼結(jié)構(gòu)連接學(xué)習(xí)內(nèi)容中，沒有新結(jié)構(gòu)體系節(jié)點連接內(nèi)容，關(guān)鍵問題是怎樣從原有教學(xué)課時安排中調(diào)劑出2-3學(xué)時，并且怎樣利用這2-3學(xué)時，有效的補充適合于本科生階段掌握的新的結(jié)構(gòu)體系相關(guān)內(nèi)容。詳細(xì)分析鋼結(jié)構(gòu)原理學(xué)習(xí)內(nèi)容和學(xué)時安排發(fā)現(xiàn)，有部分教學(xué)內(nèi)容存在重復(fù)，例如鋼結(jié)構(gòu)材料絕大部分內(nèi)容已經(jīng)在土木工程材料課程中詳細(xì)講過，不必要在這里重復(fù)講，還有對個別內(nèi)容，例如鋼粱加勁肋設(shè)置和設(shè)計計算部分，對本科學(xué)習(xí)角度所占內(nèi)容比重太大。所以認(rèn)為這些方面認(rèn)真調(diào)整，調(diào)劑出2-3學(xué)時是可以的。按結(jié)構(gòu)體系分析理論和力學(xué)分析計算角度來說，新的鋼結(jié)構(gòu)體系理論和分析過程，都要通過復(fù)雜的非線性分析和有限元分析，本科學(xué)習(xí)角度掌握和理解存在很大的難度。所以掌握體系分析理論角度去努力是不客觀的。但是把分析結(jié)果反映到相應(yīng)節(jié)點上以后理解和掌握起來比較容易。因為分析過程再復(fù)雜的結(jié)構(gòu)體系，其桿件節(jié)點部位連接原理基本都包括在焊縫連接和螺栓連接范疇，基本原理是相同的，所以切入點放在新的節(jié)點形式和受力特點（計算結(jié)果），補充到原有鋼結(jié)構(gòu)原理教學(xué)內(nèi)容中，利用2-3學(xué)時掌握其基礎(chǔ)理論和原理是切實可行的有效方法。

3.3鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計

鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計是整個鋼結(jié)構(gòu)教學(xué)過程和專業(yè)基礎(chǔ)課程的綜合過程，首先需要通過基礎(chǔ)理論把實際鋼結(jié)構(gòu)建筑轉(zhuǎn)換成便于力學(xué)分析的計算模型，并且通過荷載計算和荷載組合把實際荷載施加到計算模型上，通過進行力學(xué)計算得到的內(nèi)力，最后進行桿件截面設(shè)計和相應(yīng)節(jié)點設(shè)計。這一學(xué)習(xí)過程中，設(shè)計計算和施工圖繪制最詳細(xì)的（包括計算實例）結(jié)構(gòu)體系，一直選用了桁架式角鋼屋架，而對目前實際鋼結(jié)構(gòu)工程中應(yīng)用最廣泛的輕型鋼結(jié)構(gòu)門式剛架體系，以設(shè)計計算基本原理角度安排在教學(xué)過程，沒有詳細(xì)的設(shè)計計算實例，認(rèn)為把桁架式角鋼屋架設(shè)計計算和設(shè)計內(nèi)容替換為實際應(yīng)用最廣泛的簡單的輕型鋼結(jié)構(gòu)門式剛架設(shè)計計算和施工圖紙繪制內(nèi)容為最適合。鋼結(jié)構(gòu)課程設(shè)計是鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計學(xué)習(xí)過程中的非常重要的實踐性教學(xué)環(huán)節(jié)，以往情況來看，同學(xué)們開始進行課程設(shè)計時，對鋼結(jié)構(gòu)實際結(jié)構(gòu)體系了解很少，基本接觸不到鋼結(jié)構(gòu)制作、安裝具體過程，所以對課程設(shè)計對象沒有完整的立體概念。認(rèn)為課程設(shè)計開始時，需要安排2-3學(xué)時，模型觀摩和制作、安裝視頻教學(xué)，讓同學(xué)們設(shè)計之前了解和掌握鋼結(jié)構(gòu)體系的實際基本構(gòu)成。課程設(shè)計選題方面給同學(xué)們提供適當(dāng)?shù)倪x擇空間，避免全靠教科書計算實例和設(shè)計實例現(xiàn)象。

4.實際應(yīng)用效果

根據(jù)以上的研究基礎(chǔ)，教研組從2009年開始，在不增加教學(xué)課時的前提下，對部分的鋼結(jié)構(gòu)教學(xué)計劃和內(nèi)容進行了適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。鋼結(jié)構(gòu)原理學(xué)習(xí)過程中，調(diào)劑出2學(xué)時，在鋼結(jié)構(gòu)連接教學(xué)內(nèi)容中補充了管桁架結(jié)構(gòu)和索網(wǎng)結(jié)構(gòu)中常用的兩個節(jié)點計算原理，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計教學(xué)過程中，從參考資料中選擇了簡單的單層單跨門式剛架，組織進行了詳細(xì)的教學(xué)，包括荷載計算及組合、力學(xué)計算、截面設(shè)計、施工圖繪制等（替代了角鋼桁架部分）。課程設(shè)計實踐教學(xué)過程中，開始之前組織安排了當(dāng)?shù)匾?guī)模較大的鋼結(jié)構(gòu)制作車間參觀學(xué)習(xí)，還安排了模型觀摩和安裝視頻觀摩教學(xué)。課程設(shè)計選題方面為了發(fā)揮學(xué)生的主動性，提供了3個課程設(shè)計方向（鋼平臺、簡單鋼框架、簡單門式剛架）。

為了了解改進后的實際教學(xué)效果，教研組從2011年下半年開始，通過不同渠道對12名畢業(yè)生（6名2009年以前畢業(yè)生、6名2010年以后畢業(yè)生）進行了實際調(diào)查，調(diào)查了解大學(xué)本科土木工程學(xué)習(xí)過程中掌握的鋼結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)知識在實際工作過程中適應(yīng)情況。這12名畢業(yè)生從事于設(shè)計院、施工企業(yè)、工程管理部門等不同的領(lǐng)域，在調(diào)查過程中發(fā)現(xiàn)除了一名2010年畢業(yè)生外，其他同學(xué)都不同程度的接觸到了鋼結(jié)構(gòu)實際工程項目（絕大部分為新的結(jié)構(gòu)體系）。調(diào)查過程中2009年以前畢業(yè)的同學(xué)們說出了實話，參加實際工作過程中第一次接觸倒鋼結(jié)構(gòu)工程時，摸不著頭緒好像跟課堂上學(xué)的情況完全不同的感覺，雖然有豐富實際工程經(jīng)驗的老工程師熱心教會和指導(dǎo)，但心里總是在想大學(xué)課堂中學(xué)的東西跟實際工程相差太大。但這些畢業(yè)生也承認(rèn)，過了艱苦的一年多的學(xué)習(xí)和適應(yīng)過程后發(fā)現(xiàn)，在大學(xué)學(xué)習(xí)過程中稍微擠出時間學(xué)習(xí)和接觸實際工程應(yīng)用和發(fā)展情況，不會出現(xiàn)這種非常困難局面。跟2010年以后畢業(yè)生的調(diào)查過程中發(fā)現(xiàn)，第一次接觸鋼結(jié)構(gòu)實際工程，學(xué)習(xí)和適應(yīng)過程有一定難度，但覺得不那么陌生，特別高興地告訴我們經(jīng)過調(diào)整和補充的鋼結(jié)構(gòu)教學(xué)內(nèi)容對他們的影響和感受較深。

5.結(jié)束語

從發(fā)達國家的建筑發(fā)展歷程和中國建筑行業(yè)發(fā)展情況來看，鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展還有較大空間，我們要清楚地認(rèn)識到鋼結(jié)構(gòu)市場人才數(shù)量的需求越來越多，對人才質(zhì)量的要求越來越高[5]。教學(xué)改革是永恒的主題，在高等教育大發(fā)展的今天，教師應(yīng)改變傳統(tǒng)的教學(xué)模式[6]，要繼續(xù)捉住本領(lǐng)域的發(fā)展趨勢，及時更新教學(xué)內(nèi)容，積極創(chuàng)新教學(xué)方法，使學(xué)生能夠掌握最新的行業(yè)動態(tài)，并儲備扎實的理論基礎(chǔ)，為今后從事鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)業(yè)的相關(guān)工作打好基礎(chǔ)。

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