鋼結構課程教學內容和方法的改革

余衛(wèi)華+史姣+李宗利

doi：10.11835/j.issn.1005-2909.2014.01.013

收稿日期：2013-10-14

作者簡介：余衛(wèi)華（1976-），女，西北農林科技大學水利與建筑工程學院講師，碩士，主要從事結構工程方面的研究，（E-mail）yuweihua@nuzsuaf.edu.cn。

摘要：文章在分析土木工程專業(yè)鋼結構課程特點及教學現狀的基礎上，提出對鋼結構課程教學內容和教學方法的改革思路，旨在充分挖掘學生潛力，激發(fā)學生學習興趣，提高鋼結構課程的教學效果。

關鍵詞：鋼結構；教學方法；教學內容；教學研究

中圖分類號：G642.0；TU391 文獻標志碼：A 文章編號：1005-2909（2014）01-0054-04

隨著中國鋼產量的快速增長，以及鋼結構制造水平和施工技術的提高，鋼結構課程在土木工程專業(yè)中的重要性日益突出， 這也對鋼結構課程的教學及人才培養(yǎng)提出了更高的要求。目前，用人單位如大型的建筑設計院、建筑施工單位、科研院所等，要求土木工程專業(yè)學生在鋼結構方面不僅要具備扎實的專業(yè)知識， 還要具備較強的實踐能力和創(chuàng)新能力。為適應社會對鋼結構人才的需求，必須對鋼結構課程的教學內容和教學方法進行改革，以培養(yǎng)具有扎實的專業(yè)知識和較強創(chuàng)新能力的人才[1]。

一、鋼結構課程的特點及教學現狀

鋼結構課程具有內容豐富、涉及面廣、構造形式復雜、與工程實際聯系密切、工程應用性強等特點。學生要學好這門課，必須具有扎實的材料力學、結構力學、結構穩(wěn)定理論等專業(yè)基礎知識；同時還要了解鋼結構的有關規(guī)范。在大多數院校鋼結構課程只有50～60課時，有些院校的課時更少，筆者所在學校的鋼結構課程只有40學時，部分院校甚至將鋼結構課程設置成專業(yè)選修課，而混凝土結構課程一般都有80學時以上，而且基本上都是專業(yè)必修課程，這從一個側面反映了目前中國高等院校在土木工程專業(yè)教學中仍是“重混凝土，輕鋼結構”。這種課程設置，促使學生把大量的精力用在學習混凝土結構上，對鋼結構課程投入的學習時間和精力就較少。

筆者在多年的教學實踐中感到，鋼結構課程是學生反映較難掌握的一門課程。該門課程的公式、圖表、規(guī)范條文較多，具有很強的綜合性、技術性和應用性。既有理論推導，又有實驗研究，同時又與相關規(guī)范和工程實際聯系密切。要學好鋼結構課程要求學生要有良好的力學基礎，并掌握一定結構穩(wěn)定的理論知識。目前學生接觸的大多數建筑物都是鋼筋混凝土結構，所以他們對混凝土結構有比較直觀的感性認識，而對鋼結構建筑比較陌生[2]。雖然在鋼結構課程教學中安排有參觀實習，但一般參觀實習的課時非常有限，這就使學生對鋼結構建筑的認識非常膚淺。因此，學生對鋼結構知識的學習興趣和接受程度都不如混凝土結構知識。如果學生在專業(yè)基礎課的學習中沒有打好一定的力學基礎，對結構穩(wěn)定理論的基本問題沒有理解透徹，學生在學習鋼結構課時就會感覺非常吃力，所以很多學生認為學習鋼結構這門課非常難；教師也覺得這門課不好教，因為這門課的內容以及公式計算圖表都較多，課時又少，要很好地完成教學任務，難度確實不小。

鋼結構課程教學現狀已經無法適應鋼結構行業(yè)的發(fā)展，相關專業(yè)大學畢業(yè)生的鋼結構知識和技能也無法滿足社會對鋼結構人才的需求，所以，對鋼結構課程進行教學改革勢在必行。

二、教學內容的改革

由于鋼結構課程課時較少，教學內容較多，涉及面廣，因此，教學中要精簡內容，突出重、難點知識，并結合工程實例進行講解，增加學生的學習興趣，培養(yǎng)學生的工程意識；同時，適當補充教材中沒有的“新”知識和學科前沿動態(tài)信息，以拓展學生視野。 總而言之，教學內容要遵循“少”、“寬”、“新”的原則。

1.“少”的原則

“少”就是要求精簡、優(yōu)化課程教學內容， 突出重點知識， 講透難點知識， 避免教學資源的浪費。如介紹鋼結構的材料性能、鋼結構的設計方法時，因為土木工程材料和鋼筋混凝土課程中已涉及鋼材的基本力學性能和各種因素對鋼材主要性能影響的問題，所以這部分內容可不講或少講。對鋼材的疲勞破壞性能、抗沖擊性能則可適當結合相關實驗詳細講授，特別是對復雜應力狀態(tài)下鋼材的屈服條件，正確選用鋼材，防止鋼結構產生脆性破壞的設計要求等內容應重點講解[3]。對鋼結構設計方法中有關結構的可靠性與可靠度的概念、結構設計的目的、荷載的分類及兩種極限狀態(tài)等內容，可以簡單回顧的方式講授，因為這些內容在混凝土結構課程中已有涉及。

2.“寬”的原則

精減鋼結構課程內容，并不是一味地減少教學內容，有些內容要減，有些內容則要 “加”。“加”的內容主要是為拓寬教學內容的適應面。因為鋼結構課程教學的一項基本任務是培養(yǎng)學生的工程綜合能力，所以這就要求教師在安排教學內容時應注意拓寬知識面， 適當補充教材上沒有的教學內容， 增強學生畢業(yè)后從事相關實際工作的適應性。比如鋼結構與混凝土組成的混合結構、輕鋼結構等內容教材涉及較少，而其工程實用性又較強，所以應適當補充工程結構方面的教學內容。

3.“ 新”的原則

“新”是指教學內容要體現本學科科學研究和工藝、技術改進的新信息和最新成果， 充分反映學科前沿的動態(tài)， 注重對學生創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。在鋼結構課程講授過程中，可簡單介紹一些現代設計新方法和新技術。如：鋼壓彎構件截面優(yōu)化設計方法，門式剛架輕型房屋鋼結構的設計方法等。

三、教學方法的改革

1.啟發(fā)式和討論式教學法

為了避免“灌輸式”的教學，教師應根據教學內容精心設計問題，引導學生帶著問題去聽課，這樣的教學效果會大大好于滿堂“灌輸式”的教學。教師提出問題后，先讓學生自己思考、分析并提出解決問題的辦法。對學生不能分析、解決的問題，可組織學生討論，教師再進行必要的啟發(fā)和指導。比如在講梁的整體穩(wěn)定臨界應力的影響因素時，教師可先提出問題，引導學生從梁整體穩(wěn)定臨界應力的公式出發(fā)，利用已掌握的結構穩(wěn)定的知識進行分析。在學生分析問題的過程中教師可進一步啟發(fā)學生：荷載作用位置也是影響梁整體穩(wěn)定臨界應力的因素。通過啟發(fā)，引導學生自己思考，最終得出相關的結論。學生是教學的主體，只有調動了學生的積極性、創(chuàng)造性，才能真正達到教學目的。

2.對比式教學法

一般而言，混凝土課程是先修的專業(yè)課，教師在教授鋼結構課程時，可以對比這兩種結構的優(yōu)缺點，比較兩種結構所用材料的區(qū)別，加強學科或知識點之間的聯系，并突出鋼結構知識的重點。比如教師在講鋼梁設計時可對鋼簡支梁和鋼筋混凝土簡支梁作一對比，鋼筋混凝土的簡支梁和鋼簡支梁，由于是兩種不同材料制成的梁，所以這兩種梁的破壞特點是不同的，梁和柱連接的做法也不同。對鋼筋混凝土梁來說，混凝土是抗壓強度較高而抗拉強度非常低的材料，混凝土的簡支梁在彎矩和剪力的作用下，構件在剪跨段將會出現過大的斜裂縫，出現斜截面破壞。為防止構件發(fā)生這種破壞，一般應在梁中配置腹筋（箍筋、彎起鋼筋）。但是對鋼梁來說，由于鋼材是抗拉強度和抗壓強度都較高的材料，梁腹板通常具有足夠的強度，但在腹板過薄的情況下可能出現梁腹板沿斜向被壓屈。為防止這種梁腹板被壓曲而導致的梁腹板局部失穩(wěn)，一般要按照一定的構造要求，設置橫向加勁肋，防止梁腹板的局部失穩(wěn)[3]。在學習鋼結構的軸心受力構件這部分內容時，可以比較混凝土結構的軸心受壓柱與軸心受壓的鋼柱滿足承載能力極限狀態(tài)的條件的不同?；炷两Y構的軸壓柱一般是因為材料的強度達到極限強度而破壞的，強度條件決定柱的承載力；而鋼結構中只有極短的柱或被孔洞削弱過多的柱因強度喪失承載力，一般來說，鋼柱的承載力往往是由穩(wěn)定條件決定的。通過這種對比式的教學，能進一步加深學生對鋼結構知識的認識。同時在對比中，引導學生自己提出問題，認真思考，找出出現問題的原因。

3.工程案例分析教學法

將典型工程實例作為教學案例，啟發(fā)學生思考，活躍課堂氣氛，加強師生間的交流互動，培養(yǎng)學生綜合分析問題和解決問題的能力。利用工程案例教學， 能更好地將理論知識與工程設計規(guī)范相結合， 避免傳統(tǒng)教學中講計算多、分析少、說理性差、脫離實際工程的傾向。特別是對工程破壞事故的分析，可培養(yǎng)學生的工程意識、工程思維和運用工程方法的習慣。比如在講各種因素對鋼材性能的影響時，可結合某工程事故進行分析。如1954年11月，英國制造的32 000 t油船——世界協(xié)和號，在海浪達4.5～6m高的大海中航行時船底斷裂。讓學生先自行分析發(fā)生這一事故的原因，再說明導致事故發(fā)生的原因：船的大部分板件未滿足沖擊韌性要求。再如講結構穩(wěn)定問題和屋架設計時，均可引入河北某廠鍛造車間23榀輕鋼大跨度屋架垮塌事故進行分析。此事故主要原因是屋架選型不對，屋架上弦斜梁未滿足整體穩(wěn)定的要求。在講焊縫質量對結構的影響時，可列舉2010年鄂爾多斯那達幕會場坍塌事故進行分析。結合工程事故分析，一方面能加深學生對所講問題的理解和記憶，另一方面能激發(fā)學生的學習興趣，使教學內容更加豐富和生動，避免了教師純理論的說教。同時學生也可以從典型的工程事故中，逐漸增強工程意識以及安全和責任意識，培養(yǎng)學生良好的職業(yè)道德和職業(yè)修養(yǎng)。

4.現場教學法

鋼結構課程是一門工程實踐性很強的課程，由于學生接觸鋼結構建筑物的機會較少， 對鋼結構制作和構件連接的了解十分有限。如果學生沒有很好的空間想象能力，很難把圖紙所表達的意思和實際的鋼結構建筑物對應起來，很難理解設計圖紙上所表示的鋼結構的具體連接、制作方法等問題。因此，在鋼結構教學中要增加現場教學的課時，使學生有更多的機會了解鋼結構建筑物，增加學生的感性認識，提高教學效果。所謂現場教學就是將課堂搬到工地、工廠，是教學內容最貼近工程實際的教學活動[4]。如梁、柱節(jié)點構造、鋼結構制造加工工藝、屋蓋結構等內容，教師在課堂上講這些內容時非常費力，因為僅通過語言描述和圖紙講解，學生并不能完全了解其具體做法，教學效果不理想。要使這些抽象的知識變得直觀化，就必須通過現場教學，將平面的印象空間化，才能達到事半功倍的效果。

5.抓重點，圍繞課程內容“主線”進行講解

由于鋼結構課程內容多，涉及面廣，在教學中更應該抓住課程重點，突出核心內容。鋼結構課程的學習是在分析鋼結構材料性能的基礎上，通過了解和掌握鋼結構連接的計算和構造要求，學習構件的設計方法，最后再學習鋼結構的整體設計。教學中，教師要給學生首先介紹這一學習“主線”，讓學生了解學習的層次和各部分知識的先后關聯，這是學好鋼結構課程的關鍵。穩(wěn)定問題是鋼結構構件設計中的重點，所以在講解構件設計相關內容時要圍繞穩(wěn)定的概念，對穩(wěn)定的影響因素及穩(wěn)定的計算和保證穩(wěn)定的構造措施等作重點講解。在構件設計中要把握“強度— 剛度—整體穩(wěn)定—局部穩(wěn)定”這條主線[5]。鋼結構的連接問題也是鋼結構課程教學的重點內容，在講解這部分內容時，要重點講解連接的計算及連接的構造要求等[6]。在教學中給學生講清楚連接計算的思路，比如在講解焊縫連接計算時，要讓學生搞清楚連接計算的思路，先找出焊縫截面作為研究對象，將各個力平移到焊縫截面的形心位置，再進行受力分析，分析各個力單獨作用下焊縫截面的應力，再通過應力的分析找出危險截面，再對危險截面進行強度校核。這樣學生在進行連接計算分析時，就能非常容易地掌握有關焊縫連接計算的問題 [6]。教師只有在課堂上真正抓住重點內容，圍繞課程內容主線講解，才能在課堂教學中有的放矢，達到理想的教學效果。

6.采用多維立體化的教學手段

針對鋼結構課程教學中普遍存在的內容復雜、信息量少、平面講解不易被學生真正理解的現象，教學中可以利用多媒體課件進行教學。為了進一步提高教學效果，教師需要制作高水平的多媒體課件，構建實物、模型、錄像、多媒體課件等多位一體的教學平臺。通過多媒體教學中的動畫、視頻，幫助學生更好地了解和掌握相關知識和內容。同時也可以激發(fā)學生的學習興趣。比如在介紹抗剪普通螺栓連接的幾種破壞形式時，教師可以通過動畫演示，使學生了解各種破壞發(fā)生的條件、破壞的類型。在講解軸心壓柱的整體穩(wěn)定和梁的整體穩(wěn)定時，通過動畫演示，讓學生更加直觀地掌握軸心受壓柱的幾種屈曲形態(tài)和梁的側向彎扭失穩(wěn)的形態(tài)。動畫的演示會取得一般傳統(tǒng)教學達不到的教學效果。同時，教師在備課時還可以收集有關建筑鋼結構知識的錄像資料，以及國內外有關鋼結構設計方面的圖像資料，作為備課的教學素材，將科技含量高的建筑鋼結構最新工程技術成果及有價值的教學材料及時引入課堂，拓展學生的知識面，增加課堂理論教學材料的綜合性和豐富性，滿足學生對建筑科學技術發(fā)展及應用的愛好和興趣。

四、結語

鋼結構作為最有活力的結構形式，具有巨大的發(fā)展?jié)摿褪袌鲂枨?。與此相適應社會需要大批高素質的鋼結構專業(yè)技術人員。高校作為培養(yǎng)鋼結構人才的主要機構，應該更加重視鋼結構人才的培養(yǎng)，更加重視鋼結構課程教學。正確對待當前鋼結構課程教學中存在的問題和不足， 對鋼結構課程進行教學改革不僅必要，而且應給予高度重視[7] 。同時，教師也應該積極改變傳統(tǒng)教學模式，對教學方法和教學內容等進行研究，努力探索一套適應現代鋼結構發(fā)展的鋼結構課程新的教學模式，使單調的專業(yè)課教學生動起來， 教與學互動起來， 教學效果也就自然會凸顯出來。

參考文獻：

[1]胡全安，陳升平.鋼結構課程實踐教學改革研究[J].新課程研究，2011（8）：89-91.

[2]陳新，李德建，馮吉利.鋼結構系列課程教學內容改革思考[J].高等建筑研究，2010，19（4）：63-67.

[3] 方恬. 鋼結構教學方法淺論[J].蘇州城市建設環(huán)境保護學院報，2002，4（2）：73-75.

[4] 方榮，李海濤. 以技能為核心開展鋼結構教學改革[J].浙江水利水電?？茖W校學報， 2007， 19（4）：85-87.

[5] 王曉菡.鋼結構課程的教學方法分析與探討[J].高等建筑教育，2009，18（3）：118-119.

[6] 吳建華.《鋼結構》教學改革探索與“流水線法”[J].浙江科技學院學報， 2004，16（4）：284-286.

[7] 鄧夕勝，董事爾.鋼結構教學改革探討[J].高教論壇， 2008，10 （5）：167-169.

Reform of teaching contents and teaching methods of the steel structure course

YU Weihua， SHI Jiao， LI Zongli

（College of Water Resources and Architectural Engineering， Northwest A&F University， Yangling 712100， P. R. China）

Abstract： Based on the analysis of characteristics of steel structure course of civil engineering specialty and current teaching situation， we put forward the reform of teaching contents and teaching methods of steel structure course to fully tap students potential， stimulate their interest in study， and improve the teaching effect.

Keywords： steel structure； teaching methods； teaching contents； teaching research

（編輯 王 宣）