基于大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽的建筑結(jié)構(gòu)課程教學(xué)改革

雷文凱 張金團(tuán) 曾小雪 李松

摘要：大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽考查了學(xué)生對建筑結(jié)構(gòu)課程知識的掌握程度，同時反映出當(dāng)前課程教學(xué)存在的一些問題。開展基于大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽的建筑結(jié)構(gòu)課程教學(xué)改革，可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和動手協(xié)作能力，有效改善課程教學(xué)的質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽；建筑結(jié)構(gòu)課程；教學(xué)改革

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）30-0117-02

建筑結(jié)構(gòu)課程是土建類學(xué)生必修的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，建筑構(gòu)造做法煩瑣，結(jié)構(gòu)設(shè)計理論抽象，而學(xué)生對建筑結(jié)構(gòu)的認(rèn)知較淺，如果僅靠單一的課堂講授，將很難引發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣和積極性，也難以達(dá)到好的教學(xué)效果，采用新的教學(xué)手段和方式是當(dāng)務(wù)之急。近年來隨著學(xué)科專業(yè)競賽的不斷開展，面向?qū)W科競賽的教學(xué)手段和方法被引入到各專業(yè)的日常教學(xué)之中，與之相應(yīng)的教學(xué)改革措施和人才培養(yǎng)模式也相繼出臺。大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽是土建類專業(yè)最重要的一項學(xué)科競賽，在給定的規(guī)則和要求下設(shè)計理論方案，并通過團(tuán)隊協(xié)作制作出實際的結(jié)構(gòu)模型。開展基于大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽（簡稱大賽）的建筑結(jié)構(gòu)課程教學(xué)改革，對提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和增強學(xué)生的綜合能力具有重要的意義。

一、大賽對建筑結(jié)構(gòu)課程相關(guān)知識的要求

大賽的選題與建筑結(jié)構(gòu)理論和工程實際緊密聯(lián)系，以往賽題規(guī)定的結(jié)構(gòu)形式包括多層建筑、橋梁、混凝土模板支架等，模型制作材料有白卡紙、木頭、竹片、蠟線等。參賽學(xué)生需要在賽題要求的結(jié)構(gòu)形式、結(jié)構(gòu)尺寸、荷載作用方式下，利用給定的材料制作出最優(yōu)的結(jié)構(gòu)模型，并提交完整的理論計算書和詳細(xì)的方案說明。評分標(biāo)準(zhǔn)為結(jié)構(gòu)選型、加載表現(xiàn)、制作工藝、方案書質(zhì)量等。大賽全面考察了學(xué)生綜合運用建筑結(jié)構(gòu)學(xué)科理論知識解決實際問題的能力。

1.材料和構(gòu)件的力學(xué)性能。大賽所用材料雖然與實際的建筑材料有差異，但在結(jié)構(gòu)設(shè)計原理和破壞形式方面卻是相同的，只有充分認(rèn)識了材料和構(gòu)件的力學(xué)性能，才能設(shè)計出較優(yōu)的結(jié)構(gòu)模型。在實際的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計時，要熟悉鋼筋、混凝土以及鋼筋混凝土構(gòu)件的力學(xué)參賽和受力特征，同樣，在大賽結(jié)構(gòu)方案設(shè)計時，要對所給材料及相應(yīng)構(gòu)件的力學(xué)性能進(jìn)行測試，以便選擇合理的構(gòu)件截面和結(jié)構(gòu)型式。以白卡紙材料為例，它的拉強度為22Mpa左右、抗壓強度為7Mpa左右，并有順紋和逆紋之分，為最大程度地降低模型自重，可根據(jù)結(jié)構(gòu)的受力特征，采用受力最為合理的構(gòu)件形式，有效發(fā)揮材料的作用。

2.結(jié)構(gòu)認(rèn)知。大賽只限定了結(jié)構(gòu)類型，具體結(jié)構(gòu)型式由參賽隊伍自定，學(xué)生有較大的發(fā)揮空間，但必須理解一定的結(jié)構(gòu)概念，并對結(jié)構(gòu)體系有較深的認(rèn)知，因為大賽重在考查結(jié)構(gòu)體系在保證安全前提下的經(jīng)濟(jì)合理性，在各種級別的大賽中，模型質(zhì)量和剛度在評分中占有很大比重，取得好名次的模型一般結(jié)構(gòu)布置簡單、傳力路徑明確、質(zhì)量較輕、剛度相對較高、力學(xué)性能發(fā)揮到極致，而造型復(fù)雜、外形新穎、注重美觀的模型往往難以取得較好的成績。在結(jié)構(gòu)選型時既要考慮承載力要求，又要滿足剛度要求，還需注意結(jié)構(gòu)里的薄弱部位，這些與結(jié)構(gòu)認(rèn)知程度密切相關(guān)，并直接關(guān)乎到結(jié)構(gòu)模型的加載表現(xiàn)，是大賽中最重要的一個環(huán)節(jié)。

3.結(jié)構(gòu)計算。結(jié)構(gòu)選型是一個逐步優(yōu)化的過程，初步型式確定后，還需根據(jù)賽題要求、荷載作用方式和桿件形式進(jìn)行理論計算，作進(jìn)一步的優(yōu)化。要想得到最優(yōu)的結(jié)構(gòu)，需明確結(jié)構(gòu)體系的傳力路徑和桿件的受力特征，合理利用材料，更換構(gòu)件截面形式，在結(jié)構(gòu)設(shè)計基本原理基礎(chǔ)上，借助有限元分析軟件進(jìn)行反復(fù)計算，不斷優(yōu)化。在估算結(jié)構(gòu)的承載能力時，參賽選手也需具備一定的結(jié)構(gòu)計算分析能力。

4.結(jié)構(gòu)試驗。理論分析只能得到結(jié)構(gòu)在理想狀態(tài)下的內(nèi)力，難以準(zhǔn)確模擬結(jié)構(gòu)的實際情況。理論模型與實際模型相比，存在一些尺寸誤差、節(jié)點模擬誤差、應(yīng)力損失、受力情況不同等差異，需要通過結(jié)構(gòu)模型試驗來準(zhǔn)確確定模型的承載能力和加載表現(xiàn)。對正式比賽時的結(jié)構(gòu)模擬得越真實，結(jié)構(gòu)試驗所起的作用越大。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)試驗時，還需留意意模型的加載反應(yīng)和節(jié)點的受力狀態(tài)，從不同型式的結(jié)構(gòu)模型中，選出承載能力高、加載反應(yīng)好的結(jié)構(gòu)方案。結(jié)構(gòu)試驗是改善結(jié)構(gòu)選型方案、提高模型制作質(zhì)量所必備的一項能力。

二、大賽反映當(dāng)前建筑結(jié)構(gòu)課程教學(xué)存在的問題

大賽考查了學(xué)生的理論水平和創(chuàng)新能力，檢驗了學(xué)校的師資力量和課程建設(shè)質(zhì)量。在大賽的準(zhǔn)備和參與過程中，當(dāng)前建筑結(jié)構(gòu)課程教學(xué)存在的問題很快被反映出來。

1.教學(xué)手段單調(diào)。建筑結(jié)構(gòu)課程理論性強，含有很多抽象的建筑術(shù)語、力學(xué)分析、公式應(yīng)用等內(nèi)容，傳統(tǒng)的教學(xué)以課堂講解為主，注重基本概念的解釋和計算方法的演示，教學(xué)手段單一，內(nèi)容枯燥，課堂缺乏活力。特別是對應(yīng)用型本科學(xué)校的學(xué)生來說，工程基礎(chǔ)差，結(jié)構(gòu)認(rèn)知較淺，如果僅聽傳統(tǒng)的課堂講解，將很難引發(fā)他們對建筑結(jié)構(gòu)課程的學(xué)習(xí)興趣和積極性，不能達(dá)到理想的教學(xué)效果。

2.教學(xué)內(nèi)容缺乏針對性。雖然大部分參賽學(xué)生都學(xué)習(xí)過建筑結(jié)構(gòu)課程，但在設(shè)計結(jié)構(gòu)方案時依然沒有清晰的思路，缺乏結(jié)構(gòu)體系的概念設(shè)計意識，不能設(shè)計出一個受力合理、傳力簡潔的結(jié)構(gòu)型式。這表明，當(dāng)前建筑結(jié)構(gòu)課程的教學(xué)缺乏針對性，與結(jié)構(gòu)體系相關(guān)的知識點幾乎沒有涉及。如何針對現(xiàn)實結(jié)構(gòu)里的結(jié)構(gòu)體系概念講解建筑結(jié)構(gòu)課程中的構(gòu)件理論，是當(dāng)前教學(xué)存在的一大問題。

3.理論教學(xué)與實踐脫節(jié)。實踐環(huán)節(jié)是建筑結(jié)構(gòu)課程教學(xué)中的一項重要內(nèi)容，當(dāng)前建筑結(jié)構(gòu)課程的實踐部分主要采用課程設(shè)計的形式，要求學(xué)生運用結(jié)構(gòu)課程中的相關(guān)理論，查找規(guī)范，套用公式，設(shè)計出符合某些條件的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，其實質(zhì)仍然是課本理論的簡單重復(fù)。學(xué)生缺乏對實際結(jié)構(gòu)的整體認(rèn)識，也沒有相應(yīng)的結(jié)構(gòu)模型作為依托，造成實踐教學(xué)與理論的嚴(yán)重脫節(jié)。

4.考核方式單一。當(dāng)前建筑結(jié)構(gòu)課程的考核一般包括理論考試和實踐考核兩個部分。在這種評價方式下，大部分學(xué)生即使取得較好的成績，但在大賽中，卻不能設(shè)計出合理的結(jié)構(gòu)型式、撰寫出優(yōu)秀的方案書，學(xué)生利用所學(xué)知識解決實際問題的能力還非常欠缺，說明當(dāng)前的課程考核方式過于單一，不利于學(xué)生實踐能力、綜合素質(zhì)的提高。

三、大賽對建筑結(jié)構(gòu)課程教學(xué)改革的啟示

1.采用多種形式的教學(xué)手段。建筑結(jié)構(gòu)課程內(nèi)容較為抽象，最好采取形象化教學(xué)手段，利用三維數(shù)字教學(xué)模型和實際結(jié)構(gòu)模型，讓學(xué)生對理論知識有直觀感受，并借助工程圖紙、實例照片、flash動畫等做生動的詮釋，避免單一教學(xué)手段給學(xué)生帶來的疲勞效應(yīng)。可以仿照大賽模型制作的方式，在課堂上制作鋼筋結(jié)構(gòu)模型和節(jié)點構(gòu)造模型，在制作過程中進(jìn)行相關(guān)理論的講解，將枯燥的知識生動化，既降低了學(xué)習(xí)的難度，又激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。還可以創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺，在平臺上開展互動教學(xué)、案例教學(xué)，對傳統(tǒng)教學(xué)進(jìn)行補充和優(yōu)化。

2.有針對性地調(diào)整教學(xué)內(nèi)容。教學(xué)內(nèi)容應(yīng)根據(jù)學(xué)生對建筑結(jié)構(gòu)知識的需求做相應(yīng)調(diào)整。對于參加大賽的學(xué)生，教師應(yīng)從結(jié)構(gòu)體系的角度闡釋結(jié)構(gòu)概念設(shè)計，改變傳統(tǒng)的只重視基本的結(jié)構(gòu)構(gòu)件而輕視結(jié)構(gòu)整體性的教學(xué)方式，幫助學(xué)生從總體上熟悉結(jié)構(gòu)設(shè)計概念、理解結(jié)構(gòu)設(shè)計原理，并比較傳統(tǒng)建筑材料與大賽所用材料的異同點，通過對比，加強學(xué)生運用所學(xué)知識解決實際問題的能力。同時，教師應(yīng)注意到，土建不同專業(yè)學(xué)生的從業(yè)目標(biāo)不一樣，他們對建筑結(jié)構(gòu)知識的需求也不相同，如土木工程專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)建筑結(jié)構(gòu)的重點是結(jié)構(gòu)設(shè)計原理和方法，工程管理專業(yè)學(xué)生的學(xué)習(xí)重點是建立工程概念，建筑學(xué)專業(yè)學(xué)生的學(xué)習(xí)重點是了解建筑結(jié)構(gòu)中的力學(xué)概念。

3.加強實踐教學(xué)環(huán)節(jié)。突破傳統(tǒng)的以課程設(shè)計為主的實踐教學(xué)模式，仿照大賽的流程，以應(yīng)用能力培養(yǎng)為主要目標(biāo)，構(gòu)建以力學(xué)試驗、紙質(zhì)模型、鋼筋模型、數(shù)字模型、工程案例為基礎(chǔ)的實踐教學(xué)體系，使其具有“驗證、綜合、創(chuàng)新”的三大功能。采用“教、學(xué)、做”一體化的教學(xué)模式，讓學(xué)生在構(gòu)件試驗和實體模型制作中形成結(jié)構(gòu)體系概念，體驗課程學(xué)習(xí)的樂趣；在數(shù)字模型制作和模擬分析中，體會結(jié)構(gòu)的奧妙，拓展空間思維能力；在模型講解和案例分析中了解理想結(jié)構(gòu)和實際結(jié)構(gòu)之間的區(qū)別及簡化方式，提高創(chuàng)造力和想象力。

4.在課程考核中引入大賽機(jī)制?？己耸钦n程教學(xué)的一個重要環(huán)節(jié)，它的得當(dāng)與否會影響到教學(xué)評價情況和學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。大賽的形式是參賽組在相同場地、時間內(nèi)，根據(jù)給定材料和規(guī)則，小組成員之間相互配合，制作出符合要求的結(jié)構(gòu)模型，根據(jù)評委打分和加載表現(xiàn)進(jìn)行評比。采用這種形式的考核，可以有效考查學(xué)生的理論掌握程度、實踐動手能力及團(tuán)隊協(xié)作能力。大賽的評分標(biāo)準(zhǔn)是結(jié)構(gòu)選型情況、模型制作工藝、方案書制作質(zhì)量和模型加載表現(xiàn)。參賽組要想取得好的成績，需要綜合考慮多方面的因素。課程考核中引入大賽評分機(jī)制，可以培養(yǎng)學(xué)生積極鉆研、耐心細(xì)致、思考全面的品質(zhì)。

四、結(jié)語

大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計大賽反映了當(dāng)前建筑結(jié)構(gòu)課程教學(xué)存在的一些問題，也極大地促進(jìn)了課程的改革與建設(shè)。通過對本校工程管理專業(yè)近一個學(xué)期的該課程教學(xué)改革，發(fā)現(xiàn)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、實踐動手能力、溝通協(xié)作能力較往屆有很大的提高。然而大賽題目每年都會變化，且難度普遍較大，如何尋找大賽的切入點，并總結(jié)相關(guān)規(guī)律，是建筑結(jié)構(gòu)課程教學(xué)改革的難點，需要進(jìn)一步研究探討。

參考文獻(xiàn)：

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