鋼結(jié)構(gòu)課程的單元練習與課程設(shè)計一體化改革與實踐

摘要：文章分析了傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)課程教學方法和課程設(shè)計方案存在的缺點，提出了將單元練習與課程設(shè)計一體化的理念，并給出了“一生一題”的具體實施方案。改革方案具有翻轉(zhuǎn)課堂的特點，符合建構(gòu)主義學習理論特點。實踐表明，采用改革后的方案，使學生從整體上把握了課程的知識體系，理解了各章節(jié)知識可解決的實際問題，因而學習目標明確，學習積極性高，同時有效培養(yǎng)了學生獨立思考、分析和解決實際問題的能力，提高了培養(yǎng)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu)；課程設(shè)計；翻轉(zhuǎn)課堂；大眾化教育；教學改革

中圖分類號：G642.3；TU391 文獻標志碼：A 文章編號：1005-2909（2016）05-0062-05

一、傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)課程教學方法及課程設(shè)計方案存在的缺點

鋼結(jié)構(gòu)課程是土木工程專業(yè)的一門重要專業(yè)技術(shù)課。在發(fā)達國家，鋼結(jié)構(gòu)早在20世紀30年代就有了較廣泛的應(yīng)用，而在我國，直到改革開放以后，特別是加入WTO以后，鋼結(jié)構(gòu)的研究和應(yīng)用才有了較大的發(fā)展。進入21世紀后，我國的建筑行業(yè)及交通運輸?shù)刃袠I(yè)都得到了顯著發(fā)展，高層和超高層建筑、重型工業(yè)廠房、大跨度橋梁等如雨后春筍般出現(xiàn)。不僅如此，輕型鋼結(jié)構(gòu)房屋也得到了迅速的發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)住宅得到了人們的關(guān)注和一定程度的發(fā)展[1]。但與鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)的迅速發(fā)展不相協(xié)調(diào)的現(xiàn)象是：高校畢業(yè)生特別是普通二本院校土木工程專業(yè)的學生，畢業(yè)后不能適應(yīng)工作的需要。因為鋼結(jié)構(gòu)課程（也包括其他結(jié)構(gòu)課程）一直以來采用的是傳統(tǒng)的教學方法，即按照鋼結(jié)構(gòu)課程的內(nèi)容體系，把鋼結(jié)構(gòu)的材料、連接和基本構(gòu)件等內(nèi)容講完后，布置一個鋼屋架的課程設(shè)計。這樣的教學方法，存在如下缺點：

第一，學生學習的各單元知識是相對獨立的，各單元的例題和習題也相互獨立，其中的數(shù)據(jù)是編排例題和習題時“編”出來的，學生不知道這些數(shù)據(jù)是隨意給出，還是來源于工程實例，也不清楚例題、習題中的計算方法與實際工程設(shè)計是否一致。因而學習目標不明確，不知道學習后能解決什么實際問題。同時，由于鋼結(jié)構(gòu)課程與力學課程聯(lián)系緊密，計算麻煩，工程實例又少，學生普遍認為鋼結(jié)構(gòu)課程難學，缺乏學習積極性，有些學生甚至采取了放棄的態(tài)度。

第二，各單元練習中的荷載和內(nèi)力，與課程設(shè)計中的荷載和內(nèi)力等數(shù)據(jù)是沒有聯(lián)系的，各單元練習題中的設(shè)計計算與課程設(shè)計中的設(shè)計計算無關(guān)聯(lián)，學生不能正確掌握計算方法，對構(gòu)造措施的理解也不到位，因而不能用所學的知識來有效地解決實際工程問題。

第三，由于門式鋼架輕型鋼結(jié)構(gòu)房屋有許多優(yōu)點，在單層工業(yè)廠房及物流倉儲中得到了廣泛應(yīng)用，而鋼屋架的結(jié)構(gòu)體系目前應(yīng)用很少，布置鋼屋架的課程設(shè)計已不能適應(yīng)實際工程的需要。

所以，傳統(tǒng)的課程設(shè)計方案不能對學生進行有效的訓練，學生畢業(yè)后不能適應(yīng)專業(yè)技術(shù)工作的需要。

二、單元練習與課程設(shè)計一體化的概念

如前所述，在鋼結(jié)構(gòu)課程傳統(tǒng)的教學內(nèi)容及教學方法中，存在三方面的缺點，不利于教學質(zhì)量的提高和學生將來的發(fā)展，因此有必要對教學內(nèi)容和教學方法進行改革。為了使學生在學習時，對課程內(nèi)容有一個整體的認識和把握，明確各章節(jié)知識能解決的實際問題，并使各單元的練習既相互聯(lián)系，又有連續(xù)性，需要找到一個合適的載體，兼顧以上內(nèi)容，并能實現(xiàn)以上目的。教學實踐表明，單元練習與課程設(shè)計一體化，可以很好地解決上述問題。所謂單元練習與課程設(shè)計一體化，就是通過選擇合適的課程設(shè)計方案，并將其設(shè)計計算內(nèi)容分解為幾個部分，使不同部分與課程不同單元的內(nèi)容相對應(yīng)，每一單元的練習對應(yīng)解決課程設(shè)計中一部分的設(shè)計內(nèi)容。當課程內(nèi)容的學習完成時，課程設(shè)計也完成了。

三、單元練習與課程設(shè)計一體化的實施方案

（一）課程設(shè)計方案的選擇

要實現(xiàn)單元練習與課程設(shè)計的一體化，課程設(shè)計方案要滿足以下要求：首先，選擇的課程設(shè)計方案，既結(jié)合工程實際，又能讓學生進行手算。其次，能將課程設(shè)計內(nèi)容分解為幾個部分，且每一部分的設(shè)計計算內(nèi)容能與鋼結(jié)構(gòu)課程的內(nèi)容體系相一致。第三，學生在學完鋼結(jié)構(gòu)的材料和連接內(nèi)容后，能進行課程設(shè)計。第四，學生在學習軸心受力構(gòu)件、受彎構(gòu)件的內(nèi)容時，其單元練習題就是課程設(shè)計中的柱、梁的設(shè)計。第五，學生在學習柱腳、柱頭的相關(guān)內(nèi)容時，能以課程設(shè)計中的相關(guān)內(nèi)容進行設(shè)計計算。第六，能將不同階段的設(shè)計計算結(jié)果匯總，形成完整的設(shè)計計算書。第七，能依據(jù)各部分的設(shè)計結(jié)果，繪制施工圖，完成課程設(shè)計。

雖然門式鋼架輕型鋼結(jié)構(gòu)房屋目前在單層工業(yè)廠房，以及物流倉儲中得到了廣泛的應(yīng)用，但由于其采用的是變截面梁、柱的結(jié)構(gòu)體系，不能滿足學生手算的要求，所以不適于課程設(shè)計。而鋼制的工作平臺是工礦企業(yè)常用的一種結(jié)構(gòu)形式，如鋼結(jié)構(gòu)制造廠中的構(gòu)件制作平臺，選礦企業(yè)的礦石破碎操作平臺，大型機械制造廠中的零件加工、制作平臺，混凝土攪拌站中的攪拌系統(tǒng)的工作平臺等。從廣義上講，石油鉆井平臺也是一種工作平臺，只是它的工況更復(fù)雜，要求更高，功能更齊全，非一般工作平臺能比。

工作平臺一般采用等截面的梁、柱形式，只要選擇合適的布置和連接方案，則可以滿足單元練習與課程設(shè)計一體化的要求?；诖?，選擇一工作平臺的設(shè)計作為課程設(shè)計內(nèi)容，包括結(jié)構(gòu)選型、結(jié)構(gòu)布置、荷載組合和內(nèi)力計算、柱子設(shè)計、次梁設(shè)計、主梁設(shè)計，以及主次梁的連接設(shè)計、柱腳設(shè)計和柱頭設(shè)計、施工圖繪制等內(nèi)容。

（二）質(zhì)量保證措施

（1）制定詳盡的課程設(shè)計任務(wù)書，使學生明確任務(wù)、目的和要求。

（2）選擇方案中的多個技術(shù)參數(shù)，使其能組合成多個不同的具體方案，并制定題目分配表，使不同學生的設(shè)計參數(shù)不相同，即采用“一生一題”的題目分配方案，杜絕抄襲現(xiàn)象的發(fā)生[1-2]。

（3）對每一部分都給出設(shè)計示例（選擇題目分配表中學生未用題目的數(shù)據(jù)進行設(shè)計計算），把實際工程中可能出現(xiàn)的不同情況、不同方案的優(yōu)缺點給學生講清楚，以便學生在進行具體設(shè)計時，明白自己所選方案的可行性。

（4）針對不同部分的設(shè)計計算內(nèi)容，設(shè)計出解決這一類問題用的規(guī)范化計算表格，學生可以對照示例，按計算表格中的內(nèi)容進行設(shè)計計算，并要求在規(guī)定的時間段內(nèi)完成[1-2]。

（5）利用Excel的計算和邏輯判斷功能，編制針對不同階段設(shè)計計算內(nèi)容的計算程序。在該程序中輸入已知數(shù)據(jù)就能計算出每一步的計算結(jié)果，并進行正誤判斷。利用該程序?qū)Α耙簧活}”的設(shè)計計算結(jié)果進行批改[1-2]。

（6）對每一階段的設(shè)計結(jié)果及時進行批改，并將不同階段的成績，分別按一定的比例計入鋼結(jié)構(gòu)課程的期末總成績和課程設(shè)計的總成績中。對不按題目分配表選擇相應(yīng)參數(shù)，和不按時完成分步設(shè)計任務(wù)的學生，不記錄成績。

（7）加強過程管理與指導(dǎo)，只有在前一階段的設(shè)計正確后，才能進行下一階段的設(shè)計。

（三）實施步驟

（1）在學生學習完鋼結(jié)構(gòu)的材料和連接內(nèi)容后，即布置課程設(shè)計任務(wù)，并按照結(jié)構(gòu)設(shè)計的一般步驟進行結(jié)構(gòu)選型和結(jié)構(gòu)布置。為了讓學生既能進行手算，又能得到較全面的鍛煉，

將其分解為幾個部分，并與鋼結(jié)構(gòu)課程單元練習的內(nèi)容聯(lián)系，課程設(shè)計的梁柱布置、支撐布置分別如圖1和圖2所示。主、次梁之間，以及梁、柱之間采用鉸接連接，柱與基礎(chǔ)之間采用剛接連接。一榀框架的計算簡圖如圖3所示。該部分內(nèi)容主要通過分析、講解，告訴學生課程設(shè)計所用方案，以及實際工程中可采用的方案。為了充分鍛煉學生的獨立思考能力、分析和解決問題的能力，

選擇多個技術(shù)參數(shù)，形成“一生一題”的方案，杜絕抄襲現(xiàn)象，并制定題目分配表（如表1所示），每個學生都必須按自己的學號選擇設(shè)計條件，進行相應(yīng)的設(shè)計計算。由表1看出，這些參數(shù)可組合出243種不同的方案，滿足“一生一題”的方案要求。

（2）完成結(jié)構(gòu)選型與布置后，進行荷載組合和內(nèi)力計算。

（3）在學習完軸心受力構(gòu)件的內(nèi)容后，要求學生根據(jù)各自求得的內(nèi)力，結(jié)合單元練習和設(shè)計示例進行框架柱的設(shè)計，完成型鋼截面和組合截面兩種形式，進而確定優(yōu)選方案。

（4）在學習完受彎構(gòu)件的內(nèi)容后，要求學生進行次梁的設(shè)計（采用型鋼截面），進而完成主梁的設(shè)計，以及次梁與主梁的連接設(shè)計。

（5）在學習完拉彎、壓彎構(gòu)件的內(nèi)容后，要求學生進行柱腳的設(shè)計、主梁與柱的連接設(shè)計。

（6）在各部分設(shè)計結(jié)果均正確的前提下，首先給學生講解鋼結(jié)構(gòu)施工圖的特點，然后要求學生根據(jù)各自的設(shè)計結(jié)果完成施工圖的繪制（包括設(shè)計說明和材料表）。

（7）學生將各部分的設(shè)計結(jié)果匯總成完整的計算書，與施工圖一起形成完整的課程設(shè)計資料。

（8）教師根據(jù)學生在各階段的設(shè)計計算成績和施工圖成績，評定學生的課程設(shè)計成績。

（四）課程設(shè)計中未覆蓋課程內(nèi)容的改革

如前所述，為了實現(xiàn)單元練習與課程設(shè)計的一體化，并采用“一生一題”的課程設(shè)計方案，本課程設(shè)計采用的是梁、柱鉸接連接方案，也沒有考慮柱子受的水平力，因此課程設(shè)計中的柱子是軸心受壓柱。本課程設(shè)計方案未包含拉彎、壓彎構(gòu)件一章中的基本內(nèi)容。為了利用課程設(shè)計中的數(shù)據(jù)進行該部分內(nèi)容的教學，教師在課程教學中可以結(jié)合設(shè)計數(shù)據(jù)，并考慮柱外有圍護結(jié)構(gòu)和風荷載作用，作為設(shè)計示例，計算出柱子的內(nèi)力（軸力N和彎矩M），然后按壓彎構(gòu)件進行設(shè)計計算，并將設(shè)計結(jié)果與未考慮風荷載時的設(shè)計結(jié)果進行比較。如此，既實現(xiàn)了單元練習與課程設(shè)計的一體化，又使學生獲得了完整的知識體系和較全面的鍛煉。另外，對于課程設(shè)計中未涉及的訓練內(nèi)容，可以結(jié)合例題、習題進行講解和練習，以保證練習內(nèi)容的完整性。

四、改革經(jīng)驗和效果

本教學改革是在筆者進行的相關(guān)教學改革的基礎(chǔ)上進行的，有相關(guān)的前期研究成果和較成熟的研究思路和方法，因此，其方案、思路和方法是合理的，過程也比較順利。本教學改革采用的是“一生一題”的方案，每個學生、每個階段的設(shè)計計算結(jié)果都不相同，所以教師的批改工作量還是比較大的。在實踐中，筆者通過設(shè)計規(guī)范化的設(shè)計計算表格和Excel編制計算程序順利地解決了這一問題。

通過在2012級土木工程專業(yè)兩個班179人中的實踐，取得了如下的經(jīng)驗：（1）單元練習與課程設(shè)計一體化，使學生對課程內(nèi)容有了總體的把握和認識，理解了各章節(jié)內(nèi)容的相互聯(lián)系及其所能解決的實際問題。（2）通過規(guī)范化訓練，培養(yǎng)了學生的規(guī)范意識。（3）結(jié)合實際工程的課程設(shè)計方案，使學生明白了所學知識的用處，從而學習目標明確，激發(fā)了學習積極性。（4）分階段進行，分階段評定成績，并計入期末總成績的實施方法，保證了各階段設(shè)計結(jié)果的正確性，促使學生養(yǎng)成認真負責和科學嚴謹?shù)牧晳T。在實踐中，筆者將次梁、主梁，以及柱子的設(shè)計成績按30%的比例計入鋼結(jié)構(gòu)課程的期末總成績。將荷載組合和內(nèi)力計算、主次梁的連接設(shè)計、柱頭設(shè)計，以及柱腳設(shè)計成績按50%的比例計入鋼結(jié)構(gòu)課程設(shè)計總成績，計算書和施工圖成績也占50%。（5）采用一體化的方案后，將課程設(shè)計分散在整個學期進行，保證了設(shè)計時間，促進了設(shè)計質(zhì)量的提高，并且也不再需要額外的課程設(shè)計時間。（6）經(jīng)過多階段、連續(xù)、規(guī)范的訓練后，絕大多數(shù)學生不僅掌握了結(jié)構(gòu)設(shè)計的內(nèi)容和步驟，而且還培養(yǎng)了他們的規(guī)范意識、工程意識和責任意識。（7）課程設(shè)計的優(yōu)秀率達到38%，在課程的期末考試中，學生的考試成績優(yōu)良率也明顯提高。

五、結(jié)語

在大眾化教育背景下，更多人有機會走進了大學校園，但是總有一些學生不能正確認識學習的目的和意義，還有些學生甚至把大學校園作為休閑娛樂和談情說愛的場所[1]。因此，加強思想教育，進行正確引導(dǎo)，更新教學觀念，實行教學改革，才能有效提高教育教學質(zhì)量，培養(yǎng)能適應(yīng)工作需要，具有發(fā)展?jié)摿Φ娜瞬拧?/p>

“一體化”的教學理念在一些課程改革中已有實踐，也獲得了很好的效果[3-5]。但筆者所進行的是另一種“一體化”的改革，即以課程設(shè)計為載體，將單元練習與課程設(shè)計一體化。采用這樣的改革有如下的優(yōu)點：第一，學生在學習不同單元的內(nèi)容時，帶著如何解決課程設(shè)計的問題學習，因而具有翻轉(zhuǎn)課堂的特點，同時也符合建構(gòu)主義學習理論的經(jīng)驗性和情境性特點[6-7]。第二，采用“一生一題”的方案，有效避免了抄襲現(xiàn)象的發(fā)生。抄襲問題，目前在高校已經(jīng)不是個別現(xiàn)象了[8]。“一生一題”也有效地鍛煉了學生的獨立思考能力。第三，把單元練習的成績，分階段計入課程總成績的方法，鍛煉了學生的責任意識和科學精神。第四，連續(xù)多次規(guī)范化的設(shè)計計算訓練，培養(yǎng)了學生的規(guī)范意識和工程意識。第五，采用分階段進行、加強過程管理的方式進行課程設(shè)計，保證了課程設(shè)計的時間和質(zhì)量。

實踐表明，單元練習與課程設(shè)計一體化改革可有效提高教育教學質(zhì)量，增強畢業(yè)生對工作適應(yīng)性，不僅對鋼結(jié)構(gòu)課程適用，對其他課程也普遍適用。

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