鋼結(jié)構(gòu)基本原理課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的探索與實(shí)踐

程欣+雷宏剛+章敏

摘要：針對鋼結(jié)構(gòu)基本原理課程概念抽象、公式復(fù)雜，而且該課程傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)與課堂教學(xué)不匹配的現(xiàn)狀，文章對開展與課程配套實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行了探索。結(jié)合軸心受壓構(gòu)件實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例，探討了開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)的思路，并就課堂實(shí)驗(yàn)的時間安排、進(jìn)展步驟和注意事項(xiàng)等提出了建議。實(shí)踐證明，將抽象難懂的理論知識配以具體的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，既能有效提高鋼結(jié)構(gòu)基本原理課程教學(xué)效果，又能開闊學(xué)生視野，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，多元化的教學(xué)方式值得推廣。

關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu)基本原理課程；教學(xué)實(shí)驗(yàn)；土木工程；教學(xué)研究

中圖分類號：G642423；TU391 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：10052909（2017）02012403

鋼結(jié)構(gòu)基本原理課程是土木工程專業(yè)的一門核心主干課程，其主要目的是使學(xué)生全面掌握鋼結(jié)構(gòu)材料、構(gòu)件和連接的基礎(chǔ)知識及計(jì)算方法，為進(jìn)一步學(xué)習(xí)鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、制作和建造等奠定基礎(chǔ)[1]。近年來，鋼結(jié)構(gòu)在土木建筑領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，鋼結(jié)構(gòu)蓬勃發(fā)展的態(tài)勢使鋼結(jié)構(gòu)基本原理課程的重要性日益凸顯，對鋼結(jié)構(gòu)基本原理課程教學(xué)及人才培養(yǎng)提出了更高的要求[2- 3]。

鋼結(jié)構(gòu)基本原理課程特點(diǎn)是知識點(diǎn)多、計(jì)算公式復(fù)雜、概念抽象，需要很強(qiáng)的空間想象能力。而學(xué)生大多沒有接觸過實(shí)際工程，對構(gòu)件和連接節(jié)點(diǎn)的形式及破壞模式等內(nèi)容缺乏感性認(rèn)識，這些知識僅通過課堂講解顯得非常抽象，容易降低學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，因此采用單一的課堂教學(xué)方式難以收到良好的教學(xué)效果[4-5]。教學(xué)實(shí)驗(yàn)作為鋼結(jié)構(gòu)基本原理課程的重要組成部分，可實(shí)現(xiàn)抽象的理論知識與具體的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的融合，給學(xué)生更為立體的感性認(rèn)識，具有其他教學(xué)環(huán)節(jié)不可替代的重要作用。因此，若對鋼結(jié)構(gòu)基本原理課程中生澀難懂的理論知識，輔助以相應(yīng)的教學(xué)實(shí)驗(yàn)，也即將理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)有機(jī)結(jié)合起來，使學(xué)生通過接觸實(shí)際，增強(qiáng)理論學(xué)習(xí)的直觀性，既可加深學(xué)生對鋼結(jié)構(gòu)基本原理的理解，又可培養(yǎng)學(xué)生的動手能力和創(chuàng)新意識，從而有效提高課程教學(xué)質(zhì)量[6-7]。

鑒于此，本文就在鋼結(jié)構(gòu)基本原理課程中如何開展配套教學(xué)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行探索，對具體教學(xué)實(shí)驗(yàn)的途徑和步驟，以及教學(xué)方式和實(shí)驗(yàn)管理提出相關(guān)建議。

一、傳統(tǒng)教學(xué)存在的問題

一是，傳統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)基本原理課程教學(xué)一般以課堂理論講解為主，輔助以習(xí)題練習(xí)。鋼結(jié)構(gòu)基本原理課程要求學(xué)習(xí)鋼結(jié)構(gòu)基本構(gòu)件（包括軸心受力構(gòu)件、受彎構(gòu)件以及偏心受力構(gòu)件）的強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定的計(jì)算與設(shè)計(jì)，鋼結(jié)構(gòu)連接（包括焊縫連接和螺栓連接）的計(jì)算及設(shè)計(jì)等內(nèi)容。不論是基本構(gòu)件還是連接，學(xué)生在日常學(xué)習(xí)和實(shí)際生活中接觸都很少，對于學(xué)生來說確實(shí)比較抽象。尤其是對貫穿整個課程教學(xué)的鋼結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定和局部穩(wěn)定問題，概念抽象，公式復(fù)雜，僅靠課堂理論教學(xué)難以使學(xué)生建立圖像概念，對教師和學(xué)生而言均是難點(diǎn)。

二是，大部分高校開設(shè)有土木工程專業(yè)技術(shù)課程建筑結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)，但該實(shí)驗(yàn)課程與鋼結(jié)構(gòu)基本原理課程理論教學(xué)不匹配。主要體現(xiàn)在：第一，教學(xué)重點(diǎn)不一致，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課程在闡明建筑結(jié)構(gòu)試驗(yàn)基本原理的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)在于學(xué)習(xí)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法及手段，包括訓(xùn)練學(xué)生應(yīng)變片粘貼、電橋連接、儀器標(biāo)定等技能，有的會開展混凝土簡支梁的靜載試驗(yàn)；第二，很少涉及鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件和節(jié)點(diǎn)性能試驗(yàn)[8]；第三，開設(shè)時間不合理，建筑結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)課程是在鋼結(jié)構(gòu)基本原理課程結(jié)束后才開設(shè)，不利于學(xué)生對于理論知識的及時強(qiáng)化與鞏固。

因此，開展和鋼結(jié)構(gòu)基本原理課程相配套的實(shí)驗(yàn)課程，已成為當(dāng)前土木工程專業(yè)教學(xué)改革的重點(diǎn)和當(dāng)務(wù)之急。

二、課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)踐

（一）實(shí)驗(yàn)選題

要提高課堂教學(xué)質(zhì)量，應(yīng)依據(jù)鋼結(jié)構(gòu)基本原理課程內(nèi)容的核心理論（包括焊縫和螺栓的設(shè)計(jì)，鋼構(gòu)件的強(qiáng)度、穩(wěn)定和剛度等）組織開展相應(yīng)的教學(xué)實(shí)驗(yàn)，形成“課堂教學(xué)+配套教學(xué)實(shí)驗(yàn)”的多元化教學(xué)模式。

在鋼結(jié)構(gòu)基本原理課程教學(xué)中，鋼構(gòu)件的穩(wěn)定問題是重點(diǎn)，也是難點(diǎn)。相較于強(qiáng)度問題，鋼構(gòu)件的穩(wěn)定問題概念更加抽象，公式更加復(fù)雜。僅通過有限的課堂理論教學(xué)，學(xué)生很難對穩(wěn)定問題有深刻的理解，到最后往往只能讓學(xué)生強(qiáng)記設(shè)計(jì)公式，以驗(yàn)算作為教學(xué)目標(biāo)。軸心受壓鋼構(gòu)件整體穩(wěn)定問題是學(xué)生最早接觸到的鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定問題，是教學(xué)的重中之重。因此，本文以軸心受壓鋼構(gòu)件穩(wěn)定教學(xué)實(shí)驗(yàn)作為案例講述配套教學(xué)實(shí)驗(yàn)的過程。

（二）實(shí)踐過程

1.確定實(shí)驗(yàn)方案

通過試驗(yàn)機(jī)對工字型柱施加軸向壓力，監(jiān)測試件的軸向壓縮變形，及跨中側(cè)向變形與軸力的關(guān)系，從而得到軸壓柱整體穩(wěn)定的性能。為考察不同長細(xì)比對軸壓承載力的影響，每組試驗(yàn)設(shè)計(jì)了兩種相同截面、不同長度的工字形柱，如圖1所示。

2.理論講解

該實(shí)驗(yàn)安排在課堂教學(xué)過半的教學(xué)周中，正值軸心受力構(gòu)件的課堂學(xué)習(xí)基本結(jié)束，此時進(jìn)行教學(xué)實(shí)驗(yàn)，可有效鞏固并強(qiáng)化學(xué)生對軸心受壓構(gòu)件整體失穩(wěn)的理解。在正式加載前，教師應(yīng)針對實(shí)驗(yàn)相關(guān)事宜進(jìn)行講解。講解內(nèi)容包括以下三方面：第一，回顧軸心受壓構(gòu)件整體穩(wěn)定的理論知識；第二，講述實(shí)驗(yàn)原理、試件及實(shí)驗(yàn)步驟；第三，介紹加載裝置及數(shù)據(jù)信號的采集和分析。在講解過程中要交代清楚實(shí)驗(yàn)過程中需重點(diǎn)關(guān)注的內(nèi)容，有助于基礎(chǔ)較差的學(xué)生跟上實(shí)驗(yàn)進(jìn)程。

3.實(shí)驗(yàn)加載和測試

實(shí)驗(yàn)開始前，通過刀口支座將試件固定于實(shí)驗(yàn)機(jī)中，標(biāo)定傳感器，調(diào)試加載系統(tǒng)和測試裝置能否正常工作。對試件不斷施加軸向壓力，直至試件發(fā)生整體失穩(wěn)，其間需記錄各項(xiàng)測試數(shù)據(jù)。

4.實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

從實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及應(yīng)變分布等方面對鋼構(gòu)件的整體穩(wěn)定性能進(jìn)行分析，歸納總結(jié)構(gòu)件整體失穩(wěn)的影響規(guī)律。通過與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對比，驗(yàn)證理論計(jì)算公式的正確性，分析兩者差異的原因，整理分析結(jié)果，撰寫實(shí)驗(yàn)報告。

5.分組討論

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，增加一節(jié)課，結(jié)合理論、實(shí)驗(yàn)及工程實(shí)際，組織學(xué)生開展綜合討論。要求學(xué)生分組討論，或由學(xué)生登臺講解，鼓勵不同意見的碰撞，讓學(xué)生在討論中進(jìn)一步加深對知識的理解。

（三）教學(xué)效果

鋼柱的整體穩(wěn)定實(shí)驗(yàn)是一個觀賞性較強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)，其能充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，幫助學(xué)生了解H型截面軸心受壓構(gòu)件發(fā)生整體彎曲失穩(wěn)的過程和破壞模式，認(rèn)識軸心受力構(gòu)件整體穩(wěn)定承載力的影響因素，并掌握其計(jì)算方法，同時還能鍛煉學(xué)生的動手能力及創(chuàng)新能力。通過增加教學(xué)實(shí)驗(yàn)，提高了鋼結(jié)構(gòu)基本原理課程教學(xué)效果，教學(xué)評價達(dá)到了99.85%的認(rèn)可度，充分體現(xiàn)了學(xué)生對教學(xué)實(shí)驗(yàn)的肯定。

三、結(jié)語

將與鋼結(jié)構(gòu)基本原理課程核心內(nèi)容相配套的實(shí)驗(yàn)融入課程教學(xué)，是對課堂教學(xué)多元化的有益嘗試。實(shí)踐證明，該方式開闊了學(xué)生的視野，讓學(xué)生體驗(yàn)到了學(xué)習(xí)的樂趣，對學(xué)生從書本走向?qū)嵺`和科學(xué)研究產(chǎn)生了積極的影響。教學(xué)實(shí)驗(yàn)是人才培養(yǎng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，而課程配套教學(xué)實(shí)驗(yàn)更有其無可替代的作用，值得在土木工程各專業(yè)課程教學(xué)中推廣。受資助經(jīng)費(fèi)和實(shí)驗(yàn)條件所限，目前學(xué)校僅開展了有限的試點(diǎn)實(shí)驗(yàn)。今后應(yīng)建立內(nèi)容更為廣泛、形式更為靈活的備選實(shí)驗(yàn)，形成系統(tǒng)合理的配套教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，建立教學(xué)實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)信息平臺，以進(jìn)一步提高教學(xué)實(shí)驗(yàn)效果。

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Abstract：Owing to abstract concepts， complex formulas as well as incompatible traditional teaching experiments， it is urgent to establish an experimental teaching system matching the course of basic principles of steel structure. In accordance with the case of axial compression experiment for steel member， the method for teaching experiments was discussed and relevant suggestions for schedules， progress steps and attentions were proposed. By introducing the specific experimental teaching into the abstract and difficult theoretical knowledge， the teaching efficiency can be greatly improved by attracting the students attention. Finally， the diversified teaching method is worthy of further promotion.

Keywords： basic principles of steel structure； experimental teaching； civil engineering； teaching reform

（編輯 王 宣）