基于“卓越工程師計劃”的鋼結構課程教學探討

謝甫哲

摘要：針對當前鋼結構課程教學中存在的一些問題，文章基于 “卓越工程師計劃”的目標和要求，從優(yōu)化教學內容、改進教學手段、強化課程的工程背景和注重理論與實踐相結合等方面，對鋼結構課程教學改革進行了探討，提出了一些具體措施和設想，旨在使鋼結構課程教學更加立體化和實用化，提高鋼結構課程教學質量，實現(xiàn)更好的教學效果。

關鍵詞：鋼結構；卓越工程師計劃；教學研究；工程實踐

中圖分類號：G6420；TU37 文獻標志碼：A 文章編號：1005-2909（2018）05-0086-05

相對于鋼筋混凝土結構，鋼結構具有輕質高強、抗震性能好、工業(yè)化程度高等優(yōu)點。隨著經濟和建筑技術以及城市化的發(fā)展，特別是鋼材產量的提高和國家技術政策的扶持，鋼結構已成為鼓勵采用的建筑結構形式，目前越來越多的建筑采用鋼結構。伴隨著鋼結構的蓬勃發(fā)展，土木工程領域對鋼結構專業(yè)人才的需求也越來越迫切，急需培養(yǎng)一批專門從事鋼結構設計、施工和管理的高素質工程技術人員，這給高校鋼結構課程教學提出了更高的要求。

為適應新時期國家建設發(fā)展的需要，教育部在2009年提出了“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”（簡稱“卓越工程師計劃”）。該計劃旨在培養(yǎng)一大批創(chuàng)新能力強、適應社會經濟發(fā)展需要的高質量各類型工程技術人才，這為鋼結構課程教學改革明確了方向和要求[1]。

鋼結構課程是土木工程專業(yè)的一門重要的課程，具有很強的理論性和實踐性，其內容涉及多個學科，如高等數(shù)學、材料力學、結構力學等。鋼結構課程中的概念和公式較多，傳統(tǒng)的以理論為主的教學方法容易讓學生在學習過程中感到枯燥乏味，同時也難以有效地培養(yǎng)學生鋼結構方面的綜合能力，導致學生畢業(yè)后面對鋼結構工程常常感到無所適從，因此，有必要對當前鋼結構課程教學的現(xiàn)狀和不足進行分析，進而提出新的方法和思路。部分教學和研究人員已對鋼結構課程的教學方法[2]、教學模式[3]、培養(yǎng)目標[4]和改革構想[5]等方面進行了研究，取得了較豐碩的教學成果。本文根據(jù) “卓越工程師計劃”的基本要求，結合筆者的教學經驗，對鋼結構課程教學內容的優(yōu)化、教學手段的改進以及理論與實踐相結合等方面進行初步探討，為提高教學質量和教學效果，培養(yǎng)卓越工程師提供有益的參考。

一、“卓越工程師計劃”及其要求

國家教育部于2009年提出了“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”。該計劃旨在總結中國工程教育成就和借鑒國外成功經驗的基礎上，創(chuàng)建有中國特色的工程教育模式。通過教育和行業(yè)、高校和企業(yè)的密切合作，以實際工程為背景，以工程技術為主線，著力提高學生的工程意識、工程素質和工程實踐能力，培養(yǎng)造就一大批創(chuàng)新能力強、適應企業(yè)發(fā)展需要的優(yōu)秀工程師[6]。

“卓越工程師計劃”主要對學生的知識、能力和素質提出了要求，就土木工程專業(yè)而言，其要求主要為[1]：一是知識方面：具有從事土木工程工作所需的相關自然科學知識，以及一定的人文社會科學知識，同時還也掌握扎實的專業(yè)基本理論知識；二是能力方面：具有一定的分析和解決工程實際問題的能力，能夠承擔工程設計、施工和管理工作，具有較強的創(chuàng)新意識和職業(yè)發(fā)展學習能力，具有一定的國際視野，以及在跨文化環(huán)境下具有參與交流、競爭與合作的能力；三是素質方面：具有良好的工程職業(yè)道德、追求卓越的態(tài)度、較強的社會責任感和較好的人文素養(yǎng)，具有良好的質量安全和服務意識。

相對于鋼結構課程傳統(tǒng)的理論教學為主的培養(yǎng)方式，“卓越工程師計劃”更加注重知識的實用性和工程實踐能力的培養(yǎng)，這也更加符合當前社會發(fā)展對鋼結構人才的要求。本文將基于“卓越工程師計劃”的人才培養(yǎng)要求對鋼結構課程改革進行探討。

二、鋼結構課程教學現(xiàn)狀及存在問題

（一）課程教學內容設置不盡合理

當前鋼結構課程的內容主要有基本構件（軸心受力構件、受彎構件以及拉彎和壓彎構件）、節(jié)點連接和鋼屋架設計，其中鋼屋架內容的設置主要是加深學生對基本構件和節(jié)點連接的理解，并培養(yǎng)學生綜合運用相關知識的能力[7]。但目前很多鋼結構課程教材均介紹角鋼鋼屋架，這種設置不盡合理。一方面在20世紀80年代以前，中國的鋼鐵產量較低，鋼結構的應用形式較為單一，一般采用三角形或梯形角鋼鋼屋架。但隨著鋼材產量的逐年增加和現(xiàn)代鋼結構設計施工技術的發(fā)展，屋蓋結構通常采用鋼管桁架、網架或網殼結構、預應力鋼結構等形式，因此，如課程教學中仍然講解角鋼鋼屋架設計已與當前工程應用脫節(jié)。另一方面由于前面課程中主要學習了H型鋼、方（圓）鋼管等截面形式基本構件的設計，而角鋼鋼屋架構件的截面形式主要是單角鋼或雙角鋼組成的T形截面，因此，角鋼鋼屋架的設計內容并不能覆蓋鋼結構課程的主要知識點。

鋼結構的設計主要依據(jù)相關的設計規(guī)范，但在教學過程中規(guī)范的重要性及其使用方法并沒有得到很好的重視，以致鋼結構課程設計和畢業(yè)設計過程中，學生更多參考模板和教材，而不是通過查閱相關鋼結構設計規(guī)范來進行設計。此外，當前鋼結構課程教學內容很少涉及冷彎薄壁型鋼結構的設計，然而這部分內容卻是很多鋼結構設計必不可少的。鋼結構材料性能以及荷載組合等內容又與材料力學、混凝土結構設計等課程內容有所重復。因此，有必要對鋼結構課程教學內容進行優(yōu)化，使其更能貼近當前實際工程的需求。

（二）課程學時少，教學手段單一

目前，各高校鋼結構課程學時數(shù)普遍偏少，特別是在大土木專業(yè)背景下，培養(yǎng)方案的調整使得鋼結構課程的學時進一步減少[8]（江蘇大學鋼結構課程由原先的48學時減少到現(xiàn)在的45學時，而在新的培養(yǎng)方案中又將減少到32學時）。教師要在較少的學時內把鋼結構基本原理、基本構件及節(jié)點的設計方法等內容講清楚是非常困難的，只能講解一些公式的應用，而對于鋼結構穩(wěn)定和結構設計理論等內容只能點到為止。這樣的課程安排學生學完鋼結構課程后，可能只記得如何計算焊縫長度、設計螺栓數(shù)目，而并沒有真正掌握鋼結構的設計方法和解決相關問題的思路。

鋼結構課程學時減少要求教師提高教學效率，然而，雖然許多教師認真?zhèn)湔n講課，但目前鋼結構課程教學手段并不多（主要為多媒體課件和板書結合的形式），而鋼結構的節(jié)點連接方式、桿件截面形式等內容對學生的空間想象能力要求較高，難以通過有限的課堂教學使學生全部理解和接受，以致學生只能死記硬背應付考試，能夠設計單個構件卻不會設計整體結構。因此，基于目前鋼結構課程學時少、教學手段單一的情況，迫切需要開闊思路，充分利用各種教學手段，創(chuàng)新教學方法。

（三）實踐教學不足

當前，鋼結構課程仍然以理論教學為主，實踐教學環(huán)節(jié)相對不足，學生工程實踐能力難以得到提高，與卓越工程師的培養(yǎng)目標有一定差距。一是由于缺乏實踐學習，學生對鋼材的生產加工過程、節(jié)點的構造和結構形式沒有直觀的了解；二是學生不理解鋼結構的表示方法，工地現(xiàn)場看不懂鋼結構圖紙，就難以繪制符合規(guī)范的施工圖[9]；三是現(xiàn)代鋼結構設計施工主要依靠相關計算軟件，而學生對一些常用鋼結構設計軟件（如3D3S，Midas，Sap2000等）并不熟悉，更不用說使用了。因此，為適應現(xiàn)代社會對鋼結構人才的需求，鋼結構教學中應增加相關實踐教學內容。

三、推進鋼結構課程教學的改革

（一）優(yōu)化課程教學內容

針對當前鋼結構課程教學存在的問題，結合“卓越工程師計劃”的要求，優(yōu)化鋼結構課程內容，主要是在原來教學內容基礎上增加一些緊貼實際工程應用的知識，并對前期課程已有的內容進行簡化：一是將原先的鋼屋架設計調整為鋼框架設計，因為相對鋼屋架結構，前面所學的基本構件設計與節(jié)點連接更加貼近鋼框架結構；并且鋼筋混凝土結構教學中通常也是學習框架結構，這樣可以給學生比較的空間，在比較學習中加深對鋼結構特點的理解。二是增加冷彎薄壁型鋼方面的知識，使學生對鋼結構基本構件的掌握更加全面；增加對相關規(guī)范的介紹和學習，讓學生了解課堂所學內容與規(guī)范的聯(lián)系，以及如何使用規(guī)范。三是對于一些重復性的知識點可進行簡化或刪減，如荷載組合部分（鋼筋混凝土結構設計中已有介紹）、材料性能部分（與材料力學中的部分知識點重復）等可作刪減。此外，還可以增設一些課外學習的內容，如桁架結構、門式剛架等常用的結構體系，以及注冊工程師考試的相關內容等，以拓展學生的知識面，培養(yǎng)其學習鋼結構的興趣。

（二）改進教學手段和方法

鋼結構相關內容知識點較多、理論性較強、節(jié)點構造復雜，為在有限的學時內培養(yǎng)學生鋼結構方面的綜合能力，達到“卓越工程師計劃”的要求，必須改進傳統(tǒng)平面的教學方法，采用更加綜合有效的立體教學法[2]。具體來說，可以從以下兩個方面開展：

1.教學資源的立體化

采用多媒體教學手段，建立工程視頻、多媒體課件和網絡資源的立體化教學資源庫平臺。學生在課堂上重點學習鋼結構的基本概念、基本理論以及常用的分析設計方法；課外可通過教學資源庫平臺上的課件、教學視頻等復習、消化課堂所學內容，與教師交流討論，完成課程作業(yè)。通過觀看鋼結構視頻擴充鋼結構相關知識。這樣不僅變相增加了教學時間，又達到拓寬學生知識面，提高學生學習積極性和創(chuàng)造性的目的。

2.教學方法的綜合化

針對不同的教學內容采取不同的教學方法，如在構件破壞形式、應用實例、連接構造等內容講授過程中，可將教學內容制作成多媒體課件，或錄制相關視頻，將抽象問題直觀化；而對公式推導解題過程，可將多媒體與傳統(tǒng)板書講授結合起來，使學生緊跟教學節(jié)奏和教師的講授思路，培養(yǎng)學生邏輯推理和分析問題的能力。此外，對已學習的內容可采用比較教學法，將各知識點融會貫通便于學生理解。如可結合例題的講解，比較軸心受壓構件強度和穩(wěn)定的意義與設計方法，比較高強螺栓和普通螺栓受力特點等。

（三）結合工程實例，加強實踐教學內容

學生通過立體化教學資源庫平臺的學習能增強對鋼結構的感性認識，但由于學生對鋼結構工程實例接觸不多，實踐方面的知識和經歷還比較缺乏，學習過程中仍會有許多困惑。因此，鋼結構課程教學還應加強實踐教學，深化課程學習中的工程背景，以加深學生對鋼結構知識點的理解，培養(yǎng)學生的鋼結構工程實踐能力。

1.設置相關實驗

鋼結構課程中的一些概念和理論理解起來比較難，可在教學過程中設置一些演示實驗，增加直觀性，有利于學生的消化接收。如鋼梁的失穩(wěn)形式涉及兩個方向的彎曲及沿軸線的扭轉，學生理解起來可能有一定難度，可設置以下試驗：將一根槽鋼的一端固定，在另一端掛配重，讓槽鋼發(fā)生側向失穩(wěn)，從而讓學生真切觀察到梁的失穩(wěn)形式；改變荷載位置及邊界條件，幫助學生了解影響鋼梁穩(wěn)定承載力的因素。此外還可開設開放性實驗、創(chuàng)新性實驗等多種鋼結構實驗，引導學生積極主動探究鋼結構的熱點問題，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力。

2.課堂講授應結合工程實例

在鋼結構課程學習中，學生通常能掌握三大基本構件及節(jié)點的計算設計，但綜合應用這些知識來解決實際問題的能力較弱。因此，在教學過程中應盡可能將所學內容在實際工程中的應用講清楚，并且以實際工程為例進行講解和練習。例如在講到軸心受力構件時，可以網架工程為例，講解桿件的設計過程；講到節(jié)點連接時，可以框架結構中梁柱或梁梁節(jié)點為例，講解節(jié)點分別采用焊接或螺栓連接時的計算方法。還可要求學生增加一些課外知識點的學習，學會查閱有關規(guī)范，培養(yǎng)學生的自學能力。

3.加強工程實踐教學

為讓學生了解鋼結構制作、施工和設計方面的知識，可以組織學生參觀鋼結構加工廠，幫助學生了解鋼構件的制作加工過程和質量控制方法。如觀看焊接工藝（甚至可讓學生親自焊接），引導學生了解焊接時起弧和落弧的影響，以及各種焊接形式等；參觀鋼結構工程，讓學生看到鋼節(jié)點的連接構造，以及一些典型鋼結構工程的施工過程，如剛性柱腳和鉸接柱腳、鋼框架結構的安裝等；參觀設計單位，讓學生了解工程設計的基本過程，學習如何讀懂施工圖，以及學會一些常用鋼結構分析設計軟件的使用。

通過這些工程實踐教學，學生能夠進一步理解課堂所學內容， 將各知識點融會貫通，培養(yǎng)學生的工程實踐能力，為以后從事鋼結構方面的工作打下良好基礎。

四、結語

本文基于“卓越工程師計劃”的要求，針對當前鋼結構課程教學中存在的一些問題，從優(yōu)化教學內容、改進教學手段和方法、加強實踐教學內容和深化課程的工程背景等方面，對鋼結構課程教學改革的一些具體措施和設想進行了探討，以期提高教學效果和教學質量，全面提高學生在鋼結構方面的能力和素質，最終實現(xiàn)培養(yǎng)“卓越工程師”的目標。

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[9] 周先齊，陳自力.基于創(chuàng)新能力培養(yǎng)的鋼結構課外實踐教學探討[J].鋼結構（增刊），2014：873-876.

Abstract： Aiming at the problems in the teaching course of steel structure， and based on the objectives and requirements of the Plan for Educating and Training Outstanding Engineers， this paper discusses the reform of steel structure curriculum from the aspects of optimizing teaching content， improving teaching methods， deepening the project background of the course and emphasizing the combination of theory and practice. Some concrete teaching measures and suggestions are put forward in order to make the steel structure curriculum more stereoscopic and practical， improve the teaching quality and achieve better teaching effect.

Key words： steel structure； Plan for Educating and Training Outstanding Engineers； teaching research； engineering practice

（責任編輯 王 宣）