鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)踐與研究

安毅　程欣　章敏

[摘要]論文針對(duì)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)課程內(nèi)容繁雜、公式復(fù)雜、概念抽象、采用單一的課堂教學(xué)方式難以收到良好的教學(xué)效果的現(xiàn)狀，對(duì)開展鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)課程配套教學(xué)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了探索與實(shí)踐。探討了開展教學(xué)實(shí)驗(yàn)的指導(dǎo)思想，并就課程教學(xué)實(shí)驗(yàn)的選題提綱給出了相關(guān)建議。結(jié)合縮尺多層鋼框架的振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)案例，對(duì)教學(xué)實(shí)驗(yàn)開展的方法、步驟、教學(xué)效果及注意事項(xiàng)等進(jìn)行了討論。實(shí)踐證明，將抽象難懂的理論知識(shí)與具體的教學(xué)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，可有效提高鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的教學(xué)效果。

[關(guān)鍵詞]鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);實(shí)驗(yàn)教學(xué);教學(xué)實(shí)踐;多層鋼框架

[中圖分類號(hào)]G642.0[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A[文章編號(hào)]2095-3437（2019）11-0054-03

一、引言

鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是土木工程學(xué)科的一門專業(yè)主干課程，開設(shè)的主要目的是使學(xué)生在學(xué)習(xí)專業(yè)基礎(chǔ)課程鋼結(jié)構(gòu)基本原理后，進(jìn)一步學(xué)習(xí)鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、制作和建造等[1]，包括輕型門式鋼架結(jié)構(gòu)、重型廠房結(jié)構(gòu)、大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)及多高層房屋鋼結(jié)構(gòu)等具體內(nèi)容，是一門實(shí)踐性非常強(qiáng)的綜合性課程，是引導(dǎo)學(xué)生從理論基礎(chǔ)到工程實(shí)際的紐帶，有著承上啟下的重要作用。

鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)課程的特點(diǎn)是知識(shí)點(diǎn)多而散、計(jì)算公式復(fù)雜，且對(duì)細(xì)節(jié)構(gòu)造要求高，與工程實(shí)際聯(lián)系緊密，需要很強(qiáng)的空間想象能力。然而學(xué)生接觸實(shí)際工程的機(jī)會(huì)往往較少，他們對(duì)于各類結(jié)構(gòu)體系的感性認(rèn)識(shí)原本就不足，對(duì)于與工程實(shí)際相關(guān)的細(xì)節(jié)和構(gòu)造內(nèi)容更是難以理解，如果僅僅聽課堂講解會(huì)顯得非常抽象，容易降低他們的學(xué)習(xí)興趣，也難以收到良好的教學(xué)效果[2-3]。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)可實(shí)現(xiàn)抽象的理論知識(shí)與具體的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象融合，給予學(xué)生更為立體的感官認(rèn)識(shí)，具有課堂理論教學(xué)不可替代的重要作用。鋼結(jié)構(gòu)課程如果將抽象難懂的關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)與相應(yīng)的課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合，使學(xué)生獲得直觀的體會(huì)認(rèn)知，可有效加深學(xué)生對(duì)相應(yīng)知識(shí)點(diǎn)的理解，同時(shí)也可培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新意識(shí)，提高課程教學(xué)質(zhì)量[4]。目前鋼結(jié)構(gòu)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)踐主要集中在鋼結(jié)構(gòu)基本原理課程上[5-7]，對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的探索還較為有限。因此，構(gòu)建鋼結(jié)構(gòu)多功能教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，建設(shè)和鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)課程相配套的實(shí)驗(yàn)課程，已經(jīng)成為當(dāng)前土木工程專業(yè)教學(xué)改革的重點(diǎn)。

為了更好地培養(yǎng)學(xué)生的工程素質(zhì)，提高學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)鋼結(jié)構(gòu)的興趣，除了采用傳統(tǒng)的教學(xué)手段之外，更需通過豐富的教學(xué)方法來培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力，因此開展鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)課程教學(xué)實(shí)驗(yàn)具有深遠(yuǎn)的意義。本文就如何在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)課程中開展配套教學(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，展開了初步的探索性研究與實(shí)踐，探討了這種教學(xué)模式的指導(dǎo)原則和選題，并就已開展的實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐活動(dòng)進(jìn)行了梳理。

二、課程教學(xué)實(shí)驗(yàn)的方法研究

（一）教學(xué)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)思路

1.要與課堂教學(xué)密切相關(guān)

課程教學(xué)實(shí)驗(yàn)作為課堂教學(xué)的輔助手段，其開展的一個(gè)主要目的是幫助學(xué)生更好地理解課堂教學(xué)中抽象難懂的理論知識(shí)。因此，教學(xué)實(shí)驗(yàn)的開展應(yīng)與課堂教學(xué)的進(jìn)展保持密切的相關(guān)性，包括教學(xué)內(nèi)容的相關(guān)性及開展時(shí)間的相關(guān)性。首先，教學(xué)實(shí)驗(yàn)的選題應(yīng)充分考慮鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)課程內(nèi)容的特點(diǎn)，與教學(xué)大綱中的重點(diǎn)難點(diǎn)緊密貼合。其次，教學(xué)實(shí)驗(yàn)的開展時(shí)間應(yīng)與課堂教學(xué)的進(jìn)度相統(tǒng)一，最好選在學(xué)生對(duì)該知識(shí)點(diǎn)記憶最深刻好奇心最強(qiáng)的時(shí)候開展。過早開展教學(xué)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生對(duì)于該知識(shí)點(diǎn)缺乏先期認(rèn)知，難以準(zhǔn)確體會(huì)教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)置的目的和傳遞的含義;過晚開展教學(xué)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生對(duì)課程知識(shí)點(diǎn)的記憶淡化，求知欲退化，也會(huì)大大降低教學(xué)實(shí)驗(yàn)的效果。

2.要有利于提高學(xué)生的參與積極性與創(chuàng)新性

教學(xué)實(shí)驗(yàn)的開展過程中應(yīng)重視增強(qiáng)學(xué)生的動(dòng)手能力與參與感，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新性。教學(xué)實(shí)驗(yàn)的設(shè)置宜采用演示實(shí)驗(yàn)與自主實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方式，實(shí)驗(yàn)過程中應(yīng)充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的探索積極性。例如，在保證安全的前提下，可以讓學(xué)生參與到試件的安裝與加載等過程中，使學(xué)生了解結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)方法，體會(huì)從理論到實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)換的過程。實(shí)驗(yàn)完成后可增加一節(jié)綜合討論課，讓學(xué)生結(jié)合課堂理論知識(shí)與工程實(shí)際進(jìn)行分組討論。鼓勵(lì)提出盡可能多的不同意見，讓學(xué)生在討論中加深對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解。

3.要保證教學(xué)過程完整

教學(xué)實(shí)驗(yàn)的開展應(yīng)具有連貫性與完整性。教學(xué)實(shí)驗(yàn)應(yīng)含有理論知識(shí)的回顧、實(shí)驗(yàn)過程的有序開展、實(shí)驗(yàn)結(jié)果的整理分析及教師對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)結(jié)果的有效評(píng)價(jià)這樣一個(gè)完整的過程。

教師在組織開展實(shí)驗(yàn)之前，應(yīng)當(dāng)首先復(fù)習(xí)相關(guān)理論知識(shí)，選取和實(shí)驗(yàn)相關(guān)的基本概念和重要知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行講解，并采用啟發(fā)式、討論式的教學(xué)方式調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。在實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備階段，可指導(dǎo)學(xué)生配合安裝試件、粘貼應(yīng)變片和位移計(jì)等、調(diào)試加載裝置等。在正式實(shí)驗(yàn)階段即加載階段，可讓學(xué)生仔細(xì)觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，配合數(shù)據(jù)采集裝置理解試件破壞的過程。實(shí)驗(yàn)完成后主要對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析講解，并要求每個(gè)學(xué)生獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。最后組織教學(xué)討論，進(jìn)一步加深學(xué)生對(duì)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件及體系的破壞過程的理解。

4.要保證實(shí)驗(yàn)過程安全

由于鋼結(jié)構(gòu)課程的大部分教學(xué)實(shí)驗(yàn)為破壞性實(shí)驗(yàn)，在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí)，應(yīng)合理利用實(shí)驗(yàn)室資源，充分考慮加載過程可能造成的潛在危險(xiǎn)，并對(duì)可能存在的危險(xiǎn)提前充分做好防護(hù)措施。

（二）教學(xué)實(shí)驗(yàn)選題提綱

為提高課堂教學(xué)質(zhì)量，應(yīng)依據(jù)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)課程內(nèi)容的核心理論，包括輕型門式鋼架結(jié)構(gòu)、重型廠房結(jié)構(gòu)、多高層房屋鋼結(jié)構(gòu)及大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)，組織開展相應(yīng)的教學(xué)實(shí)驗(yàn)，形成“演示實(shí)驗(yàn)+自主實(shí)驗(yàn)”的多元化教學(xué)模式?，F(xiàn)基于2.1節(jié)的教學(xué)實(shí)驗(yàn)開展的指導(dǎo)思想初步設(shè)計(jì)了6項(xiàng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，如表l所示。根據(jù)每學(xué)期實(shí)驗(yàn)課時(shí)的設(shè)置，選取不同類型的項(xiàng)目開展教學(xué)實(shí)驗(yàn)。

（1）門式鋼架設(shè)計(jì)。門式鋼架是目前鋼結(jié)構(gòu)在中國(guó)應(yīng)用最為廣泛的一種輕鋼結(jié)構(gòu)體系。制作縮尺模型，讓學(xué)生動(dòng)手組裝，組裝過程即可了解輕型門式鋼架的構(gòu)造及組成方式;通過對(duì)縮尺門式鋼架進(jìn)行掛載實(shí)驗(yàn)，監(jiān)測(cè)各構(gòu)件的傳力模式及輕型鋼結(jié)構(gòu)的破壞機(jī)理;掌握門式鋼架的設(shè)計(jì)方法。

（2）重型廠房肩梁設(shè)計(jì)。重型廠房的肩梁構(gòu)造復(fù)雜，傳力機(jī)理難以理解，是教學(xué)的難點(diǎn)之一。該實(shí)驗(yàn)為自主實(shí)驗(yàn)，可讓學(xué)生分成若干小組，自行購(gòu)買材料，設(shè)計(jì)制作肩梁，并完成加載。讓學(xué)生親自動(dòng)手，使其充分了解重型廠房肩梁的構(gòu)造及組成方式，掌握其傳力機(jī)理。

（3）梯形鋼屋架設(shè)計(jì)。梯形鋼屋架是鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及鋼結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì)的重點(diǎn)部分，各桿件（上弦桿、下弦桿及腹桿）的截面選取方式，節(jié)點(diǎn)部位的連接方式如果僅通過課堂教學(xué)往往較為抽象，可引導(dǎo)學(xué)生針對(duì)此部分內(nèi)容開展自主實(shí)驗(yàn)。讓學(xué)生分成若干小組，自行購(gòu)買材料，設(shè)計(jì)制作一梯形鋼屋架，并完成掛載實(shí)驗(yàn)。學(xué)生通過親自動(dòng)手可充分了解梯形鋼屋架的構(gòu)造及組成方式，掌握其傳力機(jī)理。

（4）鋼框架抗震特性。多層鋼框架結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)是重點(diǎn)也是難點(diǎn)。通過水平振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)多層縮尺鋼框架施加水平振動(dòng)激勵(lì)，確定框架的基本頻率和自振特性，以及不同振動(dòng)頻率下框架的動(dòng)力響應(yīng)。了解鋼框架的自振特性及動(dòng)力響應(yīng)特點(diǎn)，掌握鋼框架結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法。

（5）隔震支座設(shè)計(jì)。減震隔震作為鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的拓展內(nèi)容，將其列在提綱中是為了提高學(xué)生的創(chuàng)新能力。可在課堂講授減震隔震裝置的基本理論基礎(chǔ)上，讓學(xué)生自行設(shè)計(jì)與縮尺鋼框架配套的減震裝置，并完成振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)，以檢驗(yàn)隔震裝置的有效性。該實(shí)驗(yàn)可充分體現(xiàn)學(xué)生的自主創(chuàng)新性。

（6）大跨度屋架設(shè)計(jì)。大跨度結(jié)構(gòu)是鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容之一，其形式多種多樣。讓學(xué)生自行選擇一種大跨度形式，設(shè)計(jì)并制作完成一大跨度屋架模型，并完成加載實(shí)驗(yàn)。學(xué)生通過親自動(dòng)手可充分了解大跨度結(jié)構(gòu)的構(gòu)造及組成方式，掌握其傳力機(jī)理。

三、課程教學(xué)實(shí)驗(yàn)的實(shí)踐

在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)教學(xué)中，多層鋼框架結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)是重點(diǎn)也是難點(diǎn)。其概念抽象，內(nèi)容繁多，公式復(fù)雜，僅通過有限的課堂理論教學(xué)難以讓學(xué)生有深刻的理解，最后往往只能讓學(xué)生記住設(shè)計(jì)公式，以使其會(huì)套用計(jì)算公式作為教學(xué)目標(biāo)。多層鋼框架結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)是鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)問題，是教學(xué)的重中之重。因此，本文以多層鋼框架結(jié)構(gòu)振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)作為案例講述鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)配套教學(xué)實(shí)驗(yàn)的實(shí)踐過程。讓學(xué)生根據(jù)整體框架結(jié)構(gòu)體系，分析各構(gòu)件之間的傳力關(guān)系，建立正確的力學(xué)計(jì)算模型，結(jié)合已有的鋼結(jié)構(gòu)基本原理知識(shí)進(jìn)行正確的分析，從而理解與掌握枯燥的理論。

（一）實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程

1.確定實(shí)驗(yàn)方案

在水平振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，通過鋼接柱腳對(duì)一個(gè)四層的縮尺鋼框架施加水平振動(dòng)激勵(lì)，監(jiān)測(cè)縮尺鋼框架的柱頂水平位移及動(dòng)力加速度，如圖1所示。實(shí)驗(yàn)的加載過程主要包括兩大部分：首先通過掃頻確定框架的基本頻率和自振特性，其次通過設(shè)置三組不同頻率下的駐頻實(shí)驗(yàn)考察不同振動(dòng)頻率下框架的動(dòng)力響應(yīng)。

2.講解理論

教師在進(jìn)行正式加載前需要針對(duì)實(shí)驗(yàn)相關(guān)事宜講解以下三方面的內(nèi)容：①回顧多層鋼框架抗震設(shè)計(jì)的理論知識(shí)。②講述實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)方案及實(shí)驗(yàn)步驟。③介紹加載裝置及數(shù)據(jù)信號(hào)的采集和分析。在講解過程中交代清楚實(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(cè)試

教師在實(shí)驗(yàn)開始前指導(dǎo)學(xué)生將縮尺鋼框架通過螺栓安裝在振動(dòng)臺(tái)上，并將載荷掛件安裝在縮尺鋼框架的梁上。標(biāo)定傳感器，調(diào)試振動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)和測(cè)試裝置能否正常工作。對(duì)縮尺鋼框架實(shí)施掃頻與駐頻實(shí)驗(yàn)，記錄各項(xiàng)測(cè)試數(shù)據(jù)。

4.分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、位移及加速度數(shù)據(jù)、振動(dòng)臺(tái)數(shù)據(jù)等方面對(duì)鋼框架的自振特性及動(dòng)力特性進(jìn)行分析，歸納總結(jié)鋼框架的抗震特性。通過與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證理論計(jì)算公式的正確性，分析兩者存在差異的原因。整理分析結(jié)果，撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

5.分組討論

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后增加一節(jié)討論課。結(jié)合理論、實(shí)驗(yàn)及工程實(shí)際，讓學(xué)生進(jìn)行分組討論，并由學(xué)生登臺(tái)講解，鼓勵(lì)發(fā)表不同的見解，讓學(xué)生通過討論進(jìn)一步加深對(duì)知識(shí)的理解。

（二）實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果

縮尺鋼框架的振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)是一個(gè)觀賞性較強(qiáng)的演示實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情和積極性，使學(xué)生了解了多層鋼框架的自振特性和動(dòng)力響應(yīng)特點(diǎn)，認(rèn)識(shí)了多層鋼框架抵抗地震作用的影響因素及計(jì)算方法，同時(shí)鍛煉了學(xué)生的動(dòng)手及創(chuàng)新能力。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是土木工程專業(yè)本科教學(xué)和人才培養(yǎng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它具有其他教學(xué)環(huán)節(jié)不可替代的重要作用。實(shí)驗(yàn)課程的開設(shè)完善了鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的教學(xué)模式，將基本原理和實(shí)驗(yàn)有機(jī)結(jié)合起來。學(xué)生通過參與實(shí)驗(yàn)，可以身臨其境般地觀察鋼結(jié)構(gòu)的破壞模式，并通過對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的分析和思考，加深對(duì)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相關(guān)概念和理論的理解，培養(yǎng)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)及土木工程的興趣，開闊學(xué)術(shù)視野，培養(yǎng)動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力，加快從書本走向工程實(shí)踐和科學(xué)研究的步伐。

四、小結(jié)

本研究通過將鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)核心內(nèi)容相配套的教學(xué)實(shí)驗(yàn)融入鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的教學(xué)進(jìn)程中，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的多元化實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行了有益的嘗試。

課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)是人才培養(yǎng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，受資助經(jīng)費(fèi)和實(shí)驗(yàn)條件所限，我們僅開展了部分試點(diǎn)實(shí)驗(yàn)。今后將建立與鋼結(jié)構(gòu)課程相關(guān)的更為細(xì)致、形式更為多元化的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，以進(jìn)一步提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

[參考文獻(xiàn)]

[1]沈祖炎，陳以一，陳揚(yáng)驥.鋼結(jié)構(gòu)基本原理[M].3版.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2018.

[2] 李方慧，田春竹.鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)課程實(shí)踐教學(xué)方法探討[J].高等建筑教育，2011（1）：135-137.

[3]高鵬，趙根田，陳明，等.鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)課程實(shí)踐教學(xué)模式探索[J].中國(guó)冶金教育，2014（4）：56-57.

[4]王偉，趙憲忠，郭小農(nóng)，等.鋼結(jié)構(gòu)多功能教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的研制與實(shí)踐[J].高等建筑教育，2009（2）：102-104.

[5]郭小農(nóng)，王偉，蔣首超，等.鋼結(jié)構(gòu)基本原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索[J].高等建筑教育，2011（1）：149-154.

[6]郭小農(nóng)，羅永峰，蔣首超，等.鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定教學(xué)研究[J].高等建筑教育，2011（2）：46-48.

[7]程欣，雷宏剛，章敏.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[J].高等建筑教育，2017（2）：124-126.

[責(zé)任編輯：龐丹丹]