鋼結(jié)構(gòu)原理主動學(xué)習(xí)方式的教學(xué)實(shí)踐

陳華婷 許坤 黃艷 劉學(xué)春

摘? 要：鋼結(jié)構(gòu)原理是土木工程專業(yè)的學(xué)科基礎(chǔ)必修課，也是道橋方向鋼橋課程的先修課。鋼結(jié)構(gòu)原理教學(xué)內(nèi)容多、學(xué)時少、無課設(shè)，如何在現(xiàn)有教學(xué)計劃的有限學(xué)時內(nèi)最大程度增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐能力是急需解決的問題。基于學(xué)習(xí)金字塔理論，教學(xué)設(shè)計中全面融入主動學(xué)習(xí)方式，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性；采用課堂檢測、思維導(dǎo)圖、多樣化課程作業(yè)促進(jìn)學(xué)生對專業(yè)理論和專業(yè)技能的學(xué)習(xí)并綜合運(yùn)用所學(xué)知識。主動學(xué)習(xí)方式促進(jìn)學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，可為同類性質(zhì)課程的教學(xué)提供參考。

關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu)原理；公路橋梁；教學(xué)方法；學(xué)習(xí)金字塔理論；主動學(xué)習(xí)；實(shí)踐能力；創(chuàng)新能力

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2023）35-0112-05

Abstract： Steel Structure Principles is a compulsory course for all civil engineering undergraduates and a pre-requirement to taking the Steel Bridge course for those interested in road and bridge engineering. The course teaching faces many challenges， such as numerous teaching content， limited teaching hours， and a lack of practical design projects. Maximizing students' practical ability within the limited teaching hours of the current curriculum is an urgent problem to be solved. Active learning methods are employed to stimulate students' learning initiatives based on the learning pyramid theory. Moreover， classroom quizzes， mind mapping， and diverse course assignments are used to promote students' learning of professional theories and skills and comprehensively apply their knowledge. Active learning effectively improves students' abilities of practice and innovation， providing a valuable reference for courses of a similar nature.

Keywords： Principles of Steel Structure; highway bridge; teaching method; learning pyramid theory; active learning; practical ability; innovative ability

為充分發(fā)揮鋼結(jié)構(gòu)橋梁性能優(yōu)勢，2016年7月交通運(yùn)輸部印發(fā)實(shí)施《關(guān)于推進(jìn)公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁建設(shè)的指導(dǎo)意見》，大力推廣鋼箱梁、鋼桁梁、鋼混組合梁等鋼結(jié)構(gòu)橋梁[1]。橋梁工程鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計、施工等方面的專業(yè)技術(shù)人員比較稀缺，且需求缺口仍在不斷增大[2]。作為人才培養(yǎng)的主戰(zhàn)場，普通高等學(xué)校在本科生培養(yǎng)過程中加強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)原理與鋼橋設(shè)計施工等相關(guān)內(nèi)容的教學(xué)至關(guān)重要[3]。

鋼結(jié)構(gòu)原理[4-5]是土木工程專業(yè)的學(xué)科基礎(chǔ)必修課，也是鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計、鋼橋[6-7]等課程的先修課。鋼結(jié)構(gòu)原理教學(xué)內(nèi)容多、學(xué)時少[8]，且往往沒有配套的課程設(shè)計等實(shí)踐環(huán)節(jié)。現(xiàn)代鋼結(jié)構(gòu)橋梁建設(shè)行業(yè)發(fā)展、卓越工程師培養(yǎng)計劃、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育均對高校鋼結(jié)構(gòu)人才培養(yǎng)提出了以工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力為核心的要求[8-10]。為了達(dá)成上述目標(biāo)，北京工業(yè)大學(xué)土木工程專業(yè)道橋方向?qū)I(yè)教師運(yùn)用學(xué)習(xí)金字塔理論及主動學(xué)習(xí)方式強(qiáng)化學(xué)生的主體性和積極性，探索在有限的學(xué)時內(nèi)最大限度增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐、創(chuàng)新、分析和應(yīng)用等能力的教學(xué)方法。

一? 金字塔理論與主動學(xué)習(xí)方式

美國教育家愛德加·戴爾于1946年提出了視聽教學(xué)方法的經(jīng)驗(yàn)之塔[11]，認(rèn)為越直接非抽象的經(jīng)驗(yàn)越靠近金字塔底部。美國緬因州國家訓(xùn)練實(shí)驗(yàn)室利用學(xué)習(xí)金字塔（圖1）形象地展示了采用不同的學(xué)習(xí)方式后，學(xué)習(xí)者在兩周以后還能記住內(nèi)容的多少（學(xué)習(xí)內(nèi)容平均留存率）。根據(jù)金字塔理論，學(xué)習(xí)方式分為被動學(xué)習(xí)和主動學(xué)習(xí)兩大類，傳統(tǒng)教學(xué)中的聽講、閱讀、視聽和演示均為效率不高的“被動”學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)內(nèi)容平均留存率不足30%；學(xué)習(xí)者自己討論、實(shí)踐、歸納總結(jié)甚至教授給他人為高效的“主動”學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)內(nèi)容平均留存率可高達(dá)90%。近年來，學(xué)習(xí)金字塔理論在高等教育領(lǐng)域逐漸應(yīng)用，主動學(xué)習(xí)方式有利于學(xué)習(xí)者構(gòu)建有效的知識體系[12]，但在工科類本科教學(xué)中推廣主動學(xué)習(xí)方式的實(shí)踐還有待完善[13]。

因此，鋼結(jié)構(gòu)原理教學(xué)設(shè)計應(yīng)盡可能多地融入主動學(xué)習(xí)方式，從而提升學(xué)生專業(yè)理論掌握和專業(yè)技能訓(xùn)練的學(xué)習(xí)效果。

二? 專業(yè)理論的主動學(xué)習(xí)

鋼結(jié)構(gòu)原理主要講述鋼結(jié)構(gòu)基本構(gòu)件及其連接的設(shè)計計算理論與方法，目標(biāo)是學(xué)生能夠熟練地運(yùn)用所學(xué)知識進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的設(shè)計計算。課程主要內(nèi)容包括鋼結(jié)構(gòu)基本概念、鋼結(jié)構(gòu)材料、鋼結(jié)構(gòu)連接、鋼桁架構(gòu)件、鋼板梁、鋼-混組合梁、鋼管混凝土構(gòu)件[4]。針對鋼結(jié)構(gòu)原理教學(xué)內(nèi)容多、學(xué)時少的現(xiàn)狀，通過課堂檢測和思維導(dǎo)圖，利用討論、教授給他人、歸納總結(jié)、實(shí)踐的主動學(xué)習(xí)方式促進(jìn)學(xué)生高效掌握專業(yè)理論并構(gòu)建知識體系。

（一）? 課堂檢測

結(jié)合課程教學(xué)的重點(diǎn)與難點(diǎn)設(shè)計課堂檢測題目，在平常課堂講授過程中或每章結(jié)束后使用[13]。典型內(nèi)容包括受剪螺栓的破壞形式、角焊縫的構(gòu)造要求、影響軸心受壓構(gòu)件整體穩(wěn)定性的因素、鋼板梁整體穩(wěn)定臨界應(yīng)力的主要影響因素及提高整體穩(wěn)定承載能力的方法、疲勞極限狀態(tài)的計算方法與規(guī)范要求等。題型為選擇、判斷等客觀題，利用線上教學(xué)的章節(jié)測驗(yàn)和自動批閱功能可即時得到全班每名學(xué)生每道題答題情況的反饋（圖2）。作業(yè)發(fā)放時設(shè)置題目亂序（學(xué)生接收到的題目顯示順序不同）和選項(xiàng)亂序（學(xué)生答題時題目的選項(xiàng)順序不同），鼓勵學(xué)生討論并互相解答疑問。主動學(xué)習(xí)方式有效加強(qiáng)了學(xué)生對基本概念、基本原理、基本方法的掌握與鞏固。

（二）? 思維導(dǎo)圖

受學(xué)時限制，課堂教學(xué)通常主要圍繞重點(diǎn)與難點(diǎn)。為引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行知識體系的完整建構(gòu)，通過額外加分的方式鼓勵學(xué)生梳理每章的思維導(dǎo)圖。思維導(dǎo)圖通常圖文并茂，通過主題關(guān)鍵詞與圖像、顏色等的鏈接，重在表現(xiàn)各級主題的相互隸屬與層級關(guān)系[13]。思維導(dǎo)圖有利于學(xué)生構(gòu)建知識框架、掌控學(xué)習(xí)過程、達(dá)成預(yù)期目標(biāo)并提升學(xué)習(xí)自信，在復(fù)習(xí)鞏固階段至關(guān)重要。學(xué)生在課件和教材的基礎(chǔ)上，歸納總結(jié)，利用MindMaster、iMindMap、XMind等軟件繪制思維導(dǎo)圖，圖3展示了學(xué)生繪制的鋼板梁的思維導(dǎo)圖。主動學(xué)習(xí)方式有效加強(qiáng)了學(xué)生對知識體系的完整建構(gòu)和內(nèi)化。

三? 專業(yè)技能的主動學(xué)習(xí)

如何在缺乏課程設(shè)計學(xué)時、經(jīng)費(fèi)和時間受限的情況下最大程度增強(qiáng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力是普通高等學(xué)校工科教學(xué)面臨的普遍挑戰(zhàn)。對于土木工程學(xué)科而言，課程作業(yè)是幫助學(xué)生掌握計算分析、提高專業(yè)技能、增強(qiáng)工程素養(yǎng)的可操作性較強(qiáng)的主動學(xué)習(xí)方式。但學(xué)生完成傳統(tǒng)課程作業(yè)的積極性通常不高，甚至由于書本作業(yè)過于簡化、有統(tǒng)一而明確的答案而存在抄襲現(xiàn)象[8]。因此，需采用多樣化課程作業(yè)增強(qiáng)課程作業(yè)本身的挑戰(zhàn)性、趣味性、創(chuàng)新性，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，充分發(fā)揮課程作業(yè)以實(shí)踐為主，并融合討論與教授給他人的主動學(xué)習(xí)方式的價值。

（一）? 工程設(shè)計型作業(yè)

借鑒文獻(xiàn)[14]的經(jīng)驗(yàn)，鋼結(jié)構(gòu)原理教學(xué)開發(fā)了典型鋼-混組合梁的工程設(shè)計型課程作業(yè)。工程設(shè)計型作業(yè)以任課教師主持完成的實(shí)際鋼橋的施工圖設(shè)計為主線（須提供必要的設(shè)計圖紙給學(xué)生，最好有簡化的計算說明書或有限元模型示例）貫穿課程主要內(nèi)容和知識點(diǎn)。作業(yè)分割成鋼結(jié)構(gòu)材料選取、鋼結(jié)構(gòu)連接設(shè)計、橫向縱向聯(lián)結(jié)系內(nèi)各種桁架構(gòu)件設(shè)計、鋼板梁設(shè)計、鋼-混組合梁設(shè)計五部分，各部分有明確的任務(wù)要求。通過問卷調(diào)查方式將學(xué)生分組，每組3～5人，允許學(xué)生自愿組合并選擇作業(yè)任務(wù)。隨著課程學(xué)習(xí)逐步進(jìn)展，各組同學(xué)完成相應(yīng)部分的課程作業(yè)，作業(yè)安排示例見表1。工程設(shè)計型作業(yè)需要學(xué)生將所學(xué)理論知識直接應(yīng)用于作業(yè)，促進(jìn)了學(xué)生全面把握鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件和連接的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定及疲勞計算。

（二）? 數(shù)值模擬型作業(yè)

鋼結(jié)構(gòu)原理教學(xué)也提供了學(xué)生完成數(shù)值模擬型課程作業(yè)的選擇。數(shù)值模擬型作業(yè)需要指派研究生助手，要求學(xué)生利用Midas或ABAQUS軟件建立特定主題的數(shù)值仿真模型或動畫演示?？蛇x主題包括軸心受壓構(gòu)件整體失穩(wěn)、受彎構(gòu)件彎扭耦合失穩(wěn)、鋼板梁局部失穩(wěn)、焊接殘余應(yīng)力、鋼材脆斷及鋼材塑性破壞等力學(xué)概念主題和各種節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造連接主題。圖4展示了鋼板梁整體失穩(wěn)作業(yè)要求及學(xué)生成果。有限元方法構(gòu)建的數(shù)值仿真演示模型既可增強(qiáng)學(xué)生對鋼結(jié)構(gòu)體系和構(gòu)造細(xì)節(jié)的感性認(rèn)知[15]，加深他們對構(gòu)件不同破壞模式和連接傳力路徑等理論知識的理解[16-17]，也有助于學(xué)生數(shù)值建模水平和計算分析能力的提升[18-19]。

（三）? 探討研究型作業(yè)

結(jié)合鋼結(jié)構(gòu)原理課程教學(xué)難點(diǎn)、鋼結(jié)構(gòu)研究熱點(diǎn)及任課教師的專長，設(shè)計了探討研究型課程作業(yè)。探討研究型作業(yè)涵蓋鋼橋與正交異性鋼橋面板疲勞病害、焊縫的質(zhì)量與檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)、壓彎構(gòu)件有效截面計算、鋼-混凝土組合連續(xù)梁負(fù)彎矩區(qū)裂縫控制措施等主題，如圖5所示。要求學(xué)生通過資料查找和簡單分析，按照科技小論文的要求整理成果并匯報。探討研究型作業(yè)有助于學(xué)生深入理解課程某些內(nèi)容，能鍛煉學(xué)生自主學(xué)習(xí)、查找資料、歸納整理的能力[15]。

四? 效果評價

為保障教學(xué)設(shè)計中主動學(xué)習(xí)方式的有效實(shí)施，需適當(dāng)調(diào)整考核標(biāo)準(zhǔn)[20]。目前，課堂檢測、思維導(dǎo)圖、課程作業(yè)等明確需要學(xué)生主動學(xué)習(xí)的環(huán)節(jié)的成績占總成績的比重為40%～60%。近年的實(shí)踐取得了良好的教學(xué)效果（圖6），學(xué)生們較好地經(jīng)受了鋼橋?qū)W習(xí)、考研、畢設(shè)等環(huán)節(jié)的檢驗(yàn)；學(xué)生總體評價課堂內(nèi)容豐富、條理清晰、重點(diǎn)難點(diǎn)突出，學(xué)生滿意度平均為90.6%；學(xué)生反映對課堂檢測、思維導(dǎo)圖、多樣化課程作業(yè)等環(huán)節(jié)直接相關(guān)的課程內(nèi)容印象更深刻。

五? 結(jié)束語

公路行業(yè)推進(jìn)鋼箱梁、鋼桁梁、鋼-混組合梁等鋼結(jié)構(gòu)橋梁建設(shè)對高校培養(yǎng)設(shè)計、制造、施工和養(yǎng)護(hù)等鋼結(jié)構(gòu)專業(yè)人才提出了更高的要求。面對專業(yè)課學(xué)時縮減、課程設(shè)計實(shí)踐環(huán)節(jié)缺失等挑戰(zhàn)，北京工業(yè)大學(xué)土木工程專業(yè)道橋方向鋼結(jié)構(gòu)原理教學(xué)近些年探索了在現(xiàn)有學(xué)時內(nèi)增強(qiáng)學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的教學(xué)方法?；趯W(xué)習(xí)金字塔理論，在教學(xué)設(shè)計中全面融入主動學(xué)習(xí)方式，通過課堂檢測、思維導(dǎo)圖、工程設(shè)計型作業(yè)、數(shù)值模擬型作業(yè)及探討研究型作業(yè)激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)體系概念和構(gòu)造細(xì)節(jié)空間感，促進(jìn)學(xué)生對專業(yè)理論和專業(yè)技能的學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識的能力。鋼結(jié)構(gòu)原理課程的教學(xué)探索可為同類課程的教學(xué)改革提供有益的借鑒與參考。

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