問題導(dǎo)向的“鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理”課堂理論教學(xué)改革

［摘 要］ “鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理”是道路橋路與渡河工程專業(yè)的核心專業(yè)課程，扎實(shí)提升課堂理論教學(xué)效率和效果是該課程教學(xué)改革的重要任務(wù)和目標(biāo)。細(xì)致分析“鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理”的課程內(nèi)容特點(diǎn)以及由此導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)過程中存在的問題，有針對性地提出從多層次網(wǎng)格模塊化教學(xué)內(nèi)容、建立“思維主線”、引入真實(shí)工程案例、堅(jiān)持精確理論推導(dǎo)與定性分析相結(jié)合、開展課程橫向比較等方面開展課堂理論教學(xué)改革，進(jìn)而從根本上提升課堂理論教學(xué)的效率與效果。

［關(guān)鍵詞］ 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理；問題導(dǎo)向；課程特點(diǎn)；模塊化；思維主線

［基金項(xiàng)目］ 2019年度陜西省高等教育學(xué)會高等教育科學(xué)研究項(xiàng)目“基于新工科背景下的道路橋梁與渡河工程專業(yè)課程體系構(gòu)建研究”（XGH19026）；2023年度長安大學(xué)高等教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目“《鋼與組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理》高質(zhì)量教材建設(shè)研究”（ZY202365）

［作者簡介］ 朱偉慶（1987—），男，湖南婁底人，博士，長安大學(xué)公路學(xué)院教授，主要從事鋼與組合結(jié)構(gòu)橋梁理論與教學(xué)研究；劉永?。?966—），男，江西玉山人，博士，長安大學(xué)公路學(xué)院教授，主要從事鋼與組合結(jié)構(gòu)橋梁理論與教學(xué)研究；陳 峰（1977—），男，河北井陘人，博士，長安大學(xué)公路學(xué)院副教授，主要從事橋梁工程理論與教學(xué)研究。

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2024）15-0073-04 ［收稿日期］ 2023-09-22

鋼結(jié)構(gòu)橋梁表現(xiàn)出優(yōu)越的結(jié)構(gòu)性能、施工性能和使用性能，應(yīng)用越來越廣泛，交通運(yùn)輸部及各省市均出臺了推動鋼結(jié)構(gòu)橋梁應(yīng)用和發(fā)展的相關(guān)政策。因此，培養(yǎng)并建立鋼結(jié)構(gòu)橋梁領(lǐng)域的人才體系成為我國高校道路橋梁與渡河工程專業(yè)的重要任務(wù)，“鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理”也成為核心專業(yè)課程。然而，多年教學(xué)實(shí)踐證明，學(xué)生時(shí)常反饋“鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理”課程學(xué)習(xí)難度大，學(xué)習(xí)效果差強(qiáng)人意。針對課程教學(xué)過程中遇到的難題，一些同行從改變傳統(tǒng)教學(xué)方法［1-2］、引入創(chuàng)新教學(xué)手段［3-4］、融入思政元素［5-6］以及結(jié)合創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育理念［7-8］等方面做了諸多有益探索。然而，作為非常重視理論教學(xué)的核心專業(yè)課程，剖析該課程內(nèi)容特點(diǎn)以及由此導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)過程中的問題，針對性地從課堂理論教學(xué)角度進(jìn)行改革創(chuàng)新，從根本上提升課堂理論教學(xué)的效率與效果，應(yīng)是該課程教學(xué)改革的根本目標(biāo)和任務(wù)。

一、“鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理”課程內(nèi)容特點(diǎn)剖析

（一）課程內(nèi)容和知識點(diǎn)多，理論性強(qiáng)

首先，多數(shù)高校“鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理”的課時(shí)量僅為32學(xué)時(shí)，且課程內(nèi)容與知識點(diǎn)多，涉及鋼結(jié)構(gòu)基本概念、基本受力構(gòu)件計(jì)算方法、鋼結(jié)構(gòu)連接的計(jì)算方法等。其中，基本受力構(gòu)件包括受拉構(gòu)件、軸心受壓構(gòu)件、受彎構(gòu)件和壓彎構(gòu)件，構(gòu)件的計(jì)算包括強(qiáng)度、整體穩(wěn)定、局部穩(wěn)定、剛度等；鋼結(jié)構(gòu)連接包括焊縫連接和螺栓連接。其次，課程內(nèi)容理論性很強(qiáng)，不同構(gòu)件或者連接的計(jì)算方法差異極大。例如，與受彎構(gòu)件相比，軸心受壓構(gòu)件整體失穩(wěn)和局部失穩(wěn)的形式均有很大差異，整體穩(wěn)定計(jì)算和局部穩(wěn)定驗(yàn)算的差異也很大；焊縫連接與螺栓連接的計(jì)算方法更是完全不同。導(dǎo)致以上差異的原因主要還是隱藏在背后的破壞機(jī)理的巨大差異?！颁摻Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理”課程的這一特征使得學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中似懂非懂、顧此失彼、張冠李戴的現(xiàn)象時(shí)常發(fā)生。

（二）與前序課程“混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理”差異大

在學(xué)習(xí)“鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理”之前，學(xué)生已經(jīng)完成了前序課程“混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理”。然而，混凝土結(jié)構(gòu)與鋼結(jié)構(gòu)兩類結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)方法、計(jì)算內(nèi)容等方面的巨大差異導(dǎo)致兩門課程在學(xué)習(xí)方法和思路上也有很大的區(qū)別。例如，鋼筋混凝土梁的設(shè)計(jì)計(jì)算一般包括正截面受彎承載力計(jì)算和斜截面受剪承載力計(jì)算，這兩項(xiàng)計(jì)算內(nèi)容均是基于極限平衡理論驗(yàn)算整個(gè)截面承載力；而鋼梁的計(jì)算卻包括強(qiáng)度驗(yàn)算（驗(yàn)算危險(xiǎn)點(diǎn)的應(yīng)力）、整體穩(wěn)定驗(yàn)算（表現(xiàn)為應(yīng)力應(yīng)算的形式）和局部穩(wěn)定驗(yàn)算。由于學(xué)習(xí)的慣性，學(xué)生或多或少會潛意識甚至有意識地將在“混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理”學(xué)習(xí)過程中總結(jié)的學(xué)習(xí)方法和經(jīng)驗(yàn)運(yùn)用于“鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理”的學(xué)習(xí)。這無疑會使得學(xué)生無法找到適合“鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理”的學(xué)習(xí)方法。

二、“鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理”課程教學(xué)改革實(shí)踐

（一）多層次網(wǎng)格“模塊化”教學(xué)內(nèi)容，建立課程知識體系

針對“鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理”學(xué)時(shí)緊、課程內(nèi)容和知識點(diǎn)多的特點(diǎn)，在理論教學(xué)過程中，將課堂理論教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行多層次的網(wǎng)格模塊劃分。根據(jù)長安大學(xué)道路橋梁與渡河工程專業(yè)“鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理”的課程大綱，首先，從第一個(gè)層面將課程內(nèi)容劃分為鋼結(jié)構(gòu)材料與基本概念、鋼結(jié)構(gòu)連接的計(jì)算、鋼結(jié)構(gòu)基本受力構(gòu)件的計(jì)算三個(gè)大模塊。這三大模塊之間的教學(xué)內(nèi)容相對較為獨(dú)立，且教學(xué)風(fēng)格和教學(xué)思路差異相對較大，而模塊內(nèi)部的教學(xué)內(nèi)容相對較為相似，教學(xué)思路和主線則可保持一致，這就為多層次網(wǎng)格“模塊化”教學(xué)內(nèi)容奠定了可行性基礎(chǔ)。其次，從第二個(gè)層面將每個(gè)大模塊的教學(xué)內(nèi)容根據(jù)具體的對象再劃分為二級模塊。由于同一大模塊下不同二級模塊的教學(xué)目標(biāo)是一致的，故可采用相似的教學(xué)思維主線，并通過多次反復(fù)強(qiáng)調(diào)從而加深學(xué)生對該部分課程內(nèi)容的理解；反過來，由于同一大模塊下不同二級模塊的學(xué)習(xí)對象是不同的，故也可以根據(jù)學(xué)習(xí)對象的特征針對性地設(shè)計(jì)該二級模塊的教學(xué)內(nèi)容。

（二）牢牢抓住“思維主線”，培養(yǎng)鋼結(jié)構(gòu)學(xué)科思維模式

針對“鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理”課程理論性強(qiáng)、學(xué)習(xí)難度大的難題，在每個(gè)模塊的教學(xué)過程中，瞄準(zhǔn)該模塊學(xué)習(xí)對象的特點(diǎn)，牢牢抓住“表觀現(xiàn)象—基本概念—經(jīng)典理論—實(shí)用計(jì)算方法”的思維主線，直觀展示表觀現(xiàn)象，講解表觀現(xiàn)象對應(yīng)的基本概念，定性、定量相結(jié)合解剖隱藏在現(xiàn)象背后的經(jīng)典理論，結(jié)合理論定性與定量規(guī)律，講解實(shí)用計(jì)算方法的由來、表現(xiàn)形式、重要參數(shù)內(nèi)涵，從而培養(yǎng)學(xué)生鋼結(jié)構(gòu)學(xué)科的思維模式。以第三個(gè)大模塊“鋼結(jié)構(gòu)基本受力構(gòu)件的計(jì)算”為例，該模塊的總體教學(xué)目標(biāo)為：理解基本受力構(gòu)件破壞模式的類別，掌握其強(qiáng)度、整體穩(wěn)定、局部穩(wěn)定和剛度計(jì)算或驗(yàn)算方法，教學(xué)思路和思維主線設(shè)置為：截面選型與有效截面—［強(qiáng)度破壞現(xiàn)象—強(qiáng)度破壞模式—可能的強(qiáng)度破壞位置與原因—強(qiáng)度驗(yàn)算方法］—［整體失穩(wěn)現(xiàn)象—整體失穩(wěn)概念與類型—整體穩(wěn)定理論—整體穩(wěn)定承載力影響因素—整體穩(wěn)定計(jì)算方法］—［局部失穩(wěn)現(xiàn)象—局部穩(wěn)定概念與類型—局部穩(wěn)定理論—避免局部穩(wěn)定發(fā)生的思路—局部穩(wěn)定驗(yàn)算方法］—剛度驗(yàn)算。按照具體對象將其劃分為受拉構(gòu)件、軸心受壓構(gòu)件、受彎構(gòu)件和壓彎構(gòu)件四個(gè)二級模塊，在四個(gè)二級模塊的教學(xué)過程中，始終貫徹和強(qiáng)調(diào)上述“思維主線”；同時(shí)，重點(diǎn)針對每一基本受力構(gòu)件的特點(diǎn)及與其他構(gòu)件的差異，著重講解其在表觀現(xiàn)象、基本概念、經(jīng)典理論、實(shí)用計(jì)算方法各環(huán)節(jié)的特點(diǎn)。

（三）引入真實(shí)工程案例，深刻理解表觀現(xiàn)象對應(yīng)的基本概念

做好“鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理”課程中每一個(gè)二級小模塊學(xué)習(xí)內(nèi)容的理論教學(xué)，首先需通過增強(qiáng)學(xué)生對“表觀現(xiàn)象”的感性認(rèn)識讓學(xué)生深刻理解該模塊內(nèi)容中的“基本概念”。因此，通過引入真實(shí)工程案例，更好地透過“表觀現(xiàn)象”理解背后的基本概念和原理，是模塊化教學(xué)的重要一環(huán)。例如，通過引入“加拿大魁北克大橋坍塌事故”展示軸心受壓構(gòu)件整體失穩(wěn)這一表觀現(xiàn)象，讓學(xué)生理解軸心受壓構(gòu)件整體失穩(wěn)的基本概念、特征以及可能導(dǎo)致的嚴(yán)重后果；通過引入“奧地利維也納多瑙河4號橋施工事故”展示受彎構(gòu)件局部失穩(wěn)這一表觀現(xiàn)象，讓學(xué)生理解受彎構(gòu)件局部失穩(wěn)的基本概念、可能的形式、特征以及可能導(dǎo)致的后果；通過引入“國內(nèi)某橋梁滿堂支架失穩(wěn)事故”展示結(jié)構(gòu)整體失穩(wěn)與局部失穩(wěn)之間的相互關(guān)聯(lián)與轉(zhuǎn)化關(guān)系，讓學(xué)生更深刻理解這兩個(gè)基本概念。

（四）堅(jiān)持精確理論推導(dǎo)與定性分析相結(jié)合，扎實(shí)掌握實(shí)用計(jì)算方法

合情合理、通俗易懂地從經(jīng)典理論得到實(shí)用計(jì)算方法是讓學(xué)生扎實(shí)掌握鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法的基礎(chǔ)。然而，經(jīng)典理論的推導(dǎo)過程往往很復(fù)雜，對數(shù)學(xué)和力學(xué)功底的要求高。對大部分學(xué)生來說，完整和細(xì)致地講解經(jīng)典理論的推導(dǎo)過程雖有難度但無必要。因此，在此環(huán)節(jié)的講解過程中，應(yīng)堅(jiān)持理論推導(dǎo)與定性分析相結(jié)合，即在講述經(jīng)典理論基本假定和推導(dǎo)思路的基礎(chǔ)上，應(yīng)更多地分析經(jīng)典理論對應(yīng)的基本規(guī)律，以及從經(jīng)典理論向?qū)嵱糜?jì)算方法過渡過程中的“不變內(nèi)涵”與“簡化原則”。例如，在講述軸心受壓構(gòu)件的整體穩(wěn)定理論與實(shí)用計(jì)算方法時(shí)，首先從理想軸心桿件整體失穩(wěn)的歐拉公式入手，依次引入材料彈塑性、力學(xué)初始缺陷和幾何初始缺陷的影響；在此過程中，牢牢把握“臨界應(yīng)力”這一不變內(nèi)涵，重點(diǎn)講解材料彈塑性、力學(xué)初始缺陷和幾何初始缺陷對臨界應(yīng)力的影響規(guī)律。這樣便能讓學(xué)生輕松理解軸心受壓構(gòu)件的整體穩(wěn)定計(jì)算公式為何會表現(xiàn)為“帶有整體穩(wěn)定折減系數(shù)的應(yīng)力表達(dá)式”，計(jì)算整體穩(wěn)定折減系數(shù)時(shí)為何會對應(yīng)四類曲線，而力學(xué)幾何缺陷對臨界應(yīng)力的影響為何會表現(xiàn)為“根據(jù)截面分類選取曲線類型”。

（五）注重課程“橫向?qū)Ρ取?，主動消除課程學(xué)習(xí)思維混亂

針對“鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理”與前置課程“混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理”差異大、學(xué)生在本門課程的學(xué)習(xí)過程中易受前置課程學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)影響的問題，在課堂理論教學(xué)的各個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)引導(dǎo)學(xué)生主動與“混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理”中相近知識模塊進(jìn)行橫向?qū)Ρ?，培養(yǎng)學(xué)生的“橫向?qū)Ρ取彼季S，使其從根本上理解兩門課程相關(guān)內(nèi)容的差異以及差異產(chǎn)生的原因，達(dá)到主動消除學(xué)生理解誤區(qū)、避免概念和思維混淆的目的，進(jìn)而使學(xué)生既能學(xué)好本門課程，又能加深對“混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理”相關(guān)問題的理解?！皺M向?qū)Ρ取苯虒W(xué)主要從兩種結(jié)構(gòu)的材料性質(zhì)、結(jié)構(gòu)優(yōu)缺點(diǎn)、破壞模式、承載力計(jì)算理論、設(shè)計(jì)與計(jì)算內(nèi)容六個(gè)方面展開。例如，混凝土結(jié)構(gòu)的破壞以材料強(qiáng)度破壞為主，而鋼結(jié)構(gòu)則可能會發(fā)生強(qiáng)度破壞、整體失穩(wěn)和局部失穩(wěn)破壞等，由此導(dǎo)致二者的承載力計(jì)算理論和計(jì)算內(nèi)容也有很大差異。

三、強(qiáng)化課堂交流與課后總結(jié)，提升理論教學(xué)效果

在上述五方面教學(xué)改革實(shí)踐過程中，還需要通過豐富教學(xué)手段和形式，引導(dǎo)學(xué)生主動思考、主動梳理與總結(jié)，進(jìn)而提升以上五個(gè)方面課堂理論教學(xué)改革的效果。例如，通過設(shè)置課堂引導(dǎo)式提問、組織學(xué)習(xí)小組課堂討論引導(dǎo)學(xué)生主動思考同一大模塊下各小模塊中知識點(diǎn)的相似與不同之處，對比本門課程與前序課程相似知識點(diǎn)的異同；每完成一個(gè)大小模塊內(nèi)容的理論教學(xué)后，可通過布置課后模塊知識圖譜繪制任務(wù)，引導(dǎo)學(xué)生按照思維主線梳理和總結(jié)本模塊的知識體系樹。

結(jié)語

“鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理”是道路橋梁與渡河工程專業(yè)的一門非常重要的專業(yè)課程，該課程內(nèi)容和知識點(diǎn)多、理論性強(qiáng)，且學(xué)生學(xué)習(xí)時(shí)易受到前序課程學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)的干擾，導(dǎo)致學(xué)生普遍反映“鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理”課程的學(xué)習(xí)難度大，且學(xué)習(xí)效果不理想。在剖析“鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理”課程內(nèi)容特點(diǎn)、學(xué)生學(xué)習(xí)過程中存在的問題的基礎(chǔ)上，有針對性地從教學(xué)內(nèi)容多層次模塊化、抓住“思維主線”、引入真實(shí)工程案例、堅(jiān)持精確理論推導(dǎo)與定性分析相結(jié)合、開展知識點(diǎn)橫向?qū)Ρ任鍌€(gè)角度開展課程內(nèi)容教學(xué)改革，并在教學(xué)實(shí)踐過程中引導(dǎo)學(xué)生主動思考和總結(jié)，是扎實(shí)提高課堂理論教學(xué)效率、提高學(xué)生學(xué)習(xí)效果的有效手段。

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