楊立軍, 劉少斌, 陸守明, 孫 晉

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鋼結(jié)構(gòu)課程教學(xué)方法的探索與實(shí)踐

楊立軍, 劉少斌, 陸守明, 孫 晉

(湖南文理學(xué)院 土木建筑工程學(xué)院, 湖南 常德, 415000)

分析了當(dāng)前鋼結(jié)構(gòu)課程教學(xué)的現(xiàn)狀: 課時少, 對學(xué)生力學(xué)基礎(chǔ)要求高, 教學(xué)方法單一. 在此基礎(chǔ)上提出了鋼結(jié)構(gòu)課程教學(xué)方法: 構(gòu)建立體化教學(xué)資源庫, 采用比較教學(xué)法進(jìn)行教學(xué), 創(chuàng)新課堂演示實(shí)驗(yàn). 實(shí)踐表明, 這些方法可以有效地促進(jìn)學(xué)生對鋼結(jié)構(gòu)教學(xué)內(nèi)容的理解, 明顯地提高了教學(xué)效果.

鋼結(jié)構(gòu); 教學(xué)方法; 教學(xué)資源庫; 比較教學(xué); 演示實(shí)驗(yàn)

鋼結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、磚混結(jié)構(gòu)是我國現(xiàn)階段應(yīng)用最為廣泛的三種結(jié)構(gòu)形式, 相對于其它兩種結(jié)構(gòu)形式而言, 鋼結(jié)構(gòu)具有輕質(zhì)高強(qiáng), 良好的塑性和韌性性能, 制作、安裝簡便, 工期短, 符合工業(yè)化要求等特點(diǎn), 因而在大跨度結(jié)構(gòu)、高屋建筑、工業(yè)廠房等方面得到了廣泛地應(yīng)用[1-2]. 另外, 由于大部分鋼材都能被有效地回收, 循環(huán)利用, 鋼結(jié)構(gòu)建筑被譽(yù)為21世紀(jì)的“綠色建筑”[3]. 我國自1996年鋼產(chǎn)量突破一億噸以來, 鋼鐵產(chǎn)量的逐年攀升, 鋼結(jié)構(gòu)也得到了蓬勃發(fā)展, 一大批鋼結(jié)構(gòu)標(biāo)志建筑也應(yīng)運(yùn)而生, 如鳥巢、國家體育館、上海世博演藝中心、上海世博軸, 這些建筑很好地體現(xiàn)了現(xiàn)代技術(shù)[4]. 與我國鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)蓬勃發(fā)展不協(xié)調(diào)的是, 鋼結(jié)構(gòu)人才培養(yǎng)嚴(yán)重滯后, 專業(yè)技術(shù)人員缺乏, 尤其缺乏適應(yīng)設(shè)計(jì)、施工、管理的高級技術(shù)人員和管理人才, 這已成為目前影響整個鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)健康快速發(fā)展的“瓶頸”[5-6].

鋼結(jié)構(gòu)課程是土木工程專業(yè)重要的專業(yè)課, 該課程內(nèi)容豐富, 理論嚴(yán)謹(jǐn), 實(shí)用性強(qiáng), 注重工程能力的培養(yǎng), 是一門涉及學(xué)科較多且發(fā)展很快的課程[7-9]. 然而, 由于目前鋼結(jié)構(gòu)課程教學(xué)學(xué)時不足, 課程對學(xué)生的力學(xué)基礎(chǔ)要求高, 傳統(tǒng)的以理論為主的教學(xué)方法導(dǎo)致學(xué)生眼高手低, 實(shí)際從事鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工的能力差. 因此, 分析鋼結(jié)構(gòu)課程教學(xué)的現(xiàn)狀, 探索鋼結(jié)構(gòu)課程教學(xué)方法就顯得相當(dāng)有必要.

1 鋼結(jié)構(gòu)課程教學(xué)的現(xiàn)狀

1.1 課時少

目前工科各專業(yè)普遍存在專業(yè)課時緊張的問題, 鋼結(jié)構(gòu)課程表現(xiàn)更為明顯. 目前各校鋼結(jié)構(gòu)課程教學(xué)課時基本上是60學(xué)時左右, 主要內(nèi)容為鋼結(jié)構(gòu)的連接和節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)原理、軸心受力構(gòu)件、受彎構(gòu)件、拉彎和壓彎構(gòu)件設(shè)計(jì)計(jì)算和單層鋼結(jié)構(gòu)廠房的設(shè)計(jì)等內(nèi)容, 為今后學(xué)習(xí)鋼結(jié)構(gòu)房屋設(shè)計(jì)、鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)、大跨空間結(jié)構(gòu)、輕鋼結(jié)構(gòu)、多高層鋼結(jié)構(gòu)打下基礎(chǔ), 而一般沒有鋼結(jié)構(gòu)的后續(xù)課程來鞏固前面所學(xué), 并進(jìn)一步學(xué)習(xí)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì). 其它專業(yè)課, 如《建筑施工》、《建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)》、《高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)》, 由于本身學(xué)時少, 學(xué)生畢業(yè)后主要從事混凝土結(jié)構(gòu)和磚混結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì), 往往重點(diǎn)講述這兩種結(jié)構(gòu), 忽略了鋼結(jié)構(gòu)的講述. 另外, 土木工程關(guān)于鋼結(jié)構(gòu)的課程設(shè)計(jì)只有一個, 一般為“梯形鋼屋架設(shè)計(jì)”. 而關(guān)于混凝土結(jié)構(gòu)方面的課程設(shè)計(jì)卻有幾個, 如“混凝土現(xiàn)澆樓蓋設(shè)計(jì)”、“混凝土單層工業(yè)廠房設(shè)計(jì)”. 其它課程的課程設(shè)計(jì)也與混凝土結(jié)構(gòu)有關(guān), 如“房屋建筑學(xué)課程設(shè)計(jì)”、“工程造價課程設(shè)計(jì)”. 學(xué)生生產(chǎn)實(shí)習(xí)和畢業(yè)實(shí)習(xí)中大多從事的是混凝土結(jié)構(gòu)和磚混結(jié)構(gòu)的施工和設(shè)計(jì). 畢業(yè)設(shè)計(jì)往往是關(guān)于混凝土框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì), 很少有關(guān)于鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的畢業(yè)設(shè)計(jì). 正是由于鋼結(jié)構(gòu)課時少, 課程設(shè)置單一, 使得學(xué)生關(guān)于鋼結(jié)構(gòu)的知識面非常狹窄, 在畢業(yè)后對鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的工作難以上手, 導(dǎo)致我國鋼結(jié)構(gòu)人才的數(shù)量和質(zhì)量都得不到較大的提升.

1.2 對學(xué)生力學(xué)基礎(chǔ)要求高

鋼結(jié)構(gòu)涉及的計(jì)算內(nèi)容多, 對學(xué)生力學(xué)基礎(chǔ)要求較高, 涉及到的力學(xué)有材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、彈性力學(xué), 以及土木工程本科生沒有開設(shè)的斷裂力學(xué), 如疲勞破壞涉及到斷裂力學(xué), 壓桿穩(wěn)定涉及到歐拉穩(wěn)定理論, 局部穩(wěn)定涉及到彈性薄板穩(wěn)定理論, 梁的穩(wěn)定涉及到開口薄壁桿件約束扭轉(zhuǎn)理論, 而要獲得壓彎構(gòu)件整體穩(wěn)定性的相對精確解，就要使用有限元數(shù)值計(jì)算方法. 因而鋼結(jié)構(gòu)的公式多, 內(nèi)容繁雜, 記憶困難, 有一些公式和一些數(shù)據(jù)是通過試驗(yàn)歸納和總結(jié)出來的, 需要學(xué)生靈活運(yùn)用相關(guān)表格. 特別是穩(wěn)定理論部分, 占的篇幅較多, 公式推導(dǎo)多, 難度高. 因此在教授相關(guān)知識時, 要對相關(guān)力學(xué)理論進(jìn)行講解, 使學(xué)生有清晰的力學(xué)概念，順利完成從力學(xué)到鋼結(jié)構(gòu)的過渡.

1.3 教學(xué)方法單一

鋼結(jié)構(gòu)課程教學(xué)目前以課堂教學(xué)為主, 采用以多媒體課件結(jié)合傳統(tǒng)板書方式教學(xué), 相對于“黑板+粉筆”的傳統(tǒng)教學(xué)方式有了一定進(jìn)步. 但由于一般沒有安排鋼結(jié)構(gòu)參觀和實(shí)習(xí), 學(xué)生對鋼結(jié)構(gòu)實(shí)體認(rèn)知有限, 而教學(xué)內(nèi)容大多為抽象的力學(xué)模型, 學(xué)生不能由力學(xué)模型和鋼結(jié)構(gòu)圖紙?jiān)诖竽X中建立實(shí)體模型, 不能有效地將書本知識和實(shí)際工程中的梁柱、節(jié)點(diǎn)構(gòu)造等有機(jī)結(jié)合起來. 造成的問題是, 學(xué)生上課聽得懂, 下課卻不會做作業(yè); 死記硬背能應(yīng)付考試, 卻不知道究竟學(xué)會了什么; 能完成單個構(gòu)件的設(shè)計(jì), 卻“只見構(gòu)件, 不見結(jié)構(gòu)”, 對鋼結(jié)構(gòu)實(shí)際工程手足無措.

2 鋼結(jié)構(gòu)課程教學(xué)方法探討

2.1 注重多媒體教學(xué)手段, 構(gòu)建實(shí)習(xí)觀模、多媒體課件、網(wǎng)上資源等多位一體的立體化教學(xué)資源庫

為了克服鋼結(jié)構(gòu)課程課時少, 課程設(shè)置單一的問題, 借助現(xiàn)代教學(xué)手段, 以高水平多媒體課件和電子教案為核心, 構(gòu)建實(shí)習(xí)觀摩(實(shí)物、模型或錄像)、多媒體課件、網(wǎng)上資源等多位一體的立體化教學(xué)資源庫, 從而激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣, 拓寬學(xué)生視野, 將鋼結(jié)構(gòu)課程教學(xué)從課堂拓寬到課外. 首先通過實(shí)習(xí)觀摩, 利用實(shí)物、模型、動畫、視頻錄像, 激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣, 使學(xué)生獲得關(guān)于鋼結(jié)構(gòu)相關(guān)內(nèi)容的感性認(rèn)識. 比如受壓構(gòu)件的屈曲動畫真實(shí)生動地表現(xiàn)了“彎曲屈曲, 彎扭屈曲, 扭轉(zhuǎn)屈曲”的不同發(fā)生方式. 而“普通螺栓和高強(qiáng)螺栓的破壞機(jī)理及其區(qū)別”的動畫演示, 能讓學(xué)生直觀掌握螺栓各種不同的破壞形式和產(chǎn)生原因. 其次, 在課程教學(xué)中采用了PPT電子課件、施工錄像、工程資料圖片等授課方法, 使教學(xué)內(nèi)容形象化, 動態(tài)化, 有助于提高學(xué)生學(xué)習(xí)積極性, 有效地提高教學(xué)質(zhì)量和效率. 課堂上集中突出基本概念、基本理論和主要技術(shù)要點(diǎn)的講解和討論, 在有限的課內(nèi)學(xué)時中加大知識傳授容量, 用啟發(fā)學(xué)生思考的模式代替被動接受教學(xué)內(nèi)容的模式. 再次, 將課程資源上網(wǎng), 學(xué)生課外可在網(wǎng)上觀看鋼結(jié)構(gòu)視頻、教學(xué)動畫、網(wǎng)上測驗(yàn)、交流討論, 主動增加對鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件、節(jié)點(diǎn)構(gòu)造、實(shí)體工程的了解.

2.2 提綱挈領(lǐng), 將各知識點(diǎn)連珠成線, 采用比較教學(xué)法, 融會貫通各知識點(diǎn)

鋼結(jié)構(gòu)課程雖然內(nèi)容繁多, 但是不外乎是研究鋼結(jié)構(gòu)和其構(gòu)件的承載能力極限狀態(tài)(強(qiáng)度、穩(wěn)定)和正常使用極限狀態(tài), 在教學(xué)中列出各極限狀態(tài)計(jì)算公式, 把各知識點(diǎn)連珠成線, 使學(xué)生在頭腦中形成知識網(wǎng)絡(luò), 便于理解和記憶. 教學(xué)中分別就這些公式的理論依據(jù)、應(yīng)用方法展開講述. 這種提綱挈領(lǐng)的教學(xué)使得知識脈絡(luò)清晰, 有利于學(xué)生理解掌握.

在講述鋼結(jié)構(gòu)高強(qiáng)度螺栓連接時, 可與普通螺栓對比講述. 如高強(qiáng)度螺栓承壓型連接破壞準(zhǔn)則與普通螺栓相同, 所以高強(qiáng)度螺栓承壓型連接的單栓抗剪、抗拉承載力計(jì)算方法與普通螺栓相同. 而高強(qiáng)度螺栓摩擦型抗剪連接, 其破壞準(zhǔn)則為板件發(fā)生相對滑移, 因而其計(jì)算公式必與摩擦面抗滑移系數(shù)和預(yù)拉力設(shè)計(jì)值有關(guān), 而與普通螺栓計(jì)算不同. 在螺栓群承受彎矩作用或偏心拉力連接中, 其計(jì)算關(guān)鍵是確定螺栓群的中和軸. 將高強(qiáng)度螺栓連接和普通螺栓連接對比講述, 能加深學(xué)生們的印象. 由于普通螺栓在彎矩作用下受拉螺栓截面只是幾個孤立螺栓點(diǎn), 而端板受壓區(qū)則是寬度較大的實(shí)體矩形截面, 因而假定螺栓群的中和軸位于最下排螺栓的形心處. 在偏心拉力作用下, 當(dāng)偏心較小時, 由于螺栓均承擔(dān)拉力作用, 連接板件有互相分離趨勢, 故此時中和軸假定位于螺栓群形心軸處; 當(dāng)偏心較大時, 在端板底部將出現(xiàn)受壓區(qū), 因而假定螺栓群的中和軸位于最下排螺栓的形心處. 而高強(qiáng)度螺栓連接由于連接板件接觸面始終處于緊密接觸狀態(tài), 彈性性能較好, 可認(rèn)為是一個整體, 所以假定連接的中和軸與螺栓群形心軸重合.

鋼結(jié)構(gòu)連接承受力矩時, 學(xué)生往往分不清是彎矩和扭矩, 從而計(jì)算時無所適從. 教學(xué)時可以采用比較教學(xué)法將二者對比講述. 下面以螺栓群連接為例說明, 從以下兩個角度來講授. 一是看力矩作用位置, 如果力矩作用面平行螺栓群有效截面, 螺栓群受扭矩; 力矩所在平面與螺栓群有效截面垂直, 螺栓群受彎矩; 二是看力矩作用效果, 力矩使被連板件產(chǎn)生相互平行錯動, 螺栓群受扭矩; 力矩使被連接構(gòu)件一端相互分離, 另一端相互壓緊, 螺栓群受彎矩.

2.3 創(chuàng)新課堂演示實(shí)驗(yàn), 增加課堂直觀性, 加強(qiáng)學(xué)生感性認(rèn)識

由于學(xué)生與鋼結(jié)構(gòu)工程實(shí)例接觸不多, 學(xué)生對鋼結(jié)構(gòu)認(rèn)識有限, 雖然通過實(shí)習(xí)觀模、多媒體課件、網(wǎng)上資源等多位一體的立體化教學(xué)資源庫, 學(xué)生可增加對鋼結(jié)構(gòu)的認(rèn)識. 但課堂講述時學(xué)生難免碰到對講述內(nèi)容存在疑惑的地方, 所以創(chuàng)新課堂演示實(shí)驗(yàn), 增加課堂直觀性, 加強(qiáng)學(xué)生感性認(rèn)識也是一個有效的教學(xué)手段. 下面以鋼結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的演示實(shí)驗(yàn)說明. 用普通紙片模擬鋼板, 把一張普通紙片卷成圓柱形狀, 此時圓柱壁厚為單張紙的厚度. 然后將圓柱置于一水平面上對圓柱施壓. 在壓力作用下, 紙質(zhì)圓柱表面逐步出現(xiàn)凹凸不平的現(xiàn)象, 即紙片在壓力作用下屈曲. 該試驗(yàn)?zāi)M了鋼結(jié)構(gòu)局部失穩(wěn)的現(xiàn)象. 把一本書卷成圓柱形狀, 此時圓柱壁厚為一本書的厚度. 同樣, 將圓柱底部置于一水平面上對圓柱施壓, 在壓力作用下, 紙質(zhì)圓柱表面不再屈曲, 圓柱失效是由于結(jié)構(gòu)發(fā)生整體傾斜造成的. 該實(shí)驗(yàn)?zāi)M了鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件整體失穩(wěn)的現(xiàn)象. 由局部失穩(wěn)變到整體失穩(wěn), 在于增加了紙質(zhì)圓柱厚度, 構(gòu)件由板件寬厚比起控制作用的承載能力極限狀態(tài)過渡到了整體屈曲起控制作用的極限狀態(tài). 通過該課堂演示實(shí)驗(yàn), 學(xué)生可很好地把握鋼結(jié)構(gòu)整體失穩(wěn)和局部失穩(wěn)的區(qū)別和影響因素.

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[4] 張勝, 周錫玲, 陳斌, 等. 土木工程專業(yè)《鋼結(jié)構(gòu)》課程教學(xué)研究改革探討[J]. 長沙大學(xué)學(xué)報, 2012, 26(1): 117-118.

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Research and practices of teaching methods of steel structure course

YANG Li-jun, LIU Shao-bin, LU Shou-ming, SUN Jin

(College of Civil and Architecture Engineering, Hunan University of Arts and Science, Changde 415000, China)

The present situation of steel structure courseteachingwas given as follows: insufficient teaching hours, high requirements to mechanics for students, tedious teaching methods, and so on. And the analysis and suggestions were put forward about teaching methods of steel structure course. They were as follows: (1) constructing stereoscopic teaching resources library. (2) Adopting comparison teaching method. (3) Innovating classroom demonstration experiment. The practice showed that, these methods can effectively promote students to understand the teaching content and improve the teaching effect.

steel structure; teaching method; teaching resources library; comparison teaching; demonstration experiment

G 642.0

1672-6146(2012)04-0070-03

10.3969/j.issn.1672-6146.2012.04.015

2012-10-09

湖南省教育廳科研項(xiàng)目(12C0823、10C1007).

楊立軍(1976-), 男, 副教授, 博士生, 研究方向: 建筑結(jié)構(gòu)理論教學(xué)與研究. E-mail: yanglj9601@163.com.

(責(zé)任編校:譚長貴)