卓越工程師教育培養(yǎng)體系下的現(xiàn)代鋼結(jié)構(gòu)課程教學(xué)研究

伍凱　曹平周　南洋

摘要：鋼結(jié)構(gòu)課程作為土木工程專業(yè)的核心課程，其教學(xué)內(nèi)容應(yīng)隨著建筑科技的發(fā)展和市場(chǎng)對(duì)人才要求的變化而不斷完善，體現(xiàn)“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”的根本要求。同時(shí)該課程教學(xué)應(yīng)體現(xiàn)卓越工程師培養(yǎng)體系下的現(xiàn)代鋼結(jié)構(gòu)課程教學(xué)新思想，建立立體化的知識(shí)體系和正確的設(shè)計(jì)理念，強(qiáng)化鋼結(jié)構(gòu)力學(xué)分析能力。

關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu)課程； 卓越工程師； 教學(xué)研究； 教學(xué)思想

中圖分類(lèi)號(hào)：G6420；TU391 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：10052909（2015）05006004

2010年6 月教育部啟動(dòng)了“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”（ 以下簡(jiǎn)稱“卓越計(jì)劃”）[1-3]。 該計(jì)劃旨在為未來(lái)各行各業(yè)培養(yǎng)各種類(lèi)型的優(yōu)秀工程師后備軍。

鋼結(jié)構(gòu)是土木建筑的主要結(jié)構(gòu)形式之一，該行業(yè)的發(fā)展迫切需要一批具備創(chuàng)新思想與職業(yè)技能的卓越工程師。相比鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)對(duì)卓越人才的迫切需求，目前高等學(xué)校培養(yǎng)的鋼結(jié)構(gòu)專門(mén)人才數(shù)量偏少，專業(yè)人才的創(chuàng)新能力與工程實(shí)踐能力較弱。為了滿足社會(huì)發(fā)展建設(shè)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)專業(yè)人才的需求，亟需進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)課程教學(xué)的系統(tǒng)改革與實(shí)踐，培養(yǎng)具有扎實(shí)鋼結(jié)構(gòu)理論基礎(chǔ)，了解國(guó)內(nèi)外鋼結(jié)構(gòu)新進(jìn)展及新技術(shù)，能將所學(xué)理論知識(shí)靈活應(yīng)用到鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工等相關(guān)工作中，創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力較強(qiáng)的具有卓越工程師潛質(zhì)的專業(yè)人才[4-5]。

優(yōu)秀的工程師必須適應(yīng)時(shí)代發(fā)展，符合現(xiàn)代化工程建設(shè)的需求，這就要求高等院校建立現(xiàn)代教學(xué)新思想，創(chuàng)新教學(xué)方法。鋼結(jié)構(gòu)課程作為土木工程專業(yè)的核心課程，其教學(xué)內(nèi)容也應(yīng)隨著建筑科技的發(fā)展和市場(chǎng)對(duì)人才的要求變化不斷調(diào)整，體現(xiàn)“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”的根本要求。

一、現(xiàn)代鋼結(jié)構(gòu)課程教學(xué)新思想

（一）建立立體化的知識(shí)體系

專業(yè)課程自身具有很強(qiáng)的系統(tǒng)性和邏輯性，但如果從課程體系來(lái)看，往往難以構(gòu)建相關(guān)課程間的相互聯(lián)系，以致學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的把握雖然很牢固，但無(wú)法有效形成立體化的知識(shí)體系。知識(shí)體系的缺失將造成學(xué)生課程考核時(shí)每個(gè)

知識(shí)點(diǎn)都能從容應(yīng)對(duì)，但到了課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)時(shí)卻無(wú)法有效系統(tǒng)地利用這些知識(shí)來(lái)解決實(shí)際工程問(wèn)題。

在鋼結(jié)構(gòu)課程開(kāi)始階段，可引導(dǎo)學(xué)生回顧已學(xué)課程，分析前期的知識(shí)構(gòu)架，指出后續(xù)課程的組成，著重突出鋼結(jié)構(gòu)課程在整個(gè)課程體系里的位置和重要性。在課程教學(xué)過(guò)程中，突出鋼結(jié)構(gòu)課程知識(shí)點(diǎn)與其他課程知識(shí)點(diǎn)之間的內(nèi)在聯(lián)系與區(qū)別。通過(guò)這種方式，將鋼結(jié)構(gòu)課程作為課程體系的重要節(jié)點(diǎn)，形成立體化的知識(shí)體系，強(qiáng)化與其他課程的有機(jī)聯(lián)系，增強(qiáng)學(xué)生專業(yè)知識(shí)的系統(tǒng)性，讓學(xué)生能從更高的層次把握并合理應(yīng)用專業(yè)知識(shí)。

（二）建立正確的設(shè)計(jì)理念

課堂教學(xué)除了傳授專業(yè)知識(shí)外，還應(yīng)培養(yǎng)學(xué)生的職業(yè)道德和正確的設(shè)計(jì)理念。鋼結(jié)構(gòu)課程實(shí)踐反映出學(xué)生缺乏正確的設(shè)計(jì)理念。部分學(xué)生在進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，過(guò)于追求經(jīng)濟(jì)效果，結(jié)構(gòu)體系的安全儲(chǔ)備不足，導(dǎo)致截面過(guò)小、鋼板太薄，雖然驗(yàn)算能夠滿足要求，但缺乏對(duì)實(shí)際工程加工和安裝中不利因素的思考。還有一些學(xué)生則過(guò)于注重“設(shè)計(jì)效率”，為了減小工作量，本應(yīng)采用變截面構(gòu)件而選用等截面構(gòu)件，甚至出現(xiàn)梁、柱采用相同截面的現(xiàn)象，這些設(shè)計(jì)方式雖然能夠滿足安全性的要求，但造成材料的浪費(fèi)。

這些問(wèn)題的出現(xiàn)最根本的原因是缺乏正確設(shè)計(jì)理念的引導(dǎo)。只有專業(yè)知識(shí)，沒(méi)有正確的職業(yè)態(tài)度和設(shè)計(jì)理念，無(wú)法成為合格的工程師。專業(yè)知識(shí)可以從課本上自學(xué)，但設(shè)計(jì)理念必須在教學(xué)過(guò)程中由教師潛移默化地加以引導(dǎo)灌輸。

（三）鋼結(jié)構(gòu)課程教學(xué)應(yīng)強(qiáng)化力學(xué)分析能力的培養(yǎng)

鋼結(jié)構(gòu)課程與土木工程材料、理論力學(xué)、材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)等課程內(nèi)容聯(lián)系緊密，特別是材料力學(xué)，因?yàn)殇摬呐c混凝土、砌體等相比，更接近彈性體。鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要保證結(jié)構(gòu)能夠安全可靠地承受多種荷載作用，學(xué)好鋼結(jié)構(gòu)知識(shí)需要扎實(shí)的力學(xué)基礎(chǔ)。學(xué)生普遍認(rèn)為鋼結(jié)構(gòu)是比較難學(xué)的專業(yè)基礎(chǔ)課，究其原因主要有兩個(gè)方面：一是力學(xué)基礎(chǔ)不夠扎實(shí)；二是對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)分析的能力較差。

鋼結(jié)構(gòu)課程的另一個(gè)特點(diǎn)是課程知識(shí)點(diǎn)的關(guān)聯(lián)性和邏輯性很強(qiáng)，而不同知識(shí)點(diǎn)之間大多以基礎(chǔ)力學(xué)作為紐帶。一個(gè)知識(shí)點(diǎn)的缺失，會(huì)直接影響后續(xù)知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)。因此在課堂教學(xué)過(guò)程中，要因材施教，根據(jù)學(xué)生的知識(shí)結(jié)構(gòu)差異，適度回顧溫習(xí)相關(guān)力學(xué)知識(shí)。這樣可以從兩方面提高教學(xué)效果和質(zhì)量：一是溫習(xí)相關(guān)力學(xué)知識(shí)能夠夯實(shí)學(xué)生的力學(xué)基礎(chǔ)，使學(xué)生更易學(xué)習(xí)和消化鋼結(jié)構(gòu)的知識(shí)要點(diǎn)；二是在夯實(shí)力學(xué)基礎(chǔ)的同時(shí)，也將前期學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)理論知識(shí)與當(dāng)前學(xué)習(xí)的鋼結(jié)構(gòu)工程內(nèi)容更緊密地聯(lián)系在一起，有利于提高學(xué)生在鋼結(jié)構(gòu)中的力學(xué)應(yīng)用能力。

二、 教學(xué)方法與策略

鋼結(jié)構(gòu)課程具有內(nèi)容多、知識(shí)點(diǎn)之間邏輯性強(qiáng)、概念抽象、公式繁多等特點(diǎn)。如果不能合理引導(dǎo)學(xué)生攻克學(xué)習(xí)過(guò)程中的諸多困難，易使學(xué)生產(chǎn)生厭學(xué)情緒，難以學(xué)好這門(mén)課程。該課程教學(xué)方法重點(diǎn)在于堅(jiān)持以學(xué)生為主體，明確學(xué)習(xí)的目的和意義，確立合適的學(xué)習(xí)目標(biāo)，以促進(jìn)學(xué)生的發(fā)展為根本宗旨，引導(dǎo)學(xué)生的知識(shí)應(yīng)用和工程實(shí)踐。

（一）引導(dǎo)性教學(xué)，突出學(xué)生的主體地位

學(xué)生是學(xué)習(xí)的主體，但調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，突出其主體地位，需要多方面的努力。鼓勵(lì)學(xué)生利用專業(yè)知識(shí)解決鋼結(jié)構(gòu)中的工程問(wèn)題，并進(jìn)行典型工程案例教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生把專業(yè)知識(shí)應(yīng)用于工程實(shí)踐。營(yíng)造適度活躍的課堂環(huán)境，過(guò)于嚴(yán)肅的課堂環(huán)境不利于培養(yǎng)活躍的思維，但過(guò)于松散的課堂環(huán)境會(huì)影響學(xué)習(xí)效率和效果。在堅(jiān)持學(xué)生為主體的教學(xué)工作中，除了關(guān)注學(xué)生的學(xué)習(xí)和生活，還應(yīng)營(yíng)造健康的心理環(huán)境，避免學(xué)生產(chǎn)生厭學(xué)情緒，使該課程的學(xué)習(xí)能夠?qū)W(xué)生以后的學(xué)習(xí)、工作產(chǎn)生促進(jìn)作用。

（二）建立多元化的信息傳導(dǎo)方式

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和砌體結(jié)構(gòu)課程是鋼結(jié)構(gòu)的先修課程，學(xué)生接觸鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和砌體結(jié)構(gòu)內(nèi)容比較多，但對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的接觸相對(duì)較少，缺乏感性認(rèn)識(shí)。部分學(xué)生力學(xué)基礎(chǔ)相對(duì)較差，雖能勉強(qiáng)記住一些概念，但無(wú)法透徹理解鋼結(jié)構(gòu)課程中的關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)，靈活應(yīng)用能力較差。

課堂教學(xué)是教師向?qū)W生傳導(dǎo)信息的主要方式，是學(xué)生獲得感性認(rèn)識(shí)、透徹理解關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)的第一陣地。應(yīng)建立課堂教學(xué)的多元化信息傳導(dǎo)方式，通過(guò)多種渠道幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)、理解并熟練應(yīng)用系統(tǒng)而豐富的鋼結(jié)構(gòu)課程內(nèi)容。可采用的傳導(dǎo)方式包括板書(shū)、PPT、圖片、FLASH、短片、課后小實(shí)習(xí)、課外實(shí)踐等等。例如，課外安排時(shí)間帶領(lǐng)學(xué)生參觀施工中的鋼結(jié)構(gòu)工程。

值得注意的是，應(yīng)重視課堂外的師生溝通，建立并完善溝通渠道，加強(qiáng)教師與學(xué)生之間的聯(lián)系，幫助學(xué)生解決課外學(xué)習(xí)中遇見(jiàn)的疑難問(wèn)題，充分了解學(xué)生的學(xué)習(xí)發(fā)展過(guò)程。在溝通過(guò)程中，遵循教學(xué)規(guī)律，突出鋼結(jié)構(gòu)課程的教學(xué)目標(biāo)。通過(guò)有效溝通，引導(dǎo)學(xué)生利用專業(yè)知識(shí)解決工程問(wèn)題。

（三）更新充實(shí)課程教學(xué)內(nèi)容

建筑科技日新月異，新型結(jié)構(gòu)不斷出現(xiàn)，組合結(jié)構(gòu)與混合結(jié)構(gòu)已經(jīng)大量出現(xiàn)在工程建設(shè)領(lǐng)域，鋼結(jié)構(gòu)課程教學(xué)應(yīng)順應(yīng)社會(huì)發(fā)展，改革教學(xué)內(nèi)容。組合結(jié)構(gòu)與混合結(jié)構(gòu)是當(dāng)代新型建筑結(jié)構(gòu)，鋼結(jié)構(gòu)在其中扮演了重要角色。例如，由鋼筋混凝土柱與鋼梁組成的混合框架結(jié)構(gòu)，充分利用了鋼筋混凝土柱抗壓性能好的特點(diǎn)與鋼梁輕質(zhì)高強(qiáng)、變形能力好的特征，綜合效益非常突出。諸如此類(lèi)新型建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與施工離不開(kāi)鋼結(jié)構(gòu)的基本原理，但傳統(tǒng)的教學(xué)內(nèi)容已無(wú)法適應(yīng)新型結(jié)構(gòu)體系的推廣應(yīng)用。

在鋼結(jié)構(gòu)課程教學(xué)內(nèi)容方面，以鋼結(jié)構(gòu)基本知識(shí)為中心，適量輻射補(bǔ)充組合結(jié)構(gòu)與混合結(jié)構(gòu)的教學(xué)內(nèi)容，豐富鋼結(jié)構(gòu)課程教學(xué)內(nèi)涵，讓學(xué)生了解鋼結(jié)構(gòu)在整個(gè)結(jié)構(gòu)體系中越來(lái)越重要的核心地位。這樣有利于擴(kuò)展學(xué)生的知識(shí)面，使教學(xué)內(nèi)容更貼近工程建設(shè)的發(fā)展近況，有利于學(xué)生將鋼結(jié)構(gòu)與其它結(jié)構(gòu)形式緊密聯(lián)系起來(lái)，進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)力。

三、系統(tǒng)化教學(xué)實(shí)踐：以普通螺栓的計(jì)算為例

普通螺栓連接的構(gòu)造和計(jì)算的講解包括引子、螺栓的排列與構(gòu)造要求、螺栓受力、抗剪連接的受力性能與破壞方式、抗剪螺栓的單栓承載力設(shè)計(jì)值、普通螺栓群軸心力作用下抗剪計(jì)算、例題解析、課后思考與課堂小結(jié)，共八個(gè)部分。

（一） 引子

這一部分首先講解鋼結(jié)構(gòu)中常見(jiàn)的連接方式，并輔以工程照片，讓學(xué)生獲得各種常見(jiàn)連接方式的感性認(rèn)識(shí)。將鋼結(jié)構(gòu)的連接與人體結(jié)構(gòu)中的關(guān)節(jié)做簡(jiǎn)單對(duì)比，引導(dǎo)學(xué)生切實(shí)了解連接在鋼結(jié)構(gòu)中的作用。引出螺栓連接常用的方式，分析螺栓連接在工程中應(yīng)用的優(yōu)缺點(diǎn)，講解螺栓的排列方式和基本構(gòu)造要求。至此，學(xué)生對(duì)本講主要對(duì)象有了初步了解。明確本堂課程的主要難點(diǎn)：普通螺栓抗剪連接的四個(gè)受力階段，以及對(duì)應(yīng)的受力性能特征；認(rèn)識(shí)普通螺栓抗剪連接的五種破壞方式，理解并能靈活應(yīng)用抗剪螺栓的單栓承載力計(jì)算公式。

（二） 抗剪連接的受力性能與破壞方式

這一部分是本講的重點(diǎn)和難點(diǎn)。在鋼結(jié)構(gòu)工程應(yīng)用中，可選擇的螺栓種類(lèi)較多，每種螺栓都具有不同的受力特征和與之對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)計(jì)算方法，因此容易造成知識(shí)點(diǎn)的混亂，不利于知識(shí)構(gòu)架的建立。理解并區(qū)分不同螺栓特點(diǎn)的最佳方式，就是了解每種螺栓從開(kāi)始受力到最終破壞的整個(gè)受力過(guò)程，并明確典型的破壞方式。因此這一部分的講解由科學(xué)試驗(yàn)開(kāi)始，通過(guò)試驗(yàn)了解普通螺栓的剪切受力全過(guò)程，有助于學(xué)生分析抗剪螺栓連接的五種破壞方式，為后續(xù)承載力計(jì)算公式的推導(dǎo)奠定基礎(chǔ)。

（三） 普通螺栓群軸心力作用下抗剪計(jì)算

通過(guò)工程試驗(yàn)，學(xué)生已經(jīng)對(duì)抗剪螺栓連接的破壞方式有了深入的認(rèn)識(shí)。這里通過(guò)計(jì)算假定將復(fù)雜的工程問(wèn)題轉(zhuǎn)化為相對(duì)簡(jiǎn)單的理論模型，并借助學(xué)生熟悉的基本力學(xué)知識(shí)推導(dǎo)得出抗剪螺栓的單栓承載力。最后在單栓承載力計(jì)算的基礎(chǔ)上，分析螺栓群存在的內(nèi)力分布不均勻現(xiàn)象，引出承載力折減系數(shù)，工程設(shè)計(jì)中借用這樣一個(gè)簡(jiǎn)單的系數(shù)解決抽象的內(nèi)力分布不均勻問(wèn)題，用于確定連接所需的螺栓數(shù)量。

（四） 例題解析

選取《鋼結(jié)構(gòu)（第三版）》[6]的例題3-8，計(jì)算僅在剪切力V的作用下，螺栓布置是否能夠確保連接的受力安全。

該例題是典型的普通螺栓連接實(shí)例，普通螺栓群承受了剪切力和彎矩。要驗(yàn)算螺栓群在剪切力和彎矩共同作用下的連接強(qiáng)度，必須首先學(xué)會(huì)分別驗(yàn)算剪切力和彎矩單獨(dú)作用下的連接強(qiáng)度。因此對(duì)例題3-8，首先不去考慮彎矩的作用效果，僅考慮剪切力的作用效果，利用剛學(xué)的知識(shí)驗(yàn)算剪切力作用下的連接強(qiáng)度。這樣不但可以幫助學(xué)生復(fù)習(xí)鞏固本課時(shí)的重要知識(shí)內(nèi)容，也為解決復(fù)雜荷載狀態(tài)下的螺栓強(qiáng)度驗(yàn)算打下基礎(chǔ)。

（五） 課后思考與課堂小結(jié)

布置課后思考題：螺栓桿由兩部分組成，有螺紋部分和沒(méi)有螺紋的部分，兩部分的直徑存在較大差別。那么在抗剪承載力設(shè)計(jì)值承壓承載力設(shè)計(jì)值的計(jì)算公式中，應(yīng)選取怎樣的直徑進(jìn)行計(jì)算？

對(duì)課堂3個(gè)關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)： 普通螺栓的受力方式與構(gòu)造要求；普通螺栓抗剪連接受力性能與抗剪連接的破壞方式；普通螺栓的單栓抗剪承載力計(jì)算。

四、結(jié) 語(yǔ)

“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”是中國(guó)高等教育的重大改革項(xiàng)目。鋼結(jié)構(gòu)課程作為土木工程專業(yè)的核心課程，其教學(xué)思想、教學(xué)方法、課程內(nèi)容等應(yīng)體現(xiàn)“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”的根本要求。為此應(yīng)樹(shù)立現(xiàn)代鋼結(jié)構(gòu)課程教學(xué)新思想，建立立體化的知識(shí)體系和正確的設(shè)計(jì)理念，強(qiáng)化鋼結(jié)構(gòu)課程教學(xué)中的力學(xué)分析能力。教學(xué)改革重點(diǎn)在于堅(jiān)持以學(xué)生為主體，明確課程學(xué)習(xí)的目的和意義，確立合適的學(xué)習(xí)目標(biāo)，積極引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用專業(yè)知識(shí)參與工程實(shí)踐。參考文獻(xiàn)：

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