大跨空間結(jié)構(gòu)教學(xué)改革的思考與探索

支旭東+馬會環(huán)+范峰

摘要：大跨空間結(jié)構(gòu)是近三十年發(fā)展最快的結(jié)構(gòu)形式，相關(guān)專業(yè)人才的社會需求迫切。作為土木工程學(xué)科的專業(yè)課，工程實踐背景對理論知識的掌握至關(guān)重要，如何在課堂上合理引入實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，實現(xiàn)理論知識的快速轉(zhuǎn)化，是值得教育者探討的問題。本文介紹了在大跨空間結(jié)構(gòu)課堂教學(xué)中的一些改革與探索，通過開展視頻教學(xué)、工程參觀、工程案例分析、前沿理論研究專題課等豐富教學(xué)手段的引入，取得了更好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：大跨空間結(jié)構(gòu)；教學(xué)改革；工程實踐

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）43-0093-02

大跨空間結(jié)構(gòu)是近三十年發(fā)展最快的結(jié)構(gòu)形式[1]，被廣泛應(yīng)用于體育場館、會展建筑、交通樞紐、橋梁及工業(yè)廠房中；隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的持續(xù)深入、基礎(chǔ)投資的不斷增加，對于大跨空間結(jié)構(gòu)建設(shè)的人才需求也越來越大。然而，由于大跨空間結(jié)構(gòu)的特殊性和前沿性，目前能夠開設(shè)該門課程的學(xué)校還比較少，這也造成了沒有經(jīng)過教育的畢業(yè)生專業(yè)性不強(qiáng)，在設(shè)計、施工過程中不敢涉及、或只能較慢進(jìn)入專業(yè)狀態(tài)，以上對于我國空間結(jié)構(gòu)人才的培養(yǎng)提出了挑戰(zhàn)。

本文介紹了在近十余年的《大跨空間結(jié)構(gòu)》課程教學(xué)中，不斷更新教學(xué)手段，進(jìn)行了大量的探索，在有限的學(xué)時內(nèi)增加了大量的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，突出專業(yè)能力培養(yǎng)的理念，取得了較好的改革效果。

一、課程的教學(xué)改革理念

《大跨空間結(jié)構(gòu)》課程是土木工程專業(yè)的專業(yè)課，一般是作為《鋼結(jié)構(gòu)》課程的延伸，在本科教育階段和研究生教育階段都定位為選修課程，在當(dāng)前削減整體教學(xué)課時的背景下只能獲得不多的24學(xué)時，如何利用好這有限的24學(xué)時，并使學(xué)生掌握更扎實的技能，具有相當(dāng)?shù)奶魬?zhàn)性。然而這個工作必須要做，并且要盡可能地增加實踐教學(xué)的環(huán)節(jié)，增強(qiáng)學(xué)生開展空間結(jié)構(gòu)相關(guān)工作的能力，這正是課程教學(xué)改革的理念和目的。

二、優(yōu)化章節(jié)學(xué)時分配

要充分利用好有限的學(xué)時，就要對現(xiàn)有的內(nèi)容進(jìn)行優(yōu)化整合。例如，由于大跨空間結(jié)構(gòu)體系眾多，且多為正在發(fā)展中的新型體系，在傳統(tǒng)的課程設(shè)置上將第一章概述設(shè)置為7學(xué)時，主要講授大跨空間結(jié)構(gòu)的概念、力學(xué)特點及主要體系的發(fā)展歷史、典型工程等；在教學(xué)改革中逐漸刪減了這部分內(nèi)容，最終縮減為3學(xué)時。對于第三章網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，原有學(xué)時6學(xué)時，由于其中內(nèi)容有與第二章重復(fù)的部分，也進(jìn)行了內(nèi)容上的壓縮，并歸納為幾個關(guān)鍵問題進(jìn)行講授。與此同時，增加了較多的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)與前沿理論專題課，章節(jié)學(xué)時優(yōu)化前與優(yōu)化后的比較如表1所示。

三、增加豐富多樣的教學(xué)環(huán)節(jié)

從表1也可以看出，教學(xué)內(nèi)容改革是在學(xué)時不變的情況下增加了很多實踐教學(xué)的內(nèi)容與前沿理論專題課，各部分的意義和內(nèi)容表述如下：

張弦結(jié)構(gòu)：張弦結(jié)構(gòu)在原教學(xué)計劃中并不是沒有，而是在工程案例分析中介紹一個大型張弦結(jié)構(gòu)的工程實例，因此理論體系不夠系統(tǒng)，學(xué)生接受起來也感到突然較為困難。在新的教學(xué)計劃里，增加了張弦結(jié)構(gòu)的設(shè)計概念和設(shè)計過程的內(nèi)容，這也是由于近些年張弦結(jié)構(gòu)工程大量涌現(xiàn)，成為工程中接觸較多的一類結(jié)構(gòu)體系。在總結(jié)近些年對張弦結(jié)構(gòu)理論研究成果和實際工程經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，總結(jié)形成教學(xué)內(nèi)容；同時，還增加了一個弦支穹頂結(jié)構(gòu)（張弦結(jié)構(gòu)的一類）的工程設(shè)計案例分析。在內(nèi)容更新后，張弦結(jié)構(gòu)獨立成章，并較為系統(tǒng)。

理論專題課：設(shè)置了兩個理論專題，分別是大跨空間結(jié)構(gòu)抗震及強(qiáng)震失效機(jī)理專題（2學(xué)時）和大跨空間結(jié)構(gòu)在沖擊作用下的破壞機(jī)理專題（1學(xué)時）。這兩個專題課的內(nèi)容主要是來源于近幾年的前沿理論研究成果，且對工程應(yīng)用有重要意義的內(nèi)容；由于理論難度較大，課程內(nèi)容上盡量以概念的講授為主，講授理論成果在研究中的必要過程和結(jié)論，并建立初步的工程應(yīng)用思路。

工程參觀：對于大跨空間結(jié)構(gòu)，學(xué)生在剛剛接觸時普遍存在的問題就是“什么是空間結(jié)構(gòu)？我們身邊哪些是空間結(jié)構(gòu)？”不熟悉大跨空間結(jié)構(gòu)的同學(xué)，總是認(rèn)為空間結(jié)構(gòu)離我們的生活很遠(yuǎn)。課程結(jié)合校園中的多個空間結(jié)構(gòu)元素進(jìn)行1個學(xué)時的參觀，內(nèi)容包括教學(xué)樓大廳屋蓋桁架體系、單層球面網(wǎng)殼體系、活動中心平板網(wǎng)架體系、以及兩個網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)體育館縮尺模型，在此過程中還能熟悉空間結(jié)構(gòu)的多種常見節(jié)點形式，以及玻璃幕墻體系等空間結(jié)構(gòu)常用附屬結(jié)構(gòu)。

工程專家上課堂：結(jié)合學(xué)科的優(yōu)勢，邀請空間結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的著名工程專家上課堂講課的形式已經(jīng)開展了5年。受邀的工程專家主要為大型施工企業(yè)的技術(shù)負(fù)責(zé)人或管理人，擁有多年的空間結(jié)構(gòu)施工經(jīng)驗，課堂內(nèi)容主要是針對其具體工程施工中遇到的設(shè)計問題、施工技術(shù)，以及兩者的銜接協(xié)調(diào)等給出解決方案。盡管理論難度不大，但很多巧妙的解決方案仍然能夠引起學(xué)生思想的共鳴，從課堂效果來看，這是學(xué)生最喜歡的教學(xué)方式之一。

四、充分利用、合理設(shè)計課后作業(yè)

盡管在課堂上增加了較多的與實踐相結(jié)合的內(nèi)容，但是這還是僅培養(yǎng)了學(xué)生的興趣以及對大跨空間結(jié)構(gòu)的感性認(rèn)識，對于工程設(shè)計的動手能力顯然是不足的。為解決該問題，設(shè)計了一個課后大作業(yè)，學(xué)生擇其一完成。大作業(yè)的內(nèi)容如表2所示?？梢钥闯?，該作業(yè)主要是依據(jù)第二章的內(nèi)容開展的，這主要是由于以下原因：（1）平板網(wǎng)架結(jié)構(gòu)是大跨空間結(jié)構(gòu)最基本的形式，該體系的設(shè)計方法和其他體系的設(shè)計有很多相同之處，也是其他體系設(shè)計方法的基礎(chǔ)；（2）第2章的學(xué)時數(shù)多，教學(xué)內(nèi)容詳細(xì)，教學(xué)效果扎實，開展設(shè)計上手快；（3）平板網(wǎng)架結(jié)構(gòu)有較好的設(shè)計軟件支撐，可以大大減輕計算分析的工作量。除以上原因外，從表2還可以看出，該作業(yè)實質(zhì)上并不是一個單純的工程設(shè)計任務(wù)，而是通過大量的工程參數(shù)分析，研究網(wǎng)架結(jié)構(gòu)單位用鋼量與各工程參數(shù)之間的關(guān)系。所以，該作業(yè)不僅僅可以鍛煉網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的設(shè)計能力，同時經(jīng)過這些對比研究討論，能夠更充分地理解網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的受力特點和適用范圍，并掌握一些基本的力學(xué)概念。

五、課程教學(xué)效果評價

在以上教學(xué)改革措施的促進(jìn)下，課程取得了非常好的效果。由于課程是考查課，我們可以從學(xué)生就業(yè)情況進(jìn)行一些分析。近些年，本校的畢業(yè)學(xué)生得到了國內(nèi)大型設(shè)計院與大型鋼結(jié)構(gòu)施工企業(yè)的歡迎，處于“供不應(yīng)求”的狀態(tài)。在就業(yè)學(xué)生中，很多學(xué)生在進(jìn)入崗位后即可開展大跨空間結(jié)構(gòu)方面的設(shè)計、施工工作，而這正是這些企業(yè)的薄弱環(huán)節(jié)，這對補(bǔ)強(qiáng)企業(yè)的不足、以及就業(yè)生自身的快速發(fā)展均創(chuàng)造了良好的基礎(chǔ)條件。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙基達(dá)，藍(lán)天.中國空間結(jié)構(gòu)三十年的進(jìn)展及今后展望[J].工業(yè)建筑，2013，43（4）：131-138.