大跨空間結構教學改革的思考與探索

支旭東+馬會環+范峰

摘要：大跨空間結構是近三十年發展最快的結構形式，相關專業人才的社會需求迫切。作為土木工程學科的專業課，工程實踐背景對理論知識的掌握至關重要，如何在課堂上合理引入實踐教學環節，實現理論知識的快速轉化，是值得教育者探討的問題。本文介紹了在大跨空間結構課堂教學中的一些改革與探索，通過開展視頻教學、工程參觀、工程案例分析、前沿理論研究專題課等豐富教學手段的引入，取得了更好的教學效果。

關鍵詞：大跨空間結構；教學改革；工程實踐

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

大跨空間結構是近三十年發展最快的結構形式[1]，被廣泛應用于體育場館、會展建筑、交通樞紐、橋梁及工業廠房中；隨著我國經濟建設的持續深入、基礎投資的不斷增加，對于大跨空間結構建設的人才需求也越來越大。然而，由于大跨空間結構的特殊性和前沿性，目前能夠開設該門課程的學校還比較少，這也造成了沒有經過教育的畢業生專業性不強，在設計、施工過程中不敢涉及、或只能較慢進入專業狀態，以上對于我國空間結構人才的培養提出了挑戰。

本文介紹了在近十余年的《大跨空間結構》課程教學中，不斷更新教學手段，進行了大量的探索，在有限的學時內增加了大量的實踐教學環節，突出專業能力培養的理念，取得了較好的改革效果。

一、課程的教學改革理念

《大跨空間結構》課程是土木工程專業的專業課，一般是作為《鋼結構》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，在當前削減整體教學課時的背景下只能獲得不多的24學時，如何利用好這有限的24學時，并使學生掌握更扎實的技能，具有相當的挑戰性。然而這個工作必須要做，并且要盡可能地增加實踐教學的環節，增強學生開展空間結構相關工作的能力，這正是課程教學改革的理念和目的。

二、優化章節學時分配

要充分利用好有限的學時，就要對現有的內容進行優化整合。例如，由于大跨空間結構體系眾多，且多為正在發展中的新型體系，在傳統的課程設置上將第一章概述設置為7學時，主要講授大跨空間結構的概念、力學特點及主要體系的發展歷史、典型工程等；在教學改革中逐漸刪減了這部分內容，最終縮減為3學時。對于第三章網殼結構，原有學時6學時，由于其中內容有與第二章重復的部分，也進行了內容上的壓縮，并歸納為幾個關鍵問題進行講授。與此同時，增加了較多的實踐教學環節與前沿理論專題課，章節學時優化前與優化后的比較如表1所示。

三、增加豐富多樣的教學環節

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

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

理論專題課：設置了兩個理論專題，分別是大跨空間結構抗震及強震失效機理專題（2學時）和大跨空間結構在沖擊作用下的破壞機理專題（1學時）。這兩個專題課的內容主要是來源于近幾年的前沿理論研究成果，且對工程應用有重要意義的內容；由于理論難度較大，課程內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論，并建立初步的工程應用思路。

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

工程專家上課堂：結合學科的優勢，邀請空間結構領域的著名工程專家上課堂講課的形式已經開展了5年。受邀的工程專家主要為大型施工企業的技術負責人或管理人，擁有多年的空間結構施工經驗，課堂內容主要是針對其具體工程施工中遇到的設計問題、施工技術，以及兩者的銜接協調等給出解決方案。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生思想的共鳴，從課堂效果來看，這是學生最喜歡的教學方式之一。

四、充分利用、合理設計課后作業

盡管在課堂上增加了較多的與實踐相結合的內容，但是這還是僅培養了學生的興趣以及對大跨空間結構的感性認識，對于工程設計的動手能力顯然是不足的。為解決該問題，設計了一個課后大作業，學生擇其一完成。大作業的內容如表2所示。可以看出，該作業主要是依據第二章的內容開展的，這主要是由于以下原因：（1）平板網架結構是大跨空間結構最基本的形式，該體系的設計方法和其他體系的設計有很多相同之處，也是其他體系設計方法的基礎；（2）第2章的學時數多，教學內容詳細，教學效果扎實，開展設計上手快；（3）平板網架結構有較好的設計軟件支撐，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，該作業實質上并不是一個單純的工程設計任務，而是通過大量的工程參數分析，研究網架結構單位用鋼量與各工程參數之間的關系。所以，該作業不僅僅可以鍛煉網架結構的設計能力，同時經過這些對比研究討論，能夠更充分地理解網架結構的受力特點和適用范圍，并掌握一些基本的力學概念。

五、課程教學效果評價

在以上教學改革措施的促進下，課程取得了非常好的效果。由于課程是考查課，我們可以從學生就業情況進行一些分析。近些年，本校的畢業學生得到了國內大型設計院與大型鋼結構施工企業的歡迎，處于“供不應求”的狀態。在就業學生中，很多學生在進入崗位后即可開展大跨空間結構方面的設計、施工工作，而這正是這些企業的薄弱環節，這對補強企業的不足、以及就業生自身的快速發展均創造了良好的基礎條件。

參考文獻：

[1]趙基達，藍天.中國空間結構三十年的進展及今后展望[J].工業建筑，2013，43（4）：131-138.