《鋼結構基本原理》課程教學改革探索

鄧建良，劉甜甜，張巍，鄭恒斌

（1.華南農業大學 水利與土木工程學院，廣東廣州 510642；2.廣東外語外貿大學 國際學院，廣東廣州 510420）

鋼結構具有輕質高強、抗震性能好、工業化程度高等特點，相比于鋼筋混凝土結構，其在高層建筑、大跨度結構和輕型結構等領域的應用具有顯著優勢[1-3]。鋼結構是一種綠色建筑[4-6]，新建筑施工產生的污染少，廢舊建筑拆除后材料再利用率高，能有效減少建筑垃圾，具有較高的環保性。近年來，隨著我國經濟和科技的不斷進步，鋼材的產量和質量不斷提高，鋼結構的應用領域已從高層和大跨結構向普通的中低層建筑結構擴散，包括住宅、商業建筑及別墅等[7]。高校作為人才培養的高地，應抓住契機，根據行業發展需求對鋼結構教學進行改革探索，不斷提高人才培養的質量，為鋼結構產業的健康持續發展提供必要的人才保障。

目前，在大多數高校的課程體系中，鋼結構課程都包含兩門獨立課程，即作為專業基礎課的《鋼結構基本原理》及其后續專業課程鋼結構設計。鋼結構基本原理課程的內容主要分為材料、連接和構件三個部分[8-9]，包含大量的公式和概念[10-11]，傳統的多媒體加板書授課方式往往難以激發學生的學習熱情。另外，課程在學時設置、培養目標、教材建設和考核評價等方面也有很多亟待改善的地方[12-14]。本文在深入分析當前《鋼結構基本原理》課程教學中存在的問題和不足的基礎上，以學生為主體、以教學質量為導向，對教學改革的方向和舉措提出了一些新的思考。

1 鋼結構基本原理課程教學存在的問題

1.1 課程學時少

目前各高校的鋼結構課程計劃學時大多沿用20世紀六七十年代的設置，鑒于當時的經濟形勢與政策，總學時基本在60學時左右，其中基本原理部分占30～40學時。部分高校鋼結構基本原理課程學時設置情況如下[15]：哈爾濱工業大學和同濟大學為56學時；清華大學、北京交通大學、湖南大學和西安建筑科技大學為48學時；華南理工大學和重慶大學為40學時；北京建筑大學和大連理工大學為32學時。一方面，21世紀之后我國鋼結構產業發展日新月異，對鋼結構專業人才的需求與日俱增，市場對人才的專業技術能力和職業素質的要求也越來越高。高校作為人才的輸出地，應及時根據新變化改進鋼結構課程的教學模式，以提高人才培養質量。另一方面，在大土木專業背景下，本科課程總學時下調，要增加鋼結構課程的學時很難，培養方案的調整能確保學時不進一步減少。在學時有限的情況下，如何使學生更有效地學好專業知識、獲得更強的專業綜合能力，這是教師和必須要面對亟待解決的難題。

1.2 課程教學難

學生日常生活中接觸到的建筑物大部分是鋼筋混凝土結構，鋼結構比較少，這種陌生感容易讓學生覺得鋼結構學起來比較難，會產生一定的畏難心理。《鋼結構基本原理》課程理論性強、公式非常多，與材料力學、結構力學等力學類課程高度關聯。學生如果在先修的力學課程中有些基本概念沒有厘清，那么后續鋼結構課程的學習就成了無源之水。當前鋼結構課程的教學大多采用多媒體課件加板書的形式，信息傳遞的方式還比較單一，而鋼結構無論從結構的形式（如復雜節點連接）還是計算理論（如局部穩定理論），對學生來說都具有一定的難度，尤其當學生缺乏良好的空間想象力和扎實的力學基礎時，單一的教學方式難以把問題講透。教學兩難的狀況在鋼結構課程的教學中長期存在。

1.3 課程內容更新不及時

《鋼結構基本原理》的教材一般主要參照鋼結構設計規范（或標準）編寫，同時也涉及其他相關的建筑設計規范，如建筑結構可靠性設計統一標準、建筑結構荷載規范等。建筑設計規范隨著行業的發展會修改更新，而教材相應內容的更新往往滯后于建筑設計規范的更新。若一味按照課本內容講授，學生則無法了解最新的設計理念和知識。教材內容中，無論是鋼結構的材料、節點還是構件，都需要相應的配圖來輔助描述，而這些配圖幾乎全部都是由簡單線條構成的黑白平面圖形。由于配圖不夠直觀，學生讀圖比較困難，無法形成較強的感性認識，一定程度上影響了學生的學習興趣和學習效果。隨著近些年計算機技術日新月異的發展，鋼結構設計的軟件化程度已非常高，但大多數高校在本科階段并不教授常用鋼結構設計軟件的使用方法和技巧。

2 《鋼結構基本原理》課程教學改革的思考

2.1 教材內容適用化

力學概念清晰、文字清楚簡潔、圖表準確易讀、內容與時俱進，是優秀的鋼結構教材應該具備的基本特點。教材編者應時刻關注鋼結構領域的最新發展和設計規范的修訂，及時根據這些新進展更新教材內容；教師也應保持對學科和行業前沿的密切關注，在教材內容更新滯后的情況下，教師可以在自己的教學中反映這些新內容。為了平衡課程內容較多而計劃課時偏少的矛盾，可以適當刪減教材部分內容，精簡重點的基本知識，刪除一些不常用的難點知識，搭建一個適用的知識框架體系；也可以在保持原有內容不變的條件下，區分基本知識和延伸閱讀知識并標記，使學生明確知識結構并根據自己的實際情況有選擇性地學習。另外，將教材中的配圖立體化并增加顏色或灰度區分，增強配圖的直觀性和可讀性，有利于學生形象地認識鋼結構連接節點的細部構造、各連接構件的空間位置以及荷載的作用方式等，進而提高對結構基本原理的理解。

2.2 教學資源立體化

伴隨信息技術的高速發展，新一代大學生的學習方式和學習習慣發生了新的變化。網絡已經成為當前大學生教育的一個新空間。為適應教育形勢的新變化，教師應解放思想、與時俱進，主動利用互聯網手段，將傳統的課堂教學課件、影像資料和網絡資源結合起來形成立體化的教學資源庫。一方面，教師可以組建自己的網絡課程空間，將與課堂教學內容關聯的習題題庫、課件教案、演示動畫、現場視頻、參考文獻等教學資源進行共享，學生在課堂上專注于基本設計理論與設計方法的學習，課堂之外可以進一步延伸學習，不僅有助于課堂知識的消化，還能豐富知識架構；為了解決學生網絡學習中的疑惑，還可以設置問答討論區，實現師生間的在線交流。另一方面，教師應當充分利用已有的互聯網平臺課程。B站（bilibili）、學習通、愛課程、中國大學慕課（MOOC）等平臺擁有各大高校的優質課程資源，課程資料非常豐富，學習方式也比較自由。積極鼓勵學生通過這些平臺進行鋼結構課程的學習，在豐富學生學習方式的同時也培養了學生自主學習的能力。通過鋼結構基本原理課程教學資源的立體化，不僅增加了教學時間，彌補了課時緊張的不足，又能夠拓寬學生的知識面，打下扎實的專業基礎。

2.3 教學方式多樣化

在《鋼結構基本原理》的學習中，公式推導不可避免，多媒體與板書相結合的傳統講授方式仍然不可忽視，在培養學生邏輯推理能力和力學功底方面不可或缺。與此同時，可以將枯燥的原理和抽象的概念具象化，激發學生學習興趣，使學生在獲得感性認識的基礎上進一步深化對原理和概念的認識。在虛擬演示方面，可以使用3DMax等軟件來建模模擬各種類型構件的制作安裝過程，還可以采用Abaqus等有限元分析軟件對各種受力狀態的構件進行模擬，以獲取構件應力變化和變形的視頻動畫，通過動畫演示將構件從加載到破壞的全過程非常直觀地展示在學生眼前；在實體工具方面，可以利用市面上物美價廉且具有高彈性的高分子材料制作教具，如用高分子材料長圓棒輔助講授軸壓桿的穩定問題、用高分子材料板制作工字鋼輔助講授壓彎構件平面內外的失穩，還可以改變圓棒的長度來講解長短栓的區別、改變工字鋼截面的寬（高）厚比來展示整體與局部失穩的異同。

2.4 教學理念系統化

《鋼結構基本原理》課程教學理念系統化包含兩個層次：課程本身與課程之間。專業課程體系是一個邏輯性很強的知識網絡架構，先修課程往往是后續課程的基礎，同一學期的平行課程之間也深度關聯，且單個課程內部各知識點之間也是環環相扣的。傳統的課堂往往專注于基本知識點的教學，忽視了課程本身以及課程之間的系統性，以致學生在掌握知識點的同時難以形成網絡化的知識體系，常常“只見樹木不見森林”。首先，在開始鋼結構課程之前概述課程的主要內容，引導學生對已學關聯課程進行回顧，以明晰知識構架，使學生能從整個課程體系的角度理解鋼結構課程所處的位置。其次，在課程教學過程中，指出鋼結構課程知識點之間的聯系（如受彎構件與壓彎構件）以及鋼結構課程知識點與其他課程知識點之間的聯系（如柱子曲線與材料力學課程中的穩定理論），幫助學生形成網絡化的知識體系，強化學生的綜合能力，使學生能從更高的維度把握并應用專業知識。再次，在課程教學內容上，選擇實際的工程案例，把鋼材的選擇、鋼結構的連接及軸心受力、受彎、拉彎壓彎三大基本構件等基礎知識點都囊括進來，以工程案例為載體，引導學生以工程結構整體設計的視角去完成構件、連接節點等結構局部設計的學習，避免學生在課程結束后只會設計單個構件而不會設計整個結構的問題。

3 結語

高校作為專業人才培養的重要場所，其課程體系的設置和課程教學的質量應與科技發展和社會需求相適應。《鋼結構基本原理》是土建類專業的基礎核心課程，其教學成果的好壞將直接影響后續專業課程的學習效果、學生的專業綜合能力以及就業競爭力。本文通過分析《鋼結構基本原理》課程教學的特點和存在的不足，從教育活動的規律出發，對課程教學中教材內容的適用化、教學資源的立體化、教學方式的多樣化及教學理念的系統化等改革方向進行了探討，并提出了一些具體措施，以符合當今教育的發展需求，為新時代卓越專業人才的培養提供有益助力。