鋼結構課程教學改進探討

【摘要】鋼結構課程教學體系形成比較早，部分教學內容和教學方法與實際工程應用現狀存在差距，對部分鋼結構原理教學和鋼結構設計學習內容、學習方法進行了相應的調整，得到了較好的效果。

【關鍵詞】鋼結構 教學內容 教學方法 應用現狀

【中圖分類號】TU3 【文獻標識碼】A【文章編號】2095-3089（2012）10-0002-02

鋼結構課程是土木工程學科領域僅次于混凝土結構的重要的核心課程，是高等學校土木工程專業重要的一門專業技術課[1]。目前，在建筑結構體系當中鋼結構所占有的比重越來越大，特別是在高層、超高層建筑以及大跨空間結構建筑中。鋼結構學科因此而處于不斷的發展與更新之中，鋼結構的應用領域從傳統的工業建筑向民用建筑拓展，同時各種新型的鋼結構體系在不斷地涌現，例如大跨空間結構（懸索結構、索膜結構、張拉結構等）、輕鋼結構等[2]。鋼結構課程教學體系形成比較早，目前的鋼結構教學體系與實際工程中的應用現狀存在差距。

1.鋼結構教學內容與實際應用現狀

1.1鋼結構教學內容

鋼結構教學內容分兩大部分：鋼結構原理和鋼結構設計，其中鋼結構原理教學量占的比重大，約75%左右，剩余的25%左右教學量為鋼結構設計部分。鋼結構原理主要內容為：鋼結構材料、鋼結構連接、受彎構件、軸心受壓構件、壓彎和拉彎構件等，就是鋼結構基本組成構件連接和單個桿件計算原理。鋼結構設計主要內容為：單層廠房屋蓋設計，輕鋼結構門式剛架設計、輕鋼結構網架設計初步原理等。教學過程中根據教學進程和計劃安排，實踐性環節教學（課程設計）安排在單層廠房屋蓋設計結束后（教學計劃第10-12周）兩周課余時間。其設計內容大部分為三角形或者梯形角鋼屋架以及由H型鋼主、次梁組成的鋼平臺設計，通過理論計算后繪制設計圖紙。

1.2鋼結構實際應用現狀

現在鋼結構的應用情況發生了非常大的變化。伴隨著鋼產量高速增長，鋼結構在土木建筑領域的應用日益廣泛，例如鋼結構的廠房、大跨度橋梁、多層及高層、超高層鋼結構建筑、電視塔等高聳結構，以及體育館、影劇院、會展中心等大型公共建筑等[2]。同時鋼結構分析理論和應用技術的不斷發展，輕鋼門式剛架結構替代了原有單層廠房排架結構，并且出現了鋼-混凝土組合結構、懸索結構、空間桁架結構、索網結構、膜結構等多種新型鋼結構體系。鋼結構課程的教學計劃形成較早，這些變化和新的結構體系和分析理論，在目前的鋼結構教學計劃中還沒有認真體現。

2.鋼結構教學體系存在的問題

2.1鋼結構教學計劃

鋼結構課程教學目的是為社會培養鋼結構工程領域應用型高級專業人才，必須密切注視社會需求和相應學科社會發展現狀，及時調整和改進教學計劃。現有的鋼結構教學計劃實施比較早，與目前的工程應用現狀存在差距，但是鋼-混凝土組合結構、懸索結構、空間桁架結構、索網結構、膜結構等多種新型鋼結構體系，其分析理論大部分涉及到非線性分析和有限元分析，講課學時、學生理解能力等方面存在實際問題。適當調整和改進教學劃是很有必要的，關鍵問題在于在現有的培養方案和教學大綱基礎上，提出切實可行的符合實際教學狀況的具體改進方法。

2.2鋼結構原理學習過程

鋼結構原理學習過程中，發現和反映問題最多的章節為第二章鋼結構的連接。本章節的核心內容是，鋼結構構件連接部位的焊縫連接和螺栓連接設計計算原理，焊縫連接主要內容為，鋼板之間的相互連接和角鋼和鋼板之間的焊縫連接為主，沒有目前實際工程中應用廣泛的空間管結構體系的焊縫連接內容，螺栓連接的主要內容為，鋼板之間的螺栓連接和鋼結構梁與柱的螺栓連接為主，沒有實際工程中已經普遍應用的管結構及素網結構的栓釘連接節點內容。

2.3鋼結構設計學習過程

鋼結構設計學習過程中，設計計算過程和設計圖紙繪制過程最詳細的結構體系為，桁架式角鋼屋架設計，所占有的學時為約4學時左右，但這一結構體系涉及知識點較少，僅為軸心受力構件和軸心力作用下的角焊縫計算，構件類型少，接點單一，重復計算量大，有一定的局限性[3]。目前，鋼結構實際工程中應用最廣泛的結構體系為，輕鋼結構門式剛架和鋼框架結構體系，其次為空間網架結構和空間桁架結構。鋼結構課程設計過程中，在節點設計上存在不少問題，單靠教科書上的理論知識和設計實例，很難全面掌握正確的設計知識。特別是在支座節點和桿件相交處的節點設計過程中，同學們缺乏鋼結構制作、安裝基礎知識，對節點的立體構成缺乏概念，參考設計實例照舊繪制，說不出基本原理，考慮不到實際制作、安裝過程中將要遇到的問題。并且在鋼結構原理學習過程中，所掌握和接觸到的節點連接方式非常有限，選用的范圍存在局限性。

3.完善和提高方法

3.1鋼結構教學計劃

鋼結構教學計劃中，教學總學時是敏感的問題，如何利用有限的教學時間讓學生有效地掌握大綱要求的內容，是教師需要解決的一大難題[4]。必須在不增加學識、不違背教學大綱的前提下，對教學內容和教學方法進行適當的調整和改進。通過對整個鋼結構教學過程分析認為，為了適應目前鋼結構發展和應用趨勢，在原有的教學時間中調劑出4-6學時，利用這些時間補充進去新的鋼結構體系基礎理論和應用基礎是可以做到的。在鋼結構原理學習過程中調劑2-3學時，鋼結構設計學習過程中調劑2-3時較為合理。

3.2鋼結構原理學習

已經提到，鋼結構連接學習內容中，沒有新結構體系節點連接內容，關鍵問題是怎樣從原有教學課時安排中調劑出2-3學時，并且怎樣利用這2-3學時，有效的補充適合于本科生階段掌握的新的結構體系相關內容。詳細分析鋼結構原理學習內容和學時安排發現，有部分教學內容存在重復，例如鋼結構材料絕大部分內容已經在土木工程材料課程中詳細講過，不必要在這里重復講，還有對個別內容，例如鋼粱加勁肋設置和設計計算部分，對本科學習角度所占內容比重太大。所以認為這些方面認真調整，調劑出2-3學時是可以的。按結構體系分析理論和力學分析計算角度來說，新的鋼結構體系理論和分析過程，都要通過復雜的非線性分析和有限元分析，本科學習角度掌握和理解存在很大的難度。所以掌握體系分析理論角度去努力是不客觀的。但是把分析結果反映到相應節點上以后理解和掌握起來比較容易。因為分析過程再復雜的結構體系，其桿件節點部位連接原理基本都包括在焊縫連接和螺栓連接范疇，基本原理是相同的，所以切入點放在新的節點形式和受力特點（計算結果），補充到原有鋼結構原理教學內容中，利用2-3學時掌握其基礎理論和原理是切實可行的有效方法。

3.3鋼結構設計

鋼結構設計是整個鋼結構教學過程和專業基礎課程的綜合過程，首先需要通過基礎理論把實際鋼結構建筑轉換成便于力學分析的計算模型，并且通過荷載計算和荷載組合把實際荷載施加到計算模型上，通過進行力學計算得到的內力，最后進行桿件截面設計和相應節點設計。這一學習過程中，設計計算和施工圖繪制最詳細的（包括計算實例）結構體系，一直選用了桁架式角鋼屋架，而對目前實際鋼結構工程中應用最廣泛的輕型鋼結構門式剛架體系，以設計計算基本原理角度安排在教學過程，沒有詳細的設計計算實例，認為把桁架式角鋼屋架設計計算和設計內容替換為實際應用最廣泛的簡單的輕型鋼結構門式剛架設計計算和施工圖紙繪制內容為最適合。鋼結構課程設計是鋼結構設計學習過程中的非常重要的實踐性教學環節，以往情況來看，同學們開始進行課程設計時，對鋼結構實際結構體系了解很少，基本接觸不到鋼結構制作、安裝具體過程，所以對課程設計對象沒有完整的立體概念。認為課程設計開始時，需要安排2-3學時，模型觀摩和制作、安裝視頻教學，讓同學們設計之前了解和掌握鋼結構體系的實際基本構成。課程設計選題方面給同學們提供適當的選擇空間，避免全靠教科書計算實例和設計實例現象。

4.實際應用效果

根據以上的研究基礎，教研組從2009年開始，在不增加教學課時的前提下，對部分的鋼結構教學計劃和內容進行了適當的調整。鋼結構原理學習過程中，調劑出2學時，在鋼結構連接教學內容中補充了管桁架結構和索網結構中常用的兩個節點計算原理，鋼結構設計教學過程中，從參考資料中選擇了簡單的單層單跨門式剛架，組織進行了詳細的教學，包括荷載計算及組合、力學計算、截面設計、施工圖繪制等（替代了角鋼桁架部分）。課程設計實踐教學過程中，開始之前組織安排了當地規模較大的鋼結構制作車間參觀學習，還安排了模型觀摩和安裝視頻觀摩教學。課程設計選題方面為了發揮學生的主動性，提供了3個課程設計方向（鋼平臺、簡單鋼框架、簡單門式剛架）。

為了了解改進后的實際教學效果，教研組從2011年下半年開始，通過不同渠道對12名畢業生（6名2009年以前畢業生、6名2010年以后畢業生）進行了實際調查，調查了解大學本科土木工程學習過程中掌握的鋼結構基礎知識在實際工作過程中適應情況。這12名畢業生從事于設計院、施工企業、工程管理部門等不同的領域，在調查過程中發現除了一名2010年畢業生外，其他同學都不同程度的接觸到了鋼結構實際工程項目（絕大部分為新的結構體系）。調查過程中2009年以前畢業的同學們說出了實話，參加實際工作過程中第一次接觸倒鋼結構工程時，摸不著頭緒好像跟課堂上學的情況完全不同的感覺，雖然有豐富實際工程經驗的老工程師熱心教會和指導，但心里總是在想大學課堂中學的東西跟實際工程相差太大。但這些畢業生也承認，過了艱苦的一年多的學習和適應過程后發現，在大學學習過程中稍微擠出時間學習和接觸實際工程應用和發展情況，不會出現這種非常困難局面。跟2010年以后畢業生的調查過程中發現，第一次接觸鋼結構實際工程，學習和適應過程有一定難度，但覺得不那么陌生，特別高興地告訴我們經過調整和補充的鋼結構教學內容對他們的影響和感受較深。

5.結束語

從發達國家的建筑發展歷程和中國建筑行業發展情況來看，鋼結構產業的發展還有較大空間，我們要清楚地認識到鋼結構市場人才數量的需求越來越多，對人才質量的要求越來越高[5]。教學改革是永恒的主題，在高等教育大發展的今天，教師應改變傳統的教學模式[6]，要繼續捉住本領域的發展趨勢，及時更新教學內容，積極創新教學方法，使學生能夠掌握最新的行業動態，并儲備扎實的理論基礎，為今后從事鋼結構產業的相關工作打好基礎。

參考文獻：

[1]張哲.鋼結構教學改革創新嘗試[ J ]. 高等建筑教育， 2010， 19（5）： 66-69.

[2]萬紅霞. 鋼結構教學改革的現狀與對策[ J ]. 理工高教研究， 2006， 25（5）：113-114.

[3]陳蘭. 鋼結構課程設計的改革嘗試[ J ]. 華南師范大學學報（自然科學版）高校土木工程專業教學研究（增刊），2004： 45-48.

[4]王曉菡.鋼結構課程的教學方法分析與探討[ J ]. 高等建筑教育， 2009， 18（3）： 118-119.

[5]鄧夕勝. 鋼結構教學改革探討[ J ]. 高教論壇， 2008， 10（5）： 167-169.

[6]趙紅華. 思維導圖在鋼結構教學過程中的應用[ J ]. 現代教育技術， 2010， 20（2）： 74-76.