卓越工程師教育培養體系下的現代鋼結構課程教學研究

伍凱　曹平周　南洋

摘要：鋼結構課程作為土木工程專業的核心課程，其教學內容應隨著建筑科技的發展和市場對人才要求的變化而不斷完善，體現“卓越工程師教育培養計劃”的根本要求。同時該課程教學應體現卓越工程師培養體系下的現代鋼結構課程教學新思想，建立立體化的知識體系和正確的設計理念，強化鋼結構力學分析能力。

關鍵詞：鋼結構課程； 卓越工程師； 教學研究； 教學思想

中圖分類號：G6420；TU391 文獻標志碼：A 文章編號：10052909（2015）05006004

2010年6 月教育部啟動了“卓越工程師教育培養計劃”（ 以下簡稱“卓越計劃”）[1-3]。 該計劃旨在為未來各行各業培養各種類型的優秀工程師后備軍。

鋼結構是土木建筑的主要結構形式之一，該行業的發展迫切需要一批具備創新思想與職業技能的卓越工程師。相比鋼結構行業對卓越人才的迫切需求，目前高等學校培養的鋼結構專門人才數量偏少，專業人才的創新能力與工程實踐能力較弱。為了滿足社會發展建設對鋼結構專業人才的需求，亟需進行鋼結構課程教學的系統改革與實踐，培養具有扎實鋼結構理論基礎，了解國內外鋼結構新進展及新技術，能將所學理論知識靈活應用到鋼結構設計、施工等相關工作中，創新意識和創新能力較強的具有卓越工程師潛質的專業人才[4-5]。

優秀的工程師必須適應時代發展，符合現代化工程建設的需求，這就要求高等院校建立現代教學新思想，創新教學方法。鋼結構課程作為土木工程專業的核心課程，其教學內容也應隨著建筑科技的發展和市場對人才的要求變化不斷調整，體現“卓越工程師教育培養計劃”的根本要求。

一、現代鋼結構課程教學新思想

（一）建立立體化的知識體系

專業課程自身具有很強的系統性和邏輯性，但如果從課程體系來看，往往難以構建相關課程間的相互聯系，以致學生對知識點的把握雖然很牢固，但無法有效形成立體化的知識體系。知識體系的缺失將造成學生課程考核時每個

知識點都能從容應對，但到了課程設計、畢業設計時卻無法有效系統地利用這些知識來解決實際工程問題。

在鋼結構課程開始階段，可引導學生回顧已學課程，分析前期的知識構架，指出后續課程的組成，著重突出鋼結構課程在整個課程體系里的位置和重要性。在課程教學過程中，突出鋼結構課程知識點與其他課程知識點之間的內在聯系與區別。通過這種方式，將鋼結構課程作為課程體系的重要節點，形成立體化的知識體系，強化與其他課程的有機聯系，增強學生專業知識的系統性，讓學生能從更高的層次把握并合理應用專業知識。

（二）建立正確的設計理念

課堂教學除了傳授專業知識外，還應培養學生的職業道德和正確的設計理念。鋼結構課程實踐反映出學生缺乏正確的設計理念。部分學生在進行鋼結構設計時，過于追求經濟效果，結構體系的安全儲備不足，導致截面過小、鋼板太薄，雖然驗算能夠滿足要求，但缺乏對實際工程加工和安裝中不利因素的思考。還有一些學生則過于注重“設計效率”，為了減小工作量，本應采用變截面構件而選用等截面構件，甚至出現梁、柱采用相同截面的現象，這些設計方式雖然能夠滿足安全性的要求，但造成材料的浪費。

這些問題的出現最根本的原因是缺乏正確設計理念的引導。只有專業知識，沒有正確的職業態度和設計理念，無法成為合格的工程師。專業知識可以從課本上自學，但設計理念必須在教學過程中由教師潛移默化地加以引導灌輸。

（三）鋼結構課程教學應強化力學分析能力的培養

鋼結構課程與土木工程材料、理論力學、材料力學、結構力學等課程內容聯系緊密，特別是材料力學，因為鋼材與混凝土、砌體等相比，更接近彈性體。鋼結構設計要保證結構能夠安全可靠地承受多種荷載作用，學好鋼結構知識需要扎實的力學基礎。學生普遍認為鋼結構是比較難學的專業基礎課，究其原因主要有兩個方面：一是力學基礎不夠扎實；二是對結構進行力學分析的能力較差。

鋼結構課程的另一個特點是課程知識點的關聯性和邏輯性很強，而不同知識點之間大多以基礎力學作為紐帶。一個知識點的缺失，會直接影響后續知識點的學習。因此在課堂教學過程中，要因材施教，根據學生的知識結構差異，適度回顧溫習相關力學知識。這樣可以從兩方面提高教學效果和質量：一是溫習相關力學知識能夠夯實學生的力學基礎，使學生更易學習和消化鋼結構的知識要點；二是在夯實力學基礎的同時，也將前期學習的基礎理論知識與當前學習的鋼結構工程內容更緊密地聯系在一起，有利于提高學生在鋼結構中的力學應用能力。

二、 教學方法與策略

鋼結構課程具有內容多、知識點之間邏輯性強、概念抽象、公式繁多等特點。如果不能合理引導學生攻克學習過程中的諸多困難，易使學生產生厭學情緒，難以學好這門課程。該課程教學方法重點在于堅持以學生為主體，明確學習的目的和意義，確立合適的學習目標，以促進學生的發展為根本宗旨，引導學生的知識應用和工程實踐。

（一）引導性教學，突出學生的主體地位

學生是學習的主體，但調動學生的學習積極性，突出其主體地位，需要多方面的努力。鼓勵學生利用專業知識解決鋼結構中的工程問題，并進行典型工程案例教學，引導學生把專業知識應用于工程實踐。營造適度活躍的課堂環境，過于嚴肅的課堂環境不利于培養活躍的思維，但過于松散的課堂環境會影響學習效率和效果。在堅持學生為主體的教學工作中，除了關注學生的學習和生活，還應營造健康的心理環境，避免學生產生厭學情緒，使該課程的學習能夠對學生以后的學習、工作產生促進作用。

（二）建立多元化的信息傳導方式

鋼筋混凝土結構和砌體結構課程是鋼結構的先修課程，學生接觸鋼筋混凝土結構和砌體結構內容比較多，但對鋼結構的接觸相對較少，缺乏感性認識。部分學生力學基礎相對較差，雖能勉強記住一些概念，但無法透徹理解鋼結構課程中的關鍵知識點，靈活應用能力較差。

課堂教學是教師向學生傳導信息的主要方式，是學生獲得感性認識、透徹理解關鍵知識點的第一陣地。應建立課堂教學的多元化信息傳導方式，通過多種渠道幫助學生認識、理解并熟練應用系統而豐富的鋼結構課程內容。可采用的傳導方式包括板書、PPT、圖片、FLASH、短片、課后小實習、課外實踐等等。例如，課外安排時間帶領學生參觀施工中的鋼結構工程。

值得注意的是，應重視課堂外的師生溝通，建立并完善溝通渠道，加強教師與學生之間的聯系，幫助學生解決課外學習中遇見的疑難問題，充分了解學生的學習發展過程。在溝通過程中，遵循教學規律，突出鋼結構課程的教學目標。通過有效溝通，引導學生利用專業知識解決工程問題。

（三）更新充實課程教學內容

建筑科技日新月異，新型結構不斷出現，組合結構與混合結構已經大量出現在工程建設領域，鋼結構課程教學應順應社會發展，改革教學內容。組合結構與混合結構是當代新型建筑結構，鋼結構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構，充分利用了鋼筋混凝土柱抗壓性能好的特點與鋼梁輕質高強、變形能力好的特征，綜合效益非常突出。諸如此類新型建筑結構的設計與施工離不開鋼結構的基本原理，但傳統的教學內容已無法適應新型結構體系的推廣應用。

在鋼結構課程教學內容方面，以鋼結構基本知識為中心，適量輻射補充組合結構與混合結構的教學內容，豐富鋼結構課程教學內涵，讓學生了解鋼結構在整個結構體系中越來越重要的核心地位。這樣有利于擴展學生的知識面，使教學內容更貼近工程建設的發展近況，有利于學生將鋼結構與其它結構形式緊密聯系起來，進一步激發學生的學習動力。

三、系統化教學實踐：以普通螺栓的計算為例

普通螺栓連接的構造和計算的講解包括引子、螺栓的排列與構造要求、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計值、普通螺栓群軸心力作用下抗剪計算、例題解析、課后思考與課堂小結，共八個部分。

（一） 引子

這一部分首先講解鋼結構中常見的連接方式，并輔以工程照片，讓學生獲得各種常見連接方式的感性認識。將鋼結構的連接與人體結構中的關節做簡單對比，引導學生切實了解連接在鋼結構中的作用。引出螺栓連接常用的方式，分析螺栓連接在工程中應用的優缺點，講解螺栓的排列方式和基本構造要求。至此，學生對本講主要對象有了初步了解。明確本堂課程的主要難點：普通螺栓抗剪連接的四個受力階段，以及對應的受力性能特征；認識普通螺栓抗剪連接的五種破壞方式，理解并能靈活應用抗剪螺栓的單栓承載力計算公式。

（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和難點。在鋼結構工程應用中，可選擇的螺栓種類較多，每種螺栓都具有不同的受力特征和與之對應的設計計算方法，因此容易造成知識點的混亂，不利于知識構架的建立。理解并區分不同螺栓特點的最佳方式，就是了解每種螺栓從開始受力到最終破壞的整個受力過程，并明確典型的破壞方式。因此這一部分的講解由科學試驗開始，通過試驗了解普通螺栓的剪切受力全過程，有助于學生分析抗剪螺栓連接的五種破壞方式，為后續承載力計算公式的推導奠定基礎。

（三） 普通螺栓群軸心力作用下抗剪計算

通過工程試驗，學生已經對抗剪螺栓連接的破壞方式有了深入的認識。這里通過計算假定將復雜的工程問題轉化為相對簡單的理論模型，并借助學生熟悉的基本力學知識推導得出抗剪螺栓的單栓承載力。最后在單栓承載力計算的基礎上，分析螺栓群存在的內力分布不均勻現象，引出承載力折減系數，工程設計中借用這樣一個簡單的系數解決抽象的內力分布不均勻問題，用于確定連接所需的螺栓數量。

（四） 例題解析

選取《鋼結構（第三版）》[6]的例題3-8，計算僅在剪切力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例，普通螺栓群承受了剪切力和彎矩。要驗算螺栓群在剪切力和彎矩共同作用下的連接強度，必須首先學會分別驗算剪切力和彎矩單獨作用下的連接強度。因此對例題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，利用剛學的知識驗算剪切力作用下的連接強度。這樣不但可以幫助學生復習鞏固本課時的重要知識內容，也為解決復雜荷載狀態下的螺栓強度驗算打下基礎。

（五） 課后思考與課堂小結

布置課后思考題：螺栓桿由兩部分組成，有螺紋部分和沒有螺紋的部分，兩部分的直徑存在較大差別。那么在抗剪承載力設計值承壓承載力設計值的計算公式中，應選取怎樣的直徑進行計算？

對課堂3個關鍵知識點進行總結： 普通螺栓的受力方式與構造要求；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算。

四、結 語

“卓越工程師教育培養計劃”是中國高等教育的重大改革項目。鋼結構課程作為土木工程專業的核心課程，其教學思想、教學方法、課程內容等應體現“卓越工程師教育培養計劃”的根本要求。為此應樹立現代鋼結構課程教學新思想，建立立體化的知識體系和正確的設計理念，強化鋼結構課程教學中的力學分析能力。教學改革重點在于堅持以學生為主體，明確課程學習的目的和意義，確立合適的學習目標，積極引導學生應用專業知識參與工程實踐。參考文獻：

[1] 教育部.卓越工程師教育培養計劃[Z].2010-06.

[2] 教育部.教育部關于實施卓越工程師教育培養計劃的若干意見[Z].2011-01.

[3] 林健. “卓越工程師教育培養計劃”通用標準研制[J]， 高等工程教育研究， 2010（ 4）： 21-29.

[4] 朱召泉. 鋼結構構件穩定性的教學體會與總結[A]. 中國鋼協結構穩定與疲勞分會.鋼結構工程研究⑧——中國鋼協結構穩定與疲勞分會第12屆學術交流會暨教學研討會論文集[C]. 2010（6）.

[5] 劉漢龍，曹平周，吉伯海. 以精品課程建設為抓手提升河海土木整體教學水平[A]. 中國土木工程學會教育工作委員會.高等學校土木工程專業建設的研究與實踐——第十屆全國高校土木工程學院（系）院長（主任）工作研討會論文集[C].中國土木工程學會教育工作委員會：2010：5.

[6] 曹平周、朱召泉. 鋼結構 [M]. 3版北京：中國電力出版社，2008.