基于大學生結構設計競賽的建筑結構課程教學改革

雷文凱 張金團 曾小雪 李松

摘要：大學生結構設計競賽考查了學生對建筑結構課程知識的掌握程度，同時反映出當前課程教學存在的一些問題。開展基于大學生結構設計競賽的建筑結構課程教學改革，可以提高學生的學習興趣，培養學生的創新思維和動手協作能力，有效改善課程教學的質量。

關鍵詞：結構設計競賽；建筑結構課程；教學改革

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）30-0117-02

建筑結構課程是土建類學生必修的一門專業基礎課，建筑構造做法煩瑣，結構設計理論抽象，而學生對建筑結構的認知較淺，如果僅靠單一的課堂講授，將很難引發他們的學習興趣和積極性，也難以達到好的教學效果，采用新的教學手段和方式是當務之急。近年來隨著學科專業競賽的不斷開展，面向學科競賽的教學手段和方法被引入到各專業的日常教學之中，與之相應的教學改革措施和人才培養模式也相繼出臺。大學生結構設計競賽是土建類專業最重要的一項學科競賽，在給定的規則和要求下設計理論方案，并通過團隊協作制作出實際的結構模型。開展基于大學生結構設計競賽（簡稱大賽）的建筑結構課程教學改革，對提高學生的學習興趣和增強學生的綜合能力具有重要的意義。

一、大賽對建筑結構課程相關知識的要求

大賽的選題與建筑結構理論和工程實際緊密聯系，以往賽題規定的結構形式包括多層建筑、橋梁、混凝土模板支架等，模型制作材料有白卡紙、木頭、竹片、蠟線等。參賽學生需要在賽題要求的結構形式、結構尺寸、荷載作用方式下，利用給定的材料制作出最優的結構模型，并提交完整的理論計算書和詳細的方案說明。評分標準為結構選型、加載表現、制作工藝、方案書質量等。大賽全面考察了學生綜合運用建筑結構學科理論知識解決實際問題的能力。

1.材料和構件的力學性能。大賽所用材料雖然與實際的建筑材料有差異，但在結構設計原理和破壞形式方面卻是相同的，只有充分認識了材料和構件的力學性能，才能設計出較優的結構模型。在實際的鋼筋混凝土結構設計時，要熟悉鋼筋、混凝土以及鋼筋混凝土構件的力學參賽和受力特征，同樣，在大賽結構方案設計時，要對所給材料及相應構件的力學性能進行測試，以便選擇合理的構件截面和結構型式。以白卡紙材料為例，它的拉強度為22Mpa左右、抗壓強度為7Mpa左右，并有順紋和逆紋之分，為最大程度地降低模型自重，可根據結構的受力特征，采用受力最為合理的構件形式，有效發揮材料的作用。

2.結構認知。大賽只限定了結構類型，具體結構型式由參賽隊伍自定，學生有較大的發揮空間，但必須理解一定的結構概念，并對結構體系有較深的認知，因為大賽重在考查結構體系在保證安全前提下的經濟合理性，在各種級別的大賽中，模型質量和剛度在評分中占有很大比重，取得好名次的模型一般結構布置簡單、傳力路徑明確、質量較輕、剛度相對較高、力學性能發揮到極致，而造型復雜、外形新穎、注重美觀的模型往往難以取得較好的成績。在結構選型時既要考慮承載力要求，又要滿足剛度要求，還需注意結構里的薄弱部位，這些與結構認知程度密切相關，并直接關乎到結構模型的加載表現，是大賽中最重要的一個環節。

3.結構計算。結構選型是一個逐步優化的過程，初步型式確定后，還需根據賽題要求、荷載作用方式和桿件形式進行理論計算，作進一步的優化。要想得到最優的結構，需明確結構體系的傳力路徑和桿件的受力特征，合理利用材料，更換構件截面形式，在結構設計基本原理基礎上，借助有限元分析軟件進行反復計算，不斷優化。在估算結構的承載能力時，參賽選手也需具備一定的結構計算分析能力。

4.結構試驗。理論分析只能得到結構在理想狀態下的內力，難以準確模擬結構的實際情況。理論模型與實際模型相比，存在一些尺寸誤差、節點模擬誤差、應力損失、受力情況不同等差異，需要通過結構模型試驗來準確確定模型的承載能力和加載表現。對正式比賽時的結構模擬得越真實，結構試驗所起的作用越大。在進行結構試驗時，還需留意意模型的加載反應和節點的受力狀態，從不同型式的結構模型中，選出承載能力高、加載反應好的結構方案。結構試驗是改善結構選型方案、提高模型制作質量所必備的一項能力。

二、大賽反映當前建筑結構課程教學存在的問題

大賽考查了學生的理論水平和創新能力，檢驗了學校的師資力量和課程建設質量。在大賽的準備和參與過程中，當前建筑結構課程教學存在的問題很快被反映出來。

1.教學手段單調。建筑結構課程理論性強，含有很多抽象的建筑術語、力學分析、公式應用等內容，傳統的教學以課堂講解為主，注重基本概念的解釋和計算方法的演示，教學手段單一，內容枯燥，課堂缺乏活力。特別是對應用型本科學校的學生來說，工程基礎差，結構認知較淺，如果僅聽傳統的課堂講解，將很難引發他們對建筑結構課程的學習興趣和積極性，不能達到理想的教學效果。

2.教學內容缺乏針對性。雖然大部分參賽學生都學習過建筑結構課程，但在設計結構方案時依然沒有清晰的思路，缺乏結構體系的概念設計意識，不能設計出一個受力合理、傳力簡潔的結構型式。這表明，當前建筑結構課程的教學缺乏針對性，與結構體系相關的知識點幾乎沒有涉及。如何針對現實結構里的結構體系概念講解建筑結構課程中的構件理論，是當前教學存在的一大問題。

3.理論教學與實踐脫節。實踐環節是建筑結構課程教學中的一項重要內容，當前建筑結構課程的實踐部分主要采用課程設計的形式，要求學生運用結構課程中的相關理論，查找規范，套用公式，設計出符合某些條件的結構構件，其實質仍然是課本理論的簡單重復。學生缺乏對實際結構的整體認識，也沒有相應的結構模型作為依托，造成實踐教學與理論的嚴重脫節。

4.考核方式單一。當前建筑結構課程的考核一般包括理論考試和實踐考核兩個部分。在這種評價方式下，大部分學生即使取得較好的成績，但在大賽中，卻不能設計出合理的結構型式、撰寫出優秀的方案書，學生利用所學知識解決實際問題的能力還非常欠缺，說明當前的課程考核方式過于單一，不利于學生實踐能力、綜合素質的提高。

三、大賽對建筑結構課程教學改革的啟示

1.采用多種形式的教學手段。建筑結構課程內容較為抽象，最好采取形象化教學手段，利用三維數字教學模型和實際結構模型，讓學生對理論知識有直觀感受，并借助工程圖紙、實例照片、flash動畫等做生動的詮釋，避免單一教學手段給學生帶來的疲勞效應。可以仿照大賽模型制作的方式，在課堂上制作鋼筋結構模型和節點構造模型，在制作過程中進行相關理論的講解，將枯燥的知識生動化，既降低了學習的難度，又激發了學生的學習興趣。還可以創建網絡教學平臺，在平臺上開展互動教學、案例教學，對傳統教學進行補充和優化。

2.有針對性地調整教學內容。教學內容應根據學生對建筑結構知識的需求做相應調整。對于參加大賽的學生，教師應從結構體系的角度闡釋結構概念設計，改變傳統的只重視基本的結構構件而輕視結構整體性的教學方式，幫助學生從總體上熟悉結構設計概念、理解結構設計原理，并比較傳統建筑材料與大賽所用材料的異同點，通過對比，加強學生運用所學知識解決實際問題的能力。同時，教師應注意到，土建不同專業學生的從業目標不一樣，他們對建筑結構知識的需求也不相同，如土木工程專業學生學習建筑結構的重點是結構設計原理和方法，工程管理專業學生的學習重點是建立工程概念，建筑學專業學生的學習重點是了解建筑結構中的力學概念。

3.加強實踐教學環節。突破傳統的以課程設計為主的實踐教學模式，仿照大賽的流程，以應用能力培養為主要目標，構建以力學試驗、紙質模型、鋼筋模型、數字模型、工程案例為基礎的實踐教學體系，使其具有“驗證、綜合、創新”的三大功能。采用“教、學、做”一體化的教學模式，讓學生在構件試驗和實體模型制作中形成結構體系概念，體驗課程學習的樂趣；在數字模型制作和模擬分析中，體會結構的奧妙，拓展空間思維能力；在模型講解和案例分析中了解理想結構和實際結構之間的區別及簡化方式，提高創造力和想象力。

4.在課程考核中引入大賽機制。考核是課程教學的一個重要環節，它的得當與否會影響到教學評價情況和學生的學習效果。大賽的形式是參賽組在相同場地、時間內，根據給定材料和規則，小組成員之間相互配合，制作出符合要求的結構模型，根據評委打分和加載表現進行評比。采用這種形式的考核，可以有效考查學生的理論掌握程度、實踐動手能力及團隊協作能力。大賽的評分標準是結構選型情況、模型制作工藝、方案書制作質量和模型加載表現。參賽組要想取得好的成績，需要綜合考慮多方面的因素。課程考核中引入大賽評分機制，可以培養學生積極鉆研、耐心細致、思考全面的品質。

四、結語

大學生結構設計大賽反映了當前建筑結構課程教學存在的一些問題，也極大地促進了課程的改革與建設。通過對本校工程管理專業近一個學期的該課程教學改革，發現學生的學習興趣、實踐動手能力、溝通協作能力較往屆有很大的提高。然而大賽題目每年都會變化，且難度普遍較大，如何尋找大賽的切入點，并總結相關規律，是建筑結構課程教學改革的難點，需要進一步研究探討。

參考文獻：

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