鋼結構課程的單元練習與課程設計一體化改革與實踐

摘要：文章分析了傳統(tǒng)鋼結構課程教學方法和課程設計方案存在的缺點，提出了將單元練習與課程設計一體化的理念，并給出了“一生一題”的具體實施方案。改革方案具有翻轉(zhuǎn)課堂的特點，符合建構主義學習理論特點。實踐表明，采用改革后的方案，使學生從整體上把握了課程的知識體系，理解了各章節(jié)知識可解決的實際問題，因而學習目標明確，學習積極性高，同時有效培養(yǎng)了學生獨立思考、分析和解決實際問題的能力，提高了培養(yǎng)質(zhì)量。

關鍵詞：鋼結構；課程設計；翻轉(zhuǎn)課堂；大眾化教育；教學改革

中圖分類號：G642.3；TU391 文獻標志碼：A 文章編號：1005-2909（2016）05-0062-05

一、傳統(tǒng)鋼結構課程教學方法及課程設計方案存在的缺點

鋼結構課程是土木工程專業(yè)的一門重要專業(yè)技術課。在發(fā)達國家，鋼結構早在20世紀30年代就有了較廣泛的應用，而在我國，直到改革開放以后，特別是加入WTO以后，鋼結構的研究和應用才有了較大的發(fā)展。進入21世紀后，我國的建筑行業(yè)及交通運輸?shù)刃袠I(yè)都得到了顯著發(fā)展，高層和超高層建筑、重型工業(yè)廠房、大跨度橋梁等如雨后春筍般出現(xiàn)。不僅如此，輕型鋼結構房屋也得到了迅速的發(fā)展，鋼結構住宅得到了人們的關注和一定程度的發(fā)展[1]。但與鋼結構行業(yè)的迅速發(fā)展不相協(xié)調(diào)的現(xiàn)象是：高校畢業(yè)生特別是普通二本院校土木工程專業(yè)的學生，畢業(yè)后不能適應工作的需要。因為鋼結構課程（也包括其他結構課程）一直以來采用的是傳統(tǒng)的教學方法，即按照鋼結構課程的內(nèi)容體系，把鋼結構的材料、連接和基本構件等內(nèi)容講完后，布置一個鋼屋架的課程設計。這樣的教學方法，存在如下缺點：

第一，學生學習的各單元知識是相對獨立的，各單元的例題和習題也相互獨立，其中的數(shù)據(jù)是編排例題和習題時“編”出來的，學生不知道這些數(shù)據(jù)是隨意給出，還是來源于工程實例，也不清楚例題、習題中的計算方法與實際工程設計是否一致。因而學習目標不明確，不知道學習后能解決什么實際問題。同時，由于鋼結構課程與力學課程聯(lián)系緊密，計算麻煩，工程實例又少，學生普遍認為鋼結構課程難學，缺乏學習積極性，有些學生甚至采取了放棄的態(tài)度。

第二，各單元練習中的荷載和內(nèi)力，與課程設計中的荷載和內(nèi)力等數(shù)據(jù)是沒有聯(lián)系的，各單元練習題中的設計計算與課程設計中的設計計算無關聯(lián)，學生不能正確掌握計算方法，對構造措施的理解也不到位，因而不能用所學的知識來有效地解決實際工程問題。

第三，由于門式鋼架輕型鋼結構房屋有許多優(yōu)點，在單層工業(yè)廠房及物流倉儲中得到了廣泛應用，而鋼屋架的結構體系目前應用很少，布置鋼屋架的課程設計已不能適應實際工程的需要。

所以，傳統(tǒng)的課程設計方案不能對學生進行有效的訓練，學生畢業(yè)后不能適應專業(yè)技術工作的需要。

二、單元練習與課程設計一體化的概念

如前所述，在鋼結構課程傳統(tǒng)的教學內(nèi)容及教學方法中，存在三方面的缺點，不利于教學質(zhì)量的提高和學生將來的發(fā)展，因此有必要對教學內(nèi)容和教學方法進行改革。為了使學生在學習時，對課程內(nèi)容有一個整體的認識和把握，明確各章節(jié)知識能解決的實際問題，并使各單元的練習既相互聯(lián)系，又有連續(xù)性，需要找到一個合適的載體，兼顧以上內(nèi)容，并能實現(xiàn)以上目的。教學實踐表明，單元練習與課程設計一體化，可以很好地解決上述問題。所謂單元練習與課程設計一體化，就是通過選擇合適的課程設計方案，并將其設計計算內(nèi)容分解為幾個部分，使不同部分與課程不同單元的內(nèi)容相對應，每一單元的練習對應解決課程設計中一部分的設計內(nèi)容。當課程內(nèi)容的學習完成時，課程設計也完成了。

三、單元練習與課程設計一體化的實施方案

（一）課程設計方案的選擇

要實現(xiàn)單元練習與課程設計的一體化，課程設計方案要滿足以下要求：首先，選擇的課程設計方案，既結合工程實際，又能讓學生進行手算。其次，能將課程設計內(nèi)容分解為幾個部分，且每一部分的設計計算內(nèi)容能與鋼結構課程的內(nèi)容體系相一致。第三，學生在學完鋼結構的材料和連接內(nèi)容后，能進行課程設計。第四，學生在學習軸心受力構件、受彎構件的內(nèi)容時，其單元練習題就是課程設計中的柱、梁的設計。第五，學生在學習柱腳、柱頭的相關內(nèi)容時，能以課程設計中的相關內(nèi)容進行設計計算。第六，能將不同階段的設計計算結果匯總，形成完整的設計計算書。第七，能依據(jù)各部分的設計結果，繪制施工圖，完成課程設計。

雖然門式鋼架輕型鋼結構房屋目前在單層工業(yè)廠房，以及物流倉儲中得到了廣泛的應用，但由于其采用的是變截面梁、柱的結構體系，不能滿足學生手算的要求，所以不適于課程設計。而鋼制的工作平臺是工礦企業(yè)常用的一種結構形式，如鋼結構制造廠中的構件制作平臺，選礦企業(yè)的礦石破碎操作平臺，大型機械制造廠中的零件加工、制作平臺，混凝土攪拌站中的攪拌系統(tǒng)的工作平臺等。從廣義上講，石油鉆井平臺也是一種工作平臺，只是它的工況更復雜，要求更高，功能更齊全，非一般工作平臺能比。

工作平臺一般采用等截面的梁、柱形式，只要選擇合適的布置和連接方案，則可以滿足單元練習與課程設計一體化的要求。基于此，選擇一工作平臺的設計作為課程設計內(nèi)容，包括結構選型、結構布置、荷載組合和內(nèi)力計算、柱子設計、次梁設計、主梁設計，以及主次梁的連接設計、柱腳設計和柱頭設計、施工圖繪制等內(nèi)容。

（二）質(zhì)量保證措施

（1）制定詳盡的課程設計任務書，使學生明確任務、目的和要求。

（2）選擇方案中的多個技術參數(shù)，使其能組合成多個不同的具體方案，并制定題目分配表，使不同學生的設計參數(shù)不相同，即采用“一生一題”的題目分配方案，杜絕抄襲現(xiàn)象的發(fā)生[1-2]。

（3）對每一部分都給出設計示例（選擇題目分配表中學生未用題目的數(shù)據(jù)進行設計計算），把實際工程中可能出現(xiàn)的不同情況、不同方案的優(yōu)缺點給學生講清楚，以便學生在進行具體設計時，明白自己所選方案的可行性。

（4）針對不同部分的設計計算內(nèi)容，設計出解決這一類問題用的規(guī)范化計算表格，學生可以對照示例，按計算表格中的內(nèi)容進行設計計算，并要求在規(guī)定的時間段內(nèi)完成[1-2]。

（5）利用Excel的計算和邏輯判斷功能，編制針對不同階段設計計算內(nèi)容的計算程序。在該程序中輸入已知數(shù)據(jù)就能計算出每一步的計算結果，并進行正誤判斷。利用該程序?qū)Α耙簧活}”的設計計算結果進行批改[1-2]。

（6）對每一階段的設計結果及時進行批改，并將不同階段的成績，分別按一定的比例計入鋼結構課程的期末總成績和課程設計的總成績中。對不按題目分配表選擇相應參數(shù)，和不按時完成分步設計任務的學生，不記錄成績。

（7）加強過程管理與指導，只有在前一階段的設計正確后，才能進行下一階段的設計。

（三）實施步驟

（1）在學生學習完鋼結構的材料和連接內(nèi)容后，即布置課程設計任務，并按照結構設計的一般步驟進行結構選型和結構布置。為了讓學生既能進行手算，又能得到較全面的鍛煉，

將其分解為幾個部分，并與鋼結構課程單元練習的內(nèi)容聯(lián)系，課程設計的梁柱布置、支撐布置分別如圖1和圖2所示。主、次梁之間，以及梁、柱之間采用鉸接連接，柱與基礎之間采用剛接連接。一榀框架的計算簡圖如圖3所示。該部分內(nèi)容主要通過分析、講解，告訴學生課程設計所用方案，以及實際工程中可采用的方案。為了充分鍛煉學生的獨立思考能力、分析和解決問題的能力，

選擇多個技術參數(shù)，形成“一生一題”的方案，杜絕抄襲現(xiàn)象，并制定題目分配表（如表1所示），每個學生都必須按自己的學號選擇設計條件，進行相應的設計計算。由表1看出，這些參數(shù)可組合出243種不同的方案，滿足“一生一題”的方案要求。

（2）完成結構選型與布置后，進行荷載組合和內(nèi)力計算。

（3）在學習完軸心受力構件的內(nèi)容后，要求學生根據(jù)各自求得的內(nèi)力，結合單元練習和設計示例進行框架柱的設計，完成型鋼截面和組合截面兩種形式，進而確定優(yōu)選方案。

（4）在學習完受彎構件的內(nèi)容后，要求學生進行次梁的設計（采用型鋼截面），進而完成主梁的設計，以及次梁與主梁的連接設計。

（5）在學習完拉彎、壓彎構件的內(nèi)容后，要求學生進行柱腳的設計、主梁與柱的連接設計。

（6）在各部分設計結果均正確的前提下，首先給學生講解鋼結構施工圖的特點，然后要求學生根據(jù)各自的設計結果完成施工圖的繪制（包括設計說明和材料表）。

（7）學生將各部分的設計結果匯總成完整的計算書，與施工圖一起形成完整的課程設計資料。

（8）教師根據(jù)學生在各階段的設計計算成績和施工圖成績，評定學生的課程設計成績。

（四）課程設計中未覆蓋課程內(nèi)容的改革

如前所述，為了實現(xiàn)單元練習與課程設計的一體化，并采用“一生一題”的課程設計方案，本課程設計采用的是梁、柱鉸接連接方案，也沒有考慮柱子受的水平力，因此課程設計中的柱子是軸心受壓柱。本課程設計方案未包含拉彎、壓彎構件一章中的基本內(nèi)容。為了利用課程設計中的數(shù)據(jù)進行該部分內(nèi)容的教學，教師在課程教學中可以結合設計數(shù)據(jù)，并考慮柱外有圍護結構和風荷載作用，作為設計示例，計算出柱子的內(nèi)力（軸力N和彎矩M），然后按壓彎構件進行設計計算，并將設計結果與未考慮風荷載時的設計結果進行比較。如此，既實現(xiàn)了單元練習與課程設計的一體化，又使學生獲得了完整的知識體系和較全面的鍛煉。另外，對于課程設計中未涉及的訓練內(nèi)容，可以結合例題、習題進行講解和練習，以保證練習內(nèi)容的完整性。

四、改革經(jīng)驗和效果

本教學改革是在筆者進行的相關教學改革的基礎上進行的，有相關的前期研究成果和較成熟的研究思路和方法，因此，其方案、思路和方法是合理的，過程也比較順利。本教學改革采用的是“一生一題”的方案，每個學生、每個階段的設計計算結果都不相同，所以教師的批改工作量還是比較大的。在實踐中，筆者通過設計規(guī)范化的設計計算表格和Excel編制計算程序順利地解決了這一問題。

通過在2012級土木工程專業(yè)兩個班179人中的實踐，取得了如下的經(jīng)驗：（1）單元練習與課程設計一體化，使學生對課程內(nèi)容有了總體的把握和認識，理解了各章節(jié)內(nèi)容的相互聯(lián)系及其所能解決的實際問題。（2）通過規(guī)范化訓練，培養(yǎng)了學生的規(guī)范意識。（3）結合實際工程的課程設計方案，使學生明白了所學知識的用處，從而學習目標明確，激發(fā)了學習積極性。（4）分階段進行，分階段評定成績，并計入期末總成績的實施方法，保證了各階段設計結果的正確性，促使學生養(yǎng)成認真負責和科學嚴謹?shù)牧晳T。在實踐中，筆者將次梁、主梁，以及柱子的設計成績按30%的比例計入鋼結構課程的期末總成績。將荷載組合和內(nèi)力計算、主次梁的連接設計、柱頭設計，以及柱腳設計成績按50%的比例計入鋼結構課程設計總成績，計算書和施工圖成績也占50%。（5）采用一體化的方案后，將課程設計分散在整個學期進行，保證了設計時間，促進了設計質(zhì)量的提高，并且也不再需要額外的課程設計時間。（6）經(jīng)過多階段、連續(xù)、規(guī)范的訓練后，絕大多數(shù)學生不僅掌握了結構設計的內(nèi)容和步驟，而且還培養(yǎng)了他們的規(guī)范意識、工程意識和責任意識。（7）課程設計的優(yōu)秀率達到38%，在課程的期末考試中，學生的考試成績優(yōu)良率也明顯提高。

五、結語

在大眾化教育背景下，更多人有機會走進了大學校園，但是總有一些學生不能正確認識學習的目的和意義，還有些學生甚至把大學校園作為休閑娛樂和談情說愛的場所[1]。因此，加強思想教育，進行正確引導，更新教學觀念，實行教學改革，才能有效提高教育教學質(zhì)量，培養(yǎng)能適應工作需要，具有發(fā)展?jié)摿Φ娜瞬拧?/p>

“一體化”的教學理念在一些課程改革中已有實踐，也獲得了很好的效果[3-5]。但筆者所進行的是另一種“一體化”的改革，即以課程設計為載體，將單元練習與課程設計一體化。采用這樣的改革有如下的優(yōu)點：第一，學生在學習不同單元的內(nèi)容時，帶著如何解決課程設計的問題學習，因而具有翻轉(zhuǎn)課堂的特點，同時也符合建構主義學習理論的經(jīng)驗性和情境性特點[6-7]。第二，采用“一生一題”的方案，有效避免了抄襲現(xiàn)象的發(fā)生。抄襲問題，目前在高校已經(jīng)不是個別現(xiàn)象了[8]?！耙簧活}”也有效地鍛煉了學生的獨立思考能力。第三，把單元練習的成績，分階段計入課程總成績的方法，鍛煉了學生的責任意識和科學精神。第四，連續(xù)多次規(guī)范化的設計計算訓練，培養(yǎng)了學生的規(guī)范意識和工程意識。第五，采用分階段進行、加強過程管理的方式進行課程設計，保證了課程設計的時間和質(zhì)量。

實踐表明，單元練習與課程設計一體化改革可有效提高教育教學質(zhì)量，增強畢業(yè)生對工作適應性，不僅對鋼結構課程適用，對其他課程也普遍適用。

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