以案例為主線的鐵道工程專業(yè)鋼結(jié)構(gòu)課程教學(xué)探討

譚冬蓮 曹權(quán) 程道來

摘 要 “鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理”是一門理論性強(qiáng)、計(jì)算公式較多的課程。紛繁復(fù)雜的公式使學(xué)生容易產(chǎn)生厭倦，也難以認(rèn)識(shí)到課程的重要性。在課程教學(xué)中，采用以案例為主線的教學(xué)方法，將構(gòu)件之間的連接設(shè)計(jì)（螺栓連接、焊縫連接）、各受力構(gòu)件的構(gòu)件設(shè)計(jì)串聯(lián)起來，讓學(xué)生有結(jié)構(gòu)的概念，清楚該門課程的作用，激起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。從而達(dá)到教學(xué)目的。

關(guān)鍵詞 鐵道工程 鋼結(jié)構(gòu) 案例 主線

中圖分類號(hào)：G424 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2019.01.059

Abstract "The Principles of Steel Structure Design" is a course with strong theoretical and computational formulas. The complicated formula makes students prone to boredom and the importance of the curriculum. In the course teaching， the case-based teaching method is adopted， the connection design between the components （bolt connection， weld connection） and the component design of each force component are connected in series， so that the students have the concept of structure and the door is clear. The role of the course stimulates students' interest in learning， thereby achieving the purpose of teaching.

Keywords railway engineering； steel structure； case； main line

“鋼結(jié)構(gòu)基本原理”是鐵道工程專業(yè)一門專業(yè)基礎(chǔ)課，該課程理論性和實(shí)踐性較強(qiáng)，計(jì)算公式較多，如果是按照傳統(tǒng)的教學(xué)方法，一個(gè)知識(shí)點(diǎn)一個(gè)知識(shí)點(diǎn)的教授，很難激起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，因?yàn)檫@時(shí)候?qū)W生還沒有接觸到專業(yè)課，沒有結(jié)構(gòu)的概念，會(huì)覺得這些知識(shí)點(diǎn)不連貫，也不知道有什么作用。因此，更新教學(xué)觀念，改變教學(xué)方法，讓學(xué)生體會(huì)到學(xué)習(xí)的目的，而不只是告訴他們學(xué)習(xí)目的，讓他們參與到教學(xué)過程中。作者認(rèn)為，以案例為主線的案例教學(xué)法是“鋼結(jié)構(gòu)基本原理”教學(xué)的一種行之有效的教學(xué)方法。

以案例闡述理論，讓學(xué)生不僅明白“學(xué)什么”，更重要的是知道“學(xué)了干什么用”“怎么用”。減少學(xué)生單純學(xué)習(xí)理論知識(shí)的枯燥感和迷茫感。

1 案例選取

選取好的工程案例是以案例為主線教學(xué)成功的前提和基礎(chǔ)，是案例教學(xué)的核心和靈魂，同時(shí)也是該教學(xué)方法區(qū)別于其它教學(xué)模式的關(guān)鍵之處。案例選取課根據(jù)專業(yè)培養(yǎng)計(jì)劃精心選擇一個(gè)或者幾個(gè)具有代表性的綜合工程案例，把教學(xué)的理論寓于項(xiàng)目中，以工程的形式展現(xiàn)出來，并將各知識(shí)點(diǎn)通過工程串聯(lián)起來。

對(duì)于一門工科課程，案例可以幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)并了解工程實(shí)際情況，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)工程實(shí)踐的體會(huì)和感受。因此，案例工程應(yīng)取材于工程實(shí)際，是真是發(fā)生的，不是憑空想象和杜撰出來的。

“鋼結(jié)構(gòu)基本原理”課程的理論體系包括：材料層次——鋼材的材料性能；構(gòu)件層次——構(gòu)件的承載力和使用性能（包括受壓構(gòu)件、受拉構(gòu)件、受彎構(gòu)件、壓彎構(gòu)件、拉彎構(gòu)件）、構(gòu)件之間的連接（螺栓連接、焊縫連接）；結(jié)構(gòu)層次——鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)（鋼板梁橋、鋼桁梁橋）等等。針對(duì)“鋼結(jié)構(gòu)基本原理”的理論框架選取項(xiàng)目。本文根據(jù)鐵道工程專業(yè)培養(yǎng)計(jì)劃，選取了鐵路橋梁中廣泛采用的鋼板梁橋和鋼桁梁橋作為教學(xué)案例工程。

鋼板梁橋和鋼桁梁橋包括了“鋼結(jié)構(gòu)基本原理”課程中的“鋼結(jié)構(gòu)連接”、“軸心受力桿件”、“受彎構(gòu)件”“壓彎構(gòu)件和拉彎構(gòu)件”“疲勞計(jì)算”等內(nèi)容。以鐵路鋼橋?yàn)橹骶€，貫穿整個(gè)課程的各個(gè)章節(jié)。

2 教學(xué)實(shí)施

2.1 課前準(zhǔn)備

項(xiàng)目教學(xué)的成功與否取決于教師和學(xué)生的共同努力，需要師生之間的互相配合。學(xué)生在學(xué)習(xí)本課程之前，教師要帶學(xué)生去工地或者實(shí)驗(yàn)室參觀項(xiàng)目，給學(xué)生一個(gè)感性認(rèn)識(shí)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。教師要熟悉工程項(xiàng)目，仔細(xì)研究項(xiàng)目與課程相關(guān)章節(jié)的內(nèi)容的關(guān)系。通過項(xiàng)目分析，學(xué)生應(yīng)該掌握哪些基本原理和知識(shí)，并如何應(yīng)用到工程中，培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問題的能力。

課前準(zhǔn)備階段的教學(xué)目的就是，通過實(shí)際工程的觀察，接收工程具體、讓學(xué)生形成感性認(rèn)識(shí)，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，啟發(fā)工程概念，提出問題，進(jìn)而探求解決問題的方案。

比如在講授“鋼結(jié)構(gòu)連接”這一章節(jié)前，讓學(xué)生先觀察鋼桁梁橋的主桁各桿件在節(jié)點(diǎn)的連接，并畫出節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造圖，分析節(jié)點(diǎn)在各種荷載作用下的受力狀態(tài)，是受剪？受壓？受拉？還是受彎？還是復(fù)合受力狀態(tài)這是在上課前就應(yīng)該用以前學(xué)過的力學(xué)知識(shí)弄清楚的問題。然后提出如何進(jìn)行節(jié)點(diǎn)連接計(jì)算的問題，帶著這些問題進(jìn)入到課堂。

如講授軸心受力構(gòu)件是以鋼桁梁橋的主桁桿件受力為例來研究，通過力學(xué)分析，弄清楚哪些桿件是受拉哪些桿件受壓，受拉桿件和受壓桿件在設(shè)計(jì)上有什么不同？為什么這么設(shè)計(jì)？帶著這些問題來學(xué)習(xí)，學(xué)生的積極性得到大大提高，學(xué)習(xí)變得非常主動(dòng)。

2.2 課內(nèi)教學(xué)組織與實(shí)施

課內(nèi)的教學(xué)以實(shí)際工程案例為載體，通過老師的引導(dǎo)，將學(xué)生置于真實(shí)問題的情境之中，以已經(jīng)學(xué)過的“結(jié)構(gòu)力學(xué)”為基礎(chǔ)分析結(jié)構(gòu)的受力情況，提出本節(jié)課要講解的理論知識(shí)，并應(yīng)用本節(jié)課的理論知識(shí)要解決的問題，總結(jié)歸納出課程教學(xué)要掌握的理論知識(shí)，探討如何解決工程實(shí)際問題。教師要通過文字、公式推導(dǎo)等方式，引導(dǎo)學(xué)生去解決實(shí)際問題，也激起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

如講授焊縫連接的時(shí)候，按課前準(zhǔn)備時(shí)提出的問題，首先在案例中找到焊縫，然后分析焊縫的受力，從而知道焊縫有哪些受力狀態(tài)，分別采用什么樣的設(shè)計(jì)計(jì)算方法，計(jì)算公式又是如何？和學(xué)生們一起推導(dǎo)，解決實(shí)際問題，最后拿自己的設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果與已經(jīng)設(shè)計(jì)好的案例進(jìn)行對(duì)比，這樣學(xué)生會(huì)有很大的成就感，學(xué)習(xí)興趣進(jìn)一步得到提高。

在講授軸心受力構(gòu)件時(shí)，先根據(jù)課前準(zhǔn)備時(shí)找到的主桁桿件，教師和同學(xué)們一起推導(dǎo)計(jì)算公式，軸心受力構(gòu)件有軸心受拉和軸心受壓，計(jì)算公式也不一樣，計(jì)算內(nèi)容也不一樣，設(shè)計(jì)方法也不一樣。上課時(shí)根據(jù)案例信息，分別計(jì)算案例中的軸心受拉和軸心受壓桿件，驗(yàn)算是否滿足設(shè)計(jì)要求？經(jīng)過對(duì)比，更容易理解和記憶。

在講授受彎構(gòu)件時(shí)，先弄清楚受彎構(gòu)件和軸心受力桿的區(qū)別，案例中哪些是軸心受力桿？哪些是受彎構(gòu)件？比如鋼桁梁橋中橋面的縱梁和橫梁即是受彎構(gòu)件，觀察受彎構(gòu)件的設(shè)計(jì)和軸心受力桿件的區(qū)別，分析它們的受力區(qū)別，推導(dǎo)設(shè)計(jì)計(jì)算公式，應(yīng)用到案例中，解決實(shí)際問題。這時(shí)也可以引入一些失敗的案例進(jìn)行驗(yàn)算，讓學(xué)生們明白尊重科學(xué)的重要性，明白學(xué)習(xí)的意義。

如講授受彎構(gòu)件的局部穩(wěn)定問題時(shí)，以鋼板梁橋的主梁局部穩(wěn)定為例來探討，通過觀察實(shí)際工程鋼板梁橋主梁加勁肋的設(shè)置位置和方式，發(fā)現(xiàn)加勁肋均設(shè)置在受壓翼緣和腹板，然后聯(lián)系起前面學(xué)過的受壓構(gòu)件局部穩(wěn)定問題。這樣的教學(xué)方式對(duì)學(xué)生的理解幫助非常大，學(xué)生不再需要硬性地記憶，也不會(huì)混淆。再通過列舉一些由于加勁肋設(shè)置不合理而導(dǎo)致局部失穩(wěn)，使得工程失敗的反面實(shí)例，讓學(xué)生明白鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定問題的重要性。通過對(duì)理性知識(shí)的簡(jiǎn)單運(yùn)用與加深。重新審視本章節(jié)內(nèi)容能夠解決的工程問題，給學(xué)生以啟發(fā)和引導(dǎo)，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考的習(xí)慣和解決工程問題的意識(shí)與能力，增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)際工程現(xiàn)場(chǎng)意識(shí)，及其對(duì)課程理論知識(shí)的再認(rèn)識(shí)。

“鋼結(jié)構(gòu)基本原理”應(yīng)用以案例為主線的案例教學(xué)法，在一兩個(gè)綜合的案例中，包含了課程中所有的知識(shí)點(diǎn)，而且層次分明：材料-構(gòu)件-節(jié)點(diǎn)連接-結(jié)構(gòu)。學(xué)生可以把所有的理論知識(shí)點(diǎn)通過案例串聯(lián)起來，形成知識(shí)體系，這樣便于理解，不易混淆。鋼桁梁橋的主桁桿件有受拉桿件、受壓桿件，各桿件之間通過焊縫或者螺栓連接；橋面系的縱梁和橫梁都是受彎構(gòu)件。鋼板梁橋的縱梁是由受壓的上翼緣板、腹板、受拉的下翼緣板通過焊縫連接起來。

通過問題鋪墊、理論講解、實(shí)踐應(yīng)用幾個(gè)環(huán)節(jié)，以良好的學(xué)習(xí)氛圍、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓こ陶Z言，向?qū)W生傳遞實(shí)際工程信息、解決工程實(shí)際問題，增強(qiáng)學(xué)生的工程意識(shí)、解決工程問題的責(zé)任心，集中學(xué)生的注意力。同時(shí)，讓學(xué)生對(duì)一些工程概念有一個(gè)理性認(rèn)識(shí)，這樣更便于理解和記憶。

3 教學(xué)的應(yīng)用效果

通過2013級(jí)傳統(tǒng)教學(xué)和2014級(jí)以案例為主線的教學(xué)效果對(duì)比發(fā)現(xiàn)，學(xué)生的學(xué)習(xí)效果大為改觀，學(xué)習(xí)興趣得到大大地提高，不僅考試的及格率有很大上升，對(duì)實(shí)際問題的解決能力也得到大大提高。

以案例為主線的教學(xué)方法在“鋼結(jié)構(gòu)基本原理”課程中的使用，可以讓學(xué)生在學(xué)習(xí)好理論基礎(chǔ)知識(shí)的同時(shí)，也將之前比較零散的知識(shí)點(diǎn)系統(tǒng)的整合起來，有助于培養(yǎng)并提高學(xué)生的應(yīng)用能力，同時(shí)也在很大程度上提高了學(xué)生自主分析問題和解決重難點(diǎn)問題的能力。

以案例為主線的教學(xué)方法同樣可以提高教師的綜合業(yè)務(wù)能力。案例教學(xué)除了對(duì)授課教師的理論基礎(chǔ)有較高要求外，還需要授課教師具備相當(dāng)豐富的工程經(jīng)驗(yàn)。所以在實(shí)際教學(xué)過程中，授課教師應(yīng)該結(jié)合自身的專業(yè)特點(diǎn)，對(duì)工程實(shí)踐有深入的了解和體驗(yàn)，這樣才能把工程實(shí)踐充分融入到實(shí)際的教學(xué)工作當(dāng)中。

4 結(jié)語

以案例為主線的教學(xué)方法的重點(diǎn)就是對(duì)于案例工程的選取與使用，建立的案例要能覆蓋足夠多的知識(shí)點(diǎn)。同時(shí)，要具有合適的規(guī)模，這樣才能恰到好處。比如本文的案例是取鋼桁梁橋和鋼板梁橋，這兩個(gè)案例包含了“鋼結(jié)構(gòu)基本原理”課程的所有知識(shí)點(diǎn)。

通過案例這條主線貫穿鋼結(jié)構(gòu)理論教學(xué)環(huán)節(jié)，將教師“教”和學(xué)生“學(xué)”很好地結(jié)合起來，相輔相成，實(shí)現(xiàn)了教學(xué)相長(zhǎng)。該教學(xué)方法有利于學(xué)生結(jié)構(gòu)概念的形成，改變學(xué)生學(xué)習(xí)過程中只見樹木不見森林的局部觀念，建立了整體思維觀。提高了學(xué)生應(yīng)用所學(xué)理論知識(shí)解決實(shí)際工程問題的能力，增強(qiáng)了學(xué)生的成就感。

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