建筑結構試驗之鋼桁架靜力實驗教學方法探討

摘要：鋼桁架靜力實驗是實踐性和開放性非常強的一門實驗教學課程，旨在讓土木工程專業本科生從認識實驗、了解試驗到能夠獨立完成簡單的結構靜力試驗。在傳統的教學方法中，因其綜合性強且學時有限，主要以學生參觀性學習或被動式半實踐性學習為主，難以發揮學生學習的能動性和參與性，降低了教學效果。通過建設精品實驗項目，改進教學實驗方法，加入現代化教學手段，實現現代和經典的融合，引導學生自主實驗，激發學生主動學習的興趣，提升了實驗教學效果。

關鍵詞：教學方法;鋼桁架結構靜力試驗;精品實驗項目;教學效果

中圖分類號：G642.0;TU3? ? ?文獻標志碼：A? ? ?文章編號：1674-9324（2019）43-0187-04

一、引言

《建筑結構試驗》是實踐性和開放性非常強的一門實驗教學課程，旨在通過這門教學實驗課程讓土木工程專業本科生完成從認識實驗、了解實驗到設計并完成簡單結構靜力實驗的學習和鍛煉。以同濟大學《建筑結構試驗》為例，課程除基本的理論學習外，還包括三個實踐項目：（1）應變片粘貼實驗;（2）電阻應變計、電測位移傳感器、百分表和電阻應變儀的使用實驗;（3）6m鋼桁架靜力實驗。三個實踐項目循序漸進，相輔相成。通過應變片粘貼實驗讓學生了解應變片的基本組成，學會根據測試基材的不同選擇合適的應變片，并熟悉應變片的粘貼工藝;電阻應變計、電測位移傳感器、百分表和電阻應變儀的使用實驗，以小型等強度梁為媒介，通過學生自己動手操作實驗，讓學生熟悉相同應變片不同接線方式對惠斯登電橋橋臂系數的影響以及不同接線方式的優劣，讓學生學會選擇合適的接線方式。前兩個教學實驗的學習為進行鋼桁架靜力實驗奠定基礎，鋼桁架靜力實驗是建筑結構試驗中綜合性最強也是最經典的教學試驗項目。自同濟大學結構試驗室1955年掛牌開始，鋼桁架靜力實驗就成為結構實驗課的第一個實踐教學項目，為同濟土木在理論聯系實際上跨出了關鍵的一步，成為同濟土木最早最經典的教學實驗項目之一。通過鋼桁架靜力實驗，可以讓學生了解進行典型結構靜力實驗所需要的各種儀器設備，學會應變、位移、傾角、荷載等信號的測量方法以及數據采集方式和實驗加載方式，是學生將理論學習轉化為實踐操作的重要紐帶。通過引進現代化的實驗方法，完善實踐教學的全過程，創建完整的實踐教學體系，將鋼桁架靜力實驗打造成精品實驗項目，為學生由參觀實驗提升至自主實驗，甚至設計簡單的結構靜力實驗提供有效途徑，提升實踐教學效果。

二、鋼桁架靜力教學實驗簡介

（一）教學內容

鋼桁架靜力教學實驗是土木工程專業本科生典型的實踐課程，學時為2學時。

課程的主要學習內容包括：（1）觀察和了解鋼桁架的加載裝置、支座形式，掌握鋼桁架的靜力實驗和加載方法。（2）熟悉并掌握鋼桁架靜力實驗的測試內容和相應的測點布置：液壓加載系統、荷載傳感器的使用;用應變計測量上弦桿、下弦桿和腹桿的應變;用角位移傳感器測量支座處的轉角;用百分表和位移計測量支座處和下弦節點的撓度;用應變測試系統等記錄下弦節點的撓度與荷載的關系曲線。（3）觀察和了解所用的測量儀器的使用方法及其安裝、連接和調試等操作過程，如電阻應變計、角位移傳感器、位移計、百分表、力傳感器、電阻應變儀及應變測試系統等。（4）進行鋼桁架靜力實驗的全過程。（5）進行數據處理，編寫實驗報告。

（二）教學實驗系統

教學實驗所用系統如圖1所示，主要包括鋼桁架試件、液壓加載和反力系統、數據測量系統和數據采集系統。

鋼桁架的弦桿和腹桿均由等邊角鋼貼焊組成，弦桿和腹桿之間通過節點板焊接組成一個整體，試件整體高度0.6m，跨度6m。液壓加載系統有兩個千斤頂通過油管連接到一臺手動泵組成，手動泵操作簡便安全，適宜學生使用。兩個門式鋼架通過地錨螺栓連接至標準試驗臺座，同時鋼桁架通過鉸支座放置于標準試驗臺座的鋼反力平臺上，組成加載的反力系統。數據測量系統主要包括應變片、位移傳感器、荷載傳感器和轉角傳感器，測點布置圖如圖2所示。

本教學實驗為非破壞性實驗，荷載采用分級加載方式，對數據采集頻率要求不高，因此數據采集系統采用東華測試的DH3818-5靜態數據采集儀，包含12個應變測試通道，7個電壓式位移計測試通道和1個荷載測試通道。

（三）教學現狀

目前，主要教學手段為課前發放作業指導書，課上在教師的指導下，學生協同完成此教學實驗，課后學生完成實驗報告。然而，在教學過程中也存在一些問題：（1）鋼桁架靜力實驗基本包含了進行結構靜力實驗的全部元素，對剛剛進行建筑結構試驗學習的學生來講，新鮮的元素太多，但是學時有限，在有限的時間內了解并學會使用各種儀器設備，并協調完成一個靜力全過程實驗相對難度較大;（2）鋼桁架實驗是經典與現代化很好融合的實驗項目，在完成傳統經典的試驗目標的同時，可以在本項目中引進現代化的測量、采集、加載等手段，讓學生了解現代化的實驗技術，但也增加了學生在有限的時間內完成教學實驗項目的難度。綜合以上問題，進行此教學實驗的學生大部分帶著問題進入實驗室，因時間緊張在指導教師的幫助下被動地匆忙完成實踐操作，帶著更多問題走出實驗室，導致學生喪失學習實驗知識的興趣。這個問題在實驗報告中以大篇幅空白或答非所問顯著體現，實踐的作用沒有充分發揮，教學效果較差。因此，如何讓學生在有限的課時內學到更多的實驗知識，高質量地完成實踐項目，提高實驗教學效果，提高學生的實踐操作能力和團隊協作能力，成為一個值得探索的問題。

三、打造精品教學實驗項目

為了提升鋼桁架靜力教學實驗的教學質量，筆者所在教學團隊不斷改進教學方法，在教學方式上不斷創新，激發學生學習的積極性，努力把本教學實驗項目打造為精品實驗項目。

（一）創新點

本教學實驗的創新點之一是經典與現代的融合。通過本項目既體現長期以來土木工程最典型最有效的結構靜力試驗方法，全面了解和學習結構靜力試驗中應用的加載系統、反力系統、測量系統、測試系統基本組成設備，以及全過程加載的加載方法以及測點布置方法等內容，讓學生完成建筑結構試驗此門課程經典內容的融會貫通;同時，隨著科技的發展，實現實驗裝置的與時俱進，如改進傳統笨重的加載裝置，引進先進的測量裝置等，向學生展示試驗技術的發展過程，引領學生去探索現代化的結構試驗技術。在讓學生通過傳統經典實驗項目掌握知識的同時，為學生了解現代化的實驗手段打開一扇窗戶，讓學生親眼見證實驗技術由傳統到現代的變遷，增加趣味性，提升實驗教學效果。本教學實驗的創新點之二是引進多種多媒體教學手段。除了紙質版指導書外，還增加了視頻教學短片、虛實結合教學軟件等教學資料，利用現代化傳播方式，通過多種途徑將資料傳達給學生，并用實驗教學微信群等方式適時解惑與教學，增強互動性，增加學生學習的直觀性和興趣，為學生提供學習的便利。

（二）建設思路

1.改進教學裝置。傳統的教學實驗裝置多數采用科研試驗裝置拼湊而成，實驗裝置笨重繁雜且針對性差，操作復雜，增加了學生實踐的難度和危險程度。針對這一系列問題，對鋼桁架靜力教學實驗裝置進行改進。

（1）改進加載反力裝置。針對該教學實驗加載間距大而荷載小的特點，設計專門的小型反力鋼架（如圖3），替代傳統的大型龍門架，使整個教學實驗裝置簡潔美觀，并大大降低了該教學實驗安裝的工作量，提升實驗教學效率。

（2）改進加載系統。傳統的加載系統采用電動油泵加大噸位千斤頂的加載方式，操作復雜且存在一定的危險;改進的加載系統千斤頂更換為針對此項目進行加載的小型千斤頂，加載改為通過油管和連接裝置實現對兩個加載小型千斤頂同步加載的手動油泵實現，降低了學生加載的危險性，將由教師進行加載改為學生操作，提升了加載系統的可操作性，大大提高了教學實驗學生的參與性，如圖4所示。

（3）改進測量系統。本教學實驗的主要測量內容為荷載、位移、應變和轉角，其中荷載和應變通過讀數顯示儀獲得，位移采用機械式百分表，轉角通過機械式傾角儀獲得。在改進的系統中，測量傳感器與時俱進，采用現代化測試手段，引進激光位移計和滑竿式電測位移計，并局部保留機械式百分表對比;增加數顯式自動化傾角儀，并與傳統傾角儀對比（如圖5所示）。通過傳統測試儀器與改進的測量系統之間的對比，讓學生學會使用現代化儀表的同時，了解傳統到現代的變遷，增加學習的趣味性。

（4）改進數據采集系統。傳統數據采集系統中荷載和應變通過讀數顯示儀獲得，位移和傾角通過表盤讀數得到。在改進的數據采集系統中，根據測試內容和測點數量定制DH3818-5教學測試系統代替傳統的讀數顯示儀，將荷載、位移、應變實現電測量，大大提升了實驗教學效率，如圖6所示。

通過教學裝置的改進，大大提升了教學實驗裝置的可操作性和現代化，提高了學生進行教學實驗的學習效率。

2.教學過程的提升。（1）完善課前預習資料。課前預習資料更加豐富，包括電子版中英文實驗指導書和實驗報告提綱，讓學生充分了解實驗課程的基本內容和需要完成的工作;更新視頻教學軟件，錄制全過程實驗的視頻軟件，并著重介紹實驗中應用的各種設備，讓學生提前對即將使用的設備有感性的認識，激發學生實驗的興趣;同時拓展電子資料的傳播途徑，除了傳統的郵箱發送外，增加兩個多媒體教學點，網上信息發布和信息查詢系統同步工作，讓學生可以在實驗室的環境中適時參照教學資料了解實物，發現問題，提出問題，提升課前預習效果。（2）調整實驗課堂的時間比例和實踐方式。凝練實驗課堂的講解內容，突出重點難點，增加學生自主實踐的時間。改變傳統的教師操作、學生旁站參觀的學習方式，將學生分為幾個小組，分別進行施加荷載、傾角對比讀數、傳統百分表的讀數、數據采集等工作，由小組長協調學生自主完成全過程實驗。在實驗過程中，增強學生與指導教師、學生與學生之間的互動，拓展關于現代化實驗技術的知識，激發學生學習的興趣，同時促進學生之間的團結合作。（3）課后實時互動與反饋。課后增強溝通，適時指導，開放教學試件及配套設施等，鼓勵學生就發現的問題返回實驗室尋找答案;就實驗報告中出現的問題引導學生積極思考，解決問題并將所學知識運用到實踐中，鼓勵學生自主設計實驗。

通過多年的教學經驗以及參與過的精品實驗項目建設發現，完善的教學資料、先進的教學手段和教學實驗中的互動，可以有效地激發學生學習的興趣，更利于學生快速掌握所學內容，可以有效提高教學實驗的效果。通過本項目的建設，增加課前預習資料的現代化，完善課前預習資料，增強實驗中的互動，通過現代化實驗方法激發學生興趣，打造和諧積極的學習氛圍，讓學生更輕松快速地掌握知識。

（三）完整的實驗教學體系

本實驗教學課程綜合運用多種教學方法，包括紙質和電子版教學資料、多媒體教學點、現場實際操作與互動等手段，讓學生的課前預習、試驗室學生自主試驗、課后學習內容貫通與提升等教學環節節奏緊湊、連貫有效，形成一套科學、現代、高效、有序的完整的實驗教學體系，具體如下：

1.多媒體教學手段普及到學生預習環節。虛實結合的視頻教學軟件的制作讓學生可以通過照片、視頻資料對即將應用的教學設備和教學實驗內容有更直觀的了解，多媒體教學點的建設促進學生進入實驗室預習，對照多媒體教學點信息發布系統及查詢系統中的教學資料，并結合試驗室的教學實物進行預習，增加學生學習的趣味性和主動性，通過教學點的教學互動，引導學生發現問題，鼓勵學生帶著問題進入自主實踐教學環節尋找答案，提升課前預習的效果。

2.實驗室學生自主實踐。在學生充分預習后，精簡講解時間，讓學生有更充分的時間相互協調和配合自主完成實驗。在實驗過程中增加互動環節，并把現代化的測試手段展現給學生，讓學生了解傳統到現代的變遷，并讓學生分析傳統與現代化設備的利弊和使用范圍，拓展學生的知識面。同時引導學生從解決問題到再提出問題、再解決問題，提升自主實踐環節的學習效率和效果。

3.學生課后教學內容的鞏固和提升。利用現代化傳播途徑的便利，增強課后與學生的溝通和互動，及時為學生解惑，鞏固實踐教學內容。同時加大實驗室開放力度，結合實驗室微信公眾號、實驗教學微信群等方式向學生傳遞新鮮有趣的實驗信息，拓展學生知識面，引導學有余力的學生進入實驗室進行再學習和實驗，使學生的學習成為一個持續的過程。

4.靈活的考核方法。通過實踐了解和初步掌握結構靜力實驗方法是本教學實驗課程的重要任務，學生積極主動地參與實踐操作并根據實踐內容高質量完成實驗報告是本教學實驗項目的重要考核指標;同時，學生主動拓展實驗知識并積極進入實驗室進行再學習也是考核的一個方面。經過不斷改進，形成了一套以完成實踐操作和實驗報告為主、綜合多方面共同評判的靈活的考核方法。通過對本教學實驗項目的建設，改進教學方法，提升教學效果，努力把鋼桁架靜力教學實驗課程打造為一項精品示范教學項目。

四、總結

實踐是進行工科學習非常重要的環節之一，是工程師走向工作崗位需要具備的基本能力，《建筑結構試驗》教學實驗課程是土木工程專業的學生從理論知識到實踐的一座橋梁，而鋼桁架教學實驗課程是最經典最有效的課程之一。通過建設鋼桁架靜力教學實驗精品實驗項目，改進教學方法，引導學生發現問題、解決問題，激發學生主動學習的興趣，提高學生綜合應用能力、創新力和團隊協作能力，對學生以后的工作或繼續學習具有重要的作用。

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