鋼結構設計課程實驗教學的實踐與研究

安毅　程欣　章敏

[摘要]論文針對鋼結構設計課程內容繁雜、公式復雜、概念抽象、采用單一的課堂教學方式難以收到良好的教學效果的現狀，對開展鋼結構設計課程配套教學實驗進行了探索與實踐。探討了開展教學實驗的指導思想，并就課程教學實驗的選題提綱給出了相關建議。結合縮尺多層鋼框架的振動臺實驗案例，對教學實驗開展的方法、步驟、教學效果及注意事項等進行了討論。實踐證明，將抽象難懂的理論知識與具體的教學實驗相結合，可有效提高鋼結構設計的教學效果。

[關鍵詞]鋼結構設計;實驗教學;教學實踐;多層鋼框架

[中圖分類號]G642.0[文獻標識碼]A[文章編號]2095-3437（2019）11-0054-03

一、引言

鋼結構設計是土木工程學科的一門專業主干課程，開設的主要目的是使學生在學習專業基礎課程鋼結構基本原理后，進一步學習鋼結構的設計、制作和建造等[1]，包括輕型門式鋼架結構、重型廠房結構、大跨度屋蓋結構及多高層房屋鋼結構等具體內容，是一門實踐性非常強的綜合性課程，是引導學生從理論基礎到工程實際的紐帶，有著承上啟下的重要作用。

鋼結構設計課程的特點是知識點多而散、計算公式復雜，且對細節構造要求高，與工程實際聯系緊密，需要很強的空間想象能力。然而學生接觸實際工程的機會往往較少，他們對于各類結構體系的感性認識原本就不足，對于與工程實際相關的細節和構造內容更是難以理解，如果僅僅聽課堂講解會顯得非常抽象，容易降低他們的學習興趣，也難以收到良好的教學效果[2-3]。

實驗教學可實現抽象的理論知識與具體的實驗現象融合，給予學生更為立體的感官認識，具有課堂理論教學不可替代的重要作用。鋼結構課程如果將抽象難懂的關鍵知識點與相應的課程實驗教學相結合，使學生獲得直觀的體會認知，可有效加深學生對相應知識點的理解，同時也可培養學生的動手能力和創新意識，提高課程教學質量[4]。目前鋼結構課程實驗教學的實踐主要集中在鋼結構基本原理課程上[5-7]，對于鋼結構設計課程實驗教學的探索還較為有限。因此，構建鋼結構多功能教學實驗平臺，建設和鋼結構設計課程相配套的實驗課程，已經成為當前土木工程專業教學改革的重點。

為了更好地培養學生的工程素質，提高學生的創新意識，激發學生學習鋼結構的興趣，除了采用傳統的教學手段之外，更需通過豐富的教學方法來培養學生的實踐能力，因此開展鋼結構設計課程教學實驗具有深遠的意義。本文就如何在鋼結構設計課程中開展配套教學實驗，形成“課堂教學+配套教學實驗”的多元化教學模式，展開了初步的探索性研究與實踐，探討了這種教學模式的指導原則和選題，并就已開展的實驗教學實踐活動進行了梳理。

二、課程教學實驗的方法研究

（一）教學實驗指導思路

1.要與課堂教學密切相關

課程教學實驗作為課堂教學的輔助手段，其開展的一個主要目的是幫助學生更好地理解課堂教學中抽象難懂的理論知識。因此，教學實驗的開展應與課堂教學的進展保持密切的相關性，包括教學內容的相關性及開展時間的相關性。首先，教學實驗的選題應充分考慮鋼結構設計課程內容的特點，與教學大綱中的重點難點緊密貼合。其次，教學實驗的開展時間應與課堂教學的進度相統一，最好選在學生對該知識點記憶最深刻好奇心最強的時候開展。過早開展教學實驗，學生對于該知識點缺乏先期認知，難以準確體會教學實驗設置的目的和傳遞的含義;過晚開展教學實驗，學生對課程知識點的記憶淡化，求知欲退化，也會大大降低教學實驗的效果。

2.要有利于提高學生的參與積極性與創新性

教學實驗的開展過程中應重視增強學生的動手能力與參與感，激發學生的創新性。教學實驗的設置宜采用演示實驗與自主實驗相結合的方式，實驗過程中應充分調動學生的探索積極性。例如，在保證安全的前提下，可以讓學生參與到試件的安裝與加載等過程中，使學生了解結構的實驗方法，體會從理論到實驗轉換的過程。實驗完成后可增加一節綜合討論課，讓學生結合課堂理論知識與工程實際進行分組討論。鼓勵提出盡可能多的不同意見，讓學生在討論中加深對所學知識的理解。

3.要保證教學過程完整

教學實驗的開展應具有連貫性與完整性。教學實驗應含有理論知識的回顧、實驗過程的有序開展、實驗結果的整理分析及教師對學生實驗結果的有效評價這樣一個完整的過程。

教師在組織開展實驗之前，應當首先復習相關理論知識，選取和實驗相關的基本概念和重要知識點進行講解，并采用啟發式、討論式的教學方式調動學生的學習積極性。在實驗準備階段，可指導學生配合安裝試件、粘貼應變片和位移計等、調試加載裝置等。在正式實驗階段即加載階段，可讓學生仔細觀察實驗現象，配合數據采集裝置理解試件破壞的過程。實驗完成后主要對實驗數據進行分析講解，并要求每個學生獨立完成實驗報告。最后組織教學討論，進一步加深學生對鋼結構構件及體系的破壞過程的理解。

4.要保證實驗過程安全

由于鋼結構課程的大部分教學實驗為破壞性實驗，在設計實驗時，應合理利用實驗室資源，充分考慮加載過程可能造成的潛在危險，并對可能存在的危險提前充分做好防護措施。

（二）教學實驗選題提綱

為提高課堂教學質量，應依據鋼結構設計課程內容的核心理論，包括輕型門式鋼架結構、重型廠房結構、多高層房屋鋼結構及大跨度屋蓋結構，組織開展相應的教學實驗，形成“演示實驗+自主實驗”的多元化教學模式。現基于2.1節的教學實驗開展的指導思想初步設計了6項教學實驗項目，如表l所示。根據每學期實驗課時的設置，選取不同類型的項目開展教學實驗。

（1）門式鋼架設計。門式鋼架是目前鋼結構在中國應用最為廣泛的一種輕鋼結構體系。制作縮尺模型，讓學生動手組裝，組裝過程即可了解輕型門式鋼架的構造及組成方式;通過對縮尺門式鋼架進行掛載實驗，監測各構件的傳力模式及輕型鋼結構的破壞機理;掌握門式鋼架的設計方法。

（2）重型廠房肩梁設計。重型廠房的肩梁構造復雜，傳力機理難以理解，是教學的難點之一。該實驗為自主實驗，可讓學生分成若干小組，自行購買材料，設計制作肩梁，并完成加載。讓學生親自動手，使其充分了解重型廠房肩梁的構造及組成方式，掌握其傳力機理。

（3）梯形鋼屋架設計。梯形鋼屋架是鋼結構設計及鋼結構課程設計的重點部分，各桿件（上弦桿、下弦桿及腹桿）的截面選取方式，節點部位的連接方式如果僅通過課堂教學往往較為抽象，可引導學生針對此部分內容開展自主實驗。讓學生分成若干小組，自行購買材料，設計制作一梯形鋼屋架，并完成掛載實驗。學生通過親自動手可充分了解梯形鋼屋架的構造及組成方式，掌握其傳力機理。

（4）鋼框架抗震特性。多層鋼框架結構的抗震設計是重點也是難點。通過水平振動臺實驗系統對多層縮尺鋼框架施加水平振動激勵，確定框架的基本頻率和自振特性，以及不同振動頻率下框架的動力響應。了解鋼框架的自振特性及動力響應特點，掌握鋼框架結構抗震設計方法。

（5）隔震支座設計。減震隔震作為鋼結構設計的拓展內容，將其列在提綱中是為了提高學生的創新能力。可在課堂講授減震隔震裝置的基本理論基礎上，讓學生自行設計與縮尺鋼框架配套的減震裝置，并完成振動臺實驗，以檢驗隔震裝置的有效性。該實驗可充分體現學生的自主創新性。

（6）大跨度屋架設計。大跨度結構是鋼結構設計的主要內容之一，其形式多種多樣。讓學生自行選擇一種大跨度形式，設計并制作完成一大跨度屋架模型，并完成加載實驗。學生通過親自動手可充分了解大跨度結構的構造及組成方式，掌握其傳力機理。

三、課程教學實驗的實踐

在鋼結構設計教學中，多層鋼框架結構的抗震設計是重點也是難點。其概念抽象，內容繁多，公式復雜，僅通過有限的課堂理論教學難以讓學生有深刻的理解，最后往往只能讓學生記住設計公式，以使其會套用計算公式作為教學目標。多層鋼框架結構的抗震設計是鋼結構設計的基礎問題，是教學的重中之重。因此，本文以多層鋼框架結構振動臺實驗作為案例講述鋼結構設計配套教學實驗的實踐過程。讓學生根據整體框架結構體系，分析各構件之間的傳力關系，建立正確的力學計算模型，結合已有的鋼結構基本原理知識進行正確的分析，從而理解與掌握枯燥的理論。

（一）實驗教學過程

1.確定實驗方案

在水平振動臺實驗系統中，通過鋼接柱腳對一個四層的縮尺鋼框架施加水平振動激勵，監測縮尺鋼框架的柱頂水平位移及動力加速度，如圖1所示。實驗的加載過程主要包括兩大部分：首先通過掃頻確定框架的基本頻率和自振特性，其次通過設置三組不同頻率下的駐頻實驗考察不同振動頻率下框架的動力響應。

2.講解理論

教師在進行正式加載前需要針對實驗相關事宜講解以下三方面的內容：①回顧多層鋼框架抗震設計的理論知識。②講述實驗原理、實驗方案及實驗步驟。③介紹加載裝置及數據信號的采集和分析。在講解過程中交代清楚實驗過程中需重點關注的內容，有助于基礎較差的學生跟上實驗進程。

3.實驗加載和測試

教師在實驗開始前指導學生將縮尺鋼框架通過螺栓安裝在振動臺上，并將載荷掛件安裝在縮尺鋼框架的梁上。標定傳感器，調試振動臺系統和測試裝置能否正常工作。對縮尺鋼框架實施掃頻與駐頻實驗，記錄各項測試數據。

4.分析實驗結果

從實驗現象、位移及加速度數據、振動臺數據等方面對鋼框架的自振特性及動力特性進行分析，歸納總結鋼框架的抗震特性。通過與實驗結果進行對比，驗證理論計算公式的正確性，分析兩者存在差異的原因。整理分析結果，撰寫實驗報告。

5.分組討論

實驗結束后增加一節討論課。結合理論、實驗及工程實際，讓學生進行分組討論，并由學生登臺講解，鼓勵發表不同的見解，讓學生通過討論進一步加深對知識的理解。

（二）實驗教學效果

縮尺鋼框架的振動臺實驗是一個觀賞性較強的演示實驗，實驗充分調動了學生學習的熱情和積極性，使學生了解了多層鋼框架的自振特性和動力響應特點，認識了多層鋼框架抵抗地震作用的影響因素及計算方法，同時鍛煉了學生的動手及創新能力。

實驗教學是土木工程專業本科教學和人才培養的關鍵環節，它具有其他教學環節不可替代的重要作用。實驗課程的開設完善了鋼結構設計的教學模式，將基本原理和實驗有機結合起來。學生通過參與實驗，可以身臨其境般地觀察鋼結構的破壞模式，并通過對實驗現象的分析和思考，加深對鋼結構設計相關概念和理論的理解，培養對鋼結構及土木工程的興趣，開闊學術視野，培養動手能力和創新能力，加快從書本走向工程實踐和科學研究的步伐。

四、小結

本研究通過將鋼結構設計核心內容相配套的教學實驗融入鋼結構設計的教學進程中，對鋼結構設計的多元化實驗教學進行了有益的嘗試。

課程實驗教學是人才培養的關鍵環節，受資助經費和實驗條件所限，我們僅開展了部分試點實驗。今后將建立與鋼結構課程相關的更為細致、形式更為多元化的實驗項目，以進一步提升實驗教學效果。

[參考文獻]

[1]沈祖炎，陳以一，陳揚驥.鋼結構基本原理[M].3版.北京：中國建筑工業出版社，2018.

[2] 李方慧，田春竹.鋼結構設計課程實踐教學方法探討[J].高等建筑教育，2011（1）：135-137.

[3]高鵬，趙根田，陳明，等.鋼結構設計課程實踐教學模式探索[J].中國冶金教育，2014（4）：56-57.

[4]王偉，趙憲忠，郭小農，等.鋼結構多功能教學實驗平臺的研制與實踐[J].高等建筑教育，2009（2）：102-104.

[5]郭小農，王偉，蔣首超，等.鋼結構基本原理實驗教學探索[J].高等建筑教育，2011（1）：149-154.

[6]郭小農，羅永峰，蔣首超，等.鋼結構穩定教學研究[J].高等建筑教育，2011（2）：46-48.

[7]程欣，雷宏剛，章敏.鋼結構基本原理課程實驗教學的探索與實踐[J].高等建筑教育，2017（2）：124-126.

[責任編輯：龐丹丹]