面向理論—實踐—創新的教學改革與思考
——以“大跨空間結構”課程為例

孫國軍，吳金志，薛素鐸

（北京工業大學 城市建設學部，北京 100124）

隨著社會經濟與技術的發展和人民生活水平的提高，對于大跨度大空間建筑的需求越來越多，如大型的體育場館、會展中心、車站候機廳、飛機庫等［1］。伴隨著新材料、新結構、新技術的不斷涌現，這些大跨度空間建筑設計和施工與傳統的結構存在較大的差異［2-3］。尤其是一些超大跨空間結構，可能會存在著較多的預應力構件，導致其分析設計與施工成型較為困難，在設計和施工方面的技術需求更多，這對空間結構技術發展提出了更高的要求，對所需的復合型人才缺口更大。另外，隨著我國經濟建設的持續深入、基礎投資的不斷增加，對于大跨空間結構建設的人才需求也越來越大，對土木工程專業學生專業知識體系提出了新的要求［4］。為適應形勢的發展和人才培養的需要，北京工業大學（以下均簡稱“我校”）十多年前面向土木工程專業的本科生及研究生開設了“大跨空間結構”課程，并在人才培養方面取得了很好的效果，選修該課的學生在畢業后的設計和施工中深刻體會到了該課程的作用。

我校以國家“一流學科”建設為契機，以建設國際知名、有特色、高水平研究型大學為目標，主動適應國家和北京經濟社會發展新要求，面向學科前沿調整布局、優化結構。由于“大跨空間結構”的特殊性和前沿性，不同高校師資專業技術水平和工程實際設計經驗存在一定的差異，目前能夠開設該門課程的高校還比較少。我校空間結構研究中心經學校批準并于2002年成立，中心已經建設成為具有合理的年齡結構、穩定的研究方向、豐富的教學科研與工程經驗的教學科研機構。結合中心相關教師的特長與土木工程教學體系，“大跨空間結構”課程被調整為特色專業限選課，對這門課程的本科教學提出了新的挑戰，課程的教學也需要與時俱進，不斷創新，以適應“一流學科”建設和創新型人才培養的目標。為了充分發揮課時的效果，就需要對“大跨空間結構”課程進行優化調整［5］，一些人已經進行了一些嘗試，將案例引入課堂教學中，有助于提高教學效率和教學質量［6-9］。

目前對于空間結構的認識仍為傳統鋼結構基本原理及鋼結構設計的延伸［10］，但我國空間結構水平逐步提升，網殼結構、張弦結構、弦支穹頂、索網結構、張拉膜結構、氣承式膜結構等在實際工程中發展迅速，空間結構已經成為一門獨立的發展學科。本課程應該重點突出空間結構的特點，結合課程思政理念和新工科理念進行教學設計，不能簡單地定義為鋼結構的延伸。本文著重介紹了“大跨空間結構”教學內容現狀、教學的改革措施及改革成果。

一、“大跨空間結構”課程研究現狀

“大跨空間結構”課程是非常重要的專業課程，理論知識較多，但大多比較枯燥。傳統的教學存在“滿堂灌”的教學思想，把結構涉及的一些相關理論觀念直接介紹給學生，學生感覺枯燥無味，學習效率不高。如何充分調動學生學習熱情和積極性是值得探討的，同時如何提高課程的實踐性也是需要去研究的。

我校城市建設學部結合本科生教學目標和培養卓越工程師的要求，充分調研畢業生就業去向，已將“大跨空間結構”列為城市建設學部極其重要的一門專業課。但是“大跨空間結構”包括的結構體系多種多樣，基本的分析設計理論及施工方法存在較大差異，導致了本課程授課內容繁雜，同時課程思政的要求對教學內容梳理提出了更大的挑戰，在有限的課時內既要完成全部的授課內容，還要使學生對空間結構形成系統的認識，具有一定困難。同時，大學學習中學科細化，學生多是分開汲取學科知識，很難將多專業知識融會貫通、全面掌握，學生掌握的技能和崗位之間存在很大差距。此外，畢業生在校期間的理論學習和實踐應用之間存在脫節也是造成這種差距的原因之一。

傳統的教學模式已經不能滿足崗位需求，落后于現在的人才培養要求，因此針對這種情況，應根據實際工程人才需求，以就業為導向，及時調整“大跨空間結構”教學內容和方法，培養出適應社會需要、企業需要的技術人才，達到卓越工程師的培養目標。因此，根據教育部培養卓越工程師的計劃和要求，亟須對現有的教學模式進行改革，優化教學理念，調整授課內容，轉變教學方法；鼓勵教師學習“大跨空間結構”分析設計軟件；充分利用校內外教學資源，增強理論和實踐教學的結合，多方面鍛煉學生的專業素質，強化學生的工程能力和創新操作能力，以達到培養卓越工程師的計劃要求。

二、“大跨空間結構”研究與探索

在進行“大跨空間結構”的教學時，基本的教學內容包括網格結構、薄殼結構、索結構、膜結構等幾大類結構型式，同時還包括不同類型大跨空間結構中普通鋼構件、拉索構件、建筑膜材構件設計，以及相應的建筑結構荷載設計。傳統的講解介紹后，學生會對大跨空間結構相關知識有一定的了解，但不能具備類似混凝土結構和鋼結構的基本設計分析能力。基于此，本文對“大跨空間結構”教學方式提出新的研究探索。在教學上實行結合空間結構中心教師方向進行教學，不同大跨空間結構知識由擅長空間網格結構、索結構和膜結構的教師分別教學，同時引入思政和專業理論知識相融合的教學，詳細地介紹我國重要的大跨空間結構代表作，提升學生的民族自信心。本文對“大跨空間結構”課程的教學主要按照以下幾個部分進行介紹。

（一）思政課程內容

“大跨空間結構”的課程思政主要從三個方面展開：（1）對我國空間結構事業的奠基人和開拓者的事跡進行講解。我校空間結構中心主任薛素鐸教授是國際薄殼與空間結構學會（IASS）中國區執委，同時是中國鋼結構協會空間結構分會理事長，中心還有多位教師也是國際薄殼與空間結構學會會員，且兼任空間結構相關的學術組織和協會組織的骨干成員，從事空間結構教學科研與工程實踐多年，基本已經掌握我國空間結構發展進程。在此基礎上，對我國空間結構事業的奠基人和開拓者的事跡進行進一步梳理，形成典型的英雄人物案例。（2）將我校空間結構中心的科研成果直接應用于我國重大的空間結構工程項目。我國經濟實力及建筑水平已經有了飛躍式的提高，各地均已興建了大批典型的空間結構工程。空間結構中心教師帶領學生直接參觀學習多項實際的工程項目，樹立了學生的自信。同時，進一步弘揚刻苦攻關的精神，充分地梳理相應的科研成果在我國重大工程的應用情況，將自身的發展與祖國的發展緊密結合起來，增強愛國主義精神和工程責任擔當。（3）空間結構中心教師主講多門學生專業課程，教師在課堂教學上通過具體的實際案例并且結合案例背后的故事，充分調動學生的積極性。另外結合教師自身科研方向，將多個專業知識點分解融合，讓學生各自發現學習的側重點與難點。同時，針對空間結構體系研發、工程抗震、抗風、抗火等具體知識點，建立多個典型的課堂教學案例。

（二）專業知識內容

對于專業知識內容方面，要重點突出空間結構的內容，結合實際工程中用到和發展的新技術、新體系及新型節點構件，如自由曲面空間網格結構、新型大開口索結構體系、異形充氣膜結構等，及時更新教學過程中的知識傳授，緊跟發展的前沿，追蹤學科的發展動向。教學不能閉門造車，一直停滯不前，停留在一些已經過時或者由于性能不佳而淘汰的技術上，需對“大跨空間結構”的授課內容進行調整。之前的空間結構主要是對每個體系的結構進行單獨的介紹和分析，很容易造成學生無法系統把握空間結構整體分析，容易混淆各個結構之間的共同點及不同點。基于此，將空間結構授課內容進行調整，首先從概念上介紹各個結構體系，然后對比分析各個結構的不同點與共同點，并舉出各個結構體系不同的案例，讓學生對空間結構各個體系有較為總體的把握。然后，根據我校空間結構中心各個教師平時較為擅長的結構體系進行分塊授課，這樣可以充分地發揮每個結構體系深入的教學優勢。最重要的是要對現有的“大跨空間結構”知識進行更新，目前已經有許多大跨空間結構相關新的技術規程出臺，例如索結構技術規程、膜結構技術規程、鋼網格結構螺栓球節點用封板、錐頭和套筒等一系列大跨空間結構規程。將這些已經在國內較為先進的技術應用介紹給學生，使學生對空間結構的前沿態勢有所感知，培養其對空間結構感知和理解能力。除此之外，空間結構中心舉辦“空間結構論壇”活動，積極邀請我國空間結構奠基人藍天研究員、沈世釗院士、董石麟院士，以及各個兄弟高校的知名教授專家進行空間結構方面的報告，激發學生的學習熱情和創新意識，還可以了解各個工程背后的感人故事和工匠精神，提升學生的愛國主義情懷。

（三）實踐實操內容

“紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行”，對于土木工程專業來說，除了傳統的授課以外，還應講求實踐。除了在課堂上對學生進行空間結構概念上的教育以外，還應該帶領學生參觀學習實際工程項目、參加全國空間結構會議及參加結構設計大賽進行交流等活動，提高學生對“大跨空間結構”的理解與思考。同時還能讓學生身臨其境感受“大跨空間結構”的建筑之美，可以在實際結構中認識學習各類結構的桿件、節點。在參觀學習過程中學生還可以隨時隨地提出自己的疑問與教師及其他學生進行討論、解決，加強學生對理論知識的理解。通過參觀學習還無法從根本上解決學生對空間結構的認知，需要讓學生動起來，鼓勵學生積極參加結構設計大賽，并在結課時要求動手搭建空間結構模型或者通過專業軟件分析設計典型的空間結構，讓學生自己思考結構的優缺點和對結構提出改進的措施，從而激發學生的創新意識。

三、改革研究總結

通過對“大跨空間結構”課程的探索和研究及在上課過程中多和學生進行溝通得到的反饋，了解了學生對“大跨空間結構”的實際需要和授課需要著重強調的部分。基于此擴展和調整了“大跨空間結構”課程的授課內容與方式。首先將思政課程引入“大跨空間結構”中，極大地提高了學生對國家在建筑領域取得的卓越成就而產生的自豪感，也提高了學生的民族自信心。通過對空間結構內容的調整，學生對課程也從以往覺得無趣到現在能夠主動積極地參與到課堂上來，學生能夠熟練地掌握空間結構的要點，并且可以學習空間結構最新的發展技術。除此之外，通過參觀實際工程、參加結構設計大賽、制作模型與計算設計結構，學生很好地了解了目前空間結構發展態勢，也提高了學生的動手能力。通過對空間結構課程的研究和探索，使學生為以后在“大跨空間結構”設計、施工或者科研方面的發展打下堅實的基礎。