問題導向的“鋼結構設計原理”課堂理論教學改革

［摘 要］ “鋼結構設計原理”是道路橋路與渡河工程專業的核心專業課程，扎實提升課堂理論教學效率和效果是該課程教學改革的重要任務和目標。細致分析“鋼結構設計原理”的課程內容特點以及由此導致學生學習過程中存在的問題，有針對性地提出從多層次網格模塊化教學內容、建立“思維主線”、引入真實工程案例、堅持精確理論推導與定性分析相結合、開展課程橫向比較等方面開展課堂理論教學改革，進而從根本上提升課堂理論教學的效率與效果。

［關鍵詞］ 鋼結構設計原理；問題導向；課程特點；模塊化；思維主線

［基金項目］ 2019年度陜西省高等教育學會高等教育科學研究項目“基于新工科背景下的道路橋梁與渡河工程專業課程體系構建研究”（XGH19026）；2023年度長安大學高等教育教學改革研究項目“《鋼與組合結構設計原理》高質量教材建設研究”（ZY202365）

［作者簡介］ 朱偉慶（1987—），男，湖南婁底人，博士，長安大學公路學院教授，主要從事鋼與組合結構橋梁理論與教學研究；劉永健（1966—），男，江西玉山人，博士，長安大學公路學院教授，主要從事鋼與組合結構橋梁理論與教學研究；陳 峰（1977—），男，河北井陘人，博士，長安大學公路學院副教授，主要從事橋梁工程理論與教學研究。

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2024）15-0073-04 ［收稿日期］ 2023-09-22

鋼結構橋梁表現出優越的結構性能、施工性能和使用性能，應用越來越廣泛，交通運輸部及各省市均出臺了推動鋼結構橋梁應用和發展的相關政策。因此，培養并建立鋼結構橋梁領域的人才體系成為我國高校道路橋梁與渡河工程專業的重要任務，“鋼結構設計原理”也成為核心專業課程。然而，多年教學實踐證明，學生時常反饋“鋼結構設計原理”課程學習難度大，學習效果差強人意。針對課程教學過程中遇到的難題，一些同行從改變傳統教學方法［1-2］、引入創新教學手段［3-4］、融入思政元素［5-6］以及結合創新創業教育理念［7-8］等方面做了諸多有益探索。然而，作為非常重視理論教學的核心專業課程，剖析該課程內容特點以及由此導致學生學習過程中的問題，針對性地從課堂理論教學角度進行改革創新，從根本上提升課堂理論教學的效率與效果，應是該課程教學改革的根本目標和任務。

一、“鋼結構設計原理”課程內容特點剖析

（一）課程內容和知識點多，理論性強

首先，多數高校“鋼結構設計原理”的課時量僅為32學時，且課程內容與知識點多，涉及鋼結構基本概念、基本受力構件計算方法、鋼結構連接的計算方法等。其中，基本受力構件包括受拉構件、軸心受壓構件、受彎構件和壓彎構件，構件的計算包括強度、整體穩定、局部穩定、剛度等；鋼結構連接包括焊縫連接和螺栓連接。其次，課程內容理論性很強，不同構件或者連接的計算方法差異極大。例如，與受彎構件相比，軸心受壓構件整體失穩和局部失穩的形式均有很大差異，整體穩定計算和局部穩定驗算的差異也很大；焊縫連接與螺栓連接的計算方法更是完全不同。導致以上差異的原因主要還是隱藏在背后的破壞機理的巨大差異。“鋼結構設計原理”課程的這一特征使得學生在學習過程中似懂非懂、顧此失彼、張冠李戴的現象時常發生。

（二）與前序課程“混凝土結構設計原理”差異大

在學習“鋼結構設計原理”之前，學生已經完成了前序課程“混凝土結構設計原理”。然而，混凝土結構與鋼結構兩類結構在設計方法、計算內容等方面的巨大差異導致兩門課程在學習方法和思路上也有很大的區別。例如，鋼筋混凝土梁的設計計算一般包括正截面受彎承載力計算和斜截面受剪承載力計算，這兩項計算內容均是基于極限平衡理論驗算整個截面承載力；而鋼梁的計算卻包括強度驗算（驗算危險點的應力）、整體穩定驗算（表現為應力應算的形式）和局部穩定驗算。由于學習的慣性，學生或多或少會潛意識甚至有意識地將在“混凝土結構設計原理”學習過程中總結的學習方法和經驗運用于“鋼結構設計原理”的學習。這無疑會使得學生無法找到適合“鋼結構設計原理”的學習方法。

二、“鋼結構設計原理”課程教學改革實踐

（一）多層次網格“模塊化”教學內容，建立課程知識體系

針對“鋼結構設計原理”學時緊、課程內容和知識點多的特點，在理論教學過程中，將課堂理論教學內容進行多層次的網格模塊劃分。根據長安大學道路橋梁與渡河工程專業“鋼結構設計原理”的課程大綱，首先，從第一個層面將課程內容劃分為鋼結構材料與基本概念、鋼結構連接的計算、鋼結構基本受力構件的計算三個大模塊。這三大模塊之間的教學內容相對較為獨立，且教學風格和教學思路差異相對較大，而模塊內部的教學內容相對較為相似，教學思路和主線則可保持一致，這就為多層次網格“模塊化”教學內容奠定了可行性基礎。其次，從第二個層面將每個大模塊的教學內容根據具體的對象再劃分為二級模塊。由于同一大模塊下不同二級模塊的教學目標是一致的，故可采用相似的教學思維主線，并通過多次反復強調從而加深學生對該部分課程內容的理解；反過來，由于同一大模塊下不同二級模塊的學習對象是不同的，故也可以根據學習對象的特征針對性地設計該二級模塊的教學內容。

（二）牢牢抓住“思維主線”，培養鋼結構學科思維模式

針對“鋼結構設計原理”課程理論性強、學習難度大的難題，在每個模塊的教學過程中，瞄準該模塊學習對象的特點，牢牢抓住“表觀現象—基本概念—經典理論—實用計算方法”的思維主線，直觀展示表觀現象，講解表觀現象對應的基本概念，定性、定量相結合解剖隱藏在現象背后的經典理論，結合理論定性與定量規律，講解實用計算方法的由來、表現形式、重要參數內涵，從而培養學生鋼結構學科的思維模式。以第三個大模塊“鋼結構基本受力構件的計算”為例，該模塊的總體教學目標為：理解基本受力構件破壞模式的類別，掌握其強度、整體穩定、局部穩定和剛度計算或驗算方法，教學思路和思維主線設置為：截面選型與有效截面—［強度破壞現象—強度破壞模式—可能的強度破壞位置與原因—強度驗算方法］—［整體失穩現象—整體失穩概念與類型—整體穩定理論—整體穩定承載力影響因素—整體穩定計算方法］—［局部失穩現象—局部穩定概念與類型—局部穩定理論—避免局部穩定發生的思路—局部穩定驗算方法］—剛度驗算。按照具體對象將其劃分為受拉構件、軸心受壓構件、受彎構件和壓彎構件四個二級模塊，在四個二級模塊的教學過程中，始終貫徹和強調上述“思維主線”；同時，重點針對每一基本受力構件的特點及與其他構件的差異，著重講解其在表觀現象、基本概念、經典理論、實用計算方法各環節的特點。

（三）引入真實工程案例，深刻理解表觀現象對應的基本概念

做好“鋼結構設計原理”課程中每一個二級小模塊學習內容的理論教學，首先需通過增強學生對“表觀現象”的感性認識讓學生深刻理解該模塊內容中的“基本概念”。因此，通過引入真實工程案例，更好地透過“表觀現象”理解背后的基本概念和原理，是模塊化教學的重要一環。例如，通過引入“加拿大魁北克大橋坍塌事故”展示軸心受壓構件整體失穩這一表觀現象，讓學生理解軸心受壓構件整體失穩的基本概念、特征以及可能導致的嚴重后果；通過引入“奧地利維也納多瑙河4號橋施工事故”展示受彎構件局部失穩這一表觀現象，讓學生理解受彎構件局部失穩的基本概念、可能的形式、特征以及可能導致的后果；通過引入“國內某橋梁滿堂支架失穩事故”展示結構整體失穩與局部失穩之間的相互關聯與轉化關系，讓學生更深刻理解這兩個基本概念。

（四）堅持精確理論推導與定性分析相結合，扎實掌握實用計算方法

合情合理、通俗易懂地從經典理論得到實用計算方法是讓學生扎實掌握鋼結構設計方法的基礎。然而，經典理論的推導過程往往很復雜，對數學和力學功底的要求高。對大部分學生來說，完整和細致地講解經典理論的推導過程雖有難度但無必要。因此，在此環節的講解過程中，應堅持理論推導與定性分析相結合，即在講述經典理論基本假定和推導思路的基礎上，應更多地分析經典理論對應的基本規律，以及從經典理論向實用計算方法過渡過程中的“不變內涵”與“簡化原則”。例如，在講述軸心受壓構件的整體穩定理論與實用計算方法時，首先從理想軸心桿件整體失穩的歐拉公式入手，依次引入材料彈塑性、力學初始缺陷和幾何初始缺陷的影響；在此過程中，牢牢把握“臨界應力”這一不變內涵，重點講解材料彈塑性、力學初始缺陷和幾何初始缺陷對臨界應力的影響規律。這樣便能讓學生輕松理解軸心受壓構件的整體穩定計算公式為何會表現為“帶有整體穩定折減系數的應力表達式”，計算整體穩定折減系數時為何會對應四類曲線，而力學幾何缺陷對臨界應力的影響為何會表現為“根據截面分類選取曲線類型”。

（五）注重課程“橫向對比”，主動消除課程學習思維混亂

針對“鋼結構設計原理”與前置課程“混凝土結構設計原理”差異大、學生在本門課程的學習過程中易受前置課程學習經驗影響的問題，在課堂理論教學的各個關鍵環節引導學生主動與“混凝土結構設計原理”中相近知識模塊進行橫向對比，培養學生的“橫向對比”思維，使其從根本上理解兩門課程相關內容的差異以及差異產生的原因，達到主動消除學生理解誤區、避免概念和思維混淆的目的，進而使學生既能學好本門課程，又能加深對“混凝土結構設計原理”相關問題的理解。“橫向對比”教學主要從兩種結構的材料性質、結構優缺點、破壞模式、承載力計算理論、設計與計算內容六個方面展開。例如，混凝土結構的破壞以材料強度破壞為主，而鋼結構則可能會發生強度破壞、整體失穩和局部失穩破壞等，由此導致二者的承載力計算理論和計算內容也有很大差異。

三、強化課堂交流與課后總結，提升理論教學效果

在上述五方面教學改革實踐過程中，還需要通過豐富教學手段和形式，引導學生主動思考、主動梳理與總結，進而提升以上五個方面課堂理論教學改革的效果。例如，通過設置課堂引導式提問、組織學習小組課堂討論引導學生主動思考同一大模塊下各小模塊中知識點的相似與不同之處，對比本門課程與前序課程相似知識點的異同；每完成一個大小模塊內容的理論教學后，可通過布置課后模塊知識圖譜繪制任務，引導學生按照思維主線梳理和總結本模塊的知識體系樹。

結語

“鋼結構設計原理”是道路橋梁與渡河工程專業的一門非常重要的專業課程，該課程內容和知識點多、理論性強，且學生學習時易受到前序課程學習經驗的干擾，導致學生普遍反映“鋼結構設計原理”課程的學習難度大，且學習效果不理想。在剖析“鋼結構設計原理”課程內容特點、學生學習過程中存在的問題的基礎上，有針對性地從教學內容多層次模塊化、抓住“思維主線”、引入真實工程案例、堅持精確理論推導與定性分析相結合、開展知識點橫向對比五個角度開展課程內容教學改革，并在教學實踐過程中引導學生主動思考和總結，是扎實提高課堂理論教學效率、提高學生學習效果的有效手段。

參考文獻

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