李會(huì)軍+李宗利

摘 ? ?要：“水工鋼結(jié)構(gòu)”是水利水電工程專業(yè)的主干課程之一，但從其教學(xué)效果來看，仍存在一些亟待解決的問題。文章從“水工鋼結(jié)構(gòu)”課程教學(xué)現(xiàn)狀出發(fā)，指出了其教學(xué)中存在的問題，并提出了“水工鋼結(jié)構(gòu)”課程教學(xué)改革的設(shè)想。

關(guān)鍵詞：水工鋼結(jié)構(gòu);教學(xué)改革;課程設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：G642.3 ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1002-4107（2014）12-0007-03

由于鋼結(jié)構(gòu)具有強(qiáng)度高、自重輕、抗震性能好、工業(yè)化程度高、施工周期短等眾多優(yōu)點(diǎn)[1]，廣泛應(yīng)用于大跨度空間結(jié)構(gòu)（體育場(chǎng)、展覽館、候機(jī)樓等大型公共建筑）、塔桅結(jié)構(gòu)、大跨徑橋梁結(jié)構(gòu)、工業(yè)廠房、水工鋼閘門和海洋平臺(tái)等。近年來，由于市場(chǎng)需求大，中國鋼鐵產(chǎn)量得到大幅提高（如圖1所示），連續(xù)數(shù)年位居世界首位，給鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用與發(fā)展提供了廣闊的空間。特別是許多新型結(jié)構(gòu)形式的出現(xiàn)（如弦支穹頂、索穹頂、整體張拉結(jié)構(gòu)、樹狀柱弧形鋼閘門等）、高強(qiáng)材料的生產(chǎn)及新的加工工藝與先進(jìn)的施工安裝技術(shù)的發(fā)展，使得鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用范圍愈加廣泛。同時(shí)對(duì)當(dāng)代大學(xué)生在專業(yè)素養(yǎng)、應(yīng)用能力、適應(yīng)能力、創(chuàng)新能力等方面提出了更高的要求[2]。

圖1 ?1949-2013年中國鋼產(chǎn)量趨勢(shì)線

水工鋼結(jié)構(gòu)的主要任務(wù)是掌握常用結(jié)構(gòu)鋼的工作性能、鋼結(jié)構(gòu)的連接設(shè)計(jì)、鋼結(jié)構(gòu)各類構(gòu)件的基本設(shè)計(jì)原理以及結(jié)合水利工程專業(yè)的要求理解平面鋼閘門的設(shè)計(jì)原理與方法，使學(xué)生對(duì)于常見的水工鋼結(jié)構(gòu)具有初步的設(shè)計(jì)能力，為從事水利水電工程專業(yè)的工作及科學(xué)研究打下必要的基礎(chǔ)。

水工鋼結(jié)構(gòu)作為水利水電工程專業(yè)主要的專業(yè)課程之一，因歷史原因，一直未得到重視，造成鋼結(jié)構(gòu)人才相對(duì)短缺。目前鋼結(jié)構(gòu)課時(shí)少，且知識(shí)點(diǎn)多、公式多，學(xué)生普遍反映難度較大[3]。學(xué)生對(duì)于單個(gè)構(gòu)件（如梁、柱等）的設(shè)計(jì)原理理解較為透徹，但對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的整體設(shè)計(jì)及其受力性能分析卻不知如何著手，所學(xué)理論知識(shí)不知如何應(yīng)用于實(shí)際工程當(dāng)中，使得所學(xué)知識(shí)難以致用。為此，深感高校的“水工鋼結(jié)構(gòu)”教學(xué)已不能適應(yīng)目前的鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展形勢(shì)，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的人才培養(yǎng)已不能滿足社會(huì)需要，筆者從多年來“水工鋼結(jié)構(gòu)”課程的教學(xué)與工程實(shí)踐角度出發(fā)，提出了幾點(diǎn)教學(xué)體會(huì)與改革設(shè)想。

一、“水工鋼結(jié)構(gòu)”課程教學(xué)現(xiàn)狀

（一）課時(shí)少，知識(shí)點(diǎn)多

近年來國內(nèi)很多高校普遍推行的通識(shí)教育（General Education）源于古希臘的自由教育，又稱“一般教育”。通識(shí)教育雖由來已久，至20世紀(jì)末形成了一股聲浪巨大的教育思潮。加強(qiáng)通識(shí)教育的目的是為專業(yè)人才的成長提供更豐厚的土壤，要求大學(xué)生不僅要具有扎實(shí)的專業(yè)知識(shí)背景，同時(shí)也要具有厚基礎(chǔ)、寬口徑的知識(shí)結(jié)構(gòu)，在學(xué)習(xí)和工作中不斷地?cái)U(kuò)展知識(shí)領(lǐng)域，成為適應(yīng)現(xiàn)代社會(huì)高速發(fā)展的復(fù)合型人才。

針對(duì)此，不少大學(xué)紛紛推出本科生教學(xué)改革方案和各種通識(shí)教育課程，把專業(yè)教育的時(shí)間推后到高年級(jí)和研究生階段，使得很多專業(yè)課的課時(shí)得到不同程度的壓縮，這樣一來就會(huì)在一定程度上影響本科生專業(yè)素質(zhì)的培養(yǎng)[4]。“水工鋼結(jié)構(gòu)”課程亦不例外，國內(nèi)高校水利水電工程專業(yè)的課時(shí)普遍偏低（見表1），且學(xué)生普遍認(rèn)為水工鋼結(jié)構(gòu)難度大，知識(shí)點(diǎn)多，公式多，難于記憶，知識(shí)難于消化。這兩方面的矛盾給水工鋼結(jié)構(gòu)的教學(xué)與學(xué)習(xí)帶來了新的挑戰(zhàn)。

表1 ?國內(nèi)部分院校“水工鋼結(jié)構(gòu)”開設(shè)課時(shí)

在教學(xué)中，教師要注重鋼結(jié)構(gòu)基本概念、 原理、方法及適用條件的闡述，簡(jiǎn)化煩瑣公式的推演（如梁的整體穩(wěn)定、梁的局部穩(wěn)定等內(nèi)容），注重與相關(guān)課程（如材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、水工建筑物等）聯(lián)系和區(qū)別的介紹，避免與相關(guān)課程的重復(fù)，適當(dāng)兼顧知識(shí)的系統(tǒng)性。在講課中，除了要求熟記的重要公式外，重點(diǎn)要求學(xué)生理解公式的工程背景及其中每個(gè)參數(shù)的物理含義，能夠熟練地對(duì)公式和相關(guān)資料加以查找及應(yīng)用。在期末考核時(shí)，考卷后可附上所用到的較復(fù)雜的計(jì)算公式及所需資料（如梁的整體穩(wěn)定系數(shù)、驗(yàn)算剛度所需用到的撓度計(jì)算公式等），供學(xué)生考試時(shí)查用。

鋼結(jié)構(gòu)的連接是“水工鋼結(jié)構(gòu)”課程教學(xué)的重點(diǎn)及難點(diǎn)，該章構(gòu)造要求、公式多。授課教師應(yīng)闡明螺栓的布置與排列（含螺栓間的容許間距）應(yīng)滿足受力要求、構(gòu)造要求和施工要求，抓住從連接破壞形式到計(jì)算公式的推導(dǎo)這條主線展開。例如，對(duì)于普通螺栓抗剪的設(shè)計(jì)，應(yīng)首先著眼于普通螺栓受剪破壞的五種可能破壞形式，即栓桿被剪斷、孔壁擠壓破壞、鋼板被拉斷、端部鋼板被剪斷和栓桿受彎破壞，其中前三種破壞通過計(jì)算防止，后兩種通過構(gòu)造要求防止，即端距≥2d0（d0為螺栓孔直徑）和板疊厚度≤5d（d為螺栓直徑），這樣講思路清晰，概念清楚，便于學(xué)生理解后續(xù)計(jì)算公式。

（二）實(shí)踐學(xué)時(shí)不足

結(jié)合我國高等院校擴(kuò)招后學(xué)生的實(shí)際情況，以及對(duì)學(xué)生的培養(yǎng)目標(biāo)從精英教育轉(zhuǎn)向大眾教育的具體要求，如何在總學(xué)時(shí)壓縮的情況下，既為學(xué)生打好堅(jiān)實(shí)的專業(yè)知識(shí)基礎(chǔ)，又為學(xué)生畢業(yè)后的工作做必要的專業(yè)技能培養(yǎng)，“水工鋼結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì)”是一個(gè)很好的途徑。課程設(shè)計(jì)不僅要求學(xué)生深刻地理解、掌握、鞏固所學(xué)鋼閘門的基礎(chǔ)理論知識(shí)，并且要求學(xué)生對(duì)所學(xué)的知識(shí)能融會(huì)貫通，使學(xué)生得到工程設(shè)計(jì)能力的初步培養(yǎng)和訓(xùn)練，為后續(xù)畢業(yè)設(shè)計(jì)及畢業(yè)后能快速適應(yīng)工作打下良好的基礎(chǔ)。因此，如何合理有效地安排課程設(shè)計(jì)顯得至關(guān)重要。

“水工鋼結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì)”是“水工鋼結(jié)構(gòu)”教學(xué)中一個(gè)重要的環(huán)節(jié)。目前，西北農(nóng)林科技大學(xué)水利水電工程專業(yè)在“水工鋼結(jié)構(gòu)”課程結(jié)束后，安排為期一周的課程設(shè)計(jì)，要求學(xué)生上交一份計(jì)算書及一張平面鋼閘門的結(jié)構(gòu)施工總圖（A1紙）。課程設(shè)計(jì)的目的是運(yùn)用鋼結(jié)構(gòu)的連接計(jì)算方法和鋼梁等基本構(gòu)件的設(shè)計(jì)方法，結(jié)合水利水電工程專業(yè)的特點(diǎn)，緊密聯(lián)系工程實(shí)際，進(jìn)行平面鋼閘門的設(shè)計(jì)與計(jì)算，鞏固相關(guān)理論教學(xué)效果，加強(qiáng)實(shí)踐能力訓(xùn)練，系統(tǒng)全面地了解鋼結(jié)構(gòu)的整體設(shè)計(jì)思路、方法和步驟以及運(yùn)用《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50017-2003）[5]、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《水利水電工程鋼閘門設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL74-2013）[6]和《大型低合金鋼鑄件》（JBT 6402-2006）等規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的能力，進(jìn)行編寫設(shè)計(jì)計(jì)算書、手工繪圖等方面的訓(xùn)練。

在一周的課程設(shè)計(jì)中，時(shí)間短、任務(wù)重，學(xué)生普遍反映平面鋼閘門結(jié)構(gòu)施工總圖的繪制比較吃力，因?yàn)槔L制過程中需要有良好的空間想象能力，而且大多數(shù)學(xué)生尚未在現(xiàn)場(chǎng)接觸過平面鋼閘門。這就要求在課程設(shè)計(jì)前，安排學(xué)生進(jìn)行平面鋼閘門實(shí)際工程的參觀、認(rèn)識(shí)與學(xué)習(xí)，從而讓學(xué)生充分理解主梁、次梁、橫向連接系、縱向連接系、主輪、側(cè)輪、反輪等細(xì)部構(gòu)造，并了解其連接方式、支撐體系的特點(diǎn)。在課堂教學(xué)中，授課教師還可通過幻燈片介紹國內(nèi)外一些典型的水工鋼閘門工程實(shí)例，以增進(jìn)學(xué)生對(duì)構(gòu)造連接方面的直觀認(rèn)識(shí)。在教學(xué)實(shí)習(xí)過程中，使學(xué)生對(duì)平面鋼閘門的構(gòu)件類型、截面形式等進(jìn)一步熟悉，有機(jī)會(huì)還可讓學(xué)生在工程現(xiàn)場(chǎng)繪制各類構(gòu)件的節(jié)點(diǎn)及截面詳圖，大大有助于進(jìn)一步提高學(xué)生的興趣，提高教學(xué)效果。

（三）教材與參考書較少

教材是供教學(xué)用的資料，是一門課程的核心教學(xué)材料，參考書是教材必要的輔助材料。目前，土木工程鋼結(jié)構(gòu)的教材與參考書琳瑯滿目，國內(nèi)高校廣泛使用的教材有：劉聲揚(yáng)主編、武漢理工大學(xué)出版社于2010出版的《鋼結(jié)構(gòu)——原理與設(shè)計(jì)》，戴國欣主編、武漢理工大學(xué)出版社于2012出版的《鋼結(jié)構(gòu)》（第四版）[7]，優(yōu)秀的參考書如姚諫、夏志斌編寫的《鋼結(jié)構(gòu)——原理與設(shè)計(jì)》等[8]，以上教材與參考書注重理論與實(shí)踐相結(jié)合，在保持經(jīng)典理論基礎(chǔ)上，突出工程應(yīng)用能力的培養(yǎng)，條理清晰，深入淺出。經(jīng)過幾版修訂，其中錯(cuò)誤之處非常少，且緊密結(jié)合最新《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50017-2003）編寫，在國內(nèi)各高校中使用甚廣。

相比之下，“水工鋼結(jié)構(gòu)”教材及參考資料相對(duì)較少，這些教材及參考資料對(duì)國內(nèi)水工鋼結(jié)構(gòu)事業(yè)的發(fā)展起到了巨大的推動(dòng)作用，對(duì)大學(xué)生的培養(yǎng)起到了積極作用。目前國內(nèi)使用的“水工鋼結(jié)構(gòu)”教材普遍依據(jù)《水利水電工程鋼閘門設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL74-95）和《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50017—2003）編寫，個(gè)別參數(shù)的取值甚至取自《水利水電工程鋼閘門設(shè)計(jì)規(guī)范》（SDJ13-78）和《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GBJ17-88），且個(gè)別教材的內(nèi)容存在不少錯(cuò)誤之處，影響了教材質(zhì)量，影響了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、熱情與積極性。水工鋼結(jié)構(gòu)的參考資料目前較少，且大多資料出版于上世紀(jì)八九十年代，知識(shí)的更新相對(duì)比較滯后。

目前，《水利水電工程鋼閘門設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 74-2013）已于2013年11月26日正式實(shí)施，這就要求“水工鋼結(jié)構(gòu)”教材及參考書籍的編寫與再版依據(jù)最新規(guī)范，再版時(shí)對(duì)于教材中的錯(cuò)誤之處應(yīng)予以勘誤與修訂。

二、“水工鋼結(jié)構(gòu)”課程教學(xué)改革的設(shè)想

（一）適當(dāng)增加授課學(xué)時(shí)

“水工鋼結(jié)構(gòu)”課堂教學(xué)是學(xué)生獲取知識(shí)的重要途徑，現(xiàn)今課時(shí)少，而教學(xué)內(nèi)容多，這就要求教師要精選授課內(nèi)容，抓住鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主線，凝練知識(shí)點(diǎn)。但若學(xué)生課后學(xué)習(xí)主動(dòng)性不足，不利用課余時(shí)間拓展相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，學(xué)生的專業(yè)知識(shí)的廣度與深度勢(shì)必受到不同程度的影響。對(duì)于水工鋼結(jié)構(gòu)課程來說，32課時(shí)完成效果不佳，造成學(xué)生對(duì)該門課的印象不深，客觀上形成了鋼結(jié)構(gòu)不重要的觀念，這與目前鋼結(jié)構(gòu)的蓬勃發(fā)展與市場(chǎng)需求相背離。目前，國內(nèi)外許多實(shí)際工程采用了各種高效鋼材，各類新型結(jié)構(gòu)形式亦相繼出現(xiàn)，如弦支穹頂、索穹頂、張拉整體、樹狀柱鋼閘門等，在教學(xué)內(nèi)容不斷更新的情況下，要求授課教師不斷豐富相關(guān)知識(shí)、拓展知識(shí)面，抓住鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展的方向和趨勢(shì)。教師可利用2個(gè)學(xué)時(shí)的時(shí)間介紹主要新型結(jié)構(gòu)形式的受力特點(diǎn)與適用范圍，開闊學(xué)生的眼界，啟發(fā)學(xué)生的思維，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。穩(wěn)定是鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，在課時(shí)少的局面下，穩(wěn)定部分的內(nèi)容無法深入展開，造成學(xué)生在該方面專業(yè)知識(shí)的不足。為此，應(yīng)增加“水工鋼結(jié)構(gòu)”課時(shí)，進(jìn)一步提高學(xué)生專業(yè)知識(shí)的廣度與深度。

（二）注重多種教學(xué)方法與手段的結(jié)合運(yùn)用

板書是傳統(tǒng)教學(xué)中一個(gè)重要的環(huán)節(jié)，在鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件和結(jié)構(gòu)的受力分析、公式的推導(dǎo)上有不可替代的優(yōu)勢(shì)。但鑒于目前水工鋼結(jié)構(gòu)課時(shí)偏少，大量的公式推導(dǎo)、繪圖勢(shì)必影響課程的整體教學(xué)進(jìn)度，導(dǎo)致教學(xué)信息量的下降。隨著高效鋼材、新型結(jié)構(gòu)大量涌現(xiàn)，其中有些結(jié)構(gòu)形式很難看到實(shí)物，通過內(nèi)容豐富的多媒體課件，可將這些實(shí)際工程圖片通過屏幕投影活生生地呈現(xiàn)給學(xué)生，帶給學(xué)生形象、直觀的感覺和視覺上的刺激，增加學(xué)生對(duì)這些結(jié)構(gòu)形式的感性認(rèn)識(shí)、提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。多媒體教學(xué)還可節(jié)約教學(xué)學(xué)時(shí)、增加知識(shí)量。教學(xué)過程中要引導(dǎo)學(xué)生從被動(dòng)地接受知識(shí)轉(zhuǎn)化為主動(dòng)自覺地求知，努力培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考、分析和解決問題的能力。教師可通過實(shí)際工程實(shí)例，提出所需解決的問題，引發(fā)學(xué)生的討論，使學(xué)生既能在主動(dòng)思考中學(xué)到專業(yè)知識(shí)，又能對(duì)實(shí)際工程問題有初步的了解與判斷。

（三）完善課程設(shè)計(jì)

水工鋼結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì)是結(jié)合水工鋼結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)而配置的綜合性課題，通過訓(xùn)練，使學(xué)生能夠把所學(xué)鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行綜合運(yùn)用，提高工程實(shí)踐能力。目前，水工鋼結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì)仍局限于平面鋼閘門，且平面鋼閘門的結(jié)構(gòu)分析仍采用手算的平面體系設(shè)計(jì)法，盡管該法具有簡(jiǎn)單易行的特點(diǎn)，但對(duì)于大型平面鋼閘門而言，該法不精確，偏于保守。這與現(xiàn)實(shí)情況已不相適應(yīng)，題目形式、類型亟須改革。目前，弧形鋼閘門在水工結(jié)構(gòu)中應(yīng)用極為廣泛，課程設(shè)計(jì)可增加弧形鋼閘門的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);為了提升學(xué)生的專業(yè)技能，可增加水工鋼結(jié)構(gòu)的空間結(jié)構(gòu)有限元分析與計(jì)算，讓學(xué)生盡早地接觸ANSYS、ADINA、ABAQUS等有限元軟件，為畢業(yè)后的工作及讀研深造打下良好的基礎(chǔ)。

（四）全面推廣計(jì)算機(jī)的應(yīng)用

隨著計(jì)算機(jī)的應(yīng)用與發(fā)展，水工結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)在各設(shè)計(jì)院已全面應(yīng)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)、繪制施工圖。作為水利水電工程專業(yè)的學(xué)生，必須具備一定的力學(xué)分析軟件的操作能力，并可利用大二學(xué)過的VB、C++或Matlab軟件編制小型計(jì)算程序，以解決實(shí)際工程問題。例如，在平面鋼閘門的設(shè)計(jì)當(dāng)中，面板與主梁的連接計(jì)算需要經(jīng)過若干次試算，手算耗時(shí)費(fèi)力，如果將該計(jì)算過程進(jìn)行編程計(jì)算，將會(huì)大大地減少手算工作量，且可進(jìn)一步鞏固、提高學(xué)生的編程能力。在平面鋼閘門的力學(xué)計(jì)算當(dāng)中，可要求學(xué)生分別應(yīng)用平面體系設(shè)計(jì)法和三維有限元計(jì)算法分別對(duì)閘門進(jìn)行計(jì)算與分析，對(duì)比二者計(jì)算結(jié)果，使學(xué)生能更深入理解兩種算法的區(qū)別與聯(lián)系;要求學(xué)生能熟練使用AUTOCAD軟件繪制結(jié)構(gòu)施工圖，不僅能節(jié)省時(shí)間、鞏固學(xué)生的CAD繪圖能力，而且能為畢業(yè)設(shè)計(jì)的快速開展及畢業(yè)后盡快投入工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

中國的鋼結(jié)構(gòu)事業(yè)正處于蓬勃發(fā)展階段，由于自身眾多優(yōu)點(diǎn)，鋼結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于大跨度空間結(jié)構(gòu)、鋼橋、鋼廠房、鋼閘門和塔桅結(jié)構(gòu)等。但常年以來缺乏相關(guān)技術(shù)人才，急需大批具備鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工能力的技術(shù)人員，因而“水工鋼結(jié)構(gòu)”的教學(xué)效果顯得尤為重要。筆者結(jié)合幾年來水工鋼結(jié)構(gòu)的教學(xué)與工程實(shí)踐，提出了課程教學(xué)中存在的問題及解決辦法，并對(duì)新形勢(shì)下水工鋼結(jié)構(gòu)課程教學(xué)提出幾點(diǎn)改革設(shè)想，希望對(duì)水工鋼結(jié)構(gòu)及其課程設(shè)計(jì)的教學(xué)有所裨益。

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[6]中華人民共和國水利部.SL74-2013水利水電工程鋼閘

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[7]戴國欣.鋼結(jié)構(gòu)：第4版[M].武漢：武漢理工大學(xué)出版

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[8]姚諫，夏志斌.鋼結(jié)構(gòu)——原理與設(shè)計(jì)：第2版[M].北

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