余玉潔 丁發(fā)興

［摘 要］鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計原理課程作為土木工程領(lǐng)域的專業(yè)基礎(chǔ)課，其在土木工程專業(yè)教育的重要性日益突出。為更為有效地調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，提升學(xué)生的應(yīng)用能力，文章對鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計原理課程教學(xué)提出基于創(chuàng)新和應(yīng)用能力培養(yǎng)的案例場景分析式教學(xué)方法，從當(dāng)前我國建筑業(yè)的主要發(fā)展戰(zhàn)略以及熱點(diǎn)話題出發(fā)，提煉與鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計相關(guān)的項目案例，與鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計原理相關(guān)的課程教授相結(jié)合，采用案例式教學(xué)以及場景分析式教學(xué)來激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

［關(guān)鍵詞］鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計原理；案例式教學(xué)；社會熱點(diǎn)問題；課堂教學(xué)；新媒體技術(shù)

［中圖分類號］ G642. 0; TU391 ［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］ A ［文章編號］ 2095-3437（2022）11-0035-04

隨著中國鋼產(chǎn)量的快速增長以及鋼結(jié)構(gòu)制造水平和施工技術(shù)的不斷提高，鋼結(jié)構(gòu)越來越多地被應(yīng)用于房屋建筑、能源交通、電力通信、海洋開發(fā)等基礎(chǔ)性建設(shè)工程。近年來，隨著我國鋼鐵產(chǎn)能的提升，在“一帶一路”倡議[1]以及建筑工業(yè)化轉(zhuǎn)型升級等的推動下，鋼結(jié)構(gòu)工程的建造范圍和需求量日益擴(kuò)大。從2018年開始，國務(wù)院及住建部的一系列政策多次明確指出大力發(fā)展裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑，重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)鋼結(jié)構(gòu)住宅的研發(fā)、應(yīng)用和推廣。住建部2020年九大重點(diǎn)任務(wù)中即有“總結(jié)推廣鋼結(jié)構(gòu)裝配式等新型農(nóng)房建設(shè)試點(diǎn)經(jīng)驗”“大力推進(jìn)鋼結(jié)構(gòu)裝配式住宅建設(shè)試點(diǎn)”兩項關(guān)于裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑的推廣目標(biāo)。隨著國家“十四五”規(guī)劃的開局實(shí)施，全面推進(jìn)鄉(xiāng)村振興以及提升農(nóng)村綠色宜居水平已經(jīng)成為中國新農(nóng)村建設(shè)的重中之重。住建部以及各級地市也進(jìn)一步出臺政策推動裝配式農(nóng)房尤其是裝配式鋼結(jié)構(gòu)農(nóng)房的建設(shè)和應(yīng)用。

鋼結(jié)構(gòu)建筑的應(yīng)用領(lǐng)域已從大跨度場館以及超高層辦公用房等拓展到普通住宅領(lǐng)域，應(yīng)用范圍更廣[2-3]。在這種形勢下，鋼結(jié)構(gòu)課程在土木工程專業(yè)教育的重要性日益突出，同時這也對鋼結(jié)構(gòu)課程的教學(xué)和人才培養(yǎng)提出了更高的要求。

一、鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計原理課程及教學(xué)現(xiàn)狀

（一）教學(xué)內(nèi)容及教學(xué)目的

鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計原理[4]（部分學(xué)校又稱鋼結(jié)構(gòu)基本原理，以下簡稱《原理》）為土木工程相關(guān)專業(yè)的基礎(chǔ)必修課之一，主要講授鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計計算中所涉及的基本理論、概念以及計算方法。其中包括鋼結(jié)構(gòu)材料性能，如鋼材強(qiáng)度、延性、可焊性、抗腐蝕性、疲勞等基本性能；鋼結(jié)構(gòu)的連接，如焊縫連接、螺栓連接等概念和受力驗算；鋼結(jié)構(gòu)桿件的受力驗算和設(shè)計等，如軸心受壓、受彎、壓完等承載力計算等，為從材料到構(gòu)件層面的基礎(chǔ)知識教學(xué)。課程目的是使學(xué)生理解并掌握鋼結(jié)構(gòu)材料、構(gòu)件、連接及設(shè)計中的基本概念和計算理論，為學(xué)生后續(xù)相關(guān)專業(yè)課程如房屋鋼結(jié)構(gòu)等鋼結(jié)構(gòu)體系設(shè)計的學(xué)習(xí)，以及畢業(yè)后從事鋼結(jié)構(gòu)相關(guān)的工作打下基礎(chǔ)[5]。

（二）課堂教學(xué)現(xiàn)狀

從教學(xué)內(nèi)容上看，《原理》課程大都為原理性并以計算方法為主。在課程講授順序上，結(jié)構(gòu)體系相關(guān)的房屋鋼結(jié)構(gòu)在《原理》之后，在《原理》授課時，學(xué)生對于鋼結(jié)構(gòu)形式以及基本構(gòu)件類型和構(gòu)造均缺少前期了解，因此《原理》授課中同時需要講解鋼結(jié)構(gòu)中的主要構(gòu)件類型及構(gòu)造。該門課程的內(nèi)容具有很強(qiáng)的綜合性、技術(shù)性和應(yīng)用性特點(diǎn)。

目前，《原理》課程主要采用以教師為中心的“灌輸式”教學(xué)方法，配以作業(yè)來讓學(xué)生熟悉計算過程。但由于該課程涉及較多的基礎(chǔ)性概念和計算內(nèi)容，對于本科生來說有一定的理解難度。隨著多媒體技術(shù)的發(fā)展，各高校的教學(xué)中大都會采用PPT配合圖片展示的方式給出不同構(gòu)件及結(jié)構(gòu)的照片來幫助學(xué)生理解相關(guān)知識點(diǎn)，但這樣做的效果有限。對于如何運(yùn)用《原理》來解決實(shí)際工程問題仍主要靠教師的口頭語言描述[6]。如果未能有效調(diào)動學(xué)生的參與積極性，不能幫助學(xué)生有效理解各類計算背后蘊(yùn)含的思路和原理，課程就很容易導(dǎo)致學(xué)生被動學(xué)習(xí)，學(xué)生最終為應(yīng)付考試而學(xué)，不知如何將所學(xué)知識與實(shí)際問題相結(jié)合。

二、課程教學(xué)方式改革思路

我國作為基建大國在國內(nèi)外建設(shè)領(lǐng)域如超高層、高速鐵路、大型活動場館建設(shè)等方面不斷創(chuàng)造出“奇跡”。隨著網(wǎng)絡(luò)通信水平的提高以及新媒體時代的到來，現(xiàn)代大學(xué)生對于這些大型項目或建設(shè)項目的了解逐漸增多。隨著科技的進(jìn)步和國際形勢的快速變化，現(xiàn)代大學(xué)生對國家政策、社會熱點(diǎn)問題等的關(guān)注度也在不斷提高。

基于該背景，筆者提出可以從我國建筑業(yè)當(dāng)前的主要發(fā)展戰(zhàn)略以及一些熱點(diǎn)話題出發(fā)，提煉與鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計相關(guān)的項目案例，與《原理》相關(guān)的課程教授內(nèi)容相結(jié)合，采用案例分析式教學(xué)、場景分析式教學(xué)來激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，引導(dǎo)學(xué)生綜合運(yùn)用課程知識來解決實(shí)際工程問題。

如在“火神山”“雷神山”醫(yī)院建設(shè)中，借助網(wǎng)絡(luò)直播等新媒體手段，千萬民眾成為“云監(jiān)工”，其建設(shè)后期大部分的建設(shè)內(nèi)容即為所采用的裝配式鋼結(jié)構(gòu)廂房結(jié)構(gòu)制作和吊裝工作。該鋼結(jié)構(gòu)具有可快速裝配施工的特點(diǎn)，成為疫情期間應(yīng)急醫(yī)療設(shè)施建設(shè)中的“黑科技”。

可以從上述關(guān)注度較高的社會熱點(diǎn)出發(fā)，結(jié)合應(yīng)急醫(yī)療中所使用的裝配式廂房結(jié)構(gòu)作為典型案例，分析其主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件的強(qiáng)度計算、穩(wěn)定計算裝配式連接中螺栓節(jié)點(diǎn)類型以及主要的驗算內(nèi)容等。這樣將復(fù)雜的概念與學(xué)生所了解的實(shí)際聯(lián)系起來，可以在激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的同時加深他們對知識的理解。同時，該教學(xué)方式也能引導(dǎo)學(xué)生如何將基本概念應(yīng)用到實(shí)際項目的設(shè)計之中。

在教學(xué)方式上，可結(jié)合微博、抖音或微信公眾號等在大學(xué)生等年輕群體中普及比例很高的新媒體來推送相關(guān)的典型工程案例資料[7]。采用學(xué)生比較容易接受的方式和內(nèi)容引導(dǎo)學(xué)生利用碎片化課余時間開展線下前期認(rèn)知學(xué)習(xí)，再結(jié)合課堂的分析式教學(xué)逐步提高課堂教學(xué)效果，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和應(yīng)用能力。

三、基于社會熱點(diǎn)的場景分析式教學(xué)應(yīng)用探索

為探索該教學(xué)方式的可行性，筆者基于中南大學(xué)土木工程學(xué)院工程力學(xué)專業(yè)的《原理》課程教學(xué)開展嘗試。由于工程力學(xué)專業(yè)就業(yè)領(lǐng)域較寬，該專業(yè)學(xué)生在往年該門課程的學(xué)習(xí)中自主學(xué)習(xí)和自主探索欲望較土木工程專業(yè)的學(xué)生略低。在以往的教學(xué)中，教師可根據(jù)課堂情況調(diào)節(jié)課堂氛圍，而在2020年初新冠肺炎疫情期間的線上授課環(huán)節(jié)，教師無法與學(xué)生面對面接觸并及時跟進(jìn)學(xué)生的聽課情況，因此在線上教學(xué)中教師有意識地采用案例或場景分析式教學(xué)方法來提高學(xué)生的聽課積極性。

（一）案例選取——福建泉州市欣佳酒店坍塌事故分析

該案例所選取的社會熱點(diǎn)問題為新冠肺炎疫情期間發(fā)生的福建欣佳酒店坍塌事故。造成該事故的原因為酒店原鋼框架結(jié)構(gòu)被違規(guī)改建，疫情期間因違規(guī)裝修從而引發(fā)底層鋼柱失穩(wěn)導(dǎo)致坍塌，該事故引發(fā)了社會各界的高度關(guān)注[8]。

該酒店原為層高6米的四層鋼框架結(jié)構(gòu)，之后經(jīng)歷違規(guī)改建新增3層樓板，增加約3000噸荷載且未作加固，改造為7層欣佳酒店。其底層為商鋪，且在酒店改造時曾發(fā)生過底層商鋪玻璃被擠爆的現(xiàn)象。2020年3月7日，酒店在底層裝修中敲掉幾堵隔墻，導(dǎo)致底層鋼柱的邊界約束條件發(fā)生改變。傍晚時候底層鋼柱產(chǎn)生面外失穩(wěn)，并在接下來幾秒鐘內(nèi)全樓發(fā)生橫向坍塌。

（二）案例選取原因

該結(jié)構(gòu)經(jīng)過幾次改建后，結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件先后承受了超載、強(qiáng)度超限、失穩(wěn)破壞等幾個鋼構(gòu)件典型失效模式，并且失穩(wěn)坍塌后鋼構(gòu)件的變形模式等也涉及鋼材的材料延性等性能。因此，在之后的《原理》課程中我們以該事件作為典型案例結(jié)合教學(xué)。

（三）案例分析實(shí)踐

我們將與該案例相關(guān)的報道在《鋼結(jié)構(gòu)的破壞形式》這一章節(jié)學(xué)習(xí)之前即轉(zhuǎn)發(fā)到課程交流的微信群中，供學(xué)生在課余利用碎片化時間提前了解該案例。在該課程講授過程中，我們結(jié)合該案例的破壞現(xiàn)象分析來形象闡述各種破壞現(xiàn)象的發(fā)展過程和特點(diǎn)。如在第一次改建過程中，由于超載嚴(yán)重，對于底層部分結(jié)構(gòu)立柱已經(jīng)達(dá)到或超過了其屈服點(diǎn)。由于底層柱間填充墻產(chǎn)生較強(qiáng)的側(cè)向支承效應(yīng)，使得底層鋼柱主要產(chǎn)生軸心受壓強(qiáng)度破壞，由此產(chǎn)生較為顯著的軸向壓縮變形導(dǎo)致底層玻璃被擠爆。但由于鋼材屈服后強(qiáng)化段的強(qiáng)度儲備，鋼柱仍能夠維持穩(wěn)定承載。這樣，從現(xiàn)象上學(xué)生可較為形象地了解強(qiáng)度破壞的主要變形特點(diǎn)以及鋼材的強(qiáng)度發(fā)展階段。

結(jié)合第二次裝修改建現(xiàn)場描述以及坍塌的視頻可以看到，在拆除底層隔墻后部分鋼柱產(chǎn)生了較為明顯的側(cè)向偏位，并且在隨后幾分鐘內(nèi)鋼柱變形迅速增大，最終導(dǎo)致酒店在幾秒鐘內(nèi)迅速坍塌。結(jié)合現(xiàn)場破壞現(xiàn)象學(xué)生可以了解鋼構(gòu)件整體失穩(wěn)破壞的特點(diǎn)，即構(gòu)件整體突然產(chǎn)生較為明顯的側(cè)向偏位，無法維持穩(wěn)定承載，且失穩(wěn)破壞發(fā)展極為迅速。由于軸心受力構(gòu)件整體失穩(wěn)后果較為嚴(yán)重，在構(gòu)件設(shè)計中需要避免失穩(wěn)破壞的產(chǎn)生。

在之后軸心受壓構(gòu)件章節(jié)的講授中，依然以該案例分析協(xié)助授課。底層鋼柱產(chǎn)生失穩(wěn)破壞的主要原因為新裝修過程中部分隔墻的拆除，這導(dǎo)致鋼柱的側(cè)向約束顯著降低，使得之前鋼柱以強(qiáng)度控制轉(zhuǎn)變?yōu)閮H兩端約束的穩(wěn)定控制。以該種方式讓學(xué)生更為直接形象地理解邊界約束的作用。在該章節(jié)課后作業(yè)中，讓學(xué)生驗算該底層鋼柱在軸心強(qiáng)度承載下以及隔墻拆除之后的穩(wěn)定承載模式時承載力的大小，這樣可讓學(xué)生更為直觀地感受鋼構(gòu)件設(shè)計隨著邊界條件改變所導(dǎo)致的承載力變化。

（四）教學(xué)效果

該案例的總結(jié)于2020年初采取線上授課的方式進(jìn)行，由于教師無法與學(xué)生面對面接觸并及時跟進(jìn)學(xué)生的聽課情況，因此在線上教學(xué)中教師有意識地采用案例或場景分析式教學(xué)方法激發(fā)學(xué)生的聽課積極性。從該課程結(jié)束后的課程反饋來看，雖然該課程是以線上授課的方式進(jìn)行，但學(xué)生的參與度較高。在案例分析之后學(xué)生仍會在課程微信群中繼續(xù)討論，或自主地搜集相關(guān)的破壞案例轉(zhuǎn)發(fā)到微信群中。在該課程的最終考核中，班級的整體考評平均成績（相似難度）也較之前傳統(tǒng)授課方式提升了20%。該教學(xué)方式初步應(yīng)用效果較好。

另外，由于該案例為真實(shí)事件且產(chǎn)生了較為嚴(yán)重的后果，因此這種結(jié)合社會熱點(diǎn)的案例分析式教學(xué)，可以讓學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中直觀感受到設(shè)計中小小的偏差可能帶來的嚴(yán)重后果。教師可在課堂教學(xué)中強(qiáng)調(diào)結(jié)構(gòu)設(shè)計的嚴(yán)肅性以及土木工程專業(yè)的社會責(zé)任感，從而強(qiáng)化學(xué)生的工程師意識和安全意識，并在該教學(xué)過程中融入課程思政的理念。

四、課程教學(xué)改革實(shí)施建議

（一）教學(xué)團(tuán)隊合力打造優(yōu)質(zhì)案例庫

基于案例的場景分析式教學(xué)模式中最重要的是案例庫的選取和教學(xué)內(nèi)容的提煉。案例庫的打造需要教師付出較多的精力，同時需要教師具備一定的工程和教學(xué)經(jīng)驗。此外，教師還需要結(jié)合信息檢索以及案例分析的內(nèi)容做一些編輯工作，對于個體教師來說這樣的工作量較大。在《原理》課程教學(xué)中，我們最終僅完成了基于應(yīng)急醫(yī)療的裝配式鋼結(jié)構(gòu)廂房結(jié)構(gòu)設(shè)計和基于欣佳酒店倒塌事故兩個案例。其所涉及的知識點(diǎn)主要在于螺栓連接節(jié)點(diǎn)的設(shè)計驗算、軸心受力構(gòu)件和受彎構(gòu)件的強(qiáng)度以及穩(wěn)定設(shè)計章節(jié)，涵蓋范圍有限。另外，不同教師有自己的講授風(fēng)格和關(guān)注的領(lǐng)域，個體教師所整理的材料和教學(xué)模式也不利于大范圍推廣。

因此，在該教學(xué)改革模式中，建議以教學(xué)團(tuán)隊分工配合的方式合力打造優(yōu)質(zhì)案例庫。對于專業(yè)基礎(chǔ)課程大都會有幾位教師共同上課，其中年長的教師具有較為豐富的工程經(jīng)驗，并且教學(xué)經(jīng)驗豐富；而年輕教師對新媒體技術(shù)和信息檢索掌握程度較高。因此，可以教學(xué)團(tuán)隊為單位，年長的教師提供重大工程或典型工程案例資料，年輕教師結(jié)合新媒體手段檢索相關(guān)資訊并整理案例材料。在教學(xué)團(tuán)隊的教學(xué)研討會中，可共同討論案例的講授方式和分析模式，所涵蓋的知識點(diǎn)選取以及相關(guān)作業(yè)或者拓展學(xué)習(xí)資料等，并采取由年輕教師試講、年長教師點(diǎn)評和改進(jìn)的方式不斷完善該教學(xué)模式，合力打造優(yōu)質(zhì)案例庫。

（二）新媒體手段的運(yùn)用

隨著移動網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺和各學(xué)習(xí)平臺的資源已經(jīng)比較完善，但目前已有的知識和學(xué)習(xí)平臺仍主要依賴電腦或電視接入。隨著新媒體時代的到來和生活節(jié)奏的加快，學(xué)生對于需要長時間在網(wǎng)絡(luò)平臺進(jìn)行自主學(xué)習(xí)的方式接受度越來越低。如何采用受學(xué)生歡迎的方式來充分利用學(xué)生碎片化的時間開展教學(xué)，成為現(xiàn)代高等教育需要思考的一個問題。

在案例庫的搜集和整理中，可以充分利用新媒體手段將案例資訊和關(guān)鍵資料編寫成公眾號文章，或者錄制成小視頻等，轉(zhuǎn)發(fā)到課程學(xué)習(xí)群中。在所發(fā)的案例資訊中可僅點(diǎn)出所涉及的主要知識點(diǎn)，以設(shè)置小問題的方式在課程學(xué)習(xí)之前引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行課前思考。在之后的課程講授中教師結(jié)合案例分析，重點(diǎn)講解其中所涉及的知識點(diǎn)，讓學(xué)生有一種豁然開朗的感覺。在本章課程學(xué)習(xí)之后，可在班級群中推送課程講解總結(jié)以及前置案例資訊中的問題釋疑。借助新媒體手段以學(xué)生容易接受的方式激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，課堂上教師帶領(lǐng)學(xué)生就其中涉及的主要知識點(diǎn)進(jìn)行梳理和引導(dǎo)講授。采用線上線下結(jié)合的方式可有效提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，改善教學(xué)效果。

（三）三維BIM技術(shù)和有限元模擬分析技術(shù)的結(jié)合運(yùn)用

近年來，三維BIM技術(shù)興起并逐漸應(yīng)用于工程設(shè)計、施工和運(yùn)營維護(hù)階段[9-10]。一個完善的BIM模型包含建筑、結(jié)構(gòu)等各項組件。因此，在一些典型工程項目缺乏完善的照片信息時，可對其主體結(jié)構(gòu)和主要的結(jié)構(gòu)組件通過建立三維BIM模型的方式來展現(xiàn)構(gòu)件和關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)型式，相對于教材上或圖片上的二維圖示，這能給學(xué)生帶來更為直觀的展示。對于缺乏鋼結(jié)構(gòu)相關(guān)試驗和不具備認(rèn)識實(shí)踐條件的院校來說，其在授課時可結(jié)合有限元分析技術(shù)，通過構(gòu)件在不同受力階段和受力狀態(tài)時的應(yīng)力變化云圖，直觀展示構(gòu)件的承載過程和破壞發(fā)展過程。比如，在講授鋼構(gòu)件強(qiáng)度計算準(zhǔn)則時，在考慮開洞和不開洞時構(gòu)件內(nèi)部的受力狀態(tài)單靠語言描述學(xué)生無法有效理解。這時，可借助研究生科研工作中常用的有限元分析軟件，建立簡單的構(gòu)件加載過程，分析并進(jìn)行動畫演示應(yīng)力發(fā)展和變化過程。通過應(yīng)力云圖和變形狀態(tài)的形象化演示形成的情景體驗式教學(xué)，可輔助本科生有效地理解造成各破壞狀態(tài)時構(gòu)件內(nèi)的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)展。

五、結(jié)語

在有限的課時內(nèi)，如何簡明扼要地進(jìn)行教學(xué)，采用科學(xué)的教學(xué)方法使學(xué)生掌握好基本的理論知識、構(gòu)建起鋼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)學(xué)習(xí)的框架是課程教學(xué)的關(guān)鍵。針對鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計原理專業(yè)基礎(chǔ)課現(xiàn)有的單一的授課模式，文章提出以培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新和應(yīng)用能力為目標(biāo)，結(jié)合國家政策和與社會熱點(diǎn)相關(guān)的實(shí)例，最終形成系統(tǒng)化的教學(xué)案例的教學(xué)方式。

將鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計基本原理概念和計算等內(nèi)容與工程案例的構(gòu)造、設(shè)計和施工過程相結(jié)合，可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，改善課堂教學(xué)效果，實(shí)現(xiàn)“智慧啟迪、價值塑造、能力培養(yǎng)和知識傳授”四位一體的課程目標(biāo)。

該種教學(xué)方式的重點(diǎn)在于打造優(yōu)質(zhì)的案例庫，因此建議以教學(xué)團(tuán)隊內(nèi)不同專業(yè)方向和年齡段教師分工合作的方式進(jìn)行案例庫的整理和提煉；在實(shí)施手段上結(jié)合新媒體技術(shù)、三維BIM技術(shù)以及有限元模擬等方式實(shí)現(xiàn)多元化的資料集成和效果呈現(xiàn)。

［ 參 考 文 獻(xiàn) ］

[1] 焦燏烽， 陳俊嶺. 以培養(yǎng)卓越土木工程師為目標(biāo)的鋼結(jié)構(gòu)教學(xué)改革探討[J]. 教學(xué)研究，2014（6）：106-108.

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［責(zé)任編輯：陳 明］