大跨空间结构教学改革的思考与探索

支旭东+马会环+范峰

摘要：大跨空间结构是近三十年发展最快的结构形式，相关专业人才的社会需求迫切。作为土木工程学科的专业课，工程实践背景对理论知识的掌握至关重要，如何在课堂上合理引入实践教学环节，实现理论知识的快速转化，是值得教育者探讨的问题。本文介绍了在大跨空间结构课堂教学中的一些改革与探索，通过开展视频教学、工程参观、工程案例分析、前沿理论研究专题课等丰富教学手段的引入，取得了更好的教学效果。

关键词：大跨空间结构；教学改革；工程实践

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）43-0093-02

大跨空間结构是近三十年发展最快的结构形式[1]，被广泛应用于体育场馆、会展建筑、交通枢纽、桥梁及工业厂房中；随着我国经济建设的持续深入、基础投资的不断增加，对于大跨空间结构建设的人才需求也越来越大。然而，由于大跨空间结构的特殊性和前沿性，目前能够开设该门课程的学校还比较少，这也造成了没有经过教育的毕业生专业性不强，在设计、施工过程中不敢涉及、或只能较慢进入专业状态，以上对于我国空间结构人才的培养提出了挑战。

本文介绍了在近十余年的《大跨空间结构》课程教学中，不断更新教学手段，进行了大量的探索，在有限的学时内增加了大量的实践教学环节，突出专业能力培养的理念，取得了较好的改革效果。

一、课程的教学改革理念

《大跨空间结构》课程是土木工程专业的专业课，一般是作为《钢结构》课程的延伸，在本科教育阶段和研究生教育阶段都定位为选修课程，在当前削减整体教学课时的背景下只能获得不多的24学时，如何利用好这有限的24学时，并使学生掌握更扎实的技能，具有相当的挑战性。然而这个工作必须要做，并且要尽可能地增加实践教学的环节，增强学生开展空间结构相关工作的能力，这正是课程教学改革的理念和目的。

二、优化章节学时分配

要充分利用好有限的学时，就要对现有的内容进行优化整合。例如，由于大跨空间结构体系众多，且多为正在发展中的新型体系，在传统的课程设置上将第一章概述设置为7学时，主要讲授大跨空间结构的概念、力学特点及主要体系的发展历史、典型工程等；在教学改革中逐渐删减了这部分内容，最终缩减为3学时。对于第三章网壳结构，原有学时6学时，由于其中内容有与第二章重复的部分，也进行了内容上的压缩，并归纳为几个关键问题进行讲授。与此同时，增加了较多的实践教学环节与前沿理论专题课，章节学时优化前与优化后的比较如表1所示。

三、增加丰富多样的教学环节

从表1也可以看出，教学内容改革是在学时不变的情况下增加了很多实践教学的内容与前沿理论专题课，各部分的意义和内容表述如下：

张弦结构：张弦结构在原教学计划中并不是没有，而是在工程案例分析中介绍一个大型张弦结构的工程实例，因此理论体系不够系统，学生接受起来也感到突然较为困难。在新的教学计划里，增加了张弦结构的设计概念和设计过程的内容，这也是由于近些年张弦结构工程大量涌现，成为工程中接触较多的一类结构体系。在总结近些年对张弦结构理论研究成果和实际工程经验的基础上，总结形成教学内容；同时，还增加了一个弦支穹顶结构（张弦结构的一类）的工程设计案例分析。在内容更新后，张弦结构独立成章，并较为系统。

理论专题课：设置了两个理论专题，分别是大跨空间结构抗震及强震失效机理专题（2学时）和大跨空间结构在冲击作用下的破坏机理专题（1学时）。这两个专题课的内容主要是来源于近几年的前沿理论研究成果，且对工程应用有重要意义的内容；由于理论难度较大，课程内容上尽量以概念的讲授为主，讲授理论成果在研究中的必要过程和结论，并建立初步的工程应用思路。

工程参观：对于大跨空间结构，学生在刚刚接触时普遍存在的问题就是“什么是空间结构？我们身边哪些是空间结构？”不熟悉大跨空间结构的同学，总是认为空间结构离我们的生活很远。课程结合校园中的多个空间结构元素进行1个学时的参观，内容包括教学楼大厅屋盖桁架体系、单层球面网壳体系、活动中心平板网架体系、以及两个网壳结构体育馆缩尺模型，在此过程中还能熟悉空间结构的多种常见节点形式，以及玻璃幕墙体系等空间结构常用附属结构。

工程专家上课堂：结合学科的优势，邀请空间结构领域的著名工程专家上课堂讲课的形式已经开展了5年。受邀的工程专家主要为大型施工企业的技术负责人或管理人，拥有多年的空间结构施工经验，课堂内容主要是针对其具体工程施工中遇到的设计问题、施工技术，以及两者的衔接协调等给出解决方案。尽管理论难度不大，但很多巧妙的解决方案仍然能够引起学生思想的共鸣，从课堂效果来看，这是学生最喜欢的教学方式之一。

四、充分利用、合理设计课后作业

尽管在课堂上增加了较多的与实践相结合的内容，但是这还是仅培养了学生的兴趣以及对大跨空间结构的感性认识，对于工程设计的动手能力显然是不足的。为解决该问题，设计了一个课后大作业，学生择其一完成。大作业的内容如表2所示。可以看出，该作业主要是依据第二章的内容开展的，这主要是由于以下原因：（1）平板网架结构是大跨空间结构最基本的形式，该体系的设计方法和其他体系的设计有很多相同之处，也是其他体系设计方法的基础；（2）第2章的学时数多，教学内容详细，教学效果扎实，开展设计上手快；（3）平板网架结构有较好的设计软件支撑，可以大大减轻计算分析的工作量。除以上原因外，从表2还可以看出，该作业实质上并不是一个单纯的工程设计任务，而是通过大量的工程参数分析，研究网架结构单位用钢量与各工程参数之间的关系。所以，该作业不仅仅可以锻炼网架结构的设计能力，同时经过这些对比研究讨论，能够更充分地理解网架结构的受力特点和适用范围，并掌握一些基本的力学概念。

五、课程教学效果评价

在以上教学改革措施的促进下，课程取得了非常好的效果。由于课程是考查课，我们可以从学生就业情况进行一些分析。近些年，本校的毕业学生得到了国内大型设计院与大型钢结构施工企业的欢迎，处于“供不应求”的状态。在就业学生中，很多学生在进入岗位后即可开展大跨空间结构方面的设计、施工工作，而这正是这些企业的薄弱环节，这对补强企业的不足、以及就业生自身的快速发展均创造了良好的基础条件。

参考文献：

[1]赵基达，蓝天.中国空间结构三十年的进展及今后展望[J].工业建筑，2013，43（4）：131-138.