《钢结构基本原理》课程教学改革探索

邓建良，刘甜甜，张巍，郑恒斌

（1.华南农业大学 水利与土木工程学院，广东广州 510642；2.广东外语外贸大学 国际学院，广东广州 510420）

钢结构具有轻质高强、抗震性能好、工业化程度高等特点，相比于钢筋混凝土结构，其在高层建筑、大跨度结构和轻型结构等领域的应用具有显著优势[1-3]。钢结构是一种绿色建筑[4-6]，新建筑施工产生的污染少，废旧建筑拆除后材料再利用率高，能有效减少建筑垃圾，具有较高的环保性。近年来，随着我国经济和科技的不断进步，钢材的产量和质量不断提高，钢结构的应用领域已从高层和大跨结构向普通的中低层建筑结构扩散，包括住宅、商业建筑及别墅等[7]。高校作为人才培养的高地，应抓住契机，根据行业发展需求对钢结构教学进行改革探索，不断提高人才培养的质量，为钢结构产业的健康持续发展提供必要的人才保障。

目前，在大多数高校的课程体系中，钢结构课程都包含两门独立课程，即作为专业基础课的《钢结构基本原理》及其后续专业课程钢结构设计。钢结构基本原理课程的内容主要分为材料、连接和构件三个部分[8-9]，包含大量的公式和概念[10-11]，传统的多媒体加板书授课方式往往难以激发学生的学习热情。另外，课程在学时设置、培养目标、教材建设和考核评价等方面也有很多亟待改善的地方[12-14]。本文在深入分析当前《钢结构基本原理》课程教学中存在的问题和不足的基础上，以学生为主体、以教学质量为导向，对教学改革的方向和举措提出了一些新的思考。

1 钢结构基本原理课程教学存在的问题

1.1 课程学时少

目前各高校的钢结构课程计划学时大多沿用20世纪六七十年代的设置，鉴于当时的经济形势与政策，总学时基本在60学时左右，其中基本原理部分占30～40学时。部分高校钢结构基本原理课程学时设置情况如下[15]：哈尔滨工业大学和同济大学为56学时；清华大学、北京交通大学、湖南大学和西安建筑科技大学为48学时；华南理工大学和重庆大学为40学时；北京建筑大学和大连理工大学为32学时。一方面，21世纪之后我国钢结构产业发展日新月异，对钢结构专业人才的需求与日俱增，市场对人才的专业技术能力和职业素质的要求也越来越高。高校作为人才的输出地，应及时根据新变化改进钢结构课程的教学模式，以提高人才培养质量。另一方面，在大土木专业背景下，本科课程总学时下调，要增加钢结构课程的学时很难，培养方案的调整能确保学时不进一步减少。在学时有限的情况下，如何使学生更有效地学好专业知识、获得更强的专业综合能力，这是教师和必须要面对亟待解决的难题。

1.2 课程教学难

学生日常生活中接触到的建筑物大部分是钢筋混凝土结构，钢结构比较少，这种陌生感容易让学生觉得钢结构学起来比较难，会产生一定的畏难心理。《钢结构基本原理》课程理论性强、公式非常多，与材料力学、结构力学等力学类课程高度关联。学生如果在先修的力学课程中有些基本概念没有厘清，那么后续钢结构课程的学习就成了无源之水。当前钢结构课程的教学大多采用多媒体课件加板书的形式，信息传递的方式还比较单一，而钢结构无论从结构的形式（如复杂节点连接）还是计算理论（如局部稳定理论），对学生来说都具有一定的难度，尤其当学生缺乏良好的空间想象力和扎实的力学基础时，单一的教学方式难以把问题讲透。教学两难的状况在钢结构课程的教学中长期存在。

1.3 课程内容更新不及时

《钢结构基本原理》的教材一般主要参照钢结构设计规范（或标准）编写，同时也涉及其他相关的建筑设计规范，如建筑结构可靠性设计统一标准、建筑结构荷载规范等。建筑设计规范随着行业的发展会修改更新，而教材相应内容的更新往往滞后于建筑设计规范的更新。若一味按照课本内容讲授，学生则无法了解最新的设计理念和知识。教材内容中，无论是钢结构的材料、节点还是构件，都需要相应的配图来辅助描述，而这些配图几乎全部都是由简单线条构成的黑白平面图形。由于配图不够直观，学生读图比较困难，无法形成较强的感性认识，一定程度上影响了学生的学习兴趣和学习效果。随着近些年计算机技术日新月异的发展，钢结构设计的软件化程度已非常高，但大多数高校在本科阶段并不教授常用钢结构设计软件的使用方法和技巧。

2 《钢结构基本原理》课程教学改革的思考

2.1 教材内容适用化

力学概念清晰、文字清楚简洁、图表准确易读、内容与时俱进，是优秀的钢结构教材应该具备的基本特点。教材编者应时刻关注钢结构领域的最新发展和设计规范的修订，及时根据这些新进展更新教材内容；教师也应保持对学科和行业前沿的密切关注，在教材内容更新滞后的情况下，教师可以在自己的教学中反映这些新内容。为了平衡课程内容较多而计划课时偏少的矛盾，可以适当删减教材部分内容，精简重点的基本知识，删除一些不常用的难点知识，搭建一个适用的知识框架体系；也可以在保持原有内容不变的条件下，区分基本知识和延伸阅读知识并标记，使学生明确知识结构并根据自己的实际情况有选择性地学习。另外，将教材中的配图立体化并增加颜色或灰度区分，增强配图的直观性和可读性，有利于学生形象地认识钢结构连接节点的细部构造、各连接构件的空间位置以及荷载的作用方式等，进而提高对结构基本原理的理解。

2.2 教学资源立体化

伴随信息技术的高速发展，新一代大学生的学习方式和学习习惯发生了新的变化。网络已经成为当前大学生教育的一个新空间。为适应教育形势的新变化，教师应解放思想、与时俱进，主动利用互联网手段，将传统的课堂教学课件、影像资料和网络资源结合起来形成立体化的教学资源库。一方面，教师可以组建自己的网络课程空间，将与课堂教学内容关联的习题题库、课件教案、演示动画、现场视频、参考文献等教学资源进行共享，学生在课堂上专注于基本设计理论与设计方法的学习，课堂之外可以进一步延伸学习，不仅有助于课堂知识的消化，还能丰富知识架构；为了解决学生网络学习中的疑惑，还可以设置问答讨论区，实现师生间的在线交流。另一方面，教师应当充分利用已有的互联网平台课程。B站（bilibili）、学习通、爱课程、中国大学慕课（MOOC）等平台拥有各大高校的优质课程资源，课程资料非常丰富，学习方式也比较自由。积极鼓励学生通过这些平台进行钢结构课程的学习，在丰富学生学习方式的同时也培养了学生自主学习的能力。通过钢结构基本原理课程教学资源的立体化，不仅增加了教学时间，弥补了课时紧张的不足，又能够拓宽学生的知识面，打下扎实的专业基础。

2.3 教学方式多样化

在《钢结构基本原理》的学习中，公式推导不可避免，多媒体与板书相结合的传统讲授方式仍然不可忽视，在培养学生逻辑推理能力和力学功底方面不可或缺。与此同时，可以将枯燥的原理和抽象的概念具象化，激发学生学习兴趣，使学生在获得感性认识的基础上进一步深化对原理和概念的认识。在虚拟演示方面，可以使用3DMax等软件来建模模拟各种类型构件的制作安装过程，还可以采用Abaqus等有限元分析软件对各种受力状态的构件进行模拟，以获取构件应力变化和变形的视频动画，通过动画演示将构件从加载到破坏的全过程非常直观地展示在学生眼前；在实体工具方面，可以利用市面上物美价廉且具有高弹性的高分子材料制作教具，如用高分子材料长圆棒辅助讲授轴压杆的稳定问题、用高分子材料板制作工字钢辅助讲授压弯构件平面内外的失稳，还可以改变圆棒的长度来讲解长短栓的区别、改变工字钢截面的宽（高）厚比来展示整体与局部失稳的异同。

2.4 教学理念系统化

《钢结构基本原理》课程教学理念系统化包含两个层次：课程本身与课程之间。专业课程体系是一个逻辑性很强的知识网络架构，先修课程往往是后续课程的基础，同一学期的平行课程之间也深度关联，且单个课程内部各知识点之间也是环环相扣的。传统的课堂往往专注于基本知识点的教学，忽视了课程本身以及课程之间的系统性，以致学生在掌握知识点的同时难以形成网络化的知识体系，常常“只见树木不见森林”。首先，在开始钢结构课程之前概述课程的主要内容，引导学生对已学关联课程进行回顾，以明晰知识构架，使学生能从整个课程体系的角度理解钢结构课程所处的位置。其次，在课程教学过程中，指出钢结构课程知识点之间的联系（如受弯构件与压弯构件）以及钢结构课程知识点与其他课程知识点之间的联系（如柱子曲线与材料力学课程中的稳定理论），帮助学生形成网络化的知识体系，强化学生的综合能力，使学生能从更高的维度把握并应用专业知识。再次，在课程教学内容上，选择实际的工程案例，把钢材的选择、钢结构的连接及轴心受力、受弯、拉弯压弯三大基本构件等基础知识点都囊括进来，以工程案例为载体，引导学生以工程结构整体设计的视角去完成构件、连接节点等结构局部设计的学习，避免学生在课程结束后只会设计单个构件而不会设计整个结构的问题。

3 结语

高校作为专业人才培养的重要场所，其课程体系的设置和课程教学的质量应与科技发展和社会需求相适应。《钢结构基本原理》是土建类专业的基础核心课程，其教学成果的好坏将直接影响后续专业课程的学习效果、学生的专业综合能力以及就业竞争力。本文通过分析《钢结构基本原理》课程教学的特点和存在的不足，从教育活动的规律出发，对课程教学中教材内容的适用化、教学资源的立体化、教学方式的多样化及教学理念的系统化等改革方向进行了探讨，并提出了一些具体措施，以符合当今教育的发展需求，为新时代卓越专业人才的培养提供有益助力。