钢结构原理主动学习方式的教学实践

陈华婷 许坤 黄艳 刘学春

摘  要：钢结构原理是土木工程专业的学科基础必修课，也是道桥方向钢桥课程的先修课。钢结构原理教学内容多、学时少、无课设，如何在现有教学计划的有限学时内最大程度增强学生的实践能力是急需解决的问题。基于学习金字塔理论，教学设计中全面融入主动学习方式，激发学生的学习主动性；采用课堂检测、思维导图、多样化课程作业促进学生对专业理论和专业技能的学习并综合运用所学知识。主动学习方式促进学生实践能力和创新能力的培养，可为同类性质课程的教学提供参考。

关键词：钢结构原理；公路桥梁；教学方法；学习金字塔理论；主动学习；实践能力；创新能力

中图分类号：G642        文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2023）35-0112-05

Abstract： Steel Structure Principles is a compulsory course for all civil engineering undergraduates and a pre-requirement to taking the Steel Bridge course for those interested in road and bridge engineering. The course teaching faces many challenges， such as numerous teaching content， limited teaching hours， and a lack of practical design projects. Maximizing students' practical ability within the limited teaching hours of the current curriculum is an urgent problem to be solved. Active learning methods are employed to stimulate students' learning initiatives based on the learning pyramid theory. Moreover， classroom quizzes， mind mapping， and diverse course assignments are used to promote students' learning of professional theories and skills and comprehensively apply their knowledge. Active learning effectively improves students' abilities of practice and innovation， providing a valuable reference for courses of a similar nature.

Keywords： Principles of Steel Structure; highway bridge; teaching method; learning pyramid theory; active learning; practical ability; innovative ability

為充分发挥钢结构桥梁性能优势，2016年7月交通运输部印发实施《关于推进公路钢结构桥梁建设的指导意见》，大力推广钢箱梁、钢桁梁、钢混组合梁等钢结构桥梁[1]。桥梁工程钢结构设计、施工等方面的专业技术人员比较稀缺，且需求缺口仍在不断增大[2]。作为人才培养的主战场，普通高等学校在本科生培养过程中加强钢结构原理与钢桥设计施工等相关内容的教学至关重要[3]。

钢结构原理[4-5]是土木工程专业的学科基础必修课，也是钢结构设计、钢桥[6-7]等课程的先修课。钢结构原理教学内容多、学时少[8]，且往往没有配套的课程设计等实践环节。现代钢结构桥梁建设行业发展、卓越工程师培养计划、创新创业教育均对高校钢结构人才培养提出了以工程实践能力和创新能力为核心的要求[8-10]。为了达成上述目标，北京工业大学土木工程专业道桥方向专业教师运用学习金字塔理论及主动学习方式强化学生的主体性和积极性，探索在有限的学时内最大限度增强学生的实践、创新、分析和应用等能力的教学方法。

一  金字塔理论与主动学习方式

美国教育家爱德加·戴尔于1946年提出了视听教学方法的经验之塔[11]，认为越直接非抽象的经验越靠近金字塔底部。美国缅因州国家训练实验室利用学习金字塔（图1）形象地展示了采用不同的学习方式后，学习者在两周以后还能记住内容的多少（学习内容平均留存率）。根据金字塔理论，学习方式分为被动学习和主动学习两大类，传统教学中的听讲、阅读、视听和演示均为效率不高的“被动”学习，学习内容平均留存率不足30%；学习者自己讨论、实践、归纳总结甚至教授给他人为高效的“主动”学习，学习内容平均留存率可高达90%。近年来，学习金字塔理论在高等教育领域逐渐应用，主动学习方式有利于学习者构建有效的知识体系[12]，但在工科类本科教学中推广主动学习方式的实践还有待完善[13]。

因此，钢结构原理教学设计应尽可能多地融入主动学习方式，从而提升学生专业理论掌握和专业技能训练的学习效果。

二  专业理论的主动学习

钢结构原理主要讲述钢结构基本构件及其连接的设计计算理论与方法，目标是学生能够熟练地运用所学知识进行钢结构构件的设计计算。课程主要内容包括钢结构基本概念、钢结构材料、钢结构连接、钢桁架构件、钢板梁、钢-混组合梁、钢管混凝土构件[4]。针对钢结构原理教学内容多、学时少的现状，通过课堂检测和思维导图，利用讨论、教授给他人、归纳总结、实践的主动学习方式促进学生高效掌握专业理论并构建知识体系。

（一）  课堂检测

结合课程教学的重点与难点设计课堂检测题目，在平常课堂讲授过程中或每章结束后使用[13]。典型内容包括受剪螺栓的破坏形式、角焊缝的构造要求、影响轴心受压构件整体稳定性的因素、钢板梁整体稳定临界应力的主要影响因素及提高整体稳定承载能力的方法、疲劳极限状态的计算方法与规范要求等。题型为选择、判断等客观题，利用线上教学的章节测验和自动批阅功能可即时得到全班每名学生每道题答题情况的反馈（图2）。作业发放时设置题目乱序（学生接收到的题目显示顺序不同）和选项乱序（学生答题时题目的选项顺序不同），鼓励学生讨论并互相解答疑问。主动学习方式有效加强了学生对基本概念、基本原理、基本方法的掌握与巩固。

（二）  思维导图

受学时限制，课堂教学通常主要围绕重点与难点。为引导学生进行知识体系的完整建构，通过额外加分的方式鼓励学生梳理每章的思维导图。思维导图通常图文并茂，通过主题关键词与图像、颜色等的链接，重在表现各级主题的相互隶属与层级关系[13]。思维导图有利于学生构建知识框架、掌控学习过程、达成预期目标并提升学习自信，在复习巩固阶段至关重要。学生在课件和教材的基础上，归纳总结，利用MindMaster、iMindMap、XMind等软件绘制思维导图，图3展示了学生绘制的钢板梁的思维导图。主动学习方式有效加强了学生对知识体系的完整建构和内化。

三  专业技能的主动学习

如何在缺乏课程设计学时、经费和时间受限的情况下最大程度增强学生的工程实践能力是普通高等学校工科教学面临的普遍挑战。对于土木工程学科而言，课程作业是帮助学生掌握计算分析、提高专业技能、增强工程素养的可操作性较强的主动学习方式。但学生完成传统课程作业的积极性通常不高，甚至由于书本作业过于简化、有统一而明确的答案而存在抄袭现象[8]。因此，需采用多样化课程作业增强课程作业本身的挑战性、趣味性、创新性，从而激发学生的学习热情，充分发挥课程作业以实践为主，并融合讨论与教授给他人的主动学习方式的价值。

（一）  工程设计型作业

借鉴文献[14]的经验，钢结构原理教学开发了典型钢-混组合梁的工程设计型课程作业。工程设计型作业以任课教师主持完成的实际钢桥的施工图设计为主线（须提供必要的设计图纸给学生，最好有简化的计算说明书或有限元模型示例）贯穿课程主要内容和知识点。作业分割成钢结构材料选取、钢结构连接设计、横向纵向联结系内各种桁架构件设计、钢板梁设计、钢-混组合梁设计五部分，各部分有明确的任务要求。通过问卷调查方式将学生分组，每组3～5人，允许学生自愿组合并选择作业任务。随着课程学习逐步进展，各组同学完成相应部分的课程作业，作业安排示例见表1。工程设计型作业需要学生将所学理论知识直接应用于作业，促进了学生全面把握钢结构构件和连接的强度、刚度、稳定及疲劳计算。

（二）  数值模拟型作业

钢结构原理教学也提供了学生完成数值模拟型课程作业的选择。数值模拟型作业需要指派研究生助手，要求学生利用Midas或ABAQUS软件建立特定主题的数值仿真模型或动画演示。可选主题包括轴心受压构件整体失稳、受弯构件弯扭耦合失稳、钢板梁局部失稳、焊接残余应力、钢材脆断及钢材塑性破坏等力学概念主题和各种节点的构造连接主题。图4展示了鋼板梁整体失稳作业要求及学生成果。有限元方法构建的数值仿真演示模型既可增强学生对钢结构体系和构造细节的感性认知[15]，加深他们对构件不同破坏模式和连接传力路径等理论知识的理解[16-17]，也有助于学生数值建模水平和计算分析能力的提升[18-19]。

（三）  探讨研究型作业

结合钢结构原理课程教学难点、钢结构研究热点及任课教师的专长，设计了探讨研究型课程作业。探讨研究型作业涵盖钢桥与正交异性钢桥面板疲劳病害、焊缝的质量与检验标准、压弯构件有效截面计算、钢-混凝土组合连续梁负弯矩区裂缝控制措施等主题，如图5所示。要求学生通过资料查找和简单分析，按照科技小论文的要求整理成果并汇报。探讨研究型作业有助于学生深入理解课程某些内容，能锻炼学生自主学习、查找资料、归纳整理的能力[15]。

四  效果评价

为保障教学设计中主动学习方式的有效实施，需适当调整考核标准[20]。目前，课堂检测、思维导图、课程作业等明确需要学生主动学习的环节的成绩占总成绩的比重为40%～60%。近年的实践取得了良好的教学效果（图6），学生们较好地经受了钢桥学习、考研、毕设等环节的检验；学生总体评价课堂内容丰富、条理清晰、重点难点突出，学生满意度平均为90.6%；学生反映对课堂检测、思维导图、多样化课程作业等环节直接相关的课程内容印象更深刻。

五  结束语

公路行业推进钢箱梁、钢桁梁、钢-混组合梁等钢结构桥梁建设对高校培养设计、制造、施工和养护等钢结构专业人才提出了更高的要求。面对专业课学时缩减、课程设计实践环节缺失等挑战，北京工业大学土木工程专业道桥方向钢结构原理教学近些年探索了在现有学时内增强学生实践能力和创新能力的教学方法。基于学习金字塔理论，在教学设计中全面融入主动学习方式，通过课堂检测、思维导图、工程设计型作业、数值模拟型作业及探讨研究型作业激发学生学习热情，增强结构体系概念和构造细节空间感，促进学生对专业理论和专业技能的学习，培养学生综合运用所学知识的能力。钢结构原理课程的教学探索可为同类课程的教学改革提供有益的借鉴与参考。

参考文献：

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