面向理论—实践—创新的教学改革与思考——以“大跨空间结构”课程为例

孙国军，吴金志，薛素铎

（北京工业大学 城市建设学部，北京 100124）

随着社会经济与技术的发展和人民生活水平的提高，对于大跨度大空间建筑的需求越来越多，如大型的体育场馆、会展中心、车站候机厅、飞机库等［1］。伴随着新材料、新结构、新技术的不断涌现，这些大跨度空间建筑设计和施工与传统的结构存在较大的差异［2-3］。尤其是一些超大跨空间结构，可能会存在着较多的预应力构件，导致其分析设计与施工成型较为困难，在设计和施工方面的技术需求更多，这对空间结构技术发展提出了更高的要求，对所需的复合型人才缺口更大。另外，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，对土木工程专业学生专业知识体系提出了新的要求［4］。为适应形势的发展和人才培养的需要，北京工业大学（以下均简称“我校”）十多年前面向土木工程专业的本科生及研究生开设了“大跨空间结构”课程，并在人才培养方面取得了很好的效果，选修该课的学生在毕业后的设计和施工中深刻体会到了该课程的作用。

我校以国家“一流学科”建设为契机，以建设国际知名、有特色、高水平研究型大学为目标，主动适应国家和北京经济社会发展新要求，面向学科前沿调整布局、优化结构。由于“大跨空间结构”的特殊性和前沿性，不同高校师资专业技术水平和工程实际设计经验存在一定的差异，目前能够开设该门课程的高校还比较少。我校空间结构研究中心经学校批准并于2002年成立，中心已经建设成为具有合理的年龄结构、稳定的研究方向、丰富的教学科研与工程经验的教学科研机构。结合中心相关教师的特长与土木工程教学体系，“大跨空间结构”课程被调整为特色专业限选课，对这门课程的本科教学提出了新的挑战，课程的教学也需要与时俱进，不断创新，以适应“一流学科”建设和创新型人才培养的目标。为了充分发挥课时的效果，就需要对“大跨空间结构”课程进行优化调整［5］，一些人已经进行了一些尝试，将案例引入课堂教学中，有助于提高教学效率和教学质量［6-9］。

目前对于空间结构的认识仍为传统钢结构基本原理及钢结构设计的延伸［10］，但我国空间结构水平逐步提升，网壳结构、张弦结构、弦支穹顶、索网结构、张拉膜结构、气承式膜结构等在实际工程中发展迅速，空间结构已经成为一门独立的发展学科。本课程应该重点突出空间结构的特点，结合课程思政理念和新工科理念进行教学设计，不能简单地定义为钢结构的延伸。本文着重介绍了“大跨空间结构”教学内容现状、教学的改革措施及改革成果。

一、“大跨空间结构”课程研究现状

“大跨空间结构”课程是非常重要的专业课程，理论知识较多，但大多比较枯燥。传统的教学存在“满堂灌”的教学思想，把结构涉及的一些相关理论观念直接介绍给学生，学生感觉枯燥无味，学习效率不高。如何充分调动学生学习热情和积极性是值得探讨的，同时如何提高课程的实践性也是需要去研究的。

我校城市建设学部结合本科生教学目标和培养卓越工程师的要求，充分调研毕业生就业去向，已将“大跨空间结构”列为城市建设学部极其重要的一门专业课。但是“大跨空间结构”包括的结构体系多种多样，基本的分析设计理论及施工方法存在较大差异，导致了本课程授课内容繁杂，同时课程思政的要求对教学内容梳理提出了更大的挑战，在有限的课时内既要完成全部的授课内容，还要使学生对空间结构形成系统的认识，具有一定困难。同时，大学学习中学科细化，学生多是分开汲取学科知识，很难将多专业知识融会贯通、全面掌握，学生掌握的技能和岗位之间存在很大差距。此外，毕业生在校期间的理论学习和实践应用之间存在脱节也是造成这种差距的原因之一。

传统的教学模式已经不能满足岗位需求，落后于现在的人才培养要求，因此针对这种情况，应根据实际工程人才需求，以就业为导向，及时调整“大跨空间结构”教学内容和方法，培养出适应社会需要、企业需要的技术人才，达到卓越工程师的培养目标。因此，根据教育部培养卓越工程师的计划和要求，亟须对现有的教学模式进行改革，优化教学理念，调整授课内容，转变教学方法；鼓励教师学习“大跨空间结构”分析设计软件；充分利用校内外教学资源，增强理论和实践教学的结合，多方面锻炼学生的专业素质，强化学生的工程能力和创新操作能力，以达到培养卓越工程师的计划要求。

二、“大跨空间结构”研究与探索

在进行“大跨空间结构”的教学时，基本的教学内容包括网格结构、薄壳结构、索结构、膜结构等几大类结构型式，同时还包括不同类型大跨空间结构中普通钢构件、拉索构件、建筑膜材构件设计，以及相应的建筑结构荷载设计。传统的讲解介绍后，学生会对大跨空间结构相关知识有一定的了解，但不能具备类似混凝土结构和钢结构的基本设计分析能力。基于此，本文对“大跨空间结构”教学方式提出新的研究探索。在教学上实行结合空间结构中心教师方向进行教学，不同大跨空间结构知识由擅长空间网格结构、索结构和膜结构的教师分别教学，同时引入思政和专业理论知识相融合的教学，详细地介绍我国重要的大跨空间结构代表作，提升学生的民族自信心。本文对“大跨空间结构”课程的教学主要按照以下几个部分进行介绍。

（一）思政课程内容

“大跨空间结构”的课程思政主要从三个方面展开：（1）对我国空间结构事业的奠基人和开拓者的事迹进行讲解。我校空间结构中心主任薛素铎教授是国际薄壳与空间结构学会（IASS）中国区执委，同时是中国钢结构协会空间结构分会理事长，中心还有多位教师也是国际薄壳与空间结构学会会员，且兼任空间结构相关的学术组织和协会组织的骨干成员，从事空间结构教学科研与工程实践多年，基本已经掌握我国空间结构发展进程。在此基础上，对我国空间结构事业的奠基人和开拓者的事迹进行进一步梳理，形成典型的英雄人物案例。（2）将我校空间结构中心的科研成果直接应用于我国重大的空间结构工程项目。我国经济实力及建筑水平已经有了飞跃式的提高，各地均已兴建了大批典型的空间结构工程。空间结构中心教师带领学生直接参观学习多项实际的工程项目，树立了学生的自信。同时，进一步弘扬刻苦攻关的精神，充分地梳理相应的科研成果在我国重大工程的应用情况，将自身的发展与祖国的发展紧密结合起来，增强爱国主义精神和工程责任担当。（3）空间结构中心教师主讲多门学生专业课程，教师在课堂教学上通过具体的实际案例并且结合案例背后的故事，充分调动学生的积极性。另外结合教师自身科研方向，将多个专业知识点分解融合，让学生各自发现学习的侧重点与难点。同时，针对空间结构体系研发、工程抗震、抗风、抗火等具体知识点，建立多个典型的课堂教学案例。

（二）专业知识内容

对于专业知识内容方面，要重点突出空间结构的内容，结合实际工程中用到和发展的新技术、新体系及新型节点构件，如自由曲面空间网格结构、新型大开口索结构体系、异形充气膜结构等，及时更新教学过程中的知识传授，紧跟发展的前沿，追踪学科的发展动向。教学不能闭门造车，一直停滞不前，停留在一些已经过时或者由于性能不佳而淘汰的技术上，需对“大跨空间结构”的授课内容进行调整。之前的空间结构主要是对每个体系的结构进行单独的介绍和分析，很容易造成学生无法系统把握空间结构整体分析，容易混淆各个结构之间的共同点及不同点。基于此，将空间结构授课内容进行调整，首先从概念上介绍各个结构体系，然后对比分析各个结构的不同点与共同点，并举出各个结构体系不同的案例，让学生对空间结构各个体系有较为总体的把握。然后，根据我校空间结构中心各个教师平时较为擅长的结构体系进行分块授课，这样可以充分地发挥每个结构体系深入的教学优势。最重要的是要对现有的“大跨空间结构”知识进行更新，目前已经有许多大跨空间结构相关新的技术规程出台，例如索结构技术规程、膜结构技术规程、钢网格结构螺栓球节点用封板、锥头和套筒等一系列大跨空间结构规程。将这些已经在国内较为先进的技术应用介绍给学生，使学生对空间结构的前沿态势有所感知，培养其对空间结构感知和理解能力。除此之外，空间结构中心举办“空间结构论坛”活动，积极邀请我国空间结构奠基人蓝天研究员、沈世钊院士、董石麟院士，以及各个兄弟高校的知名教授专家进行空间结构方面的报告，激发学生的学习热情和创新意识，还可以了解各个工程背后的感人故事和工匠精神，提升学生的爱国主义情怀。

（三）实践实操内容

“纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行”，对于土木工程专业来说，除了传统的授课以外，还应讲求实践。除了在课堂上对学生进行空间结构概念上的教育以外，还应该带领学生参观学习实际工程项目、参加全国空间结构会议及参加结构设计大赛进行交流等活动，提高学生对“大跨空间结构”的理解与思考。同时还能让学生身临其境感受“大跨空间结构”的建筑之美，可以在实际结构中认识学习各类结构的杆件、节点。在参观学习过程中学生还可以随时随地提出自己的疑问与教师及其他学生进行讨论、解决，加强学生对理论知识的理解。通过参观学习还无法从根本上解决学生对空间结构的认知，需要让学生动起来，鼓励学生积极参加结构设计大赛，并在结课时要求动手搭建空间结构模型或者通过专业软件分析设计典型的空间结构，让学生自己思考结构的优缺点和对结构提出改进的措施，从而激发学生的创新意识。

三、改革研究总结

通过对“大跨空间结构”课程的探索和研究及在上课过程中多和学生进行沟通得到的反馈，了解了学生对“大跨空间结构”的实际需要和授课需要着重强调的部分。基于此扩展和调整了“大跨空间结构”课程的授课内容与方式。首先将思政课程引入“大跨空间结构”中，极大地提高了学生对国家在建筑领域取得的卓越成就而产生的自豪感，也提高了学生的民族自信心。通过对空间结构内容的调整，学生对课程也从以往觉得无趣到现在能够主动积极地参与到课堂上来，学生能够熟练地掌握空间结构的要点，并且可以学习空间结构最新的发展技术。除此之外，通过参观实际工程、参加结构设计大赛、制作模型与计算设计结构，学生很好地了解了目前空间结构发展态势，也提高了学生的动手能力。通过对空间结构课程的研究和探索，使学生为以后在“大跨空间结构”设计、施工或者科研方面的发展打下坚实的基础。