基于具象化与案例化教学结合...《钢结构原理》课程改革探讨_钟永力.pdf

Chongqing Architecture68第 22 卷 总第 235 期收稿日期：2022-08-16作者简介：钟永力（1989），男，贵州遵义人，博士，副教授，主要研究方向为结构风工程。DiscussionontheCourseReformofthe“PrinciplesofSteelStructures”CourseBasedontheCombinationofFigurativeandCase-basedTeachingZhongYongli,YanZhitao,SunYi,WanHongyu,LiuXinpengAbstract:Aimingattheproblemthatpartofthecontentofthecourse“PrinciplesofSteelStructures”isrelativelyabstractanddisconnectedfromtheactualengineeringcases,ateachingmethodisproposedcombiningthefigurativeteachingmethodwiththeactualengineeringcasesofsteelstructures,toexploretheteachingmethodsthatcombinetheoreticalteachingwithpracticalengineeringapplicationsandthataccordswiththegoaloftrainingappliedtalents.Thenthecontentsandideasofsuchcombinationforteachingreformisexpounded.Ithasimportantpracticalvalueforimprovingthecourseof“PrinciplesofSteelStructures”forcivilengineeringmajorsinapplication-orientedundergraduatecolleges.Keywords:figurative;case-basedteaching;“PrinciplesofSteelStructures”;teachingreform0 引言钢结构原理是土木工程专业的核心课程，其在土木专业教学中起到承上启下的核心作用，是连接基础力学课程和工程设计课程的纽带，该课程教学质量直接关系着学生后续学习（如钢结构课程设计以及毕业设计等）的效果，也决定着学生能否学会举一反三地解决实际工程问题的能力。因此，钢结构原理课程的教师必须充分发挥主观能动作用，主动将课程知识点与土木工程中的实际工程问题相联系，将书本上抽象的知识点与实际工程中的实物进行对照讲解，使学生能相对全面地掌握钢结构构件、材料、连接的基本知识，领会钢结构分析的原理，具备一定的基本构件的设计能力。1 钢结构原理教学存在的问题目前的钢结构原理课程教学实践更侧重于理论知识讲解，其中包含大量的抽象力学概念和公式，涉及高等数学、材料力学、结构力学等；此外，钢结构原理与实际工程结合密切，而普通本科院校的本科学生缺乏实际工程概念，造成学生学习难度大，与工程应用脱节严重。总的来说，目前钢结构原理课程主要存在以下问题：（1）教学内容丰富，课程结构单一钢结构原理在土木专业人才培养中占据十分重要的地位，它既是以力学分析为主的一门课程，又是与工程实际结构联系较为紧密的一门课程，更与后续培养环节息息相关。目前的钢结构原理课程主要以理论讲授为主，未设置实验环节，课程结构单一，无法满足学生将理论学习与实际工程应用相结合的要求，更无法满足培养应用型人才的要求。（2）教学方法不够形象目前针对土木专业的钢结构原理教学主要依靠理论讲授，结合多媒体资源的方式进行知识点讲解，导致学生对抽象的概念例如应力分布等难以理解，容易产生厌学情绪和畏难心理。这是一种被动式的学习，使得学生对知识的理解仍停留在课本上的例题和习题中，难以将其与实际工程问题联系起来，更难以利用知识点解决实际工程问题。（3）课程实践环节缺失钢结构原理中的许多理论都是以实验为基础建立的。以笔者所在本科院校为例，目前，钢结构原理并没有设置课内实验内容，学生难以将理论讲授的知识点形象化，无法实现让学生具备利用理论知识解doi：10.3969/j.issn.1671-9107.2023.05.68基金项目：重庆科技学院本科教育教学改革研究项目（202134）；重庆市教育教学改革研究项目（193239）。引文检索：钟永力，晏致涛，孙毅，等.基于具象化与案例化教学结合的钢结构原理课程改革探讨 J.重庆建筑，2023（5）：68-69+72.基于具象化与案例化教学结合的钢结构原理课程改革探讨钟永力，晏致涛，孙毅，万虹宇，刘欣鹏（重庆科技学院建筑工程学院，重庆401331）摘 要：针对钢结构原理课程中部分内容相对抽象，与实际工程案例脱节的问题，提出采用具象化教学方法与钢结构实际工程案例相结合的教学手段，探索理论教学与实际工程应用相结合的、符合应用型人才培养目标的教学方法，阐述了结合具象化与案例化教学改革的内容与思路，对提升应用型本科院校土木工程专业钢结构原理教学课程具有重要的实践价值。关键词：具象化；案例化教学；钢结构原理；教学改革中图分类号：TU391-4；G642 文献标识码：A 文章编号：1671-9107（2023）05-0068-0369建筑教育Architecture Education 2023NO.053 教学方法改革思路具象化与案例化结合的钢结构原理教改方法具体的研究思路和方案如图 1 所示，以笔者所在院校为例，采用的具象化方法以数值模拟方法为主。图 1 研究思路（1）在理论课讲授环节，首先从钢结构原理课程教学知识点和章节内容的梳理出发，完成钢结构课程中代表性构件的模型库，通过数值软件建立三维模型并施加相应荷载，从而直观、全面反映构件的特征，可以生动地模拟一些学生不容易想象的钢结构构造细节以及破坏过程，例如：螺栓连接、焊缝连接以及构件的各种失稳破坏等。对理论课教学活动中的知识点讲解和模型展示的教学流程进行研究，设计基于理论讲解和三维模型展示的钢结构原理理论课授课流程和方案，并录制相应的建模微视频，便于学生学习模仿。（2）收集大量的工程案例，形成工程实际案例库，需要强调的是，收集的工程案例应尽可能简单，尤其应该以一些简单的框架结构和屋架结构为主，一方面适合本科阶段学习模拟，另一方面可以为后续的钢结构原理课程设计以及毕业设计打下一定的基础；然后，根据各章节知识点之间的联系，选择合适的工程实际案例进行必要的归纳和总结，通过对各章节内容进行梳理，选择工程应用性较强的内容，提炼一些适合数值模拟的简单问题。（3）由于本科生单独完成一项数值模拟任务难度较大，教师可根据具体的情况安排学生分组，让每个同学发挥自己的所长，分工合作，鼓励学生基于学习内容去寻找问题，也可以让学生在教师提炼的简单问题中选择，这样既能让学生巩固知识点，也能让他们在能力范围内，完成写一份项目计划以及任务书。由此，学生就可以在教师的指导下，根据自己制定的任务计划进行模拟研究。在这个过程中可以锻炼学生各方面的能力，比如文献阅读能力、软件学习能力、团队协作能力等。最后通过简单的数值方法解决问题，得出结论。（下转第 72 页）决工程实际问题的应用型人才培养目标。综上，目前钢结构原理课程教学存在教学内容与课程结构相矛盾，以及实验环节缺失的突出问题，致使钢结构原理课程教学与工程实际运用之间存在脱节，无法满足应用型人才的培养目标，需要对现有的教学方法和教学内容进行改革，以提升学生的学习积极性和学习效果。2 具象化与案例化结合的钢结构教学改革内容具象化教学法是一种将难以理解的抽象概念通过具象的事物或方法传递给学生，让学生通过具体化的例子和数形结合的过程记住知识点，并能够融会贯通地把知识点运用于实际问题中。该方法已在数学、计算机操作系统等课程教学中得到应用，取得了较好的效果。将具象化和案例化教学引入到钢结构原理课程教学中，解决目前钢结构原理课程教学内容抽象、与实际工程应用严重脱节，学生积极性差、难以形成工程概念的问题。结合土木工程中大量的实际工程案例，将抽象的知识点具象化和案例化，采用理论讲解和具象化事物的结合，问题寻找与探索研究相结合，对提升课程教学的趣味性、实用性具有重要作用，对实现应用型人才培养的目标具有重要意义。将具象化教学方法应用于钢结构原理的教学过程中，通常可以采用现场参观、试验模拟以及数值仿真的方法进行1-4。但是，由于钢结构试验成本较高，仅一些科研实力强以及经费充足的高校有条件实施，大部分高校通常采用现场参观的方式，对一些在建的或者已完工的钢结构项目进行参观，由授课教师或者项目技术人员进行讲解，可以一定程度上加深同学们对钢结构实体的认识和理解，然而这种方式属于被动接受，根据作者及教学团队教师多年的经验，对于学习积极性较差的学生而言，效果并不理想。此外，随着计算机技术的发展，数值仿真技术在钢结构中得到了越来越广泛的运用，尤其是在科研与工程设计方面，目前，在钢结构教学中运用数值仿真进行教学较少5-7，一方面是由于本科生对钢结构的认识与理解仅停留于教材层面，不能与实际工程相结合；另一方面是由于大部分有限元数值模拟软件的入门难度对于本科生而言相对较高，例如 ANSYS、ABAQUS、SAP2000 等，而且目前大部分辅导资料偏向于科研以及工程设计，针对本科教学中所学习的构件分析以及相应的连接讲述很少，让本科学生无从下手。在实际教学中，可以采用三种手段相结合的方式进行具象化教学，对于不同教学条件，适当进行调整，确定以一种方式为主，另外两种方式为辅。以笔者所在本科院校为例，受到条件限制，主要采用数值建模的方式进行，以现场参观以及试验研究为辅。基于学生在生产实习或者认识实习中接触到的实际工程案例，或者教师可以基于自己科研项目中的试验研究进行视频录制，给学生分享讲解，就可以采用数值仿真的方法形象地展现出钢结构复杂的结构形式与受力变形特征，同时也能让学生掌握简单的数值软件使用方法，让学生在钢结构设计原理教材范畴内，寻找自己感兴趣的问题，并通过小问题形成小课题，进行简单的数值研究。Chongqing Architecture72第 22 卷 总第 235 期的评分标准，标准制定的出发点是衡量学生解决工程实际问题的能力，具体标准如表 1 所示。表 1 市政工程计量与计价非标试题的评价标准评分标准试题分值等级评分区间试题一：题目：市政土石方工程计量。考试要求：依据提供的案例，结合所学知识和市政工程工程量计算规范（GB508572013）中土石方工程的对应章节，谈谈你将如何计量。20优秀：结合案例，对土石方工程的计量理解透彻。1820良好：结合案例，对土石方工程的计量理解较透彻。1617中等：结合案例，对土石方工程的计量有一定的理解。1415合格：对土石方工程的计量有基本阐述。1213不合格：对土石方工程的计量没有基本阐述。011试题二：题目：市政工程费用的组成和分类。考试要求：从案例的实际情况出发，运用所学过的工程费用的组成和分类的相关知识，设计一道计算题，并分析解题思路。20优秀：结合案例，运用工程费用的组成和分类的相关知识，设计的计算题合理，分析过程清晰且符合逻辑。1820良好：结合案例，运用工程费用的组成和分类的相关知识，设计的计算题较合理，分析过程较清晰且符合逻辑。1617中等：结合案例，运用工程费用的组成和分类的相关知识，设计的计算题基本合理，分析过程有一定的阐述。1415合格：运用工程费用的组成和分类的相关知识，设计的计算题的分析过程有基本表述。1213不合格：没有运用工程费用的组成和分类的相关知识，设计的计算题的分析过程没有基本表述。0113.3非标考试试题的实践本课程在 2019 级学生中初步实施了非标试题命题，以实际工程为例，要求学生从土石方、道路、管网、费用等几个方面进行解答。这些问题没有标准答案，学生给出了不同的