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基于“卓越工程师计划”的钢结构课程教学探讨

作者:admin 发布时间:2021-10-18 13:36

  摘要:钢结构课程作为土木工程专业的核心课程,其教学内容应随着建筑科技的发展和市场对人才要求的变化而不断完善,体现“卓越工程师教育培养计划”的根本要求。同时该课程教学应体现卓越工程师培养体系下的现代钢结构课程教学新思想,建立立体化的知识体系和正确的设计理念,强化钢结构力学分析能力。

关键词:钢结构课程;卓越工程师;教学研究;教学思想

 

  中图分类号:G6420;TU391文献标志码:A文章编号:10052909(2015)05006004

 

  2010年6月教育部启动了“卓越工程师教育培养计划”(以下简称“卓越计划”)[1-3]。该计划旨在为未来各行各业培养各种类型的优秀工程师后备军。

       钢结构是民用建筑的主要结构形式之一,这一行业的发展迫切需要一批具有创新理念和专业技能的优秀工程师。与钢结构行业对优秀人才的迫切需求相比,高校培养的钢结构专业人才数量相对较少,创新能力和工程实践能力较弱。为适应社会发展和建设对钢结构专业人才的需求,迫切需要对钢结构课程教学进行系统的改革与实践,培养具有扎实的钢结构理论基础,了解国内外钢结构新进展、新技术,能够将所学理论知识灵活应用于钢结构设计、施工等相关工作,具有较强创新意识和能力的具有卓越工程师潜质的专业人才[4-5]。
 
 
 
       优秀的工程师必须适应时代的发展,适应现代工程建设的需要,这就要求高校树立新的现代教学理念,创新教学方法。钢结构课程作为土木工程专业的核心课程,其教学内容应随着建筑科技的发展和市场对人才需求的变化而不断调整,体现了“卓越工程师教育培养计划”的根本要求。

一、现代钢结构教学的新思路。
 
 
 
(一)建立立体化知识体系。
 
 
 
       课程具有高度的系统性和逻辑性。然而,从课程体系的角度来看,相关课程之间往往很难建立相互关系,使得学生虽然对知识点掌握牢固,但无法有效形成立体的知识体系。知识体系的缺失会导致每个学生的课程考核。

(二)树立正确的设计理念。
 
 
 
        课堂教学除了传授专业知识外,还应培养学生的职业道德和正确的设计理念。钢结构课程的实践反映出学生缺乏正确的设计理念。部分学生在钢结构设计中过于追求经济效果,结构体系安全储备不足,导致截面过小,钢板过薄。验算虽能满足要求,但缺乏对实际工程加工安装中不利因素的考虑。有些学生过于注重“设计效率”。为了减少工作量,应采用变截面构件代替等截面构件,甚至梁柱也采用相同的截面。这些设计方法虽然能满足安全要求,但造成了材料的浪费。
 
 
 
这些问题最根本的原因是缺乏正确设计理念的指导。只有专业知识,没有正确的专业态度和设计理念,是无法成为一名合格的工程师的。专业知识可以从课本上自学,但设计理念必须由教师在教学过程中引导和灌输。
 
 
 
(三)钢结构课程教学应加强力学分析能力的培养。
 
        钢结构课程与土木工程材料、理论力学、材料力学和结构力学,特别是材料力学有着密切的联系,因为钢比混凝土和砌体更接近弹性体。在钢结构设计中,需要保证结构能够安全可靠地承受各种荷载,学好钢结构知识需要扎实的力学基础。学生普遍认为钢结构是一门难度较大的专业基础课。这主要有两个原因:一是力学基础不够扎实;二是结构力学分析能力差。
 
 
 
        钢结构课程的另一个特点是课程的知识点具有高度的关联性和逻辑性,不同的知识点大多通过基础力学联系在一起。一个知识点的缺失会直接影响到后续知识点的学习。因此,在课堂教学过程中,要因材施教,根据学生知识结构的差异,适当复习相关力学知识。这样可以从两个方面提高教学效果和质量:一是复习相关力学知识可以巩固学生的力学基础,使学生更容易学习和消化钢结构知识的要点;二是在夯实力学基础的同时,也将前期所学的基础理论知识与目前所学的钢结构工程内容联系得更加紧密,有利于提高学生在钢结构中的力学应用能力。

二、教学方法和策略。
 
 
 
钢结构课程具有内容多、知识点逻辑性强、概念抽象、公式多的特点。如果不能合理引导学生克服学习过程中的诸多困难,很容易导致学生厌学,使这门课难以学好。本课程的教学方法重在以学生为主体,明确学习的目的和意义,确立合适的学习目标,以促进学生发展为根本目的,指导学生的知识应用和工程实践。
 
 
 
(一)引导式教学,突出学生主体地位。
 
 
 
它是学生学习的主体,但要调动学生的学习积极性,突出学生的主体地位,还需要多方面的努力。鼓励学生运用专业知识解决钢结构中的工程问题,并进行典型工程案例教学,引导学生将专业知识应用于工程实践。营造适度活跃的课堂环境,过于严肃的课堂环境不利于培养主动思维,但过于宽松的课堂环境会影响学习效率和效果。在坚持以学生为中心的教学工作中,既要关注学生的学习和生活,又要营造健康的心理环境,避免学生厌学,使这门课程的学习能够促进学生未来的学习和工作。
 
 
 
(二)建立多元化的信息传递方式。
 
 
 
钢筋混凝土结构与砌体结构课程是钢结构的一门必修课。学生接触钢筋混凝土结构和砌体结构较多,接触钢结构较少,缺乏感性认识。有些学生力学基础比较差。虽然勉强能记住一些概念,但对钢结构课程中的关键知识点理解不透彻,灵活应用能力差。
 
 
 
课堂教学是教师向学生传递信息的主要途径,是学生获得感性认识、透彻理解关键知识点的第一场所。课堂教学中应建立多样化的信息传递方式,通过多种渠道帮助学生认识、理解和熟练运用系统丰富的钢结构课程内容。可用的传播方式有板书、PPT、图片、FLASH、短片、课后练习、课外练习等。比如课后安排时间带领学生参观在建钢结构项目。
 
 
 
值得注意的是,要重视课堂外的师生沟通,建立健全沟通渠道,加强师生联系,帮助学生解决课外学习中遇到的疑难问题,充分了解学生的学习发展过程。在交流过程中,遵循教学规律,突出钢结构课程的教学目标。通过有效的沟通,引导学生运用专业知识解决工程问题。
 
 
 
(三)更新和丰富课程的教学内容。
 
 
 
随着建筑科学技术的飞速发展,新的结构不断出现,工程建设领域出现了大量的组合结构和混合结构。钢结构课程教学应顺应社会发展,改革教学内容。组合结构和混合结构是当代新型建筑结构,钢结构在其中起着重要的作用。如钢筋混凝土柱与钢梁组成的混合框架结构,充分利用了钢筋混凝土柱抗压性能好、钢梁重量轻、强度高、变形能力好的特点,综合效益突出。这类新型建筑结构的设计与施工离不开钢结构的基本原理,但传统的教学内容已不能适应新型结构体系的推广应用。
 
 
 
在钢结构课程的教学内容中,应以钢结构基础知识为中心,对组合结构和混合结构的教学内容进行适当的辐射补充,丰富钢结构课程的教学内容,使学生了解钢结构在整个结构体系中日益重要的核心地位。这有利于拓展学生的知识面,使教学内容更贴近工程建设的近期发展,帮助学生将钢结构与其他结构形式紧密联系起来,进一步激发学生的学习动力。
 
 
 
三、系统的教学实践:以普通螺栓的计算为例。
 
 
 
普通螺栓连接的构造及计算讲解包括引言、螺栓布置及施工要求、螺栓受力、受力性能及剪力连接的破坏模式、剪力螺栓单螺栓承载力设计值、普通螺栓组在轴向力作用下的剪力计算、实例分析、课后思考及课堂总结等八个部分。
 
(1)引子
 
 
       该部分首先讲解钢结构中常见的连接方式,并补充工程图片,帮助学生获得各种常见连接方式的感性认识。简单对比钢结构与人体结构中节点的连接,引导学生了解连接在钢结构中的作用。介绍了螺栓连接的常见方式,分析了螺栓连接在工程中的优缺点,说明了螺栓的布置和基本结构要求。至此,学生对本次讲座的主要对象有了初步的了解。明确本课程的主要难点:普通螺栓剪切连接的四个受力阶段及相应的受力性能特点;了解普通螺栓剪力连接的五种破坏模式,理解并灵活应用剪力螺栓单螺栓承载力计算公式。
 
 
 
(2)剪切连接的力学性能和破坏模式。
 
 
 
这部分是本次讲座的重点和难点。在钢结构工程的应用中,可供选择的螺栓种类较多,且每个螺栓都有不同的受力特点和相应的设计计算方法,容易造成知识点混乱,不利于知识框架的建立。了解和区分不同螺栓特性的最好方法是了解每个螺栓从初始受力到最终失效的整个受力过程,明确典型的失效模式。因此,这部分的解释从科学实验开始。通过实验了解普通螺栓剪切应力的全过程,有助于学生分析剪切螺栓连接的五种破坏模式,为后续推导承载力计算公式奠定基础。
 
 
 
(3)普通螺栓组在轴向力作用下的剪力计算。
 
 
 
通过工程试验,学生对剪力螺栓连接的破坏模式有了深刻的认识。本文通过计算假设,将复杂的工程问题转化为相对简单的理论模型,利用学生熟悉的力学基础知识,推导出抗剪螺栓单个螺栓的承载力。最后,在单个螺栓承载力计算的基础上,分析了螺栓组内力分布不均匀的现象,推导出承载力折减系数。在工程设计中,用这个简单的因子来解决抽象内力分布不均匀的问题,用于确定连接所需的螺栓数量。
 
 
 
(4)实例分析。
 
 
 
选择《钢结构(第三版)》[6]中的实例3-8,计算螺栓布置是否仅在剪力v作用下能保证连接的受力安全。
 
 
 
本例为典型的普通螺栓连接实例,普通螺栓组承受剪力和弯矩。要检查螺栓组在剪力和弯矩共同作用下的连接强度,首先要学会检查剪力和弯矩单独作用下的连接强度。所以对于例3-8,首先不考虑弯矩的影响,只考虑剪力的影响,利用刚性学习的知识来检查剪力下的连接强度。这不仅有助于学生复习巩固本课的重要知识,也为解决复杂载荷条件下螺栓强度的验算打下基础。
 
 
 
(5)课后思考和课堂总结。
 
 
 
布置课后思考问题:螺栓杆由螺纹部分和无螺纹部分两部分组成,两部分直径相差较大。那么,在抗剪承载力设计值和承载力设计值的计算公式中,应该选择什么样的直径进行计算呢?
 
 
 
课堂总结三个关键知识点:普通螺栓的受力模式和结构要求;普通螺栓抗剪连接的承载力和抗剪连接的破坏模式;普通螺栓单个螺栓抗剪承载力的计算。
 
 
 
四.结论
 
 
 
“卓越工程师教育培养计划”是我国高等教育的一项重大改革工程。钢结构课程作为土木工程专业的核心课程,其教学理念、教学方法和课程内容应体现“卓越工程师教育培养计划”的根本要求。因此,应树立现代钢结构课程教学的新理念,建立三维知识体系和正确的设计理念,在钢结构课程教学中加强力学分析能力。教学改革的重点在于坚持以学生为主体,明确课程学习的目的和意义,确立合适的学习目标,积极引导学生应用专业知识参与工程实践。
 
 

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