余玉潔 丁發(fā)興

［摘 要］鋼結構設計原理課程作為土木工程領域的專業(yè)基礎課，其在土木工程專業(yè)教育的重要性日益突出。為更為有效地調(diào)動學生學習的積極性，提升學生的應用能力，文章對鋼結構設計原理課程教學提出基于創(chuàng)新和應用能力培養(yǎng)的案例場景分析式教學方法，從當前我國建筑業(yè)的主要發(fā)展戰(zhàn)略以及熱點話題出發(fā)，提煉與鋼結構設計相關的項目案例，與鋼結構設計原理相關的課程教授相結合，采用案例式教學以及場景分析式教學來激發(fā)學生的學習興趣。

［關鍵詞］鋼結構設計原理；案例式教學；社會熱點問題；課堂教學；新媒體技術

［中圖分類號］ G642. 0; TU391 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 2095-3437（2022）11-0035-04

隨著中國鋼產(chǎn)量的快速增長以及鋼結構制造水平和施工技術的不斷提高，鋼結構越來越多地被應用于房屋建筑、能源交通、電力通信、海洋開發(fā)等基礎性建設工程。近年來，隨著我國鋼鐵產(chǎn)能的提升，在“一帶一路”倡議[1]以及建筑工業(yè)化轉型升級等的推動下，鋼結構工程的建造范圍和需求量日益擴大。從2018年開始，國務院及住建部的一系列政策多次明確指出大力發(fā)展裝配式鋼結構建筑，重點強調(diào)鋼結構住宅的研發(fā)、應用和推廣。住建部2020年九大重點任務中即有“總結推廣鋼結構裝配式等新型農(nóng)房建設試點經(jīng)驗”“大力推進鋼結構裝配式住宅建設試點”兩項關于裝配式鋼結構建筑的推廣目標。隨著國家“十四五”規(guī)劃的開局實施，全面推進鄉(xiāng)村振興以及提升農(nóng)村綠色宜居水平已經(jīng)成為中國新農(nóng)村建設的重中之重。住建部以及各級地市也進一步出臺政策推動裝配式農(nóng)房尤其是裝配式鋼結構農(nóng)房的建設和應用。

鋼結構建筑的應用領域已從大跨度場館以及超高層辦公用房等拓展到普通住宅領域，應用范圍更廣[2-3]。在這種形勢下，鋼結構課程在土木工程專業(yè)教育的重要性日益突出，同時這也對鋼結構課程的教學和人才培養(yǎng)提出了更高的要求。

一、鋼結構設計原理課程及教學現(xiàn)狀

（一）教學內(nèi)容及教學目的

鋼結構設計原理[4]（部分學校又稱鋼結構基本原理，以下簡稱《原理》）為土木工程相關專業(yè)的基礎必修課之一，主要講授鋼結構設計計算中所涉及的基本理論、概念以及計算方法。其中包括鋼結構材料性能，如鋼材強度、延性、可焊性、抗腐蝕性、疲勞等基本性能；鋼結構的連接，如焊縫連接、螺栓連接等概念和受力驗算；鋼結構桿件的受力驗算和設計等，如軸心受壓、受彎、壓完等承載力計算等，為從材料到構件層面的基礎知識教學。課程目的是使學生理解并掌握鋼結構材料、構件、連接及設計中的基本概念和計算理論，為學生后續(xù)相關專業(yè)課程如房屋鋼結構等鋼結構體系設計的學習，以及畢業(yè)后從事鋼結構相關的工作打下基礎[5]。

（二）課堂教學現(xiàn)狀

從教學內(nèi)容上看，《原理》課程大都為原理性并以計算方法為主。在課程講授順序上，結構體系相關的房屋鋼結構在《原理》之后，在《原理》授課時，學生對于鋼結構形式以及基本構件類型和構造均缺少前期了解，因此《原理》授課中同時需要講解鋼結構中的主要構件類型及構造。該門課程的內(nèi)容具有很強的綜合性、技術性和應用性特點。

目前，《原理》課程主要采用以教師為中心的“灌輸式”教學方法，配以作業(yè)來讓學生熟悉計算過程。但由于該課程涉及較多的基礎性概念和計算內(nèi)容，對于本科生來說有一定的理解難度。隨著多媒體技術的發(fā)展，各高校的教學中大都會采用PPT配合圖片展示的方式給出不同構件及結構的照片來幫助學生理解相關知識點，但這樣做的效果有限。對于如何運用《原理》來解決實際工程問題仍主要靠教師的口頭語言描述[6]。如果未能有效調(diào)動學生的參與積極性，不能幫助學生有效理解各類計算背后蘊含的思路和原理，課程就很容易導致學生被動學習，學生最終為應付考試而學，不知如何將所學知識與實際問題相結合。

二、課程教學方式改革思路

我國作為基建大國在國內(nèi)外建設領域如超高層、高速鐵路、大型活動場館建設等方面不斷創(chuàng)造出“奇跡”。隨著網(wǎng)絡通信水平的提高以及新媒體時代的到來，現(xiàn)代大學生對于這些大型項目或建設項目的了解逐漸增多。隨著科技的進步和國際形勢的快速變化，現(xiàn)代大學生對國家政策、社會熱點問題等的關注度也在不斷提高。

基于該背景，筆者提出可以從我國建筑業(yè)當前的主要發(fā)展戰(zhàn)略以及一些熱點話題出發(fā)，提煉與鋼結構設計相關的項目案例，與《原理》相關的課程教授內(nèi)容相結合，采用案例分析式教學、場景分析式教學來激發(fā)學生的學習興趣，引導學生綜合運用課程知識來解決實際工程問題。

如在“火神山”“雷神山”醫(yī)院建設中，借助網(wǎng)絡直播等新媒體手段，千萬民眾成為“云監(jiān)工”，其建設后期大部分的建設內(nèi)容即為所采用的裝配式鋼結構廂房結構制作和吊裝工作。該鋼結構具有可快速裝配施工的特點，成為疫情期間應急醫(yī)療設施建設中的“黑科技”。

可以從上述關注度較高的社會熱點出發(fā)，結合應急醫(yī)療中所使用的裝配式廂房結構作為典型案例，分析其主要結構構件的強度計算、穩(wěn)定計算裝配式連接中螺栓節(jié)點類型以及主要的驗算內(nèi)容等。這樣將復雜的概念與學生所了解的實際聯(lián)系起來，可以在激發(fā)學生學習興趣的同時加深他們對知識的理解。同時，該教學方式也能引導學生如何將基本概念應用到實際項目的設計之中。

在教學方式上，可結合微博、抖音或微信公眾號等在大學生等年輕群體中普及比例很高的新媒體來推送相關的典型工程案例資料[7]。采用學生比較容易接受的方式和內(nèi)容引導學生利用碎片化課余時間開展線下前期認知學習，再結合課堂的分析式教學逐步提高課堂教學效果，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維和應用能力。

三、基于社會熱點的場景分析式教學應用探索

為探索該教學方式的可行性，筆者基于中南大學土木工程學院工程力學專業(yè)的《原理》課程教學開展嘗試。由于工程力學專業(yè)就業(yè)領域較寬，該專業(yè)學生在往年該門課程的學習中自主學習和自主探索欲望較土木工程專業(yè)的學生略低。在以往的教學中，教師可根據(jù)課堂情況調(diào)節(jié)課堂氛圍，而在2020年初新冠肺炎疫情期間的線上授課環(huán)節(jié)，教師無法與學生面對面接觸并及時跟進學生的聽課情況，因此在線上教學中教師有意識地采用案例或場景分析式教學方法來提高學生的聽課積極性。

（一）案例選取——福建泉州市欣佳酒店坍塌事故分析

該案例所選取的社會熱點問題為新冠肺炎疫情期間發(fā)生的福建欣佳酒店坍塌事故。造成該事故的原因為酒店原鋼框架結構被違規(guī)改建，疫情期間因違規(guī)裝修從而引發(fā)底層鋼柱失穩(wěn)導致坍塌，該事故引發(fā)了社會各界的高度關注[8]。

該酒店原為層高6米的四層鋼框架結構，之后經(jīng)歷違規(guī)改建新增3層樓板，增加約3000噸荷載且未作加固，改造為7層欣佳酒店。其底層為商鋪，且在酒店改造時曾發(fā)生過底層商鋪玻璃被擠爆的現(xiàn)象。2020年3月7日，酒店在底層裝修中敲掉幾堵隔墻，導致底層鋼柱的邊界約束條件發(fā)生改變。傍晚時候底層鋼柱產(chǎn)生面外失穩(wěn)，并在接下來幾秒鐘內(nèi)全樓發(fā)生橫向坍塌。

（二）案例選取原因

該結構經(jīng)過幾次改建后，結構主要構件先后承受了超載、強度超限、失穩(wěn)破壞等幾個鋼構件典型失效模式，并且失穩(wěn)坍塌后鋼構件的變形模式等也涉及鋼材的材料延性等性能。因此，在之后的《原理》課程中我們以該事件作為典型案例結合教學。

（三）案例分析實踐

我們將與該案例相關的報道在《鋼結構的破壞形式》這一章節(jié)學習之前即轉發(fā)到課程交流的微信群中，供學生在課余利用碎片化時間提前了解該案例。在該課程講授過程中，我們結合該案例的破壞現(xiàn)象分析來形象闡述各種破壞現(xiàn)象的發(fā)展過程和特點。如在第一次改建過程中，由于超載嚴重，對于底層部分結構立柱已經(jīng)達到或超過了其屈服點。由于底層柱間填充墻產(chǎn)生較強的側向支承效應，使得底層鋼柱主要產(chǎn)生軸心受壓強度破壞，由此產(chǎn)生較為顯著的軸向壓縮變形導致底層玻璃被擠爆。但由于鋼材屈服后強化段的強度儲備，鋼柱仍能夠維持穩(wěn)定承載。這樣，從現(xiàn)象上學生可較為形象地了解強度破壞的主要變形特點以及鋼材的強度發(fā)展階段。

結合第二次裝修改建現(xiàn)場描述以及坍塌的視頻可以看到，在拆除底層隔墻后部分鋼柱產(chǎn)生了較為明顯的側向偏位，并且在隨后幾分鐘內(nèi)鋼柱變形迅速增大，最終導致酒店在幾秒鐘內(nèi)迅速坍塌。結合現(xiàn)場破壞現(xiàn)象學生可以了解鋼構件整體失穩(wěn)破壞的特點，即構件整體突然產(chǎn)生較為明顯的側向偏位，無法維持穩(wěn)定承載，且失穩(wěn)破壞發(fā)展極為迅速。由于軸心受力構件整體失穩(wěn)后果較為嚴重，在構件設計中需要避免失穩(wěn)破壞的產(chǎn)生。

在之后軸心受壓構件章節(jié)的講授中，依然以該案例分析協(xié)助授課。底層鋼柱產(chǎn)生失穩(wěn)破壞的主要原因為新裝修過程中部分隔墻的拆除，這導致鋼柱的側向約束顯著降低，使得之前鋼柱以強度控制轉變?yōu)閮H兩端約束的穩(wěn)定控制。以該種方式讓學生更為直接形象地理解邊界約束的作用。在該章節(jié)課后作業(yè)中，讓學生驗算該底層鋼柱在軸心強度承載下以及隔墻拆除之后的穩(wěn)定承載模式時承載力的大小，這樣可讓學生更為直觀地感受鋼構件設計隨著邊界條件改變所導致的承載力變化。

（四）教學效果

該案例的總結于2020年初采取線上授課的方式進行，由于教師無法與學生面對面接觸并及時跟進學生的聽課情況，因此在線上教學中教師有意識地采用案例或場景分析式教學方法激發(fā)學生的聽課積極性。從該課程結束后的課程反饋來看，雖然該課程是以線上授課的方式進行，但學生的參與度較高。在案例分析之后學生仍會在課程微信群中繼續(xù)討論，或自主地搜集相關的破壞案例轉發(fā)到微信群中。在該課程的最終考核中，班級的整體考評平均成績（相似難度）也較之前傳統(tǒng)授課方式提升了20%。該教學方式初步應用效果較好。

另外，由于該案例為真實事件且產(chǎn)生了較為嚴重的后果，因此這種結合社會熱點的案例分析式教學，可以讓學生在學習過程中直觀感受到設計中小小的偏差可能帶來的嚴重后果。教師可在課堂教學中強調(diào)結構設計的嚴肅性以及土木工程專業(yè)的社會責任感，從而強化學生的工程師意識和安全意識，并在該教學過程中融入課程思政的理念。

四、課程教學改革實施建議

（一）教學團隊合力打造優(yōu)質(zhì)案例庫

基于案例的場景分析式教學模式中最重要的是案例庫的選取和教學內(nèi)容的提煉。案例庫的打造需要教師付出較多的精力，同時需要教師具備一定的工程和教學經(jīng)驗。此外，教師還需要結合信息檢索以及案例分析的內(nèi)容做一些編輯工作，對于個體教師來說這樣的工作量較大。在《原理》課程教學中，我們最終僅完成了基于應急醫(yī)療的裝配式鋼結構廂房結構設計和基于欣佳酒店倒塌事故兩個案例。其所涉及的知識點主要在于螺栓連接節(jié)點的設計驗算、軸心受力構件和受彎構件的強度以及穩(wěn)定設計章節(jié)，涵蓋范圍有限。另外，不同教師有自己的講授風格和關注的領域，個體教師所整理的材料和教學模式也不利于大范圍推廣。

因此，在該教學改革模式中，建議以教學團隊分工配合的方式合力打造優(yōu)質(zhì)案例庫。對于專業(yè)基礎課程大都會有幾位教師共同上課，其中年長的教師具有較為豐富的工程經(jīng)驗，并且教學經(jīng)驗豐富；而年輕教師對新媒體技術和信息檢索掌握程度較高。因此，可以教學團隊為單位，年長的教師提供重大工程或典型工程案例資料，年輕教師結合新媒體手段檢索相關資訊并整理案例材料。在教學團隊的教學研討會中，可共同討論案例的講授方式和分析模式，所涵蓋的知識點選取以及相關作業(yè)或者拓展學習資料等，并采取由年輕教師試講、年長教師點評和改進的方式不斷完善該教學模式，合力打造優(yōu)質(zhì)案例庫。

（二）新媒體手段的運用

隨著移動網(wǎng)絡的快速發(fā)展，傳統(tǒng)網(wǎng)絡教學平臺和各學習平臺的資源已經(jīng)比較完善，但目前已有的知識和學習平臺仍主要依賴電腦或電視接入。隨著新媒體時代的到來和生活節(jié)奏的加快，學生對于需要長時間在網(wǎng)絡平臺進行自主學習的方式接受度越來越低。如何采用受學生歡迎的方式來充分利用學生碎片化的時間開展教學，成為現(xiàn)代高等教育需要思考的一個問題。

在案例庫的搜集和整理中，可以充分利用新媒體手段將案例資訊和關鍵資料編寫成公眾號文章，或者錄制成小視頻等，轉發(fā)到課程學習群中。在所發(fā)的案例資訊中可僅點出所涉及的主要知識點，以設置小問題的方式在課程學習之前引導學生進行課前思考。在之后的課程講授中教師結合案例分析，重點講解其中所涉及的知識點，讓學生有一種豁然開朗的感覺。在本章課程學習之后，可在班級群中推送課程講解總結以及前置案例資訊中的問題釋疑。借助新媒體手段以學生容易接受的方式激發(fā)學生的學習興趣，課堂上教師帶領學生就其中涉及的主要知識點進行梳理和引導講授。采用線上線下結合的方式可有效提高學生的學習興趣，改善教學效果。

（三）三維BIM技術和有限元模擬分析技術的結合運用

近年來，三維BIM技術興起并逐漸應用于工程設計、施工和運營維護階段[9-10]。一個完善的BIM模型包含建筑、結構等各項組件。因此，在一些典型工程項目缺乏完善的照片信息時，可對其主體結構和主要的結構組件通過建立三維BIM模型的方式來展現(xiàn)構件和關鍵節(jié)點型式，相對于教材上或圖片上的二維圖示，這能給學生帶來更為直觀的展示。對于缺乏鋼結構相關試驗和不具備認識實踐條件的院校來說，其在授課時可結合有限元分析技術，通過構件在不同受力階段和受力狀態(tài)時的應力變化云圖，直觀展示構件的承載過程和破壞發(fā)展過程。比如，在講授鋼構件強度計算準則時，在考慮開洞和不開洞時構件內(nèi)部的受力狀態(tài)單靠語言描述學生無法有效理解。這時，可借助研究生科研工作中常用的有限元分析軟件，建立簡單的構件加載過程，分析并進行動畫演示應力發(fā)展和變化過程。通過應力云圖和變形狀態(tài)的形象化演示形成的情景體驗式教學，可輔助本科生有效地理解造成各破壞狀態(tài)時構件內(nèi)的應力狀態(tài)發(fā)展。

五、結語

在有限的課時內(nèi)，如何簡明扼要地進行教學，采用科學的教學方法使學生掌握好基本的理論知識、構建起鋼結構系統(tǒng)學習的框架是課程教學的關鍵。針對鋼結構設計原理專業(yè)基礎課現(xiàn)有的單一的授課模式，文章提出以培養(yǎng)學生創(chuàng)新和應用能力為目標，結合國家政策和與社會熱點相關的實例，最終形成系統(tǒng)化的教學案例的教學方式。

將鋼結構設計基本原理概念和計算等內(nèi)容與工程案例的構造、設計和施工過程相結合，可以激發(fā)學生的學習興趣，改善課堂教學效果，實現(xiàn)“智慧啟迪、價值塑造、能力培養(yǎng)和知識傳授”四位一體的課程目標。

該種教學方式的重點在于打造優(yōu)質(zhì)的案例庫，因此建議以教學團隊內(nèi)不同專業(yè)方向和年齡段教師分工合作的方式進行案例庫的整理和提煉；在實施手段上結合新媒體技術、三維BIM技術以及有限元模擬等方式實現(xiàn)多元化的資料集成和效果呈現(xiàn)。

［ 參 考 文 獻 ］

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［責任編輯：陳 明］