关于“水工钢结构”课程教学改革的思考

2014-12-11李会军李宗利

黑龙江教育·高校研究与评估 2014年12期

李会军+李宗利

摘要：“水工钢结构”是水利水电工程专业的主干课程之一，但从其教学效果来看，仍存在一些亟待解决的问题。文章从“水工钢结构”课程教学现状出发，指出了其教学中存在的问题，并提出了“水工钢结构”课程教学改革的设想。

关键词：水工钢结构;教学改革;课程设计

中图分类号：G642.3 文献标识码：A 文章编号：1002-4107（2014）12-0007-03

由于钢结构具有强度高、自重轻、抗震性能好、工业化程度高、施工周期短等众多优点[1]，广泛应用于大跨度空间结构（体育场、展览馆、候机楼等大型公共建筑）、塔桅结构、大跨径桥梁结构、工业厂房、水工钢闸门和海洋平台等。近年来，由于市场需求大，中国钢铁产量得到大幅提高（如图1所示），连续数年位居世界首位，给钢结构的应用与发展提供了广阔的空间。特别是许多新型结构形式的出现（如弦支穹顶、索穹顶、整体张拉结构、树状柱弧形钢闸门等）、高强材料的生产及新的加工工艺与先进的施工安装技术的发展，使得钢结构的应用范围愈加广泛。同时对当代大学生在专业素养、应用能力、适应能力、创新能力等方面提出了更高的要求[2]。

图1 1949-2013年中国钢产量趋势线

水工钢结构的主要任务是掌握常用结构钢的工作性能、钢结构的连接设计、钢结构各类构件的基本设计原理以及结合水利工程专业的要求理解平面钢闸门的设计原理与方法，使学生对于常见的水工钢结构具有初步的设计能力，为从事水利水电工程专业的工作及科学研究打下必要的基础。

水工钢结构作为水利水电工程专业主要的专业课程之一，因历史原因，一直未得到重视，造成钢结构人才相对短缺。目前钢结构课时少，且知识点多、公式多，学生普遍反映难度较大[3]。学生对于单个构件（如梁、柱等）的设计原理理解较为透彻，但对钢结构的整体设计及其受力性能分析却不知如何着手，所学理论知识不知如何应用于实际工程当中，使得所学知识难以致用。为此，深感高校的“水工钢结构”教学已不能适应目前的钢结构发展形势，钢结构设计方面的人才培养已不能满足社会需要，笔者从多年来“水工钢结构”课程的教学与工程实践角度出发，提出了几点教学体会与改革设想。

一、“水工钢结构”课程教学现状

（一）课时少，知识点多

近年来国内很多高校普遍推行的通识教育（General Education）源于古希腊的自由教育，又称“一般教育”。通识教育虽由来已久，至20世纪末形成了一股声浪巨大的教育思潮。加强通识教育的目的是为专业人才的成长提供更丰厚的土壤，要求大学生不仅要具有扎实的专业知识背景，同时也要具有厚基础、宽口径的知识结构，在学习和工作中不断地扩展知识领域，成为适应现代社会高速发展的复合型人才。

针对此，不少大学纷纷推出本科生教学改革方案和各种通识教育课程，把专业教育的时间推后到高年级和研究生阶段，使得很多专业课的课时得到不同程度的压缩，这样一来就会在一定程度上影响本科生专业素质的培养[4]。“水工钢结构”课程亦不例外，国内高校水利水电工程专业的课时普遍偏低（见表1），且学生普遍认为水工钢结构难度大，知识点多，公式多，难于记忆，知识难于消化。这两方面的矛盾给水工钢结构的教学与学习带来了新的挑战。

表1 国内部分院校“水工钢结构”开设课时

在教学中，教师要注重钢结构基本概念、原理、方法及适用条件的阐述，简化烦琐公式的推演（如梁的整体稳定、梁的局部稳定等内容），注重与相关课程（如材料力学、结构力学、水工建筑物等）联系和区别的介绍，避免与相关课程的重复，适当兼顾知识的系统性。在讲课中，除了要求熟记的重要公式外，重点要求学生理解公式的工程背景及其中每个参数的物理含义，能够熟练地对公式和相关资料加以查找及应用。在期末考核时，考卷后可附上所用到的较复杂的计算公式及所需资料（如梁的整体稳定系数、验算刚度所需用到的挠度计算公式等），供学生考试时查用。

钢结构的连接是“水工钢结构”课程教学的重点及难点，该章构造要求、公式多。授课教师应阐明螺栓的布置与排列（含螺栓间的容许间距）应满足受力要求、构造要求和施工要求，抓住从连接破坏形式到计算公式的推导这条主线展开。例如，对于普通螺栓抗剪的设计，应首先着眼于普通螺栓受剪破坏的五种可能破坏形式，即栓杆被剪断、孔壁挤压破坏、钢板被拉断、端部钢板被剪断和栓杆受弯破坏，其中前三种破坏通过计算防止，后两种通过构造要求防止，即端距≥2d0（d0为螺栓孔直径）和板叠厚度≤5d（d为螺栓直径），这样讲思路清晰，概念清楚，便于学生理解后续计算公式。

（二）实践学时不足

结合我国高等院校扩招后学生的实际情况，以及对学生的培养目标从精英教育转向大众教育的具体要求，如何在总学时压缩的情况下，既为学生打好坚实的专业知识基础，又为学生毕业后的工作做必要的专业技能培养，“水工钢结构课程设计”是一个很好的途径。课程设计不仅要求学生深刻地理解、掌握、巩固所学钢闸门的基础理论知识，并且要求学生对所学的知识能融会贯通，使学生得到工程设计能力的初步培养和训练，为后续毕业设计及毕业后能快速适应工作打下良好的基础。因此，如何合理有效地安排课程设计显得至关重要。

“水工钢结构课程设计”是“水工钢结构”教学中一个重要的环节。目前，西北农林科技大学水利水电工程专业在“水工钢结构”课程结束后，安排为期一周的课程设计，要求学生上交一份计算书及一张平面钢闸门的结构施工总图（A1纸）。课程设计的目的是运用钢结构的连接计算方法和钢梁等基本构件的设计方法，结合水利水电工程专业的特点，紧密联系工程实际，进行平面钢闸门的设计与计算，巩固相关理论教学效果，加强实践能力训练，系统全面地了解钢结构的整体设计思路、方法和步骤以及运用《钢结构设计规范》（GB 50017-2003）[5]、行业标准《水利水电工程钢闸门设计规范》（SL74-2013）[6]和《大型低合金钢铸件》（JBT 6402-2006）等规范标准的能力，进行编写设计计算书、手工绘图等方面的训练。

在一周的课程设计中，时间短、任务重，学生普遍反映平面钢闸门结构施工总图的绘制比较吃力，因为绘制过程中需要有良好的空间想象能力，而且大多数学生尚未在现场接触过平面钢闸门。这就要求在课程设计前，安排学生进行平面钢闸门实际工程的参观、认识与学习，从而让学生充分理解主梁、次梁、横向连接系、纵向连接系、主轮、侧轮、反轮等细部构造，并了解其连接方式、支撑体系的特点。在课堂教学中，授课教师还可通过幻灯片介绍国内外一些典型的水工钢闸门工程实例，以增进学生对构造连接方面的直观认识。在教学实习过程中，使学生对平面钢闸门的构件类型、截面形式等进一步熟悉，有机会还可让学生在工程现场绘制各类构件的节点及截面详图，大大有助于进一步提高学生的兴趣，提高教学效果。

（三）教材与参考书较少

教材是供教学用的资料，是一门课程的核心教学材料，参考书是教材必要的辅助材料。目前，土木工程钢结构的教材与参考书琳琅满目，国内高校广泛使用的教材有：刘声扬主编、武汉理工大学出版社于2010出版的《钢结构——原理与设计》，戴国欣主编、武汉理工大学出版社于2012出版的《钢结构》（第四版）[7]，优秀的参考书如姚谏、夏志斌编写的《钢结构——原理与设计》等[8]，以上教材与参考书注重理论与实践相结合，在保持经典理论基础上，突出工程应用能力的培养，条理清晰，深入浅出。经过几版修订，其中错误之处非常少，且紧密结合最新《钢结构设计规范》（GB50017-2003）编写，在国内各高校中使用甚广。

相比之下，“水工钢结构”教材及参考资料相对较少，这些教材及参考资料对国内水工钢结构事业的发展起到了巨大的推动作用，对大学生的培养起到了积极作用。目前国内使用的“水工钢结构”教材普遍依据《水利水电工程钢闸门设计规范》（SL74-95）和《钢结构设计规范》（GB50017—2003）编写，个别参数的取值甚至取自《水利水电工程钢闸门设计规范》（SDJ13-78）和《钢结构设计规范》（GBJ17-88），且个别教材的内容存在不少错误之处，影响了教材质量，影响了学生的学习兴趣、热情与积极性。水工钢结构的参考资料目前较少，且大多资料出版于上世纪八九十年代，知识的更新相对比较滞后。

目前，《水利水电工程钢闸门设计规范》（SL 74-2013）已于2013年11月26日正式实施，这就要求“水工钢结构”教材及参考书籍的编写与再版依据最新规范，再版时对于教材中的错误之处应予以勘误与修订。

二、“水工钢结构”课程教学改革的设想

（一）适当增加授课学时

“水工钢结构”课堂教学是学生获取知识的重要途径，现今课时少，而教学内容多，这就要求教师要精选授课内容，抓住钢结构设计主线，凝练知识点。但若学生课后学习主动性不足，不利用课余时间拓展相关知识点，学生的专业知识的广度与深度势必受到不同程度的影响。对于水工钢结构课程来说，32课时完成效果不佳，造成学生对该门课的印象不深，客观上形成了钢结构不重要的观念，这与目前钢结构的蓬勃发展与市场需求相背离。目前，国内外许多实际工程采用了各种高效钢材，各类新型结构形式亦相继出现，如弦支穹顶、索穹顶、张拉整体、树状柱钢闸门等，在教学内容不断更新的情况下，要求授课教师不断丰富相关知识、拓展知识面，抓住钢结构发展的方向和趋势。教师可利用2个学时的时间介绍主要新型结构形式的受力特点与适用范围，开阔学生的眼界，启发学生的思维，培养学生的学习兴趣。稳定是钢结构设计的重点，在课时少的局面下，稳定部分的内容无法深入展开，造成学生在该方面专业知识的不足。为此，应增加“水工钢结构”课时，进一步提高学生专业知识的广度与深度。

（二）注重多种教学方法与手段的结合运用

板书是传统教学中一个重要的环节，在钢结构构件和结构的受力分析、公式的推导上有不可替代的优势。但鉴于目前水工钢结构课时偏少，大量的公式推导、绘图势必影响课程的整体教学进度，导致教学信息量的下降。随着高效钢材、新型结构大量涌现，其中有些结构形式很难看到实物，通过内容丰富的多媒体课件，可将这些实际工程图片通过屏幕投影活生生地呈现给学生，带给学生形象、直观的感觉和视觉上的刺激，增加学生对这些结构形式的感性认识、提高学生的学习兴趣。多媒体教学还可节约教学学时、增加知识量。教学过程中要引导学生从被动地接受知识转化为主动自觉地求知，努力培养学生独立思考、分析和解决问题的能力。教师可通过实际工程实例，提出所需解决的问题，引发学生的讨论，使学生既能在主动思考中学到专业知识，又能对实际工程问题有初步的了解与判断。

（三）完善课程设计

水工钢结构课程设计是结合水工钢结构学习而配置的综合性课题，通过训练，使学生能够把所学钢结构的设计方法进行综合运用，提高工程实践能力。目前，水工钢结构课程设计仍局限于平面钢闸门，且平面钢闸门的结构分析仍采用手算的平面体系设计法，尽管该法具有简单易行的特点，但对于大型平面钢闸门而言，该法不精确，偏于保守。这与现实情况已不相适应，题目形式、类型亟须改革。目前，弧形钢闸门在水工结构中应用极为广泛，课程设计可增加弧形钢闸门的结构设计;为了提升学生的专业技能，可增加水工钢结构的空间结构有限元分析与计算，让学生尽早地接触ANSYS、ADINA、ABAQUS等有限元软件，为毕业后的工作及读研深造打下良好的基础。

（四）全面推广计算机的应用

随着计算机的应用与发展，水工结构的设计在各设计院已全面应用计算机进行设计、绘制施工图。作为水利水电工程专业的学生，必须具备一定的力学分析软件的操作能力，并可利用大二学过的VB、C++或Matlab软件编制小型计算程序，以解决实际工程问题。例如，在平面钢闸门的设计当中，面板与主梁的连接计算需要经过若干次试算，手算耗时费力，如果将该计算过程进行编程计算，将会大大地减少手算工作量，且可进一步巩固、提高学生的编程能力。在平面钢闸门的力学计算当中，可要求学生分别应用平面体系设计法和三维有限元计算法分别对闸门进行计算与分析，对比二者计算结果，使学生能更深入理解两种算法的区别与联系;要求学生能熟练使用AUTOCAD软件绘制结构施工图，不仅能节省时间、巩固学生的CAD绘图能力，而且能为毕业设计的快速开展及毕业后尽快投入工作打下坚实的基础。

中国的钢结构事业正处于蓬勃发展阶段，由于自身众多优点，钢结构广泛应用于大跨度空间结构、钢桥、钢厂房、钢闸门和塔桅结构等。但常年以来缺乏相关技术人才，急需大批具备钢结构设计与施工能力的技术人员，因而“水工钢结构”的教学效果显得尤为重要。笔者结合几年来水工钢结构的教学与工程实践，提出了课程教学中存在的问题及解决办法，并对新形势下水工钢结构课程教学提出几点改革设想，希望对水工钢结构及其课程设计的教学有所裨益。

参考文献：

[1]刘声扬，王汝恒.钢结构——原理与设计[M].武汉：武汉

理工大学出版社，2010.

[2]陈俊岭，焦燏烽.“钢结构课程设计”教学方法探讨[M].

高等建筑教育，2012，（5）.

[3]姚惠芹，彭朝福.“水工钢结构”课程教学探讨[J].中国

电力教育，2011，（4）.

[4]侯天顺，杨秀娟，张宽地.土力学课堂教学若干问题的反

思[J].黑龙江教育：高教研究与评估，2012，（9）.

[5]中华人民共和国建设部.GB50017-2003钢结构设计规

范[S].北京：中国计划出版社，2003.

[6]中华人民共和国水利部.SL74-2013水利水电工程钢闸