基于大学生结构设计竞赛的建筑结构课程教学改革

雷文凯 张金团 曾小雪 李松

摘要：大学生结构设计竞赛考查了学生对建筑结构课程知识的掌握程度，同时反映出当前课程教学存在的一些问题。开展基于大学生结构设计竞赛的建筑结构课程教学改革，可以提高学生的学习兴趣，培养学生的创新思维和动手协作能力，有效改善课程教学的质量。

关键词：结构设计竞赛；建筑结构课程；教学改革

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）30-0117-02

建筑结构课程是土建类学生必修的一门专业基础课，建筑构造做法烦琐，结构设计理论抽象，而学生对建筑结构的认知较浅，如果仅靠单一的课堂讲授，将很难引发他们的学习兴趣和积极性，也难以达到好的教学效果，采用新的教学手段和方式是当务之急。近年来随着学科专业竞赛的不断开展，面向学科竞赛的教学手段和方法被引入到各专业的日常教学之中，与之相应的教学改革措施和人才培养模式也相继出台。大学生结构设计竞赛是土建类专业最重要的一项学科竞赛，在给定的规则和要求下设计理论方案，并通过团队协作制作出实际的结构模型。开展基于大学生结构设计竞赛（简称大赛）的建筑结构课程教学改革，对提高学生的学习兴趣和增强学生的综合能力具有重要的意义。

一、大赛对建筑结构课程相关知识的要求

大赛的选题与建筑结构理论和工程实际紧密联系，以往赛题规定的结构形式包括多层建筑、桥梁、混凝土模板支架等，模型制作材料有白卡纸、木头、竹片、蜡线等。参赛学生需要在赛题要求的结构形式、结构尺寸、荷载作用方式下，利用给定的材料制作出最优的结构模型，并提交完整的理论计算书和详细的方案说明。评分标准为结构选型、加载表现、制作工艺、方案书质量等。大赛全面考察了学生综合运用建筑结构学科理论知识解决实际问题的能力。

1.材料和构件的力学性能。大赛所用材料虽然与实际的建筑材料有差异，但在结构设计原理和破坏形式方面却是相同的，只有充分认识了材料和构件的力学性能，才能设计出较优的结构模型。在实际的钢筋混凝土结构设计时，要熟悉钢筋、混凝土以及钢筋混凝土构件的力学参赛和受力特征，同样，在大赛结构方案设计时，要对所给材料及相应构件的力学性能进行测试，以便选择合理的构件截面和结构型式。以白卡纸材料为例，它的拉强度为22Mpa左右、抗压强度为7Mpa左右，并有顺纹和逆纹之分，为最大程度地降低模型自重，可根据结构的受力特征，采用受力最为合理的构件形式，有效发挥材料的作用。

2.结构认知。大赛只限定了结构类型，具体结构型式由参赛队伍自定，学生有较大的发挥空间，但必须理解一定的结构概念，并对结构体系有较深的认知，因为大赛重在考查结构体系在保证安全前提下的经济合理性，在各种级别的大赛中，模型质量和刚度在评分中占有很大比重，取得好名次的模型一般结构布置简单、传力路径明确、质量较轻、刚度相对较高、力学性能发挥到极致，而造型复杂、外形新颖、注重美观的模型往往难以取得较好的成绩。在结构选型时既要考虑承载力要求，又要满足刚度要求，还需注意结构里的薄弱部位，这些与结构认知程度密切相关，并直接关乎到结构模型的加载表现，是大赛中最重要的一个环节。

3.结构计算。结构选型是一个逐步优化的过程，初步型式确定后，还需根据赛题要求、荷载作用方式和杆件形式进行理论计算，作进一步的优化。要想得到最优的结构，需明确结构体系的传力路径和杆件的受力特征，合理利用材料，更换构件截面形式，在结构设计基本原理基础上，借助有限元分析软件进行反复计算，不断优化。在估算结构的承载能力时，参赛选手也需具备一定的结构计算分析能力。

4.结构试验。理论分析只能得到结构在理想状态下的内力，难以准确模拟结构的实际情况。理论模型与实际模型相比，存在一些尺寸误差、节点模拟误差、应力损失、受力情况不同等差异，需要通过结构模型试验来准确确定模型的承载能力和加载表现。对正式比赛时的结构模拟得越真实，结构试验所起的作用越大。在进行结构试验时，还需留意意模型的加载反应和节点的受力状态，从不同型式的结构模型中，选出承载能力高、加载反应好的结构方案。结构试验是改善结构选型方案、提高模型制作质量所必备的一项能力。

二、大赛反映当前建筑结构课程教学存在的问题

大赛考查了学生的理论水平和创新能力，检验了学校的师资力量和课程建设质量。在大赛的准备和参与过程中，当前建筑结构课程教学存在的问题很快被反映出来。

1.教学手段单调。建筑结构课程理论性强，含有很多抽象的建筑术语、力学分析、公式应用等内容，传统的教学以课堂讲解为主，注重基本概念的解释和计算方法的演示，教学手段单一，内容枯燥，课堂缺乏活力。特别是对应用型本科学校的学生来说，工程基础差，结构认知较浅，如果仅听传统的课堂讲解，将很难引发他们对建筑结构课程的学习兴趣和积极性，不能达到理想的教学效果。

2.教学内容缺乏针对性。虽然大部分参赛学生都学习过建筑结构课程，但在设计结构方案时依然没有清晰的思路，缺乏结构体系的概念设计意识，不能设计出一个受力合理、传力简洁的结构型式。这表明，当前建筑结构课程的教学缺乏针对性，与结构体系相关的知识点几乎没有涉及。如何针对现实结构里的结构体系概念讲解建筑结构课程中的构件理论，是当前教学存在的一大问题。

3.理论教学与实践脱节。实践环节是建筑结构课程教学中的一项重要内容，当前建筑结构课程的实践部分主要采用课程设计的形式，要求学生运用结构课程中的相关理论，查找规范，套用公式，设计出符合某些条件的结构构件，其实质仍然是课本理论的简单重复。学生缺乏对实际结构的整体认识，也没有相应的结构模型作为依托，造成实践教学与理论的严重脱节。

4.考核方式单一。当前建筑结构课程的考核一般包括理论考试和实践考核两个部分。在这种评价方式下，大部分学生即使取得较好的成绩，但在大赛中，却不能设计出合理的结构型式、撰写出优秀的方案书，学生利用所学知识解决实际问题的能力还非常欠缺，说明当前的课程考核方式过于单一，不利于学生实践能力、综合素质的提高。

三、大赛对建筑结构课程教学改革的启示

1.采用多种形式的教学手段。建筑结构课程内容较为抽象，最好采取形象化教学手段，利用三维数字教学模型和实际结构模型，让学生对理论知识有直观感受，并借助工程图纸、实例照片、flash动画等做生动的诠释，避免单一教学手段给学生带来的疲劳效应。可以仿照大赛模型制作的方式，在课堂上制作钢筋结构模型和节点构造模型，在制作过程中进行相关理论的讲解，将枯燥的知识生动化，既降低了学习的难度，又激发了学生的学习兴趣。还可以创建网络教学平台，在平台上开展互动教学、案例教学，对传统教学进行补充和优化。

2.有针对性地调整教学内容。教学内容应根据学生对建筑结构知识的需求做相应调整。对于参加大赛的学生，教师应从结构体系的角度阐释结构概念设计，改变传统的只重视基本的结构构件而轻视结构整体性的教学方式，帮助学生从总体上熟悉结构设计概念、理解结构设计原理，并比较传统建筑材料与大赛所用材料的异同点，通过对比，加强学生运用所学知识解决实际问题的能力。同时，教师应注意到，土建不同专业学生的从业目标不一样，他们对建筑结构知识的需求也不相同，如土木工程专业学生学习建筑结构的重点是结构设计原理和方法，工程管理专业学生的学习重点是建立工程概念，建筑学专业学生的学习重点是了解建筑结构中的力学概念。

3.加强实践教学环节。突破传统的以课程设计为主的实践教学模式，仿照大赛的流程，以应用能力培养为主要目标，构建以力学试验、纸质模型、钢筋模型、数字模型、工程案例为基础的实践教学体系，使其具有“验证、综合、创新”的三大功能。采用“教、学、做”一体化的教学模式，让学生在构件试验和实体模型制作中形成结构体系概念，体验课程学习的乐趣；在数字模型制作和模拟分析中，体会结构的奥妙，拓展空间思维能力；在模型讲解和案例分析中了解理想结构和实际结构之间的区别及简化方式，提高创造力和想象力。

4.在课程考核中引入大赛机制。考核是课程教学的一个重要环节，它的得当与否会影响到教学评价情况和学生的学习效果。大赛的形式是参赛组在相同场地、时间内，根据给定材料和规则，小组成员之间相互配合，制作出符合要求的结构模型，根据评委打分和加载表现进行评比。采用这种形式的考核，可以有效考查学生的理论掌握程度、实践动手能力及团队协作能力。大赛的评分标准是结构选型情况、模型制作工艺、方案书制作质量和模型加载表现。参赛组要想取得好的成绩，需要综合考虑多方面的因素。课程考核中引入大赛评分机制，可以培养学生积极钻研、耐心细致、思考全面的品质。

四、结语

大学生结构设计大赛反映了当前建筑结构课程教学存在的一些问题，也极大地促进了课程的改革与建设。通过对本校工程管理专业近一个学期的该课程教学改革，发现学生的学习兴趣、实践动手能力、沟通协作能力较往届有很大的提高。然而大赛题目每年都会变化，且难度普遍较大，如何寻找大赛的切入点，并总结相关规律，是建筑结构课程教学改革的难点，需要进一步研究探讨。

参考文献：

[1]刘问，胡雨村，罗璐.利用大学生结构设计竞赛促进土木工程学科实践教学改革[J].中国林业教育，2014，32（4）.

[2]程涛.结构模型竞赛与土木工程专业教学改革[J].力学与实践，2010，32（6）.