钢结构设计在教学过程中的探讨与实践

邹万杰

摘 要：为了提高钢结构设计的教学质量，根据该课程在教学中存在的一些问题，对教学方法、手段及内容进行探讨和改革。通过合理利用多媒体教学、重视课程设计环节、案例教学法和课堂设计等几个方面，提高学生学习的积极性，启发学生主动思考与探索，更好的适应社会发展对钢结构人才的要求。

关键词：钢结构设计；教学改革；案例教学；多媒体教学；课堂设计

中图分类号：G640文献标志码：A文章编号：2095-9214（2016）06-0119-02

相对于西方发达国家，我国钢结构建筑的发展相对滞后，目前我国建筑设计界普遍存在着对钢结构建筑认识不足，观念落后，缺乏钢结构人才，严重阻碍着钢结构建筑在我国的进一步发展，要使钢结构建筑得到快速发展需要大量具备钢设计、施工能力的工程技术人员，为了满足社会的需要，培养学生掌握钢结构的基础知识和基本原理，能够正确应用规程、规范从事钢结构设计，具备分析和解决钢结构实际工程问题的能力[1]，钢结构设计这门课程越来越受到土木工程专业的重视。“钢结构课程设计”是“钢结构设计”课程的实践教学环节，通过一榀钢屋架、一座轻钢门式刚架结构或者吊车梁的设计实践，全面掌握钢结构选型、柱网布置、荷载计算、结构分析、构件和节点设计、绘制钢结构施工图等专业知识，加深对钢结构设计的认识，提高学生对所学知识的综合运用能力[2]。

一、《钢结构设计》教学过程中面临的挑战和存在的问题

钢结构原理着重讲述钢结构的基本原理，包括钢结构材料、连接和各种基本构件的设计，而钢结构设计着重介绍单层厂房钢结构的设计与应用，钢屋盖结构设计，钢网架结构设计，钢结构抗震和抗火设计方法等内容[3]，笔者从事钢结构原理及钢结构设计教学多年，总结出在教育教学过程中主要存在以下问题：

1.课时少，学生理论基础不扎实

一般高校钢结构课程分为两大部分，一部分为钢结构原理，另一部分为钢结构设计。高校历经了多次的学分及课时压缩，各专业课程普遍存在课时少，内容多的矛盾。按照“厚基础，宽口径”的应用型人才培养模式，培养方案里分配给钢结构设计的课时只有24学时。而不管对钢结构设计原理还是钢结构设计，概念相对比较抽象，计算公式繁多，同时与《结构力学》以及《材料力学》的知识关系密切。因为这两门课程为土木专业后续课程提供必需的基础知识和计算方法，在整个土木工程专业课程体系中处于承上启下的核心地位，而这两门课程本身的学习就有一定的难度，在讲授专业课程时，发现学生普遍存在对这两门课程学得不够扎实，综合应用能力欠缺的问题，或是只会计算不会分析，导致在学习钢结构设计时更加困难。

2.学生实习实践机会少、课程设计能力差

由于钢结构设计课时少，教师在上课过程中一般只能讲授重要知识点，没有时间进行展开，更没有足够的时间让学生进行课堂练习。学生缺乏钢结构建筑的感性认识及空间想象能力，也没有接触进行具体的设计内容，所以在学习过程中不明白自己需要了解掌握哪些知识，教师也无法判断学生对知识理解的程度。

3.与实际工程脱节，创新能力差

在课程结束后，一般会安排一到两周时间进行集中设计训练。这个实践环节往往时间紧，任务繁重，很多学生在设计中根本没有方向，完全无从下手。为了完成设计任务，学生只能是根据已有的设计范例，照葫芦画瓢，根本没有自己的思考，毫无创新和新意，甚至不知道在设计中一些构件是否需要，经常会出现低级错误，只是为了完成任务而完成，质量没有保证，课程设计成果不理想。比如在门式刚架的课程设计中，梁柱的平面内外计算长度系数的确定上概念模糊不清，取值随意；在节点稳定计算中加劲肋的设置也含糊不清，不清楚到底要不要设置，如何设置，等等。

二、“教”与“学”的改革，提高课程教学、课程设计以及毕业设计的质量

笔者通过对钢结构设计教学中存在的问题进行分析， 结合多年来教学及课程设计、毕业设计指导经验以及学生的实际情况，提出以下几点教学改革措施。

1.重视课堂设计，关联学习，解决学生基础薄弱问题，增加学习兴趣

课堂设计对于教学效果有着至关重要的作用，要讲清楚一个知识点，首先需要把知识结构的脉络理清，上下跟什么有关联，涉及到哪些基础知识等等。设计好40分钟的课堂安排，由哪里切入，引起学生的注意和兴趣，再一步步深入到中心主题，每个步奏都需要教师像一个导演一般提前进行精心设计，准备得非常充分，方能取得不错的教学效果。

针对学生力学和结构基础薄弱这个问题，在授课过程中，教师重新帮助学生复习《结构力学》与《材料力学》的相关知识点，利用关联学习法把已经学过的《结构力学》与《材料力学》的知识结合起来，通过相同或相近知识点要素的提炼，建立相应的逻辑关系，引导学生回忆以前的力学知识，特别是力学分析和公式的推导，利用传统的“粉笔+黑板”的教学方式，进行公式一步步推导、例题讲析，并注重与学生的互动，使学生对知识理解得透彻、记忆得牢固。这也求授课教师平时自己的知识储备丰富并且认真备课，并经长期的教学实践才能准确把握。比如在讲授钢结构连接时，角焊缝惯性矩的计算需要用到组合截面的形心计算公式、移轴公式等，这些概念专业性强，学生在材料力学的学习中容易忘记，均应在钢结构课程中至少给学生重温一遍。只有把钢结构设计原理理解和掌握透彻，在钢结构设计的学习上才能做到游刃有余，因为归根到底，钢结构建筑的设计还是离不开基本构件及一定的连接方式的计算分析。

2.合理利用多媒体教学和结构设计软件的应用

钢结构设计课程因教学内容抽象、复杂而让学生感到枯燥乏味、学习困难。一旦知识的衔接出现问题，学生学着学着就会兴趣大减。如果学生只是依靠自身的空间想象能力，是较难读懂平面图形、准确地理解和掌握构件间相互关系、节点构造的完整信息的，所以仅依靠传统的黑板+粉笔的教学手段是难以收到理想的教学效果的。而多媒体教学有着直观性强、信息量大的优势，采用节点二维CAD图纸、二维图片等进行教学，在课件中穿插大量工程图片动画、录像等，使得一些应用传统教学方法学生难以想象、理解接受的屋架的细部构造、外部形式、格构柱和牛腿的节点构造等，直观准确地展示给学生，使课程内容变得生动，学生易于理解和掌握[4]。

在目前的培养方案中，结构设计软件的教学安排在第七学期，而且在有限的课时里，讲授内容一般只包括混凝土结构设计，而难以包括钢结构设计的内容。钢结构设计课程往往开始在第六学期，所以一般需要本课程的授课教师在有限的课时里安排时间来讲授专业设计软件如PKPM或3D3S等在钢结构设计中的应用，以便让学生掌握最基本的专业设计软件的使用，使学生在校期间就能掌握必要的设计技能，可以为课程设计和毕业设计服务，同时可以有效地增强今后毕业生在就业市场上的竞争力。

3.建设教学示范基地，开展工程案例教学，攻坚课程教学难点

任何一门学科都是理论和实践相结合才能达到更好的教学效果，为了提高学生对钢结构设计的感性认知能力，拓展学生的视野，拓宽了他们的设计计算思路，为培养学生运用专业知识解决实际工程问题的能力，在教学过程中，应充分利用学校周围的在建或已建的工业厂房、钢材市场，进行现场教学，以弥补课堂教学的不足，使学生能把书本知识与实际工程结合起来，这些案例可以把基本理论转化为钢结构设计实践活动的“桥梁”，学习效果事半功倍。针对适合教学的在建钢结构建筑可遇不可求的情况，在学校的支持下，争取了专用款项建设了钢结构厂房的缩尺教学模型，可以把典型钢结构建筑的结构布置，构件间相互位置关系及节点连接清楚地表达出来，同时利用本校新扩建的钢结构门式刚架结构大厅建成教学示范基地，在教学活动过程中可以随时观摩和学习，对教学效果和质量的提升起到了非常好的作用。

钢结构课程设计计算部分工作量大，学生在有限时间内很难很好完成。针对这一问题，可以将课程设计计算部分作为课程大作业提前布置，让学生有时间带着问题去提前思考，这样有利于老师在设计过程的答疑与指导，更好的促进学生的 “ 学”和老师的“ 教”，这样既充分调动学生学习的积极性，又培养了学生的主动思考、解决问题的能力。另外针对钢结构设计的绘图工作量较大等问题，还可以引导学生使用专业结构设计软件对设计的内容进行校核和出图等辅助设计，既可以在一定程度上减轻学生的设计压力，也可以让学生熟悉和掌握专业设计软件的应用。

三、结束语

我国钢结构建筑正蓬勃发展，对具备钢结构设计和施工能力的工程技术人员需求急剧上升，为工程界提供合格乃至优秀的土木工程专业毕业生是高校及教师义不容辞的职责。钢结构设计是一门实践性非常强的土木工程专业课程，有不同于其他课程的一些基本特征，需要采用多种教学手段和方法进行教学，以改善教学效果，达到培养应用型人才的要求。笔者通过对钢结构设计教学中存在的问题进行分析和归纳， 结合近年来课堂教学及课程设计、毕业设计指导经验， 以及我校实际情况，从课堂设计、 教学方法和手段、教学内容等几个方面对钢结构设计进行了改革探索，着重于学生基本理论的掌握和實践应用能力的提高，在我院土木工程专业近两年的教学活动的实践中，取得了良好的效果，教学质量稳中有升。教学效果的改善、质量的提高，是个系统工程，为更好地提升钢结构设计的教学质量，教学方法和手段尚需进一步的探讨和完善，才能培养出更多的优秀钢结构工程的专业人才。

（作者单位：广西科技大学）

参考文献：

[1]付朝江.应用型本科钢结构课程教学实践与改革探讨[J].福建工程学院学报，2008，6（5）：484- 486.

[2]孙德发，李刚，刘俊英. 关于提高钢结构课程设计教学质量的教改实践[J]嘉兴学院学报，2008，20（5）：66-68.

[3]戴国欣.钢结构[M].武汉理工大学出版社，2013.

[4]贾玉琢，李曰冰，龚靖. 钢结构实用性教学的研究与实践[J]. 东北电力大学学报，2007，27（ 5） ：34-36.