结合社会热点案例分析的钢结构设计原理教学改革

2022-05-30余玉洁丁发兴

大学教育 2022年11期

余玉洁丁发兴

［摘要］钢结构设计原理课程作为土木工程领域的专业基础课，其在土木工程专业教育的重要性日益突出。为更为有效地调动学生学习的积极性，提升学生的应用能力，文章对钢结构设计原理课程教学提出基于创新和应用能力培养的案例场景分析式教学方法，从当前我国建筑业的主要发展战略以及热点话题出发，提炼与钢结构设计相关的项目案例，与钢结构设计原理相关的课程教授相结合，采用案例式教学以及场景分析式教学来激发学生的学习兴趣。

［关键词］钢结构设计原理；案例式教学；社会热点问题；课堂教学；新媒体技术

［中图分类号］ G642. 0; TU391 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 2095-3437（2022）11-0035-04

随着中国钢产量的快速增长以及钢结构制造水平和施工技术的不断提高，钢结构越来越多地被应用于房屋建筑、能源交通、电力通信、海洋开发等基础性建设工程。近年来，随着我国钢铁产能的提升，在“一带一路”倡议[1]以及建筑工业化转型升级等的推动下，钢结构工程的建造范围和需求量日益扩大。从2018年开始，国务院及住建部的一系列政策多次明确指出大力发展装配式钢结构建筑，重点强调钢结构住宅的研发、应用和推广。住建部2020年九大重点任务中即有“总结推广钢结构装配式等新型农房建设试点经验”“大力推进钢结构装配式住宅建设试点”两项关于装配式钢结构建筑的推广目标。随着国家“十四五”规划的开局实施，全面推进乡村振兴以及提升农村绿色宜居水平已经成为中国新农村建设的重中之重。住建部以及各级地市也进一步出台政策推动装配式农房尤其是装配式钢结构农房的建设和应用。

钢结构建筑的应用领域已从大跨度场馆以及超高层办公用房等拓展到普通住宅领域，应用范围更广[2-3]。在这种形势下，钢结构课程在土木工程专业教育的重要性日益突出，同时这也对钢结构课程的教学和人才培养提出了更高的要求。

一、钢结构设计原理课程及教学现状

（一）教学内容及教学目的

钢结构设计原理[4]（部分学校又称钢结构基本原理，以下简称《原理》）为土木工程相关专业的基础必修课之一，主要讲授钢结构设计计算中所涉及的基本理论、概念以及计算方法。其中包括钢结构材料性能，如钢材强度、延性、可焊性、抗腐蚀性、疲劳等基本性能；钢结构的连接，如焊缝连接、螺栓连接等概念和受力验算；钢结构杆件的受力验算和设计等，如轴心受压、受弯、压完等承载力计算等，为从材料到构件层面的基础知识教学。课程目的是使学生理解并掌握钢结构材料、构件、连接及设计中的基本概念和计算理论，为学生后续相关专业课程如房屋钢结构等钢结构体系设计的学习，以及毕业后从事钢结构相关的工作打下基础[5]。

（二）课堂教学现状

从教学内容上看，《原理》课程大都为原理性并以计算方法为主。在课程讲授顺序上，结构体系相关的房屋钢结构在《原理》之后，在《原理》授课时，学生对于钢结构形式以及基本构件类型和构造均缺少前期了解，因此《原理》授课中同时需要讲解钢结构中的主要构件类型及构造。该门课程的内容具有很强的综合性、技术性和应用性特点。

目前，《原理》课程主要采用以教师为中心的“灌输式”教学方法，配以作业来让学生熟悉计算过程。但由于该课程涉及较多的基础性概念和计算内容，对于本科生来说有一定的理解难度。随着多媒体技术的发展，各高校的教学中大都会采用PPT配合图片展示的方式给出不同构件及结构的照片来帮助学生理解相关知识点，但这样做的效果有限。对于如何运用《原理》来解决实际工程问题仍主要靠教师的口头语言描述[6]。如果未能有效调动学生的参与积极性，不能帮助学生有效理解各类计算背后蕴含的思路和原理，课程就很容易导致学生被动学习，学生最终为应付考试而学，不知如何将所学知识与实际问题相结合。

二、课程教学方式改革思路

我国作为基建大国在国内外建设领域如超高层、高速铁路、大型活动场馆建设等方面不断创造出“奇迹”。随着网络通信水平的提高以及新媒体时代的到来，现代大学生对于这些大型项目或建设项目的了解逐渐增多。随着科技的进步和国际形势的快速变化，现代大学生对国家政策、社会热点问题等的关注度也在不断提高。

基于该背景，笔者提出可以从我国建筑业当前的主要发展战略以及一些热点话题出发，提炼与钢结构设计相关的项目案例，与《原理》相关的课程教授内容相结合，采用案例分析式教学、场景分析式教学来激发学生的学习兴趣，引导学生综合运用课程知识来解决实际工程问题。

如在“火神山”“雷神山”医院建设中，借助网络直播等新媒体手段，千万民众成为“云监工”，其建设后期大部分的建设内容即为所采用的装配式钢结构厢房结构制作和吊装工作。该钢结构具有可快速装配施工的特点，成为疫情期间应急医疗设施建设中的“黑科技”。

可以从上述关注度较高的社会热点出发，结合应急医疗中所使用的装配式厢房结构作为典型案例，分析其主要结构构件的强度计算、稳定计算装配式连接中螺栓节点类型以及主要的验算内容等。这样将复杂的概念与学生所了解的实际联系起来，可以在激发学生学习兴趣的同时加深他们对知识的理解。同时，该教学方式也能引导学生如何将基本概念应用到实际项目的设计之中。

在教学方式上，可结合微博、抖音或微信公众号等在大学生等年轻群体中普及比例很高的新媒体来推送相关的典型工程案例资料[7]。采用学生比较容易接受的方式和内容引导学生利用碎片化课余时间开展线下前期认知学习，再结合课堂的分析式教学逐步提高课堂教学效果，培养学生的创新思维和应用能力。

三、基于社会热点的场景分析式教学应用探索

为探索该教学方式的可行性，笔者基于中南大学土木工程学院工程力学专业的《原理》课程教学开展尝试。由于工程力学专业就业领域较宽，该专业学生在往年该门课程的学习中自主学习和自主探索欲望较土木工程專业的学生略低。在以往的教学中，教师可根据课堂情况调节课堂氛围，而在2020年初新冠肺炎疫情期间的线上授课环节，教师无法与学生面对面接触并及时跟进学生的听课情况，因此在线上教学中教师有意识地采用案例或场景分析式教学方法来提高学生的听课积极性。

（一）案例选取——福建泉州市欣佳酒店坍塌事故分析

该案例所选取的社会热点问题为新冠肺炎疫情期间发生的福建欣佳酒店坍塌事故。造成该事故的原因为酒店原钢框架结构被违规改建，疫情期间因违规装修从而引发底层钢柱失稳导致坍塌，该事故引发了社会各界的高度关注[8]。

该酒店原为层高6米的四层钢框架结构，之后经历违规改建新增3层楼板，增加约3000吨荷载且未作加固，改造为7层欣佳酒店。其底层为商铺，且在酒店改造时曾发生过底层商铺玻璃被挤爆的现象。2020年3月7日，酒店在底层装修中敲掉几堵隔墙，导致底层钢柱的边界约束条件发生改变。傍晚时候底层钢柱产生面外失稳，并在接下来几秒钟内全楼发生横向坍塌。

（二）案例选取原因

该结构经过几次改建后，结构主要构件先后承受了超载、强度超限、失稳破坏等几个钢构件典型失效模式，并且失稳坍塌后钢构件的变形模式等也涉及钢材的材料延性等性能。因此，在之后的《原理》课程中我们以该事件作为典型案例结合教学。

（三）案例分析实践

我们将与该案例相关的报道在《钢结构的破坏形式》这一章节学习之前即转发到课程交流的微信群中，供学生在课余利用碎片化时间提前了解该案例。在该课程讲授过程中，我们结合该案例的破坏现象分析来形象阐述各种破坏现象的发展过程和特点。如在第一次改建过程中，由于超载严重，对于底层部分结构立柱已经达到或超过了其屈服点。由于底层柱间填充墙产生较强的侧向支承效应，使得底层钢柱主要产生轴心受压强度破坏，由此产生较为显著的轴向压缩变形导致底层玻璃被挤爆。但由于钢材屈服后强化段的强度储备，钢柱仍能够维持稳定承载。这样，从现象上学生可较为形象地了解强度破坏的主要变形特点以及钢材的强度发展阶段。

结合第二次装修改建现场描述以及坍塌的视频可以看到，在拆除底层隔墙后部分钢柱产生了较为明显的侧向偏位，并且在随后几分钟内钢柱变形迅速增大，最终导致酒店在几秒钟内迅速坍塌。结合现场破坏现象学生可以了解钢构件整体失稳破坏的特点，即构件整体突然产生较为明显的侧向偏位，无法维持稳定承载，且失稳破坏发展极为迅速。由于轴心受力构件整体失稳后果较为严重，在构件设计中需要避免失稳破坏的产生。

在之后轴心受压构件章节的讲授中，依然以该案例分析协助授课。底层钢柱产生失稳破坏的主要原因为新装修过程中部分隔墙的拆除，这导致钢柱的侧向约束显著降低，使得之前钢柱以强度控制转变为仅两端约束的稳定控制。以该种方式让学生更为直接形象地理解边界约束的作用。在该章节课后作业中，让学生验算该底层钢柱在轴心强度承载下以及隔墙拆除之后的稳定承载模式时承载力的大小，这样可让学生更为直观地感受钢构件设计随着边界条件改变所导致的承载力变化。

（四）教学效果

该案例的总结于2020年初采取线上授课的方式进行，由于教师无法与学生面对面接触并及时跟进学生的听课情况，因此在线上教学中教师有意识地采用案例或场景分析式教学方法激发学生的听课积极性。从该课程结束后的课程反馈来看，虽然该课程是以线上授课的方式进行，但学生的参与度较高。在案例分析之后学生仍会在课程微信群中继续讨论，或自主地搜集相关的破坏案例转发到微信群中。在该课程的最终考核中，班级的整体考评平均成绩（相似难度）也较之前传统授课方式提升了20%。该教学方式初步应用效果较好。

另外，由于该案例为真实事件且产生了较为严重的后果，因此这种结合社会热点的案例分析式教学，可以让学生在学习过程中直观感受到设计中小小的偏差可能带来的严重后果。教师可在课堂教学中强调结构设计的严肃性以及土木工程專业的社会责任感，从而强化学生的工程师意识和安全意识，并在该教学过程中融入课程思政的理念。

四、课程教学改革实施建议

（一）教学团队合力打造优质案例库

基于案例的场景分析式教学模式中最重要的是案例库的选取和教学内容的提炼。案例库的打造需要教师付出较多的精力，同时需要教师具备一定的工程和教学经验。此外，教师还需要结合信息检索以及案例分析的内容做一些编辑工作，对于个体教师来说这样的工作量较大。在《原理》课程教学中，我们最终仅完成了基于应急医疗的装配式钢结构厢房结构设计和基于欣佳酒店倒塌事故两个案例。其所涉及的知识点主要在于螺栓连接节点的设计验算、轴心受力构件和受弯构件的强度以及稳定设计章节，涵盖范围有限。另外，不同教师有自己的讲授风格和关注的领域，个体教师所整理的材料和教学模式也不利于大范围推广。

因此，在该教学改革模式中，建议以教学团队分工配合的方式合力打造优质案例库。对于专业基础课程大都会有几位教师共同上课，其中年长的教师具有较为丰富的工程经验，并且教学经验丰富；而年轻教师对新媒体技术和信息检索掌握程度较高。因此，可以教学团队为单位，年长的教师提供重大工程或典型工程案例资料，年轻教师结合新媒体手段检索相关资讯并整理案例材料。在教学团队的教学研讨会中，可共同讨论案例的讲授方式和分析模式，所涵盖的知识点选取以及相关作业或者拓展学习资料等，并采取由年轻教师试讲、年长教师点评和改进的方式不断完善该教学模式，合力打造优质案例库。

（二）新媒体手段的运用

随着移动网络的快速发展，传统网络教学平台和各学习平台的资源已经比较完善，但目前已有的知识和学习平台仍主要依赖电脑或电视接入。随着新媒体时代的到来和生活节奏的加快，学生对于需要长时间在网络平台进行自主学习的方式接受度越来越低。如何采用受学生欢迎的方式来充分利用学生碎片化的时间开展教学，成为现代高等教育需要思考的一个问题。

在案例库的搜集和整理中，可以充分利用新媒体手段将案例资讯和关键资料编写成公众号文章，或者录制成小视频等，转发到课程学习群中。在所发的案例资讯中可仅点出所涉及的主要知识点，以设置小问题的方式在课程学习之前引导学生进行课前思考。在之后的课程讲授中教师结合案例分析，重点讲解其中所涉及的知识点，让学生有一种豁然开朗的感觉。在本章课程学习之后，可在班级群中推送课程讲解总结以及前置案例资讯中的问题释疑。借助新媒体手段以学生容易接受的方式激发学生的学习兴趣，课堂上教师带领学生就其中涉及的主要知识点进行梳理和引导讲授。采用线上线下结合的方式可有效提高学生的学习兴趣，改善教学效果。

（三）三维BIM技术和有限元模拟分析技术的结合运用

近年来，三维BIM技术兴起并逐渐应用于工程设计、施工和运营维护阶段[9-10]。一个完善的BIM模型包含建筑、结构等各项组件。因此，在一些典型工程项目缺乏完善的照片信息时，可对其主体结构和主要的结构组件通过建立三维BIM模型的方式来展现构件和关键节点型式，相对于教材上或图片上的二维图示，这能给学生带来更为直观的展示。对于缺乏钢结构相关试验和不具备认识实践条件的院校来说，其在授课时可结合有限元分析技术，通过构件在不同受力阶段和受力状态时的应力变化云图，直观展示构件的承载过程和破坏发展过程。比如，在讲授钢构件强度计算准则时，在考虑开洞和不开洞时构件内部的受力状态单靠语言描述学生无法有效理解。这时，可借助研究生科研工作中常用的有限元分析软件，建立简单的构件加载过程，分析并进行动画演示应力发展和变化过程。通过应力云图和变形状态的形象化演示形成的情景体验式教学，可辅助本科生有效地理解造成各破坏状态时构件内的应力状态发展。

五、结语

在有限的课时内，如何简明扼要地进行教学，采用科学的教学方法使学生掌握好基本的理论知识、构建起钢结构系统学习的框架是课程教学的关键。针对钢结构设计原理专业基础课现有的单一的授课模式，文章提出以培养学生创新和应用能力为目标，结合国家政策和与社会热点相关的实例，最终形成系统化的教学案例的教学方式。

将钢结构设计基本原理概念和计算等内容与工程案例的构造、设计和施工过程相结合，可以激发学生的学习兴趣，改善课堂教学效果，实现“智慧启迪、价值塑造、能力培养和知识传授”四位一体的课程目标。

该种教学方式的重点在于打造优质的案例库，因此建议以教学团队内不同专业方向和年龄段教师分工合作的方式进行案例库的整理和提炼；在实施手段上结合新媒体技术、三维BIM技术以及有限元模拟等方式实现多元化的资料集成和效果呈现。

［参考文献］

[1] 焦燏烽，陈俊岭. 以培养卓越土木工程师为目标的钢结构教学改革探讨[J]. 教学研究，2014（6）：106-108.

[2] 刘学春，白正仙，朱涛，等.钢结构原理教学内容和教学方法的探讨与实践[J]. 高等建筑教育，2020（4）：101-108.

[3] 庞瑞，郑德乾，梁书亭.建筑工业化新进展融入土木工程专业教学的探索与实践[J].高等建筑教育，2014（3）：32-35.

[4] 沈祖炎，陈以一，陈扬骥. 房屋钢结构设计[M]. 北京：中国建筑工业出版社，2008.

[5] 刘占科，孙伟.以教学效果为中心的钢结构连接教学研究[J].高等建筑教育，2019（1）：73-82.

[6] 周海涛，刘丛，刘志钦.钢结构原理与设计课程讲授法的改造应用试验[J].创新创业理论研究与实践，2019（15）：66-68.

[7] 余祥，张丽娜，李凤臣，等.独立院校基于微信公众平台与传统教育的混合模式教学研究：以钢结构设计原理课程为例[J].高等建筑教育，2018（1）：49-52.