新工科背景下钢结构设计课程教学改革探索与实践

高占远　阳芳　张辉东　姚姝

[摘 要]依据《钢结构设计标准》（GB50017-2017）、教育部专业指导规范和新结构新工艺等方面的要求，项目组对钢结构设计的教学内容进行调整，采取模块化教学，共分成抗震性能化分析模块、专业规范模块和新结构新工艺模块三大模块，并增加BIM技术导学模块，同时调整教学方法，增加研讨课、翻转课堂等。依据新的教学内容和教学方法，给出充分考虑各方面因素的新成绩评价标准。教学实践表明，新的教学体系和评价方法不仅让学生更好地掌握以往教学中的知识，更培养了学生运用钢结构专业知识和BIM技术解决问题的能力，为学生后续课程及就业等打下了坚实的基础。

[关键词]钢结构设计;新工科;BIM;课程体系;评价体系

[中图分类号] G642.0 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2022）04-0083-03

随着“互联网+”、5G、人工智能等的发展和进步，我国传统产业结构面临转型升级问题，为适应这种变化，我国提出了新工科理念[1]。新工科的内涵是以立德树人为前提，以应对变化、开创未来为建设理念，以继承与创新、交叉与融合、协作与共赢为主要途径，培养未来多元化、创新型工程人才[2]。土木工程作为传统的工科专业必将适应新工科的理念，培养适应新时代的创新型工程人才。传统的土木工程教育明显存在重理论教育、轻实践教育教学，学习内容与工程实践脱轨等诸多问题[3]。因此，如何實现理论学习、实践教育和先进技术的交叉融合是土木工程专业教育急需解决的问题。

钢结构设计是土木工程专业重要的专业核心课，课程教学目标是使学生掌握常见的建筑钢结构的设计方法，为学生今后从事钢结构设计奠定基础[4]。由于学生对这些结构接触较少，且课程内容比较抽象，教学效果不是很理想。钢结构又是目前非常活跃的结构形式，新的结构层出不穷，原本的教学内容涉及较少[5-6]。这就造成了课程教学与工程实际的脱节。钢结构的知识更新比较快速，教学过程中很多新的规范标准不断出现，需要在教学过程中体现新规范的内容。

天津城建大学（以下简称“我校”）土木工程专业是国家一流本科专业、国家级特色专业、天津市“双一流”学科、天津市重点学科。2018年通过建设部土木工程专业审核评估，在全国第四轮学科评估中取得了C+的成绩。钢结构设计课程作为土木工程专业一门重要的专业核心课，在土木工程本科培养计划中有着举足轻重的地位。提高本课程的教学质量和水平，对我校土木工程专业建设有着重要的促进作用，有利于我校土木工程专业实现更好的发展。

文章针对钢结构设计课程中存在的问题，结合本校实际，对钢结构设计课程进行教学改革和实践;对钢结构的教学内容进行调整，给出新的教学评价体系;对教学方法进行调整，并通过教学实践验证教学改革的效果。

一、教学内容与评价体系

（一）教学内容

钢结构设计课程介绍的是常见结构的概念、分类、特点及计算等内容。因为很多结构形式学生都未见过，除通过传统的PPT图片、视频展示之外，也可通过三维动画的形式展示或进行简单设计，加强学生对知识的理解和运用。BIM（Building Information Modeling）技术是建筑信息模型，是对建筑数据化、信息化模型的整合，广泛应用于工程设计、建筑、管理等各个建筑领域[7]。学生除BIM技术基础课程外，很少有机会运用BIM软件，而BIM技术的广泛应用和新版钢结构标准的颁布实施，要求教学过程中必须培养学生应用BIM技术分析钢结构工程问题的能力。因此，必须进行教学改革和探索，调动学生学习的积极性、主动性，提高学生分析问题、解决问题的能力和激发其创新探索精神。

钢结构设计课程按教育部《高等学校土木工程本科指导性专业规范》附件三（以下简称《专业规范》）的建议，推荐的知识单元有“轻型门式刚架钢结构设计、普钢厂房结构设计、大跨屋盖钢结构设计、多层及高层房屋钢结构设计（含抗震）”。《钢结构设计标准》（GB50017-2017）于2018年7月1日正式颁布实施，新标准有较多的变动，如增加了结构分析、稳定性设计和钢结构抗震性能化设计等诸多内容。

项目组综合考虑钢结构新标准、BIM技术、新体系和新工艺，结合我校的实际情况，按照钢结构设计课程知识的内在逻辑，对钢结构设计课程的教学内容采取模块化教学，即钢结构抗震性能化设计、专业规范推荐知识和新结构新技术三大模块，对知识模块进行优化组合并基于前期BIM技术基础课程的学习，增加BIM技术导学模块。

1.钢结构抗震性能化设计模块。因前面有工程结构抗震课程，学生已经学习过现行抗震设计规范里的基本理论。本模块主要介绍《钢结构设计标准》中基于性能化的钢结构抗震设计概念、理论和方法。

2.《专业规范》推荐知识模块。按照《专业规范》的建议，推荐的知识单元有轻型门式刚架钢结构设计、普钢厂房结构设计、大跨屋盖钢结构设计、多层及高层房屋钢结构设计（含抗震）。该部分对规范推荐的结构形式的概念、分类、特点、计算方法及构造等内容进行介绍。其内容打通各类结构的壁垒，将相同的内容进行统一讲解，不同结构的部分再分开进行讲解。

3.新结构新工艺模块。土木工程是不断发展的学科，特别是钢结构，新的结构形式层出不穷，为了让学生了解新结构新工艺，我们特设置该模块，并对教学内容进行动态调整。

除上述三个专业知识模块，项目组还设置了BIM导学模块。该课程课时较短，知识点较多，结构形式比较抽象，故在钢结构设计中增加了BIM导学模块，该模块主要在《专业规范》推荐知识模块和新结构新工艺模块两部分使用。BIM导学模块分为两种方式：一是结构和关键节点展示部分，该部分通过BIM展示结构形式及关键节点;二是学生自己设计制作部分，通过作业的形式让学生自己设计制作部分简单的结构和关键节点。具体的课程内容和学时分配如表1所示。

（二）教学方法与评价体系

1.教学方法

传统的教学方法是以教师的课堂讲授为主，而钢结构设计课程往往安排在大四上学期，这时学生忙于找工作、考研，教师的教学很难取得理想的效果。项目组依据新的教学内容的安排以及工程认证的教学理念，开展线上线下混合式教学方案。线下教学方案包括课堂讲授，增加课堂分组讨论、翻转课堂等环节。翻转课堂和分组讨论将学生分成4～6人一组，将《专业规范》推荐知识模块中每种结构的概念、分类、特点及工程实例等分成若干题目，每组学生线下进行准备，课上进行讲解展示，要求每组学生做出各类结构相对简单的BIM结构模型和节点构造模型。线上教学主要通过学习通收发作业，并利用腾讯会议、QQ群、微信群等进行答疑。

2.评价体系

题目组依据新的教学内容和以往的教学经验，提出全面考查学生各方面能力的评价体系。以往的教学评价体系分为两部分，即期末考试成绩和平时成绩，平时成绩包括平时作业、课堂表现等内容。考查的方式比较单一，不能全面考查学生的学习情况，且不适应新的教学内容。因此，为了全面考查学生的学习效果，需要建立新的评价体系。原评价体系期末考试成绩总成绩的占70%，平时成绩总成绩的占30%。新的评价体系需要全面考查学生的各方面能力，期末考试成绩从70%调整为60%，平时成绩为40%。平时成绩部分除了原来的平时作业，还加入翻转课堂、分组讨论成绩及BIM成果演示成绩等，即平时成绩（40%）=平时作业（10%）+翻转课堂（10%）+分组讨论（10%）+BIM成果（10%）。翻转课堂和分组讨论部分增加了組内打分和各组之间打分的环节，组内打分即根据组内成员准备的实际情况、组内成员的贡献度等进行打分。各组之间根据现场演示情况进行现场打分。这能让学生在准备、讲、学、评中获取更多的知识，进行更多的思考。

新的评价体系增加了学生平时表现分数的占比，能更加全面地考查学生的能力，评价方式由原来的教师主导变为学生参与，这样的评价体系更全面、客观。

二、教学效果及评价

通过教学内容和评价体系的改革，学生对各类结构的理解更加深入，学习积极性被调动起来，对各类钢结构形式、新结构新技术及BIM技术的理解更加深入具体。从平时的课堂表现、分组讨论和期末成绩看，教学效果明显得到改善。图1是学生分组讨论讲解的图片。学生们准备充分、讲解明确、分析清楚，各方面的能力得到了锻炼和提升，互评打分环节也比较客观实际。

为了解学生对新的教学内容和教学方法的评价和感受，项目组设置了若干问卷调查，共有12题，包括学习效果、教学效果、课程内容设置、教学方法、BIM技术等相关内容。从问卷调查的结果看，对新的教学内容反应比较合理，对新的教学方法学生比较欢迎，接受程度比较高，教学效果良好，这种教学模式得到了学生积极的评价。其中有代表性的问题有如下几个：1.你认为这门课程在学习过程中的难度如何？2.你认为这门课程考试你可能取得的分数是多少？3.你认为在钢结构设计课程中加入BIM模块做构件及节点图是否必要？4.你认为在钢结构设计课程中加入BIM模块会不会对该课程有帮助？项目组根据学生的回答绘制了饼图，如图2所示。

问题1的答案分别为：A.很难、B.较难和C.一般。由图2可知，有74.2%的学生选择了较难以上，其中11.3%的学生认为很难。由此可见，学生认为钢结构设计课程确实比较难。问题2的答案分，别为：A.90分以上，B.80—90分，C.70—80分，D.60—70分，E.60分以下。可以看出选A的占3.2%，选E的占1.6%，56.5%的同学选择了C。从最后的成绩看，这基本符合学生自己的预期。和以往学生的成绩对比也有所提升，可见新的教学方法取得了明显的效果。问题3的答案分别为：A.十分必要占25.8%，B.必要占48.4%，C.不需要占8.1%，D.无所谓占17.7%。近75%的学生认为加入BIM模块十分必要，得到了相应的锻炼。但还有近1/4的学生认为无所谓，说明以后的教学过程中还有很大的提升和改进的空间。问题4的答案分别为：A.十分有帮助占32.3%，B.有一定帮助占58%，C.作用不大占8.1%，D.无所谓占1.6%。有90.3%的学生认为BIM模块对学习钢结构设计课程有帮助，可见学生从中既了解了各类钢结构的结构构造，也锻炼了BIM技术的工程应用能力。

三、结论

在新工科背景下，依据教育部专业指导规范、新版钢结构设计标准及工程实践等要求，项目组对钢结构设计课程的教学内容、评价体系和教学方法等进行改革和探索实践，经过课堂实践，提出的模块化教学、BIM技术的引入等收到了良好的教学效果。新的评价体系能更加全面地考查学生的能力，并让学生参与到考核过程中来，新的教学方法更加注重学生的参与度和能力的培养。通过考试成绩和问卷调查，项目组可以了解到学生对新的教学内容、评价体系和评价方法认可度较高，取得了较好的效果。本课程的教学改革将持续下去，对其中不完善的地方持续改进，并将最新的规范内容、结构形式和施工方法融入其中，以取得更佳的教学效果。

[ 参 考 文 献 ]

[1] 吴巧云，肖如峰.“新工科”时代背景下德才兼备型土木工程人才培养改革与实践[J].高等建筑教育，2020（2）：8-15.

[2] 高等学校土木工程学科专业指导委员会.高等学校土木工程本科指导性专业规范[M].北京：中国建筑工业出版社，2011.

[3] 丁点点，樊猛.基于BIM技术的土木工程专业实践教学改革研究[J].教育教学论坛，2020（29）：192-193.

[4] 西安建筑科技大学编.钢结构（下册）：房屋建筑钢结构设计（第四版）[M].北京：中国建筑工业出版社，2018.

[5] 周俐俐，沈鹃.关于钢结构设计教学中的一些思考[J].科技视界，2020（3）：105-106.

[6] 赵莹.创客教学法在《钢结构设计》教学中的应用研究[J].创新创业理论研究与实践，2018（18）：26-27.

[7] 马张永，王泽强.装配式钢结构建筑与BIM技术应用[M].北京：中国建筑工业出版社，2019.

[8] 鲍跃全，李惠.人工智能时代的土木工程[J].土木工程学报，2019（5）：1-11.

[9] 赵子熙，刘曦.BIM在土木工程领域的应用价值[J].公路，2018（12）：240-242.

[责任编辑：陈 明]