问题导向的“钢结构设计原理”课堂理论教学改革

［摘 要］ “钢结构设计原理”是道路桥路与渡河工程专业的核心专业课程，扎实提升课堂理论教学效率和效果是该课程教学改革的重要任务和目标。细致分析“钢结构设计原理”的课程内容特点以及由此导致学生学习过程中存在的问题，有针对性地提出从多层次网格模块化教学内容、建立“思维主线”、引入真实工程案例、坚持精确理论推导与定性分析相结合、开展课程横向比较等方面开展课堂理论教学改革，进而从根本上提升课堂理论教学的效率与效果。

［关键词］ 钢结构设计原理；问题导向；课程特点；模块化；思维主线

［基金项目］ 2019年度陕西省高等教育学会高等教育科学研究项目“基于新工科背景下的道路桥梁与渡河工程专业课程体系构建研究”（XGH19026）；2023年度长安大学高等教育教学改革研究项目“《钢与组合结构设计原理》高质量教材建设研究”（ZY202365）

［作者简介］ 朱伟庆（1987—），男，湖南娄底人，博士，长安大学公路学院教授，主要从事钢与组合结构桥梁理论与教学研究；刘永健（1966—），男，江西玉山人，博士，长安大学公路学院教授，主要从事钢与组合结构桥梁理论与教学研究；陈 峰（1977—），男，河北井陉人，博士，长安大学公路学院副教授，主要从事桥梁工程理论与教学研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2024）15-0073-04 ［收稿日期］ 2023-09-22

钢结构桥梁表现出优越的结构性能、施工性能和使用性能，应用越来越广泛，交通运输部及各省市均出台了推动钢结构桥梁应用和发展的相关政策。因此，培养并建立钢结构桥梁领域的人才体系成为我国高校道路桥梁与渡河工程专业的重要任务，“钢结构设计原理”也成为核心专业课程。然而，多年教学实践证明，学生时常反馈“钢结构设计原理”课程学习难度大，学习效果差强人意。针对课程教学过程中遇到的难题，一些同行从改变传统教学方法［1-2］、引入创新教学手段［3-4］、融入思政元素［5-6］以及结合创新创业教育理念［7-8］等方面做了诸多有益探索。然而，作为非常重视理论教学的核心专业课程，剖析该课程内容特点以及由此导致学生学习过程中的问题，针对性地从课堂理论教学角度进行改革创新，从根本上提升课堂理论教学的效率与效果，应是该课程教学改革的根本目标和任务。

一、“钢结构设计原理”课程内容特点剖析

（一）课程内容和知识点多，理论性强

首先，多数高校“钢结构设计原理”的课时量仅为32学时，且课程内容与知识点多，涉及钢结构基本概念、基本受力构件计算方法、钢结构连接的计算方法等。其中，基本受力构件包括受拉构件、轴心受压构件、受弯构件和压弯构件，构件的计算包括强度、整体稳定、局部稳定、刚度等；钢结构连接包括焊缝连接和螺栓连接。其次，课程内容理论性很强，不同构件或者连接的计算方法差异极大。例如，与受弯构件相比，轴心受压构件整体失稳和局部失稳的形式均有很大差异，整体稳定计算和局部稳定验算的差异也很大；焊缝连接与螺栓连接的计算方法更是完全不同。导致以上差异的原因主要还是隐藏在背后的破坏机理的巨大差异。“钢结构设计原理”课程的这一特征使得学生在学习过程中似懂非懂、顾此失彼、张冠李戴的现象时常发生。

（二）与前序课程“混凝土结构设计原理”差异大

在学习“钢结构设计原理”之前，学生已经完成了前序课程“混凝土结构设计原理”。然而，混凝土结构与钢结构两类结构在设计方法、计算内容等方面的巨大差异导致两门课程在学习方法和思路上也有很大的区别。例如，钢筋混凝土梁的设计计算一般包括正截面受弯承载力计算和斜截面受剪承载力计算，这两项计算内容均是基于极限平衡理论验算整个截面承载力；而钢梁的计算却包括强度验算（验算危险点的应力）、整体稳定验算（表现为应力应算的形式）和局部稳定验算。由于学习的惯性，学生或多或少会潜意识甚至有意识地将在“混凝土结构设计原理”学习过程中总结的学习方法和经验运用于“钢结构设计原理”的学习。这无疑会使得学生无法找到适合“钢结构设计原理”的学习方法。

二、“钢结构设计原理”课程教学改革实践

（一）多层次网格“模块化”教学内容，建立课程知识体系

针对“钢结构设计原理”学时紧、课程内容和知识点多的特点，在理论教学过程中，将课堂理论教学内容进行多层次的网格模块划分。根据长安大学道路桥梁与渡河工程专业“钢结构设计原理”的课程大纲，首先，从第一个层面将课程内容划分为钢结构材料与基本概念、钢结构连接的计算、钢结构基本受力构件的计算三个大模块。这三大模块之间的教学内容相对较为独立，且教学风格和教学思路差异相对较大，而模块内部的教学内容相对较为相似，教学思路和主线则可保持一致，这就为多层次网格“模块化”教学内容奠定了可行性基础。其次，从第二个层面将每个大模块的教学内容根据具体的对象再划分为二级模块。由于同一大模块下不同二级模块的教学目标是一致的，故可采用相似的教学思维主线，并通过多次反复强调从而加深学生对该部分课程内容的理解；反过来，由于同一大模块下不同二级模块的学习对象是不同的，故也可以根据学习对象的特征针对性地设计该二级模块的教学内容。

（二）牢牢抓住“思维主线”，培养钢结构学科思维模式

针对“钢结构设计原理”课程理论性强、学习难度大的难题，在每个模块的教学过程中，瞄准该模块学习对象的特点，牢牢抓住“表观现象—基本概念—经典理论—实用计算方法”的思维主线，直观展示表观现象，讲解表观现象对应的基本概念，定性、定量相结合解剖隐藏在现象背后的经典理论，结合理论定性与定量规律，讲解实用计算方法的由来、表现形式、重要参数内涵，从而培养学生钢结构学科的思维模式。以第三个大模块“钢结构基本受力构件的计算”为例，该模块的总体教学目标为：理解基本受力构件破坏模式的类别，掌握其强度、整体稳定、局部稳定和刚度计算或验算方法，教学思路和思维主线设置为：截面选型与有效截面—［强度破坏现象—强度破坏模式—可能的强度破坏位置与原因—强度验算方法］—［整体失稳现象—整体失稳概念与类型—整体稳定理论—整体稳定承载力影响因素—整体稳定计算方法］—［局部失稳现象—局部稳定概念与类型—局部稳定理论—避免局部稳定发生的思路—局部稳定验算方法］—刚度验算。按照具体对象将其划分为受拉构件、轴心受压构件、受弯构件和压弯构件四个二级模块，在四个二级模块的教学过程中，始终贯彻和强调上述“思维主线”；同时，重点针对每一基本受力构件的特点及与其他构件的差异，着重讲解其在表观现象、基本概念、经典理论、实用计算方法各环节的特点。

（三）引入真实工程案例，深刻理解表观现象对应的基本概念

做好“钢结构设计原理”课程中每一个二级小模块学习内容的理论教学，首先需通过增强学生对“表观现象”的感性认识让学生深刻理解该模块内容中的“基本概念”。因此，通过引入真实工程案例，更好地透过“表观现象”理解背后的基本概念和原理，是模块化教学的重要一环。例如，通过引入“加拿大魁北克大桥坍塌事故”展示轴心受压构件整体失稳这一表观现象，让学生理解轴心受压构件整体失稳的基本概念、特征以及可能导致的严重后果；通过引入“奥地利维也纳多瑙河4号桥施工事故”展示受弯构件局部失稳这一表观现象，让学生理解受弯构件局部失稳的基本概念、可能的形式、特征以及可能导致的后果；通过引入“国内某桥梁满堂支架失稳事故”展示结构整体失稳与局部失稳之间的相互关联与转化关系，让学生更深刻理解这两个基本概念。

（四）坚持精确理论推导与定性分析相结合，扎实掌握实用计算方法

合情合理、通俗易懂地从经典理论得到实用计算方法是让学生扎实掌握钢结构设计方法的基础。然而，经典理论的推导过程往往很复杂，对数学和力学功底的要求高。对大部分学生来说，完整和细致地讲解经典理论的推导过程虽有难度但无必要。因此，在此环节的讲解过程中，应坚持理论推导与定性分析相结合，即在讲述经典理论基本假定和推导思路的基础上，应更多地分析经典理论对应的基本规律，以及从经典理论向实用计算方法过渡过程中的“不变内涵”与“简化原则”。例如，在讲述轴心受压构件的整体稳定理论与实用计算方法时，首先从理想轴心杆件整体失稳的欧拉公式入手，依次引入材料弹塑性、力学初始缺陷和几何初始缺陷的影响；在此过程中，牢牢把握“临界应力”这一不变内涵，重点讲解材料弹塑性、力学初始缺陷和几何初始缺陷对临界应力的影响规律。这样便能让学生轻松理解轴心受压构件的整体稳定计算公式为何会表现为“带有整体稳定折减系数的应力表达式”，计算整体稳定折减系数时为何会对应四类曲线，而力学几何缺陷对临界应力的影响为何会表现为“根据截面分类选取曲线类型”。

（五）注重课程“横向对比”，主动消除课程学习思维混乱

针对“钢结构设计原理”与前置课程“混凝土结构设计原理”差异大、学生在本门课程的学习过程中易受前置课程学习经验影响的问题，在课堂理论教学的各个关键环节引导学生主动与“混凝土结构设计原理”中相近知识模块进行横向对比，培养学生的“横向对比”思维，使其从根本上理解两门课程相关内容的差异以及差异产生的原因，达到主动消除学生理解误区、避免概念和思维混淆的目的，进而使学生既能学好本门课程，又能加深对“混凝土结构设计原理”相关问题的理解。“横向对比”教学主要从两种结构的材料性质、结构优缺点、破坏模式、承载力计算理论、设计与计算内容六个方面展开。例如，混凝土结构的破坏以材料强度破坏为主，而钢结构则可能会发生强度破坏、整体失稳和局部失稳破坏等，由此导致二者的承载力计算理论和计算内容也有很大差异。

三、强化课堂交流与课后总结，提升理论教学效果

在上述五方面教学改革实践过程中，还需要通过丰富教学手段和形式，引导学生主动思考、主动梳理与总结，进而提升以上五个方面课堂理论教学改革的效果。例如，通过设置课堂引导式提问、组织学习小组课堂讨论引导学生主动思考同一大模块下各小模块中知识点的相似与不同之处，对比本门课程与前序课程相似知识点的异同；每完成一个大小模块内容的理论教学后，可通过布置课后模块知识图谱绘制任务，引导学生按照思维主线梳理和总结本模块的知识体系树。

结语

“钢结构设计原理”是道路桥梁与渡河工程专业的一门非常重要的专业课程，该课程内容和知识点多、理论性强，且学生学习时易受到前序课程学习经验的干扰，导致学生普遍反映“钢结构设计原理”课程的学习难度大，且学习效果不理想。在剖析“钢结构设计原理”课程内容特点、学生学习过程中存在的问题的基础上，有针对性地从教学内容多层次模块化、抓住“思维主线”、引入真实工程案例、坚持精确理论推导与定性分析相结合、开展知识点横向对比五个角度开展课程内容教学改革，并在教学实践过程中引导学生主动思考和总结，是扎实提高课堂理论教学效率、提高学生学习效果的有效手段。

参考文献

［1］金佳旭，李永靖，杜东宁，等.浅析“钢结构设计原理”课程教学现状与创新改革方法［J］.教育教学论坛，2019（31）：72-74.

［2］宋高丽.土木工程专业钢结构设计原理课程教学改革探索［J］.高等建筑教育，2016，25（4）：62-64.

［3］常鸿飞，夏军武，田国华，等.基于移动学习的“钢结构设计原理”教材建设探讨［J］.教育教学论坛，2016（42）：51-52.

［4］李天娥，辛立彪，王永宝.基于微信的混合教学模式探析：以钢结构设计原理课程为例［J］.高教学刊，2021（19）：74-77.

［5］赵金钢.思政元素融入钢结构设计原理课程教学方法初探［J］.高等建筑教育，2023，32（2）：175-182.

［6］陈猛，乔滟扬，姚烨.钢结构设计原理课程中钢材知识课程思政教学设计［J］.高教学刊，2023（13）：35-38.

［7］黄玲.融入创新创业教育理念的钢结构教学实践研究［J］.南昌航空大学学报：社会科学，2020，22（4）：98-103.

［8］赵中伟，张霓，孙庆巍，等.科研成果转化为“钢结构设计原理”教学资源的研究［J］.教育教学论坛，2022（6）：141-144.