“鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定”本科教學(xué)探索

第第頁(yè)“鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定”本科教學(xué)探索摘要：闡述了如何在“鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定”本科課程教學(xué)實(shí)踐中，加強(qiáng)學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)，調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)自主性，激發(fā)學(xué)生的探索創(chuàng)新精神。

關(guān)鍵詞：整體穩(wěn)定；局部穩(wěn)定；畸變屈曲；教學(xué)探索

作者簡(jiǎn)介：羅洪光（1974-），男，湖南隆回人，三峽大學(xué)土木與建筑學(xué)院，工程師。（湖北宜昌443002）

基金項(xiàng)目：本文系湖南省高等學(xué)校科學(xué)研究項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：11C1132）的研究成果。

中圖分類號(hào)：G642.0     文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A     文章編號(hào)：1007-0079（2012）10-0091-01

“鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定”課程是土木工程專業(yè)本科學(xué)生必修專業(yè)課，屬于專業(yè)主干課程。與其他建筑材料結(jié)構(gòu)相比，鋼結(jié)構(gòu)具有“高強(qiáng)、桿細(xì)、壁薄”的特點(diǎn)，這使得鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算中占有突出的地位，鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定問題是貫穿整個(gè)鋼結(jié)構(gòu)教學(xué)的重要知識(shí)點(diǎn)。[1]但是，鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定這一概念對(duì)于剛接觸鋼結(jié)構(gòu)的本科學(xué)生來(lái)說，顯得比較抽象，難以理解。因此，鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定在鋼結(jié)構(gòu)本科教學(xué)中既是重點(diǎn)，又是難點(diǎn)。筆者針對(duì)“鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定”本科教學(xué)進(jìn)行了一些探索，取得了良好的教學(xué)效果。

一、加強(qiáng)感性認(rèn)識(shí)，正確認(rèn)識(shí)理論和實(shí)際

大多數(shù)學(xué)生缺乏與鋼結(jié)構(gòu)工程實(shí)例的接觸，需加強(qiáng)學(xué)生對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的感性認(rèn)識(shí)。日益豐富的多媒體教學(xué)可以在一定程度上起到增強(qiáng)學(xué)生感性認(rèn)識(shí)的作用。筆者通過多媒體教學(xué)向?qū)W生介紹一些鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定事故實(shí)例，如加拿大魁北克大橋工程事故、美國(guó)Hartford城體育館鋼網(wǎng)架事故以及我國(guó)某企業(yè)輕鋼屋架屋蓋會(huì)議室事故等。圖片與文字相配合，增進(jìn)了教學(xué)的生動(dòng)性，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到忽視鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定將造成嚴(yán)重后果，提高學(xué)生對(duì)鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的重視，并增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的積極性。多媒體具有演示功能，在課堂教學(xué)中播放鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件失穩(wěn)的動(dòng)畫，如軸壓柱彎曲失穩(wěn)、扭轉(zhuǎn)失穩(wěn)、彎扭失穩(wěn)以及梁的整體失穩(wěn)等，促進(jìn)學(xué)生建立鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的感性認(rèn)識(shí)。

在學(xué)習(xí)“鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定”課程之前，學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)過“材料力學(xué)”，[2]對(duì)穩(wěn)定的概念有了一定的了解。筆者因勢(shì)利導(dǎo)，引導(dǎo)學(xué)生回顧所學(xué)的壓桿穩(wěn)定力學(xué)理論知識(shí)。在學(xué)生進(jìn)一步了解有關(guān)鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的力學(xué)理論之后，對(duì)其強(qiáng)調(diào)理論與實(shí)際之間的區(qū)別?！安牧狭W(xué)”所講述的壓桿穩(wěn)定是一種理想化的整體穩(wěn)定，力學(xué)理論應(yīng)用于工程實(shí)際，需考慮實(shí)際結(jié)構(gòu)的各種缺陷。就鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定而言，實(shí)際的穩(wěn)定計(jì)算尚需考慮材料缺陷和幾何缺陷等。力學(xué)理論的理想化是指為了計(jì)算簡(jiǎn)便，考慮到各種實(shí)際因素影響，計(jì)算式往往是建立在試驗(yàn)歸納的基礎(chǔ)上。這些講解有助于學(xué)生正確認(rèn)識(shí)理論和實(shí)際的聯(lián)系和區(qū)別，也為后續(xù)課程中相關(guān)設(shè)計(jì)公式來(lái)源的講解做了鋪墊。從另一個(gè)角度來(lái)說，學(xué)生可從中領(lǐng)略科學(xué)的思想，形成科學(xué)的態(tài)度，建立科學(xué)的方法。

二、選取簡(jiǎn)單的課堂演示實(shí)驗(yàn)，調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)自主性

課堂演示實(shí)驗(yàn)是學(xué)生在學(xué)習(xí)中從感性認(rèn)識(shí)上升到理性認(rèn)識(shí)的重要環(huán)節(jié)之一，也是啟發(fā)式教學(xué)的有效手段，不僅能增強(qiáng)學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)，而且可以激勵(lì)學(xué)生主動(dòng)進(jìn)行思考，提升學(xué)生的觀察思維能力。目前關(guān)于“鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定”的課堂演示實(shí)驗(yàn)不多，選取既簡(jiǎn)便又能展現(xiàn)多種結(jié)構(gòu)穩(wěn)定現(xiàn)象的教具是關(guān)鍵。筆者從實(shí)用角度出發(fā)，采用普通的紙片，模擬鋼結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。

對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的局部失穩(wěn)現(xiàn)象進(jìn)行補(bǔ)充說明，筆者利用一張合適的薄紙片，做了一個(gè)簡(jiǎn)單的課堂演示實(shí)驗(yàn)。把紙片卷成圓柱形狀，紙片只需稍微合攏就行，圓柱厚度基本上就是單張紙的厚度。紙質(zhì)圓柱底部與講臺(tái)桌面相接觸，用手掌按住圓柱頂部，并要求學(xué)生注意觀察紙質(zhì)圓柱所發(fā)生的變化。隨著手掌往下施加壓力，學(xué)生看到紙質(zhì)圓柱外表面不再保持平整光滑，逐步出現(xiàn)凹凸不平的現(xiàn)象。這實(shí)際上是以紙代替鋼材，為學(xué)生摸擬了鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件發(fā)生局部失穩(wěn)的現(xiàn)象。不過，除局部穩(wěn)定以外，鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定還包括整體穩(wěn)定，如何針對(duì)鋼結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定進(jìn)行課堂演示實(shí)驗(yàn)？

局部穩(wěn)定的課堂演示實(shí)驗(yàn)活躍了課堂氣氛，學(xué)生開始議論紛紛。此時(shí)筆者宣布，利用同一張薄紙片，再做一個(gè)不同的演示實(shí)驗(yàn)，并要求學(xué)生注意與剛才的演示實(shí)驗(yàn)進(jìn)行比較。課堂恢復(fù)了安靜，學(xué)生聚精會(huì)神地關(guān)注即將進(jìn)行的課堂演示實(shí)驗(yàn)。筆者同樣把紙片卷成圓柱形狀，但是與上一個(gè)演示實(shí)驗(yàn)不同的是，紙片緊緊地卷了一層又一層，所形成的紙質(zhì)圓柱的厚度是單張紙厚度的若干倍。同樣，將紙質(zhì)圓柱置于講臺(tái)桌面上，用手掌壓在圓柱頂部，在手掌所施壓力作用下，紙質(zhì)圓柱發(fā)生突然性的整體傾斜現(xiàn)象。第二個(gè)演示實(shí)驗(yàn)是對(duì)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件整體失穩(wěn)的模擬。紙質(zhì)圓柱厚度增加后，相當(dāng)于提高了構(gòu)件的局部穩(wěn)定，從而使得整體穩(wěn)定起控制作用。

筆者通過課堂演示實(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生觀察、猜想、分析、歸納、總結(jié)，調(diào)動(dòng)學(xué)生進(jìn)行積極思考，幫助學(xué)生實(shí)現(xiàn)由表及里、從現(xiàn)象到本質(zhì)的學(xué)習(xí)認(rèn)識(shí)過程。在筆者的指點(diǎn)下，學(xué)生從課堂演示實(shí)驗(yàn)中建立了準(zhǔn)確的鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的第一印象。在以上兩個(gè)課堂演示實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，教師還可進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生熟悉“等穩(wěn)性原則”等設(shè)計(jì)計(jì)算概念。通過課堂演示實(shí)驗(yàn)，啟發(fā)學(xué)生思考演示實(shí)驗(yàn)所反映的力學(xué)現(xiàn)象及本質(zhì)，增強(qiáng)學(xué)生的觀察能力，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，將被動(dòng)學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)化為主動(dòng)思考，有助于培養(yǎng)學(xué)生良好的思考習(xí)慣。

為改變教師滿堂灌、學(xué)生被動(dòng)學(xué)習(xí)的教學(xué)狀況，筆者在課堂上要求學(xué)生思考日常生活中是否還有其他類似的結(jié)構(gòu)失穩(wěn)現(xiàn)象，鼓勵(lì)學(xué)生討論，然后進(jìn)行點(diǎn)評(píng)和總結(jié)。師生間的良性互動(dòng)，不僅開拓了學(xué)生的思維視野，使學(xué)生產(chǎn)生積極的學(xué)習(xí)動(dòng)力，而且有助于教師及時(shí)發(fā)現(xiàn)學(xué)生在知識(shí)認(rèn)識(shí)上的偏差。

三、介紹學(xué)術(shù)新動(dòng)態(tài)，激發(fā)學(xué)生的探索創(chuàng)新精神

國(guó)內(nèi)外對(duì)鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的研究是不斷發(fā)展和變化的。隨著鋼材強(qiáng)度的提高、各種新型截面形式的出現(xiàn)，各種現(xiàn)象和問題逐步引起各國(guó)學(xué)者、工程技術(shù)人員的關(guān)注和研究，新的研究成果也不斷得到推廣應(yīng)用。但教材的更新往往趕不上知識(shí)的更新，新成果新知識(shí)不能在教材中得到體現(xiàn)。教師介紹一些有關(guān)的學(xué)術(shù)新動(dòng)態(tài)作為教學(xué)補(bǔ)充，有助于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱忱。有些學(xué)生的學(xué)習(xí)領(lǐng)悟能力強(qiáng)，并不滿足于教材所包含的知識(shí)內(nèi)容，而未來(lái)從事科研設(shè)計(jì)工作的技術(shù)人員也大多出自于這部分學(xué)生，學(xué)術(shù)新動(dòng)態(tài)可以激發(fā)他們的求知欲望，探索科學(xué)真諦。雖然學(xué)術(shù)新動(dòng)態(tài)所涉及的范圍超出了教學(xué)大綱的界限，但是只要教師把握得當(dāng)，點(diǎn)到為止，從長(zhǎng)遠(yuǎn)考慮，必能收到良好的教學(xué)效果，滿足不同學(xué)生的學(xué)習(xí)需求。

畸變屈曲是一種不同于整體穩(wěn)定和局部穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定形式，[3]但當(dāng)前的教材并沒有相關(guān)的內(nèi)容說明。筆者在課堂上對(duì)畸變屈曲做了簡(jiǎn)單的介紹，比如畸變屈曲的概念、鋼結(jié)構(gòu)在什么條件情況下容易發(fā)生畸變屈曲等。向?qū)W生明確表明不對(duì)畸變屈曲做學(xué)習(xí)上的要求，有興趣想進(jìn)一步了解的學(xué)生可在課外查閱相關(guān)資料。

值得一提的是，畸變屈曲的相關(guān)計(jì)算已列入國(guó)內(nèi)外的設(shè)計(jì)規(guī)范和規(guī)程，[4]目前的教材還沒反映出這一新變化，相信隨著工程設(shè)計(jì)的發(fā)展需要，有關(guān)畸變屈曲的知識(shí)內(nèi)容必將在教材中有所體現(xiàn)。教師向?qū)W生介紹有關(guān)畸變屈曲的知識(shí)，有助于學(xué)生形成一個(gè)較為完整的鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定概念。對(duì)于一些立志于今后從事科研工作的學(xué)生而言，在本科學(xué)習(xí)階段所了解到的一些學(xué)術(shù)新動(dòng)態(tài)，可能會(huì)影響到他們?nèi)蘸笱芯糠较虻倪x擇。

四、發(fā)揮課外優(yōu)勢(shì)，促進(jìn)課堂內(nèi)外互補(bǔ)

理論與實(shí)踐是密切相關(guān)的，若把課堂教學(xué)視為理論的傳授，與此對(duì)應(yīng)，應(yīng)該還有教學(xué)實(shí)踐活動(dòng)。一般而言，課堂教學(xué)比較緊湊，很難安排多余的課堂時(shí)間用于學(xué)生的實(shí)踐活動(dòng)。如果教師能充分利用學(xué)生課外時(shí)間相對(duì)充裕的條件，及時(shí)引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)理論知識(shí)解決實(shí)際問題，顯然能進(jìn)一步鞏固課堂教學(xué)成果。在目前的“鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定”課堂教學(xué)中，學(xué)生處于相對(duì)被動(dòng)的地位，教師可利用課外教學(xué)的特點(diǎn)，充分發(fā)揮學(xué)生的積極主動(dòng)性，展示學(xué)生多姿多彩的創(chuàng)新能力。

筆者鼓勵(lì)學(xué)生參與諸如“挑戰(zhàn)杯”之類的活動(dòng)，在實(shí)踐活動(dòng)中，融教于用，深化了學(xué)生對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的理解。此外，圍繞鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的主題，指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行各類科技創(chuàng)新活動(dòng)，發(fā)揮學(xué)生科研上的自主創(chuàng)造能力，達(dá)到學(xué)以致用，學(xué)而創(chuàng)新的教學(xué)育才目的。

課外作業(yè)是師生之間相互溝通的一座橋梁。筆者將“談?wù)勀銓?duì)鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的理解”作為課外作業(yè)布置給學(xué)生，要求不要抄襲教材中現(xiàn)成的文字，用自己的語(yǔ)言回答問題，篇幅不限，不拘泥于理解是否有誤以及問題本身，還可談?wù)剛€(gè)人的想法等。通過課外作業(yè)，筆者及時(shí)了解了課堂教學(xué)的反饋信息，發(fā)現(xiàn)了存在于學(xué)生思想中的創(chuàng)新火花，促進(jìn)了課堂教學(xué)的改進(jìn)，加強(qiáng)了對(duì)學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新活動(dòng)的引導(dǎo)，推進(jìn)了師生之間的良性互動(dòng)。

五、結(jié)語(yǔ)

鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定問題在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算中具有舉足輕重的地位。筆者在“鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定”本科教學(xué)中，參考借鑒了前人優(yōu)秀的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行了一些教學(xué)探索和研究，得到了學(xué)生和學(xué)校領(lǐng)導(dǎo)的肯定和支持。期望本文能起到拋磚引玉的作用，以促進(jìn)我國(guó)“鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定”本科教學(xué)的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]郭小農(nóng),羅永峰,蔣首超,等.鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定教學(xué)