面向理論—實(shí)踐—?jiǎng)?chuàng)新的教學(xué)改革與思考
——以“大跨空間結(jié)構(gòu)”課程為例

孫國軍，吳金志，薛素鐸

（北京工業(yè)大學(xué) 城市建設(shè)學(xué)部，北京 100124）

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)與技術(shù)的發(fā)展和人民生活水平的提高，對(duì)于大跨度大空間建筑的需求越來越多，如大型的體育場(chǎng)館、會(huì)展中心、車站候機(jī)廳、飛機(jī)庫等［1］。伴隨著新材料、新結(jié)構(gòu)、新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，這些大跨度空間建筑設(shè)計(jì)和施工與傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)存在較大的差異［2-3］。尤其是一些超大跨空間結(jié)構(gòu)，可能會(huì)存在著較多的預(yù)應(yīng)力構(gòu)件，導(dǎo)致其分析設(shè)計(jì)與施工成型較為困難，在設(shè)計(jì)和施工方面的技術(shù)需求更多，這對(duì)空間結(jié)構(gòu)技術(shù)發(fā)展提出了更高的要求，對(duì)所需的復(fù)合型人才缺口更大。另外，隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的持續(xù)深入、基礎(chǔ)投資的不斷增加，對(duì)于大跨空間結(jié)構(gòu)建設(shè)的人才需求也越來越大，對(duì)土木工程專業(yè)學(xué)生專業(yè)知識(shí)體系提出了新的要求［4］。為適應(yīng)形勢(shì)的發(fā)展和人才培養(yǎng)的需要，北京工業(yè)大學(xué)（以下均簡稱“我校”）十多年前面向土木工程專業(yè)的本科生及研究生開設(shè)了“大跨空間結(jié)構(gòu)”課程，并在人才培養(yǎng)方面取得了很好的效果，選修該課的學(xué)生在畢業(yè)后的設(shè)計(jì)和施工中深刻體會(huì)到了該課程的作用。

我校以國家“一流學(xué)科”建設(shè)為契機(jī)，以建設(shè)國際知名、有特色、高水平研究型大學(xué)為目標(biāo)，主動(dòng)適應(yīng)國家和北京經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展新要求，面向?qū)W科前沿調(diào)整布局、優(yōu)化結(jié)構(gòu)。由于“大跨空間結(jié)構(gòu)”的特殊性和前沿性，不同高校師資專業(yè)技術(shù)水平和工程實(shí)際設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)存在一定的差異，目前能夠開設(shè)該門課程的高校還比較少。我校空間結(jié)構(gòu)研究中心經(jīng)學(xué)校批準(zhǔn)并于2002年成立，中心已經(jīng)建設(shè)成為具有合理的年齡結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定的研究方向、豐富的教學(xué)科研與工程經(jīng)驗(yàn)的教學(xué)科研機(jī)構(gòu)。結(jié)合中心相關(guān)教師的特長與土木工程教學(xué)體系，“大跨空間結(jié)構(gòu)”課程被調(diào)整為特色專業(yè)限選課，對(duì)這門課程的本科教學(xué)提出了新的挑戰(zhàn)，課程的教學(xué)也需要與時(shí)俱進(jìn)，不斷創(chuàng)新，以適應(yīng)“一流學(xué)科”建設(shè)和創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的目標(biāo)。為了充分發(fā)揮課時(shí)的效果，就需要對(duì)“大跨空間結(jié)構(gòu)”課程進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整［5］，一些人已經(jīng)進(jìn)行了一些嘗試，將案例引入課堂教學(xué)中，有助于提高教學(xué)效率和教學(xué)質(zhì)量［6-9］。

目前對(duì)于空間結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)仍為傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)基本原理及鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的延伸［10］，但我國空間結(jié)構(gòu)水平逐步提升，網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)、張弦結(jié)構(gòu)、弦支穹頂、索網(wǎng)結(jié)構(gòu)、張拉膜結(jié)構(gòu)、氣承式膜結(jié)構(gòu)等在實(shí)際工程中發(fā)展迅速，空間結(jié)構(gòu)已經(jīng)成為一門獨(dú)立的發(fā)展學(xué)科。本課程應(yīng)該重點(diǎn)突出空間結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，結(jié)合課程思政理念和新工科理念進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)，不能簡單地定義為鋼結(jié)構(gòu)的延伸。本文著重介紹了“大跨空間結(jié)構(gòu)”教學(xué)內(nèi)容現(xiàn)狀、教學(xué)的改革措施及改革成果。

一、“大跨空間結(jié)構(gòu)”課程研究現(xiàn)狀

“大跨空間結(jié)構(gòu)”課程是非常重要的專業(yè)課程，理論知識(shí)較多，但大多比較枯燥。傳統(tǒng)的教學(xué)存在“滿堂灌”的教學(xué)思想，把結(jié)構(gòu)涉及的一些相關(guān)理論觀念直接介紹給學(xué)生，學(xué)生感覺枯燥無味，學(xué)習(xí)效率不高。如何充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情和積極性是值得探討的，同時(shí)如何提高課程的實(shí)踐性也是需要去研究的。

我校城市建設(shè)學(xué)部結(jié)合本科生教學(xué)目標(biāo)和培養(yǎng)卓越工程師的要求，充分調(diào)研畢業(yè)生就業(yè)去向，已將“大跨空間結(jié)構(gòu)”列為城市建設(shè)學(xué)部極其重要的一門專業(yè)課。但是“大跨空間結(jié)構(gòu)”包括的結(jié)構(gòu)體系多種多樣，基本的分析設(shè)計(jì)理論及施工方法存在較大差異，導(dǎo)致了本課程授課內(nèi)容繁雜，同時(shí)課程思政的要求對(duì)教學(xué)內(nèi)容梳理提出了更大的挑戰(zhàn)，在有限的課時(shí)內(nèi)既要完成全部的授課內(nèi)容，還要使學(xué)生對(duì)空間結(jié)構(gòu)形成系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)，具有一定困難。同時(shí)，大學(xué)學(xué)習(xí)中學(xué)科細(xì)化，學(xué)生多是分開汲取學(xué)科知識(shí)，很難將多專業(yè)知識(shí)融會(huì)貫通、全面掌握，學(xué)生掌握的技能和崗位之間存在很大差距。此外，畢業(yè)生在校期間的理論學(xué)習(xí)和實(shí)踐應(yīng)用之間存在脫節(jié)也是造成這種差距的原因之一。

傳統(tǒng)的教學(xué)模式已經(jīng)不能滿足崗位需求，落后于現(xiàn)在的人才培養(yǎng)要求，因此針對(duì)這種情況，應(yīng)根據(jù)實(shí)際工程人才需求，以就業(yè)為導(dǎo)向，及時(shí)調(diào)整“大跨空間結(jié)構(gòu)”教學(xué)內(nèi)容和方法，培養(yǎng)出適應(yīng)社會(huì)需要、企業(yè)需要的技術(shù)人才，達(dá)到卓越工程師的培養(yǎng)目標(biāo)。因此，根據(jù)教育部培養(yǎng)卓越工程師的計(jì)劃和要求，亟須對(duì)現(xiàn)有的教學(xué)模式進(jìn)行改革，優(yōu)化教學(xué)理念，調(diào)整授課內(nèi)容，轉(zhuǎn)變教學(xué)方法；鼓勵(lì)教師學(xué)習(xí)“大跨空間結(jié)構(gòu)”分析設(shè)計(jì)軟件；充分利用校內(nèi)外教學(xué)資源，增強(qiáng)理論和實(shí)踐教學(xué)的結(jié)合，多方面鍛煉學(xué)生的專業(yè)素質(zhì)，強(qiáng)化學(xué)生的工程能力和創(chuàng)新操作能力，以達(dá)到培養(yǎng)卓越工程師的計(jì)劃要求。

二、“大跨空間結(jié)構(gòu)”研究與探索

在進(jìn)行“大跨空間結(jié)構(gòu)”的教學(xué)時(shí)，基本的教學(xué)內(nèi)容包括網(wǎng)格結(jié)構(gòu)、薄殼結(jié)構(gòu)、索結(jié)構(gòu)、膜結(jié)構(gòu)等幾大類結(jié)構(gòu)型式，同時(shí)還包括不同類型大跨空間結(jié)構(gòu)中普通鋼構(gòu)件、拉索構(gòu)件、建筑膜材構(gòu)件設(shè)計(jì)，以及相應(yīng)的建筑結(jié)構(gòu)荷載設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)的講解介紹后，學(xué)生會(huì)對(duì)大跨空間結(jié)構(gòu)相關(guān)知識(shí)有一定的了解，但不能具備類似混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)的基本設(shè)計(jì)分析能力?；诖?，本文對(duì)“大跨空間結(jié)構(gòu)”教學(xué)方式提出新的研究探索。在教學(xué)上實(shí)行結(jié)合空間結(jié)構(gòu)中心教師方向進(jìn)行教學(xué)，不同大跨空間結(jié)構(gòu)知識(shí)由擅長空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)、索結(jié)構(gòu)和膜結(jié)構(gòu)的教師分別教學(xué)，同時(shí)引入思政和專業(yè)理論知識(shí)相融合的教學(xué)，詳細(xì)地介紹我國重要的大跨空間結(jié)構(gòu)代表作，提升學(xué)生的民族自信心。本文對(duì)“大跨空間結(jié)構(gòu)”課程的教學(xué)主要按照以下幾個(gè)部分進(jìn)行介紹。

（一）思政課程內(nèi)容

“大跨空間結(jié)構(gòu)”的課程思政主要從三個(gè)方面展開：（1）對(duì)我國空間結(jié)構(gòu)事業(yè)的奠基人和開拓者的事跡進(jìn)行講解。我?？臻g結(jié)構(gòu)中心主任薛素鐸教授是國際薄殼與空間結(jié)構(gòu)學(xué)會(huì)（IASS）中國區(qū)執(zhí)委，同時(shí)是中國鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)空間結(jié)構(gòu)分會(huì)理事長，中心還有多位教師也是國際薄殼與空間結(jié)構(gòu)學(xué)會(huì)會(huì)員，且兼任空間結(jié)構(gòu)相關(guān)的學(xué)術(shù)組織和協(xié)會(huì)組織的骨干成員，從事空間結(jié)構(gòu)教學(xué)科研與工程實(shí)踐多年，基本已經(jīng)掌握我國空間結(jié)構(gòu)發(fā)展進(jìn)程。在此基礎(chǔ)上，對(duì)我國空間結(jié)構(gòu)事業(yè)的奠基人和開拓者的事跡進(jìn)行進(jìn)一步梳理，形成典型的英雄人物案例。（2）將我?？臻g結(jié)構(gòu)中心的科研成果直接應(yīng)用于我國重大的空間結(jié)構(gòu)工程項(xiàng)目。我國經(jīng)濟(jì)實(shí)力及建筑水平已經(jīng)有了飛躍式的提高，各地均已興建了大批典型的空間結(jié)構(gòu)工程。空間結(jié)構(gòu)中心教師帶領(lǐng)學(xué)生直接參觀學(xué)習(xí)多項(xiàng)實(shí)際的工程項(xiàng)目，樹立了學(xué)生的自信。同時(shí)，進(jìn)一步弘揚(yáng)刻苦攻關(guān)的精神，充分地梳理相應(yīng)的科研成果在我國重大工程的應(yīng)用情況，將自身的發(fā)展與祖國的發(fā)展緊密結(jié)合起來，增強(qiáng)愛國主義精神和工程責(zé)任擔(dān)當(dāng)。（3）空間結(jié)構(gòu)中心教師主講多門學(xué)生專業(yè)課程，教師在課堂教學(xué)上通過具體的實(shí)際案例并且結(jié)合案例背后的故事，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性。另外結(jié)合教師自身科研方向，將多個(gè)專業(yè)知識(shí)點(diǎn)分解融合，讓學(xué)生各自發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)的側(cè)重點(diǎn)與難點(diǎn)。同時(shí)，針對(duì)空間結(jié)構(gòu)體系研發(fā)、工程抗震、抗風(fēng)、抗火等具體知識(shí)點(diǎn)，建立多個(gè)典型的課堂教學(xué)案例。

（二）專業(yè)知識(shí)內(nèi)容

對(duì)于專業(yè)知識(shí)內(nèi)容方面，要重點(diǎn)突出空間結(jié)構(gòu)的內(nèi)容，結(jié)合實(shí)際工程中用到和發(fā)展的新技術(shù)、新體系及新型節(jié)點(diǎn)構(gòu)件，如自由曲面空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)、新型大開口索結(jié)構(gòu)體系、異形充氣膜結(jié)構(gòu)等，及時(shí)更新教學(xué)過程中的知識(shí)傳授，緊跟發(fā)展的前沿，追蹤學(xué)科的發(fā)展動(dòng)向。教學(xué)不能閉門造車，一直停滯不前，停留在一些已經(jīng)過時(shí)或者由于性能不佳而淘汰的技術(shù)上，需對(duì)“大跨空間結(jié)構(gòu)”的授課內(nèi)容進(jìn)行調(diào)整。之前的空間結(jié)構(gòu)主要是對(duì)每個(gè)體系的結(jié)構(gòu)進(jìn)行單獨(dú)的介紹和分析，很容易造成學(xué)生無法系統(tǒng)把握空間結(jié)構(gòu)整體分析，容易混淆各個(gè)結(jié)構(gòu)之間的共同點(diǎn)及不同點(diǎn)。基于此，將空間結(jié)構(gòu)授課內(nèi)容進(jìn)行調(diào)整，首先從概念上介紹各個(gè)結(jié)構(gòu)體系，然后對(duì)比分析各個(gè)結(jié)構(gòu)的不同點(diǎn)與共同點(diǎn)，并舉出各個(gè)結(jié)構(gòu)體系不同的案例，讓學(xué)生對(duì)空間結(jié)構(gòu)各個(gè)體系有較為總體的把握。然后，根據(jù)我?？臻g結(jié)構(gòu)中心各個(gè)教師平時(shí)較為擅長的結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行分塊授課，這樣可以充分地發(fā)揮每個(gè)結(jié)構(gòu)體系深入的教學(xué)優(yōu)勢(shì)。最重要的是要對(duì)現(xiàn)有的“大跨空間結(jié)構(gòu)”知識(shí)進(jìn)行更新，目前已經(jīng)有許多大跨空間結(jié)構(gòu)相關(guān)新的技術(shù)規(guī)程出臺(tái)，例如索結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程、膜結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程、鋼網(wǎng)格結(jié)構(gòu)螺栓球節(jié)點(diǎn)用封板、錐頭和套筒等一系列大跨空間結(jié)構(gòu)規(guī)程。將這些已經(jīng)在國內(nèi)較為先進(jìn)的技術(shù)應(yīng)用介紹給學(xué)生，使學(xué)生對(duì)空間結(jié)構(gòu)的前沿態(tài)勢(shì)有所感知，培養(yǎng)其對(duì)空間結(jié)構(gòu)感知和理解能力。除此之外，空間結(jié)構(gòu)中心舉辦“空間結(jié)構(gòu)論壇”活動(dòng)，積極邀請(qǐng)我國空間結(jié)構(gòu)奠基人藍(lán)天研究員、沈世釗院士、董石麟院士，以及各個(gè)兄弟高校的知名教授專家進(jìn)行空間結(jié)構(gòu)方面的報(bào)告，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和創(chuàng)新意識(shí)，還可以了解各個(gè)工程背后的感人故事和工匠精神，提升學(xué)生的愛國主義情懷。

（三）實(shí)踐實(shí)操內(nèi)容

“紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行”，對(duì)于土木工程專業(yè)來說，除了傳統(tǒng)的授課以外，還應(yīng)講求實(shí)踐。除了在課堂上對(duì)學(xué)生進(jìn)行空間結(jié)構(gòu)概念上的教育以外，還應(yīng)該帶領(lǐng)學(xué)生參觀學(xué)習(xí)實(shí)際工程項(xiàng)目、參加全國空間結(jié)構(gòu)會(huì)議及參加結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽進(jìn)行交流等活動(dòng)，提高學(xué)生對(duì)“大跨空間結(jié)構(gòu)”的理解與思考。同時(shí)還能讓學(xué)生身臨其境感受“大跨空間結(jié)構(gòu)”的建筑之美，可以在實(shí)際結(jié)構(gòu)中認(rèn)識(shí)學(xué)習(xí)各類結(jié)構(gòu)的桿件、節(jié)點(diǎn)。在參觀學(xué)習(xí)過程中學(xué)生還可以隨時(shí)隨地提出自己的疑問與教師及其他學(xué)生進(jìn)行討論、解決，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解。通過參觀學(xué)習(xí)還無法從根本上解決學(xué)生對(duì)空間結(jié)構(gòu)的認(rèn)知，需要讓學(xué)生動(dòng)起來，鼓勵(lì)學(xué)生積極參加結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽，并在結(jié)課時(shí)要求動(dòng)手搭建空間結(jié)構(gòu)模型或者通過專業(yè)軟件分析設(shè)計(jì)典型的空間結(jié)構(gòu)，讓學(xué)生自己思考結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)和對(duì)結(jié)構(gòu)提出改進(jìn)的措施，從而激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)。

三、改革研究總結(jié)

通過對(duì)“大跨空間結(jié)構(gòu)”課程的探索和研究及在上課過程中多和學(xué)生進(jìn)行溝通得到的反饋，了解了學(xué)生對(duì)“大跨空間結(jié)構(gòu)”的實(shí)際需要和授課需要著重強(qiáng)調(diào)的部分?；诖藬U(kuò)展和調(diào)整了“大跨空間結(jié)構(gòu)”課程的授課內(nèi)容與方式。首先將思政課程引入“大跨空間結(jié)構(gòu)”中，極大地提高了學(xué)生對(duì)國家在建筑領(lǐng)域取得的卓越成就而產(chǎn)生的自豪感，也提高了學(xué)生的民族自信心。通過對(duì)空間結(jié)構(gòu)內(nèi)容的調(diào)整，學(xué)生對(duì)課程也從以往覺得無趣到現(xiàn)在能夠主動(dòng)積極地參與到課堂上來，學(xué)生能夠熟練地掌握空間結(jié)構(gòu)的要點(diǎn)，并且可以學(xué)習(xí)空間結(jié)構(gòu)最新的發(fā)展技術(shù)。除此之外，通過參觀實(shí)際工程、參加結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽、制作模型與計(jì)算設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，學(xué)生很好地了解了目前空間結(jié)構(gòu)發(fā)展態(tài)勢(shì)，也提高了學(xué)生的動(dòng)手能力。通過對(duì)空間結(jié)構(gòu)課程的研究和探索，使學(xué)生為以后在“大跨空間結(jié)構(gòu)”設(shè)計(jì)、施工或者科研方面的發(fā)展打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。