高等机械设计理论

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第1篇

关键词 钢结构课程设计 教学方法 教学改革

Abstract This paper is based on the specialty characteristics， combined with his own teaching experience， in the metal structure of the curriculum design teaching methods， summed up step by step， interactive and comprehensive assessment as one of the teaching methods， to cultivate students' innovation ability and practice ability， but also provide a reference for future curriculum design and teaching practice of other courses.

Keywords metal structure course design； teaching methods； teaching reform

课程设计是与高等教育培养方案中规定课程的配套实践环节，是学生运用前修的专业理论知识和基本技能，分析实际问题，开展自主项目设计的重要教学环节。不仅可以让学生巩固专业知识，为以后的深入学习和工作打下坚实的基础，而且还可以让学生学会熟练地使用资料和相关工具书、手册等，把所学的课本知识与实践结合起来，起到温故知新、相互促进的作用，能较全面地提高学生独立思考能力、实践创新能力、自学研究能力等。

金属结构设计这门课程已经在许多高校的机械类专业及相关专业开设。目前，我校在材料成型及控制专业开设了金属结构设计课程及相应的课程设计，结合本专业发展方向及我校在金属材料成型方面的特长，教学内容侧重于钢材的基本性能和构件强度、刚度及稳定性的计算方法等。本课程的讲授时间为40学时，课程设计时间为两周，命题以实用性很强的钢屋架和轻型门式刚架两种形式为主。教学目的是使学生在对材料成型专业知识有一定了解的基础上，能自主完成给定命题的设计过程，要求学生掌握金属结构设计的一般原理要求和设计方法。最后的考核标准是全面详实的计算书和施工图，以适用性、安全性、经济性、合理性作为设计作品目标。

1 金属结构课程设计中存在的问题

1.1 金属结构设计课程的内容繁杂

金属结构设计这门课程涉及的内容十分广泛，既要讲述金属结构的设计理论，又要介绍结构的构造措施，还要综合考虑结构体系选型、结构抗震以及钢筋混凝土等建筑工程相关知识。知识体系要求具有完备的理论分析，严谨的设计理念，还要与相关的规程紧密联系，按照规范要求严格计算。这就要求，讲授金属结构的教师必须具备扎实的力学基础、熟悉相关规程规范，还要有一定的土木工程建筑类相关专业知识的储备。否则，很难讲好课。

课程设置方面，存在教学内容多、学时少的矛盾。我们针对材料成型及控制专业的特点，在有限的40学时内，主要讲授金属结构的连接设计、轴心受力构件、受弯构件等金属材料中最常用的基本结构设计内容。教师在授课时，根据教学学时的分配，会选择性地结合专业特点讲授部分内容，而造成有些问题讲得不够深入，系统性不强，进而不能达到预期的教学效果，必然会影响课程设计的成果质量。

1.2 金属结构设计课程的章节联系不紧密

金属结构设计的课程内容虽然多，但每一章节之间的顺序联系不紧密，前后章节大多相对独立。例如：同样是连接计算，焊缝计算与螺栓计算的公式完全不同，杆和梁的规范规定完全不同，且公式繁多，适用条件复杂。学生具体应用时，首先要严格按照设计条件，再综合理解和分析问题，这无疑对学生的学习能力提出了较高的要求。这样，落实到课程设计环节时，有部分学生一旦概念不清，或把握不准，就很容易出现大量的计算问题。

1.3 金属结构设计课程的专业特色不鲜明

金属结构课程设计是金属结构设计的实践性教学环节。课程设计是建立在学生对专业知识有一定了解的基础上，指导教师根据专业特点或专业方向指定选题，引导学生自主完成给定命题的金属结构单体设计过程。整个课程设计的过程，是先修知识的综合应用，要求学生掌握金属结构设计的一般要求、设计过程和设计方法，尤其要具备较好的相关力学知识。因此，大部分的课程设计采用通用化的命题，缺乏鲜明的专业特色，这为学生提交最终的学习成果带来了一些难度。

在讲解专业理论时，教师如果不了解学生对应有知识的掌握程度，只按照通用授课方式讲解，必定难以针对课程设计中学生容易出现的错误进行有的放矢的教学。通常课程设计安排在W期即将结束的前两几周，学生在匆忙完成计算书和图纸后，便准备回家或外出，大多归心似箭，完成的质量均有待提高。

2 改进教学方法

本课程的系统学习包括理论部分讲解和课程设计具体运算。前续课程结课时间先后不同，教师授课方式和侧重点有所不同，要求学生认真学习金属结构设计理论和相关规范后，进行课程设计工作。课程设计要求学生最终提交设计说明书和设计图纸进行考核。我们在材料成型及控制工程专业开设金属结构设计课程设计上，有如下几点体会：

2.1 分步学习与互动教学相结合

为准确把握学生对相关知识点的掌握程度，一般配备二名教师对学生进行指导。教师在讲解清楚课程设计的内容和要求时，更重要的是加强与学生的交流，准确了解他们的进展情况，及时补充需要的知识点，适时调整教学计划，高效地利用两周时间完成任务，达到教学要求。比如某课程设计任务书要求学生完成轻型屋架设计，在第一节课上，指导教师引导学生回顾必要的已学知识，重点是夯实力学基础，细致地讲授设计规范、结构体系和计算方法，并针对不同的屋架结构形式，在结构的内力分布和计算方面让学生明确概念，找准规范，根据适用条件进行计算分析。

为了强化学生的理解和认识，在第二次课时，指导教师进行巩固和复查，按照给定数据的分组，先核查学生对规范掌握的程度，再随机抽查学生的设计大纲，要求详细演示自己设定的计算流程。由于指导教师的检查监督，一般能较快发现学生在计算过程中存在的共性问题，并在以后的授课过程中有目的地重点讲解。同时，要求每个学生的现场演示，对所学知识起到了很好的强化作用。为了做好演示的PPT，学生都会仔细查阅相关金属结构设计资料和规范，独立思考、分析总结、精心练习，这既锻炼了他们的语言表达能力，又能及时发现问题，改进提高。这样在后续的学时中，学生也会营造积极的学习氛围，相互交流，发现问题、解决问题，高质量地按时完成课程设计。

2.2 书本学习与实例教学相结合

随着国家对PPP项目的大力扶持，基础工程建设的投入有加大的趋势，金属结构的建筑物也日益增多，学生对以金属结构为主体结构的实际工程并不陌生，如果教师再略有提示，学生都有一定的认识。为此，在教学过程中，我们以国内外已建和在建的典型工程作为耳熟能详的教学范例，除以照片、视频等形式展示外，还将其主要受力结构件与校内、市内、省内的钢结构建筑物实体相对照，将书本知识与身边的实际有机联系起来。我校以水电为特色，我们积极利用本校的产学研资料，给学生讲解著名的葛洲坝工程、三峡工程和其他一些水电站中应用钢闸门和水工钢结构，使学生将课堂所学知识与身边实例联系起来，在一个个亲切、生动的具体形象和实例中加深了知识理解。

此外，材料成型及控制专业的学生在进行金属结构设计之前，已经完成了如机械原理、机械设计等机械类专业课的课程设计，对课程设计有一定的感性认知。但是，由于金属结构设计的施工图表达方式和机械制图有一定差异，部分学生用施工图表达钢结构实体时不够完整。为此，指导教师在教学初期就精选了出符合现行制图标准的轻型屋架结构规范和相应的施工图，并特别从字体选择、图面布置等细节之处，要求学生从结构设计的布置到每个节点单元的详图分步完成。指导教师还引导学生与专业的机械制图进行对比学习，从施工图对比中发现结构图的问题，纠偏订正。经过这样的引导和对比，学生最终能自我发现问题，积极改正，图面完成的情况较都有很大程度的提高。

3 注重选材料、抓住截面设计的重难点

榱颂逑植牧铣尚图翱刂谱ㄒ档奶氐悖在金属结构课程设计中，我们注重选材及材料成型方法的选择。截面设计就是体现专业特点的一大重点和难点。学生在课程设计中，普遍存在截面过大、板件厚度太厚或太薄、连接处截面不等高或不等宽等问题。从计算书来看，截面强度、稳定、刚度等均满足要求时，会出现截面应力比太小造成材料浪费，或截面连接处截面不等高、翼缘不等宽造成外形层次不齐。腹板厚度太薄使焊接质量难以保障。为减少工作量，部分学生以等截面H型钢替代经济合理的楔形截面。虽然教师在理论讲解中反复强调过共性问题，但学生在提交的成果中，仍然会重复出现。究其原因，主要是专业课的授课过程中，只重点讲解了构件的强度、稳定和刚度等安全性问题，而忽视了金属结构设计应考虑的结构整体性因素。因此，在截面结构校核的过程中，我们突出正确设计理念的讲授与把握，帮助学生用正确的设计理念去处理问题、选择材料，做到安全性、适宜性和经济性有机统一。

为避免学生因截面选择不当而引起的设计不合理，指导教师在教学方法改革中，将学生按不同数据分组，通过汇报和演示，发现共性的问题。同时在课堂上开展讨论、相互排查，确保每位学生能明确认识到常见错误。师生互动、学生互动，教师启发学生带着问题讨论，充分调动学生的思维活跃性和创造性。通过讨论引导，学生都能基本掌握课程设计的脉络。若仍不能解决的疑难问题，再通过一对一重点答疑讲解，促使学生学到应知应会的知识、掌握真懂善用的本领。

4 探索学习的立体考核方法

本校的“金属结构设计课程设计”以计算说明书、最终提交的施工图，部分指定部位的制图为考核依据，与本校其他机械类课程设计的通用考核方法不同。根据材料成型及控制工程专业的要求，指导教师首先按照每个学生的分组数据，指定关键设计部位的图纸并加以区别，要求用Auto CAD进行计算机绘图，给出对应具体部位的计算和说明。

为避免学生之间相互抄袭，命题数据分组设置后，指导教师加强了平时对学生的检查与了解，做到情况心中有数，要求规范规程严谨完整，计算数据逻辑连续，再同时考核学生的课堂汇报表现。最终考核时，由学生的书面材料、汇报讲解和课堂问答“三位一体”，给出综合评价，这样就能有效地反映学生对知识点的掌握程度，也降低了教师对学生的考核难度。同时，结合提交的纸质、电子资料，能对学生做出比较全面地考评，进而实现公平公正。