建筑结构试验之钢桁架静力实验教学方法探讨
学习或被动式半实践性学习为主，难以发挥学生学习的能动性和参与性，降低了教学效果。通过建设精品实验项目，改进教学实验方法，加入现代化教学手段，实现现代和经典的融合，引导学生自主实验，激发学生主动学习的兴趣，提升了实验教学效果。
关键词：教学方法;钢桁架结构静力试验;精品实验项目;教学效果
中图分类号：G642.0;TU3 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2019）43-0187-04
一、引言
《建筑结构试验》是实践性和开放性非常强的一门实验教学课程，旨在通过这门教学实验课程让土木工程专业本科生完成从认识实验、了解实验到设计并完成简单结构静力实验的学习和锻炼。以同济大学《建筑结构试验》为例，课程除基本的理论学习外，还包括三个实践项目：（1）应变片粘贴实验;（2）电阻应变计、电测位移传感器、百分表和电阻应变仪的使用实验;（3）6m钢桁架静力实验。三个实践项目循序渐进，相辅相成。通过应变片粘贴实验让学生了解应变片的基本组成，学会根据测试基材的不同选择合适的应变片，并熟悉应变片的粘贴工艺;电阻应变计、电测位移传感器、百分表和电阻应变仪的使用实验，以小型等强度梁为媒介，通过学生自己动手操作实验，让学生熟悉相同应变片不同接线方式对惠斯登电桥桥臂系数的影响以及不同接线方式的优劣，让学生学会选择合适的接线方式。前两个教学实验的学习为进行钢桁架静力实验奠定基础，钢桁架静力实验是建筑结构试验中综合性最强也是最经典的教学试验项目。自同济大学结构试验室1955年挂牌开始，钢桁架静力实验就成为结构实验课的第一个实践教学项目，为同济土木在理论联系实际上跨出了关键的一步，成为同济土木最早最经典的教学实验项目之一。通过钢桁架静力实验，可以让学生了解进行典型结构静力实验所需要的各种仪器设备，学会应变、位移、倾角、荷载等信号的测量方法以及数据采集方式和实验加载方式，是学生将理论学习转化为实践操作的重要纽带。通过引进现代化的实验方法，完善实践教学的全过程，创建完整的实践教学体系，将钢桁架静力实验打造成精品实验项目，为学生由参观实验提升至自主实验，甚至设计简单的结构静力实验提供有效途径，提升实践教学效果。
二、钢桁架静力教学实验简介
（一）教学内容
钢桁架静力教学实验是土木工程专业本科生典型的实践课程，学时为2学时。
课程的主要学习内容包括：（1）观察和了解钢桁架的加载装置、支座形式，掌握钢桁架的静力实验和加载方法。（2）熟悉并掌握钢桁架静力实验的测试内容和相应的测点布置：液压加载系统、荷载传感器的使用;用应变计测量上弦杆、下弦杆和腹杆的应变;用角位移传感器测量支座处的转角;用百分表和位移计测量支座处和下弦节点的挠度;用应变测试系统等记录下弦节点的挠度与荷载的关系曲线。（3）观察和了解所用的测量仪器的使用方法及其安装、连接和调试等操作过程，如电阻应变计、角位移传感器、位移计、百分表、力传感器、电阻应变仪及应变测试系统等。（4）进行钢桁架静力实验的全过程。（5）进行数据处理，编写实验报告。
（二）教学实验系统
教学实验所用系统如图1所示，主要包括钢桁架试件、液压加载和反力系统、数据测量系统和数据采集系统。
钢桁架的弦杆和腹杆均由等边角钢贴焊组成，弦杆和腹杆之间通过节点板焊接组成一个整体，试件整体高度0.6m，跨度6m。液压加载系统有两个千斤顶通过油管连接到一台手动泵组成，手动泵操作简便安全，适宜学生使用。两个门式钢架通过地锚螺栓连接至标准试验台座，同时钢桁架通过铰支座放置于标准试验台座的钢反力平台上，组成加载的反力系统。数据测量系统主要包括应变片、位移传感器、荷载传感器和转角传感器，测点布置图如图2所示。
本教学实验为非破坏性实验，荷载采用分级加载方式，对数据采集频率要求不高，因此数据采集系统采用东华测试的DH3818-5静态数据采集仪，包含12个应变测试通道，7个电压式位移计测试通道和1个荷载测试通道。
（三）教学现状
目前，主要教学手段为课前发放作业指导书，课上在教师的指导下，学生协同完成此教学实验，课后学生完成实验报告。然而，在教学过程中也存在一些问题：（1）钢桁架静力实验基本包含了进行结构静力实验的全部元素，对刚刚进行建筑结构试验学习的学生来讲，新鲜的元素太多，但是学时有限，在有限的时间内了解并学会使用各种仪器设备，并协调完成一个静力全过程实验相对难度较大;（2）钢桁架实验是经典与现代化很好融合的实验项目，在完成传统经典的试验目标的同时，可以在本项目中引进现代化的测量、采集、加载等手段，让学生了解现代化的实验技术，但也增加了学生在有限的时间内完成教学实验项目的难度。综合以上问题，进行此教学实验的学生大部分带着问题进入实验室，因时间紧张在指导教师的帮助下被动地匆忙完成实践操作，带着更多问题走出实验室，导致学生丧失学习实验知识的兴趣。这个问题在实验报告中以大篇幅空白或答非所问显著体现，实践的作用没有充分发挥，教学效果较差。因此，如何让学生在有限的课时内学到更多的实验知识，高质量地完成实践项目，提高实验教学效果，提高学生的实践操作能力和团队协作能力，成为一个值得探索的问题。
三、打造精品教学实验项目
为了提升钢桁架静力教学实验的教学质量，笔者所在教学团队不断改进教学方法，在教学方式上不断创新，激发学生学习的积极性，努力把本教学实验项目打造为精品实验项目。
（一）创新点
本教学实验的创新点之一是经典与现代的融合。通过本项目既体现长期以来土木工程最典型最有效的结构静力试验方法，全面了解和学习结构静力试验中应用的加载系统、反力系统、测量系统、测试系统基本组成设备，以及全过程加载的加载方法以及测点布置方法等内容，让学生完成建筑结构试验此门课程经典内容的融会贯通;同时，随着科技的发展，实现实验装置的与时俱进，如改进传统笨重的加载装置，引进先进的测量装置等，向学生展示试验技术的发展过程，引领学生去探索现代化的结构试验技术。在让学生通过传统经典实验项目掌握知识的同时，为学生了解现代化的实验手段打开一扇窗户，让学生亲眼见证实验技术由传统到现代的变迁，增加趣味性，提升实验教学效果。本教学实验的创新点之二是引进多种多媒体教学手段。除了纸质版指导书外，还增加了视频教学短片、虚实结合教学软件等教学资料，利用现代化传播方式，通過多种途径将资料传达给学生，并用实验教学微信群等方式适时解惑与教学，增强互动性，增加学生学习的直观性和兴趣，为学生提供学习的便利。
（二）建设思路
1.改进教学装置。传统的教学实验装置多数采用科研试验装置拼凑而成，实验装置笨重繁杂且针对性差，操作复杂，增加了学生实践的难度和危险程度。针对这一系列问题，对钢桁架静力教学实验装置进行改进。
（1）改进加载反力装置。针对该教学实验加载间距大而荷载小的特点，设计专门的小型反力钢架（如图3），替代传统的大型龙门架，使整个教学实验装置简洁美观，并大大降低了该教学实验安装的工作量，提升实验教学效率。
（2）改进加载系统。传统的加载系统采用电动油泵加大吨位千斤顶的加载方式，操作复杂且存在一定的危险;改进的加载系统千斤顶更换为针对此项目进行加载的小型千斤顶，加载改为通过油管和连接装置实现对两个加载小型千斤顶同步加载的手动油泵实现，降低了学生加载的危险性，将由教师进行加载改为学生操作，提升了加载系统的可操作性，大大提高了教学实验学生的参与性，如图4所示。
（3）改进测量系统。本教学实验的主要测量内容为荷载、位移、应变和转角，其中荷载和应变通过读数显示仪获得，位移采用机械式百分表，转角通过机械式倾角仪获得。在改进的系统中，测量传感器与时俱进，采用现代化测试手段，引进激光位移计和滑竿式电测位移计，并局部保留机械式百分表对比;增加数显式自动化倾角仪，并与传统倾角仪对比（如图5所示）。通过传统测试仪器与改进的测量系统之间的对比，让学生学会使用现代化仪表的同时，了解传统到现代的变迁，增加学习的趣味性。
（4）改进数据采集系统。传统数据采集系统中荷载和应变通过读数显示仪获得，位移和倾角通过表盘读数得到。在改进的数据采集系统中，根据测试内容和测点数量定制DH3818-5教学测试系统代替传统的读数显示仪，将荷载、位移、应变实现电测量，大大提升了实验教学效率，如图6所示。
通过教学装置的改进，大大提升了教学实验装置的可操作性和现代化，提高了学生进行教学实验的学习效率。
2.教学过程的提升。（1）完善课前预习资料。课前预习资料更加丰富，包括电子版中英文实验指导书和实验报告提纲，让学生充分了解实验课程的基本内容和需要完成的工作;更新视频教学软件，录制全过程实验的视频软件，并着重介绍实验中应用的各种设备，让学生提前对即将使用的设备有感性的认识，激发学生实验的兴趣;同时拓展电子资料的传播途径，除了传统的邮箱发送外，增加两个多媒体教学点，网上信息发布和信息查询系统同步工作，让学生可以在实验室的环境中适时参照教学资料了解实物，发现问题，提出问题，提升课前预习效果。（2）调整实验课堂的时间比例和实践方式。凝练实验课堂的讲解内容，突出重点难点，增加学生自主实践的时间。改变传统的教师操作、学生旁站参观的学习方式，将学生分为几个小组，分别进行施加荷载、倾角对比读数、传统百分表的读数、数据采集等工作，由小组长协调学生自主完成全过程实验。在实验过程中，增强学生与指导教师、学生与学生之间的互动，拓展关于现代化实验技术的知识，激发学生学习的兴趣，同时促进学生之间的团结合作。（3）课后实时互动与反馈。课后增强沟通，适时指导，开放教学试件及配套设施等，鼓励学生就发现的问题返回实验室寻找答案;就实验报告中出现的问题引导学生积极思考，解决问题并将所学知识运用到实践中，鼓励学生自主设计实验。
通过多年的教学经验以及参与过的精品实验项目建设发现，完善的教学资料、先进的教学手段和教学实验中的互动，可以有效地激发学生学习的兴趣，更利于学生快速掌握所学内容，可以有效提高教学实验的效果。通过本项目的建设，增加课前预习资料的现代化，完善课前预习资料，增强实验中的互动，通过现代化实验方法激发学生兴趣，打造和谐积极的学习氛围，让学生更轻松快速地掌握知识。
（三）完整的实验教学体系
本实验教学课程综合运用多种教学方法，包括纸质和电子版教学资料、多媒体教学点、现场实际操作与互动等手段，让学生的课前预习、试验室学生自主试验、课后学习内容贯通与提升等教学环节节奏紧凑、连贯有效，形成一套科學、现代、高效、有序的完整的实验教学体系，具体如下：
1.多媒体教学手段普及到学生预习环节。虚实结合的视频教学软件的制作让学生可以通过照片、视频资料对即将应用的教学设备和教学实验内容有更直观的了解，多媒体教学点的建设促进学生进入实验室预习，对照多媒体教学点信息发布系统及查询系统中的教学资料，并结合试验室的教学实物进行预习，增加学生学习的趣味性和主动性，通过教学点的教学互动，引导学生发现问题，鼓励学生带着问题进入自主实践教学环节寻找答案，提升课前预习的效果。
2.实验室学生自主实践。在学生充分预习后，精简讲解时间，让学生有更充分的时间相互协调和配合自主完成实验。在实验过程中增加互动环节，并把现代化的测试手段展现给学生，让学生了解传统到现代的变迁，并让学生分析传统与现代化设备的利弊和使用范围，拓展学生的知识面。同时引导学生从解决问题到再提出问题、再解决问题，提升自主实践环节的学习效率和效果。
3.学生课后教学内容的巩固和提升。利用现代化传播途径的便利，增强课后与学生的沟通和互动，及时为学生解惑，巩固实践教学内容。同时加大实验室开放力度，结合实验室微信公众号、实验教学微信群等方式向学生传递新鲜有趣的实验信息，拓展学生知识面，引导学有余力的学生进入实验室进行再学习和实验，使学生的学习成为一个持续的过程。
4.灵活的考核方法。通过实践了解和初步掌握结构静力实验方法是本教学实验课程的重要任务，学生积极主动地参与实践操作并根据实践内容高质量完成实验报告是本教学实验项目的重要考核指标;同时，学生主动拓展实验知识并积极进入实验室进行再学习也是考核的一个方面。经过不断改进，形成了一套以完成实践操作和实验报告为主、综合多方面共同评判的灵活的考核方法。通过对本教学实验项目的建设，改进教学方法，提升教学效果，努力把钢桁架静力教学实验课程打造为一项精品示范教学项目。
四、总结
实践是进行工科学习非常重要的环节之一，是工程师走向工作岗位需要具备的基本能力，《建筑结构试验》教学实验课程是土木工程专业的学生从理论知识到实践的一座桥梁，而钢桁架教学实验课程是最经典最有效的课程之一。通过建设钢桁架静力教学实验精品实验项目，改进教学方法，引导学生发现问题、解决问题，激发学生主动学习的兴趣，提高学生综合应用能力、创新力和团队协作能力，对学生以后的工作或继续学习具有重要的作用。
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