演示教学法在钢结构课程教学中的应用

　　摘要：在钢结构课程学习中，常常有不少学生会遇到某些抽象概念一时难以准确理解的现象。通过ABAQUS有限元数值模拟演示，用具体实例将抽象概念直观形象地表达出来，可有效解决学生对某些知识点容易混淆或难以理解的问题。文章通过钢结构的连接、受弯和轴压构件等不同教学内容，举例说明演示教学法在钢结构课程教学中的应用，帮助学生更快地掌握钢结构的基本原理及其相关知识。

　　关键词：钢结构；演示教学；数值模拟；ABAQUS；教学研究

　　中图分类号：G6424；TU391文献标志码：A文章编号：10052909（2014）06007004钢结构课程是土木工程专业最重要的专业必修课程之一，该课程具有较强的理论性和实践性。倘若学生在学习过程中没有很好的空间想象能力，则很难把图纸所表达的内容与实际建筑钢结构产品对应起来，从而也不能把自己的设计理念用图纸准确清晰地表达出来[1]。随着计算理论和计算机技术的发展，钢结构课程的基本内容和知识结构也在发生不断的改进和完善；新型材料和冶炼、制备技术的发展进一步促进了钢结构产业的长足发展。在当今社会“时间就是效益”的理念下，如何加快建设施工速度、充分发挥钢结构的产业优势等问题显得比以往更为紧迫突出，这也对土木工程专业的技术人员和科研人员提出了更高的要求。因此，在钢结构课程教学中，需要对传统的“填鸭式”课堂教学模式进行改革，教师应更加注重培养学生综合学习和解决问题的能力。

　　一、演示教学法

　　演示教学法的基本含义是指教师借助某种道具或多媒体，通过具体的事例或实物对一些抽象概念进行说明，从而把一些抽象的知识、原理简明化、形象化，帮助学生加深对知识、原理的认识和理解[2]。演示教学法可以分为提出主题、说明目标、开展演示和练习强化四个步骤，与教育学中的情景（感受）教学法有些相似。郭小农等开展了钢结构基本原理试验教学的探讨，提出开展实验演示教学的重要性和操作方法，他把钢结构实验课程分为：认识实验、演示试验和自主实验三部分。认识实验为第一个层次，主要目的是了解钢结构实验的流程和方法；演示实验为第二层次，主要目的是通过试验加深学生对钢结构基本概念和基本理论的认识；自主实验为第三层次，主要目的是帮助学生深入掌握钢结构的基本原理和理论，培养学生的自主研究的精神和科研素质[3]。李素娟对比较教学法在钢结构教学中应用的研究，主要通过内容特征的对比来强化课程的知识结构[4]。

　　实验演示教学法具有形象直观、能真实展现钢结构构件各种力学反应和破坏形态的优点，也可提高学生的动手能力，但尚存在一些不容忽视的不利因素：试验准备周期长、操作复杂，且存在一定的危险因素，费用也较昂贵等。因此，需要寻找一种可有效替代实验演示而且又直观形象的演示方法。ABAQUS非线性有限元软件具有较强的非线性运算能力，结合相应的试验测量数据和现象，对有限元模型进行验证，在数值模型的基础上，可详尽展示钢结构构件受力过程的应力、应变、挠度、局部屈曲、整体失稳等模型特征或数值，且模拟构件的受力过程也可输出为动画，来重现钢结构构件整个受力过程的应力分布变化、应变变化、位移或挠度、破坏模态等等。ABAQUS有限元数值模拟演示具有操作速度快、费用低、结果可重复展现等优点。在结合实验演示的基础上，本文重点介绍ABAQUS数值模拟演示在钢结构基本原理课程中的应用情况。与传统的课堂教学相比，其具有形象、直观的特点，可充分调动学生对钢结构课程学习的兴趣和积极性。

　　二、数值模拟演示在钢结构课程教学中的应用

　　（一）钢结构的连接

　　钢结构的连接主要包括焊接、栓接和铆接三种形式。铆接传力可靠，塑性、韧性均较好，但由于其制作费工且劳动强度高[5]，只在一些特殊工程中应用。这里主要介绍ABAQUS数值模拟在焊接和栓接教学中的演示效果。