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。

　　焊缝按照其截面形状可分为对接焊缝和角焊缝，两者截面上的区别在教材中有较为详细的论述，可以满足大多数学生课堂学习和理解的需要。而不少学生在理解不同对接接头焊件宽度或厚度相差4 mm以上的对接焊缝需要放坡时，会存在不同程度的理解困难，甚至有学生在课堂教学结束后，还要专门询问坡口焊的位置、形状等直观概念。因此，可以基于ABAQUS有限元软件建立不同宽度或厚度的三维实体模型，设置焊缝单元，通过不同厚度差的对接焊缝受力分析，向学生演示该类型焊缝的构造起因（减少应力集中）、焊接位置和形状等几何信息，使得学生对该部分内容形成相对直观的概念，加深印象。相似的问题还常出现在有单面或者双面搭接板的角焊缝连接传力分析和钢结构连接例题的受力分析中，由于部分学生对三维几何形体缺乏清晰直观的感受，导致在讲解多数例题时不能准确及时地理解结构的传力途径，进而导致其内力计算的错误分析。

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