荷載與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法課程教學(xué)改革研究

摘 要: 本文作者對(duì)荷載與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法課的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)現(xiàn)狀進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，該課程對(duì)前修課的要求與現(xiàn)有教學(xué)計(jì)劃矛盾。為此，作者提出了從應(yīng)用層面上對(duì)荷載與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法課程進(jìn)行改革的新思路，認(rèn)為應(yīng)該取消該課程，各類荷載的計(jì)算由其他在內(nèi)容上相關(guān)的課程解決，結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)方法放在混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法課講解。在現(xiàn)行的教學(xué)計(jì)劃下，作者還探討了最大限度地提高該課程教學(xué)效果的方法，從而使學(xué)生較好地掌握這門課。

關(guān)鍵詞: 荷載與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法課程 對(duì)策 教學(xué)方法改革

20世紀(jì)末教育部對(duì)土木工程專業(yè)進(jìn)行了新的劃分，原建筑工程專業(yè)、交通土建專業(yè)、地下工程專業(yè)及礦山建設(shè)專業(yè)合并為土木工程專業(yè)，其課程體系設(shè)置也作了相應(yīng)調(diào)整，增設(shè)了荷載與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法這門專業(yè)基礎(chǔ)課。但是，幾年來(lái)在荷載與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法課程的教學(xué)過(guò)程中，我們發(fā)現(xiàn)該課程的設(shè)置存在一些問(wèn)題，使其教學(xué)過(guò)程面臨困難。為解決這些問(wèn)題，我們作了相關(guān)的探討和實(shí)踐。

一、荷載與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法課的內(nèi)容及要求

荷載與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法屬于專業(yè)基礎(chǔ)課程。教學(xué)內(nèi)容主要可分為兩部分[1-2]:第一部分是結(jié)構(gòu)在使用年限內(nèi)可能遇到的各種荷載及其相應(yīng)的計(jì)算方法，包括重力引起的豎向荷載計(jì)算、側(cè)壓力計(jì)算、風(fēng)荷載計(jì)算、地震荷載計(jì)算、其他作用計(jì)算等。這部分內(nèi)容主要是各種荷載的作用機(jī)理和計(jì)算公式的推導(dǎo)以及計(jì)算作用在結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生的荷載效應(yīng)，要求學(xué)生掌握各種荷載的計(jì)算方法。第二部分是介紹結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，包括荷載統(tǒng)計(jì)分析、抗力統(tǒng)計(jì)分析、結(jié)構(gòu)可靠度分析及概率極限設(shè)計(jì)方法，要求學(xué)生掌握滿足可靠度的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。因此，該課程的學(xué)習(xí)效果對(duì)于學(xué)生掌握專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)，深入學(xué)習(xí)后繼專業(yè)課程具有重大影響[3]。但是第二部分內(nèi)容不再涉及各類荷載的計(jì)算，因此這兩部分內(nèi)容在概念體系上不是充分相關(guān)的。

二、荷載與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法課面臨的困難

要完成荷載與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法課的教學(xué)任務(wù)，我們先要分析該課程的前修課程有哪些[4]。

重力引起的豎向荷載計(jì)算包括結(jié)構(gòu)自重荷載、土的自重荷載、雪荷載、車荷載、樓屋面活荷載及行人荷載。在結(jié)構(gòu)自重荷載、雪荷載、樓屋面活荷載及行人荷載的計(jì)算中，往往要將這些荷載計(jì)算到不同構(gòu)件層次上。為此，我們需要知道建筑物的構(gòu)造方法、結(jié)構(gòu)體系及力的傳遞路徑，而這些知識(shí)有賴于房屋建筑學(xué)、各類結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與板殼力學(xué)的知識(shí)。

側(cè)壓力計(jì)算包括土的側(cè)壓力、水壓力、波浪荷載、凍脹力等。土的側(cè)壓力是以土的材料性能和強(qiáng)度理論為基礎(chǔ)，我們必須學(xué)習(xí)土力學(xué)和彈性力學(xué)才能很好地理解和掌握。水壓力和波浪荷載計(jì)算需要以流體力學(xué)為基礎(chǔ)。

風(fēng)荷載計(jì)算需要知道空氣流體的特性，以及結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)特性，需要流體力學(xué)和結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)的知識(shí)支撐。

地震荷載計(jì)算較難，涉及到地震基本知識(shí)、結(jié)構(gòu)地震設(shè)防和結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)特性等，不先學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)抗震工程和結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)是不可能做到的。

其他作用中的爆炸作用需要空氣動(dòng)力學(xué)課的知識(shí)，而本專業(yè)一般不開(kāi)設(shè)該課，因此只能直接介紹爆炸作用的計(jì)算公式。預(yù)加力涉及到預(yù)應(yīng)力知識(shí)，主要在混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理和施工技術(shù)里講解。

荷載的統(tǒng)計(jì)分析和結(jié)構(gòu)抗力的統(tǒng)計(jì)分析涉及到概率與統(tǒng)計(jì)知識(shí)。

綜上所述，荷載與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法的前修課程有概率與統(tǒng)計(jì)、房屋建筑學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、彈性力學(xué)、土力學(xué)、流體力學(xué)、結(jié)構(gòu)抗震工程、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)、混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理和施工技術(shù)等課程，特別是概率與統(tǒng)計(jì)、土力學(xué)、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)和建筑抗震工程。沒(méi)有這些前修課程的支撐，要學(xué)好荷載與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法課中的第一部分內(nèi)容猶如空中建樓，是不可能實(shí)現(xiàn)的。由于荷載與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法課是專業(yè)基礎(chǔ)課，在教學(xué)計(jì)劃中這些課程不可能全部安排在該課程之前，否則不利于教學(xué)活動(dòng)的組織。混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理、結(jié)構(gòu)抗震工程和施工技術(shù)等課程一般安排在大學(xué)后期學(xué)習(xí)。

另外，荷載與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法課的很多內(nèi)容與其他專業(yè)課程重復(fù)，如土的側(cè)壓力與土力學(xué)知識(shí)重復(fù)，地震作用與結(jié)構(gòu)抗震工程內(nèi)容重復(fù)，水壓力與流體力學(xué)內(nèi)容重復(fù)，等等。由于該課程學(xué)時(shí)有限，內(nèi)容涉及面廣，但又沒(méi)有相關(guān)課程內(nèi)容講的深入，教師只能點(diǎn)到為止，不能深入其里，學(xué)生容易產(chǎn)生混淆和負(fù)遷移。我們?cè)谡n堂教學(xué)過(guò)程和學(xué)生的問(wèn)卷調(diào)查中均發(fā)現(xiàn)，學(xué)生在學(xué)習(xí)第一部分內(nèi)容時(shí)新鮮感大打折扣;而第二部分內(nèi)容理論性強(qiáng)，沒(méi)有具體結(jié)構(gòu)作為講解載體，學(xué)習(xí)起來(lái)較為枯燥乏味。這就使得教學(xué)效果不理想，教學(xué)過(guò)程面臨困難。

三、問(wèn)題與對(duì)策

荷載與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法課對(duì)前修課的要求及其與現(xiàn)有教學(xué)計(jì)劃的矛盾屬于教學(xué)計(jì)劃層面上的結(jié)構(gòu)性矛盾，其根本解決思路應(yīng)從結(jié)構(gòu)調(diào)整上入手。我們?cè)诮虒W(xué)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，對(duì)這問(wèn)題作了探討，認(rèn)為要解決這個(gè)問(wèn)題，可以取消荷載與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法課，把該課程的教學(xué)內(nèi)容拆分，再重組到相應(yīng)的課程上講解。

第一部分內(nèi)容不再?gòu)?qiáng)調(diào)荷載的作用機(jī)理和計(jì)算公式的推導(dǎo)，致力于從應(yīng)用層面上講解各種荷載的計(jì)算。把與土有關(guān)的荷載在土力學(xué)課上講解，與水有關(guān)的荷載在水力學(xué)課上講解;地震作用在結(jié)構(gòu)抗震工程上講解;風(fēng)荷載和爆炸作用可在流體力學(xué)課上講解;雪荷載、結(jié)構(gòu)自重荷載和樓屋面荷載相對(duì)比較簡(jiǎn)單，可以在混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大作業(yè)或課程設(shè)計(jì)中講解;溫度作用和變形作用可以在結(jié)構(gòu)力學(xué)中講解。如此一來(lái)，既能使學(xué)生學(xué)習(xí)各種荷載的計(jì)算方法，又能解決荷載與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法課這部分內(nèi)容所面臨的矛盾。

第二部分內(nèi)容是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，不再涉及各類荷載的具體計(jì)算，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)課程也涉及到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。因此可以把兩門課程的這部分內(nèi)容結(jié)合起來(lái)，放在混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)課程中講解。把結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)理論和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法應(yīng)用到具體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)上，從應(yīng)用層面上來(lái)講解，直觀形象，學(xué)生感覺(jué)這部分內(nèi)容學(xué)來(lái)即用，比單純的理論學(xué)習(xí)效果要好。

把荷載與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法教學(xué)內(nèi)容拆分重組，既可以保證教學(xué)計(jì)劃的系統(tǒng)性，又可以避免教學(xué)內(nèi)容上的重復(fù)。現(xiàn)在有不少學(xué)校在實(shí)踐這種方法，如東南大學(xué)將荷載與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法和混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)兩門課程結(jié)合起來(lái)，統(tǒng)稱為工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理。

四、教學(xué)方法改革

在課程體系尚未執(zhí)行，不能從教學(xué)計(jì)劃上作調(diào)整時(shí)，為了提高教學(xué)效果，權(quán)宜之計(jì)是在教學(xué)方法方面進(jìn)行改革。我們發(fā)現(xiàn)，在教學(xué)中若過(guò)于重視荷載的產(chǎn)生機(jī)理和計(jì)算公式的推導(dǎo)，很容易使學(xué)生陷入概念、符號(hào)、公式系數(shù)中，產(chǎn)生畏懼感，喪失信心、失去興趣。因此教學(xué)方法改革很有必要。

1.創(chuàng)設(shè)啟發(fā)式、討論式教學(xué)氛圍。

為調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，促使其養(yǎng)成勤于思考的習(xí)慣，教師在一開(kāi)始就要形成問(wèn)題情景，啟發(fā)學(xué)生進(jìn)行初步探索，激發(fā)學(xué)生的探究心理，調(diào)動(dòng)學(xué)習(xí)積極性。我們采用課前、課中、課后提問(wèn)，將問(wèn)題情景貫穿教學(xué)全過(guò)程。在講授教學(xué)內(nèi)容前提出問(wèn)題，學(xué)生大都能積極思考、預(yù)習(xí)，因?yàn)閷W(xué)生有思考和準(zhǔn)備，所以回答問(wèn)題很踴躍，自然形成了討論式、師生互動(dòng)的氛圍。而課前提問(wèn)即是將要進(jìn)行課堂教學(xué)內(nèi)容的關(guān)鍵、核心所在，所以教師是在引導(dǎo)學(xué)生積極思考、與自己同步思維，在回答問(wèn)題的過(guò)程中使教學(xué)層層深入，最終解決問(wèn)題。提出課后問(wèn)題以幫助學(xué)生進(jìn)一步理解、吸收所學(xué)知識(shí)。教師在精心創(chuàng)設(shè)的問(wèn)題情景中，對(duì)每個(gè)問(wèn)題都不是單向灌輸，學(xué)生在回答問(wèn)題的過(guò)程中也在體會(huì)學(xué)習(xí)的方法、解決問(wèn)題的方法。

2.以工程實(shí)例為載體，授課方法以知識(shí)應(yīng)用型為主。

教師在課程中，應(yīng)積極引進(jìn)案例、提出需要完成的任務(wù)，在授課中注重教學(xué)互動(dòng)，并利用校內(nèi)實(shí)訓(xùn)場(chǎng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)模擬教學(xué)，特別是典型惡性事故的講解、觀察分析身邊工程結(jié)構(gòu)思考開(kāi)放性問(wèn)題、錄像、大作業(yè)訓(xùn)練、課程設(shè)計(jì)、參觀實(shí)習(xí)等，在整個(gè)教學(xué)過(guò)程的各個(gè)環(huán)節(jié)中多側(cè)面、多角度將理論聯(lián)系實(shí)際，幫助學(xué)生加深對(duì)理論知識(shí)的理解，增強(qiáng)工程意識(shí)，盡量縮短理論與實(shí)踐之間的差距。在可能的環(huán)節(jié)中盡量讓學(xué)生動(dòng)手參與，使他們成為課堂上的主體[5]。這樣的教學(xué)方式能夠激發(fā)學(xué)生強(qiáng)烈的求知欲望，強(qiáng)化他們的創(chuàng)造性思維能力。

3.提供網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，為學(xué)生課外學(xué)習(xí)營(yíng)造良好環(huán)境。

教師可以充分利用現(xiàn)代教學(xué)手段與方法，建立荷載與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法的課程網(wǎng)站，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)承載更多的信息，上傳多媒體課件、工程圖片、作業(yè)習(xí)題，對(duì)一些難點(diǎn)和重點(diǎn)進(jìn)行知識(shí)延伸和鏈接，解決課程內(nèi)容多、學(xué)生感性認(rèn)識(shí)少、平面表達(dá)難度大的問(wèn)題，教學(xué)課件與大量工程資料圖片、錄像結(jié)合，利用分析軟件模擬工程結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)與動(dòng)畫(huà)演示，等等，加大信息量，可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)效果。

4.建立從“整體到局部”的教學(xué)模式。

長(zhǎng)期以來(lái)荷載與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法遵循“從局部到整體”的教學(xué)模式，即由各種荷載計(jì)算到荷載組合，兩部分內(nèi)容相互割裂，缺乏聯(lián)系，任何結(jié)構(gòu)不可能只承受一種荷載，而總是同時(shí)有幾種荷載作用在結(jié)構(gòu)上。從單個(gè)荷載出發(fā)的教學(xué)模式，一開(kāi)始就缺乏整體感，沒(méi)考慮到學(xué)生能否自己完成把各種荷載組合成結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，其結(jié)果是學(xué)生孤立地學(xué)習(xí)了一些荷載知識(shí)，卻未建立起較清晰的整體結(jié)構(gòu)荷載概念，不清楚基本工程結(jié)構(gòu)在多種荷載作用下的工作性能、受力特點(diǎn)，更不清楚一個(gè)工程結(jié)構(gòu)應(yīng)承受和傳遞哪些荷載，以及為保證傳遞過(guò)程的完成而應(yīng)采取的各種措施。教師在教學(xué)過(guò)程中，從整體結(jié)構(gòu)出發(fā)展開(kāi)教學(xué)，易于以工程應(yīng)用為目的直接面向工程，實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐相結(jié)合，將工程實(shí)例貫穿教學(xué)始終，使學(xué)生充分理解其工程背景和目標(biāo)。由于面對(duì)的是整體，考慮問(wèn)題必須從整體出發(fā)，分析解決問(wèn)題需考慮各種枝節(jié)問(wèn)題，學(xué)生整體思維能力、整體結(jié)構(gòu)概念及工程意識(shí)、綜合分析及解決工程問(wèn)題的能力能得到培養(yǎng)，思維品質(zhì)會(huì)得到提升。

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