混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理課程教學(xué)探討

周孝軍　楊虹　伍平

摘要：混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理是理論性與實踐性很強的一門課程?；谡n程特點，從有機結(jié)合現(xiàn)代多媒體教學(xué)與傳統(tǒng)板書、注重聯(lián)系規(guī)范與工程實踐、強化試驗教學(xué)環(huán)節(jié)、重視課堂練習(xí)與課后習(xí)題、多樣化考核等方面，進行了課程教學(xué)方法和教學(xué)手段的探討和實踐。旨在提高教學(xué)水平，使學(xué)生較好地理解和掌握混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理和計算方法，提升學(xué)生綜合運用知識進行工程結(jié)構(gòu)設(shè)計的能力，為培養(yǎng)合格的工程師打下堅實基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理；課程特點；教學(xué)方法；教學(xué)手段；探討

中圖分類號：TU375 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）41-0150-03

前言

混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理屬于土木工程類核心專業(yè)課程之一，其內(nèi)容豐富、理論嚴(yán)謹(jǐn)、應(yīng)用性強，是理論性與實踐性相融合的一門學(xué)科。課程主要講述鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計理論與基本構(gòu)件的設(shè)計計算方法，以及相應(yīng)的構(gòu)造措施等，旨在培養(yǎng)學(xué)生基本的工程結(jié)構(gòu)設(shè)計能力。目前涉及這門課程的教材種類繁多，但有關(guān)其教學(xué)方法探討與改革實踐方面的研究還相對較少[1-4]。因此，本文從該門課程特點與教學(xué)目的出發(fā)，對其教學(xué)方法和教學(xué)手段進行了探討。

一、課程特點

1.課程內(nèi)容多，與基礎(chǔ)課程聯(lián)系緊密?；炷两Y(jié)構(gòu)包括素混凝土結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)等結(jié)構(gòu)形式，其設(shè)計方法各不相同。要掌握混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理與計算方法，首先要了解這種復(fù)合材料特殊的物理力學(xué)性能，更重要的是理解基本構(gòu)件的受力特性、破壞形態(tài)與承載力計算方法，以及相應(yīng)的構(gòu)造措施[2]，課程教學(xué)內(nèi)容多，涉及知識面廣。同時，課程內(nèi)容與其他基礎(chǔ)課程聯(lián)系非常緊密，特別是對基本構(gòu)件受力特性的理解以及荷載、內(nèi)力與變形計算要求有材料力學(xué)、理論力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)的基礎(chǔ)知識作為支撐，要求學(xué)生具有良好的力學(xué)理論基礎(chǔ)。

2.參數(shù)符號多，取值應(yīng)用經(jīng)驗性強。課程參數(shù)符號多：一方面表現(xiàn)在材料強度指標(biāo)與荷載代表值種類多，不同極限狀態(tài)表達式中荷載代表值與材料強度取值不同，同時還包括相應(yīng)的分項系數(shù)，學(xué)生在初次接觸這些參數(shù)時很容易混淆；另一方面，基本構(gòu)件強度與承載力影響因素多，計算方法復(fù)雜，為簡化計算，在公式推導(dǎo)中引入了計算參數(shù)與經(jīng)驗系數(shù)，比如相對受壓區(qū)高度ξ、配筋強度比ζ、剪扭承載力降低系數(shù)βt等，這些參數(shù)符號大多較抽象，取值應(yīng)用來源于試驗分析與工程經(jīng)驗，理解相對較困難。

3.計算公式應(yīng)用存在限制條件。鋼筋與混凝土這兩種材料的相互作用、組成比例直接影響基本構(gòu)件的力學(xué)性能，且混凝土屬于彈塑性材料，力學(xué)性能影響因素多，離散性大，導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的受力性能分析十分復(fù)雜，不能直接沿用材料力學(xué)的推導(dǎo)公式。基本構(gòu)件的承載力計算方法主要是以試驗分析為基礎(chǔ)，結(jié)合工程經(jīng)驗，擬定計算基本假定簡化構(gòu)件截面應(yīng)力分布，由幾何關(guān)系與力的平衡原理以建立相應(yīng)的計算公式。這樣，計算公式的應(yīng)用必須滿足一定的適用條件，凡滿足條件的設(shè)計結(jié)果都是可行的，結(jié)果具有不唯一性，需要學(xué)生轉(zhuǎn)變這種思維模式[3，4]。

4.構(gòu)造措施多，工程背景強。不同類型的結(jié)構(gòu)構(gòu)件構(gòu)造措施很多，有些規(guī)定是為避免結(jié)構(gòu)計算中基本假定與實際力學(xué)特性的差異，有些是針對一些不便或不必計算的內(nèi)容而進行的要求。但大多都是根據(jù)長期的工程經(jīng)驗和試驗結(jié)果而規(guī)定的，比如受力鋼筋直徑、間距、保護層厚度，架立鋼筋與腰筋的布置，板中分布鋼筋的布置，以及最小配筋的規(guī)定等。這些措施關(guān)聯(lián)性不大、系統(tǒng)性不強，有的只能死記硬背，有些需要結(jié)合工程應(yīng)用來理解性記憶，且容易混淆。

混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理課程內(nèi)容豐富，專業(yè)性與實踐性強，是學(xué)生進入工作崗位尤其是從事結(jié)構(gòu)設(shè)計工作必備的專業(yè)基礎(chǔ)知識。隨著混凝土材料與結(jié)構(gòu)工程技術(shù)的進步，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理的教學(xué)內(nèi)容還會相應(yīng)增加，教師應(yīng)對教學(xué)內(nèi)容編排、教學(xué)方法、教學(xué)手段與考核機制等各方面嘗試創(chuàng)新與改革，改善教學(xué)效果，使學(xué)生轉(zhuǎn)變學(xué)習(xí)思維，扎實掌握混凝土結(jié)構(gòu)的基本設(shè)計原理與計算方法及其應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生工程結(jié)構(gòu)設(shè)計能力[5，6]。

二、教學(xué)方法和教學(xué)手段探討

針對混凝土設(shè)計原理課程的特點，筆者結(jié)合自身的教學(xué)體驗，通過與同行教師的討論、交流，認(rèn)真探討總結(jié)了該門課程的教學(xué)方法與和教學(xué)手段，并在教學(xué)中得以實施，有效幫助學(xué)生掌握混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計原理和計算方法，提升學(xué)生的綜合素質(zhì)和工程設(shè)計能力。

1.注重傳統(tǒng)板書與現(xiàn)代多媒體教學(xué)有機結(jié)合。傳統(tǒng)板書思路清晰，邏輯性與連貫性強，可以較好地引導(dǎo)學(xué)生分析問題、主動思考，但一些復(fù)雜圖形不便描述，試驗過程與試驗現(xiàn)象無法展示；現(xiàn)代多媒體教學(xué)主要是以計算機為核心，通過制作多媒體課件，精心設(shè)計教學(xué)內(nèi)容，輔以適當(dāng)?shù)膭赢嫼鸵曨l錄像來進行講解的現(xiàn)代化教學(xué)方法[5]。由于混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理課程教學(xué)內(nèi)容復(fù)雜，用單一的教學(xué)方法和手段不能有效完成教學(xué)任務(wù)或者達不到應(yīng)有的教學(xué)效果[1-4]，因而可以有機結(jié)合多媒體教學(xué)與傳統(tǒng)板書的優(yōu)點，以多媒體教學(xué)為主。教師制作課件前先整合提煉教學(xué)內(nèi)容，編列講解提綱，理清教學(xué)思路，多以圖片和動畫代替一些枯燥的敘述。針對一些重點內(nèi)容則需結(jié)合傳統(tǒng)板書，既能引起學(xué)生的重視，也能加深理解。例如講解受彎構(gòu)件正截面與斜截面破壞形態(tài)時，可以簡要板書主要的破壞形態(tài)，然后結(jié)合試驗視頻，讓學(xué)生對破壞特征進行歸納總結(jié)；由等效應(yīng)力圖建立受彎構(gòu)件正截面承載力計算方法時，應(yīng)力分布圖可采用多媒體演示，平衡方程的建立及其適用條件可以通過板書推導(dǎo)；構(gòu)造措施可以結(jié)合工程照片或施工圖進行講解，通過工程實例讓學(xué)生有較直觀認(rèn)識，提高學(xué)習(xí)積極性。

2.重視規(guī)范應(yīng)用與工程實踐。混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理是一門工程實踐性很強的核心專業(yè)課，課程內(nèi)容與規(guī)范密切相關(guān)，且主要是對規(guī)范條款的解釋、細化和延伸，尤其是一些構(gòu)造措施與基本構(gòu)件的承載力計算方法。教師在講解過程中要緊密聯(lián)系現(xiàn)行規(guī)范，結(jié)合工程實例，既要指明規(guī)范要求，也要闡述清楚理論依據(jù)與工程意義，讓學(xué)生理解工程結(jié)構(gòu)設(shè)計不僅應(yīng)滿足理論計算要求，更應(yīng)符合規(guī)范規(guī)定，培養(yǎng)學(xué)生處理實際工程問題的能力。另外，應(yīng)有目的地組織學(xué)生進行工程現(xiàn)場參觀和學(xué)習(xí)[5，6]，了解基本構(gòu)件的鋼筋布置與相應(yīng)的構(gòu)造措施，加深對課堂教學(xué)內(nèi)容的理解，提升學(xué)生對結(jié)構(gòu)設(shè)計的認(rèn)識，培養(yǎng)學(xué)習(xí)興趣。

3.強化試驗教學(xué)。混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件受力機理復(fù)雜、力學(xué)性能分析困難，不能直接沿用材料力學(xué)的推導(dǎo)公式，需通過大量試驗，結(jié)合工程經(jīng)驗，提出基本假定，推導(dǎo)承載力計算方法進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，總體思路可概括為：試驗分析與工程經(jīng)驗→基本假定→簡化應(yīng)力圖→基本公式→構(gòu)件設(shè)計[2，3]。可見，試驗分析是構(gòu)件受力分析與計算方法建立與截面設(shè)計的基礎(chǔ)，課程教學(xué)中應(yīng)重視試驗教學(xué)。在進行拉、壓、彎、剪、扭五大基本構(gòu)件受力特性講解前，可先結(jié)合力學(xué)基礎(chǔ)知識分析受力機理，然后給學(xué)生觀看試驗教學(xué)視頻，了解各種受力狀態(tài)下構(gòu)件的破壞過程、破壞特征、破壞形態(tài)與影響因素。結(jié)合試驗視頻闡述哪些破壞形態(tài)是實際工程中不允許發(fā)生、設(shè)計時需避免的，哪些破壞形態(tài)是我們分析構(gòu)件承載力的依據(jù)和基礎(chǔ)。再分析并建立相應(yīng)的承載力計算方法，規(guī)定其適用條件，學(xué)生自然比較容易接受。另外，盡量安排試驗教學(xué)環(huán)節(jié)，以分組的形式讓學(xué)生全程參與基本構(gòu)件試驗?zāi)Ｐ?，從鋼筋的綁扎、?yīng)變片的粘貼、混凝土的制備與澆筑，到模型試驗測試、數(shù)據(jù)記錄與結(jié)果整理，讓學(xué)生對比體會理論與試驗結(jié)果的異同，鞏固對不同結(jié)構(gòu)構(gòu)件受力特性的認(rèn)識和理解。既能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，也鍛煉了學(xué)生的動手能力與團隊合作精神，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的能力。

4.重視課堂例題與課后習(xí)題。課程中公式參數(shù)多，不同構(gòu)件的設(shè)計計算方法不同，計算方法建立過程學(xué)生應(yīng)盡量掌握，但關(guān)鍵是計算方法如何應(yīng)用、相關(guān)參數(shù)的取值、如何進行構(gòu)件截面設(shè)計或校核，這就需要加強課堂例題和課后習(xí)題練習(xí)。課堂上每個基本構(gòu)件的計算方法提出后，要分析運用該計算方法時的解題思路，總結(jié)計算步驟和注意事項，讓學(xué)生先結(jié)合教材上的例題熟悉公式與參數(shù)的應(yīng)用，然后再進行隨堂例題演練，考察學(xué)生對計算方法的應(yīng)用能力，及時發(fā)現(xiàn)問題并有針對性地進行講解指導(dǎo)。比如，關(guān)于偏心受壓構(gòu)件是否需要考慮二階效應(yīng)應(yīng)同時滿足三個條件：①桿端彎矩比M1/M2≤0.9；②軸壓比不大于0.9；③長細比lc/i≤34-12（M1/M2）。給出這個三個條件后，隨即給出三個條件同時滿足與個別條件滿足的相關(guān)例題，讓學(xué)生對比分析，這樣學(xué)生就能較容易掌握何時該考慮二階效應(yīng)。對于這些枯燥的公式和參數(shù)，學(xué)生在課堂上理解了而不及時復(fù)習(xí)鞏固也容易遺忘，課后習(xí)題是較好督促學(xué)生學(xué)習(xí)和鞏固的手段，并能檢驗一些基本要求和驗算條件學(xué)生是否真正理解清楚，同時了解、發(fā)現(xiàn)學(xué)生容易犯的共性錯誤，再有針對性地組織進行習(xí)題講解與答疑。

5.課程考核方式多樣化?；炷两Y(jié)構(gòu)設(shè)計原理主要要求學(xué)生掌握基本構(gòu)件的受力性能、計算方法以及相應(yīng)的構(gòu)造措施，學(xué)會運用規(guī)范，具備一定的解決實際工程問題與工程結(jié)構(gòu)設(shè)計的能力。但課程中構(gòu)造規(guī)定多，公式計算復(fù)雜，參數(shù)取值需要查表，課程考核方式完全依靠閉卷考試的形式，難免加大學(xué)生的記憶工作量，且有些知識點學(xué)生在實際工程設(shè)計時套用公式或按規(guī)范取值即可，另外也有些內(nèi)容在實際工程設(shè)計時較重要但不適合作為閉卷考試題目[4]。因此，教師應(yīng)對課程考核方式進行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整和改進，按平時考核占課程成績10%、作業(yè)占課程成績10%、期中測試占課程成績10%、試驗占課程成績10%，期末考試占課程成績60%的模式進行綜合考評。同時，為激勵學(xué)生主動思考，提高學(xué)習(xí)積極性，對課堂主動回答問題的學(xué)生，根據(jù)情況可給予總評成績0.5～1分的獎勵?？荚囍幸恍﹨?shù)指標(biāo)或經(jīng)驗計算公式，比如材料強度指標(biāo)、斜截面抗剪計算公式、考慮二階效應(yīng)時截面彎矩計算公式等可有限提供。總之，課程教學(xué)旨在培養(yǎng)學(xué)生對知識點的理解和應(yīng)用，課程考核方式可以多樣化。

三、結(jié)語

混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理主要講述基本設(shè)計原理和構(gòu)件設(shè)計方法，是一門理論性與實踐性相融合的課程，內(nèi)容多，知識面廣，應(yīng)用性很強。教授這門課程要根據(jù)課程特點，結(jié)合現(xiàn)行設(shè)計規(guī)范，注重理論與實踐的聯(lián)系，認(rèn)真探索和實踐多樣化的教學(xué)手段和方法，幫助學(xué)生較好地理解和掌握混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理和計算方法，提升學(xué)生綜合運用知識進行工程結(jié)構(gòu)設(shè)計的能力，為從事土木工程相關(guān)工作打下堅實基礎(chǔ)。

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