工程結(jié)構(gòu)課程教學(xué)實(shí)踐與探索

嚴(yán)佳川 王永輝 鄒超英

摘要：“工程結(jié)構(gòu)”課程是給水排水科學(xué)與工程專業(yè)一門重要的專業(yè)課，是理論密切聯(lián)系實(shí)踐的工程類課程，要求學(xué)生通過學(xué)習(xí)，能夠掌握給水排水工程中各種功能構(gòu)筑物、建筑物的結(jié)構(gòu)基本設(shè)計(jì)原理和設(shè)計(jì)方法。本文通過對比分析“工程結(jié)構(gòu)”和“鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)”的異同以及考慮給水排水科學(xué)與工程專業(yè)學(xué)生在先修專業(yè)基礎(chǔ)課方面的不足，提出針對“工程結(jié)構(gòu)”課程的講授方法。從形象化展示給水排水工程結(jié)構(gòu)與房屋建筑結(jié)構(gòu)的區(qū)別、教學(xué)重點(diǎn)和教學(xué)方法調(diào)整、培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際工程能力和強(qiáng)調(diào)科學(xué)思維與工程思維之間的轉(zhuǎn)換等四個方面詳細(xì)展開，旨在改革傳統(tǒng)的教學(xué)方法，有效提高教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：工程結(jié)構(gòu)；教學(xué)探索；給水排水

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）39-0163-03

《工程結(jié)構(gòu)》課程是給水排水科學(xué)與工程專業(yè)一門重要的專業(yè)課，是理論密切聯(lián)系實(shí)踐的工程類課程，使學(xué)生能夠掌握給水排水工程中各種功能構(gòu)筑物、建筑物的結(jié)構(gòu)基本設(shè)計(jì)原理和設(shè)計(jì)方法。由于構(gòu)筑物、建筑物的結(jié)構(gòu)部分在給水排水工程中的重要性且建設(shè)投資占比較大，本課程為學(xué)生學(xué)習(xí)給水排水工程結(jié)構(gòu)知識提供基礎(chǔ)，作為學(xué)生從事給水排水專業(yè)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)配套基礎(chǔ)課程具有重要意義。

由于給水排水工程結(jié)構(gòu)主要采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，因此在給水排水工程結(jié)構(gòu)課程中主要圍繞鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理進(jìn)行講授。然而，與為建筑類土木工程專業(yè)本科生講授的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)課程不同，給水排水科學(xué)與工程專業(yè)本科生并沒有系統(tǒng)學(xué)習(xí)過房屋建筑學(xué)、土木工程材料、材料力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)等先修專業(yè)基礎(chǔ)課程。另一方面，由于混凝土材料屬于非均質(zhì)、非彈性材料，使得鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)與材料力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)既有聯(lián)系又有區(qū)別，是在理論分析和大量科學(xué)試驗(yàn)基礎(chǔ)上建立起來的。同時，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)單靠理論分析還不夠，還要輔以一定的構(gòu)造措施。考慮到給水排水科學(xué)與工程專業(yè)本科生的先修課程以及鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理本身的特點(diǎn)，如果仍采用為建筑類土木工程專業(yè)本科生授課的教學(xué)方法，可能會讓一部分同學(xué)難以理解課程內(nèi)容，這部分學(xué)生進(jìn)而會產(chǎn)生畏難和厭倦情緒，影響對本門課程的學(xué)習(xí)，甚至可能對其畢業(yè)后所從事的給水排水工程相關(guān)工作產(chǎn)生不利的鋪墊。

筆者自2017年結(jié)合工程素質(zhì)教育，對開設(shè)的“工程結(jié)構(gòu)”課程進(jìn)行改革實(shí)踐與探索，根據(jù)給水排水工程結(jié)構(gòu)與房屋建筑結(jié)構(gòu)的區(qū)別與聯(lián)系制定主要教學(xué)內(nèi)容。以給水排水科學(xué)與工程專業(yè)培養(yǎng)方案為基礎(chǔ)，依據(jù)對學(xué)生的畢業(yè)要求，調(diào)整教學(xué)重點(diǎn)和教學(xué)方法。充分考慮學(xué)生先修課程的特點(diǎn)，在課堂上培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際工程的能力。根據(jù)課程特點(diǎn)，強(qiáng)調(diào)科學(xué)思維與工程思維之間的轉(zhuǎn)換，培養(yǎng)學(xué)生從事工程領(lǐng)域工作的基本素質(zhì)。從“知識、能力、素質(zhì)”三個方面對學(xué)生進(jìn)行培養(yǎng)，幫助學(xué)生取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)步。

一、形象化展示給水排水工程結(jié)構(gòu)與房屋建筑結(jié)構(gòu)的區(qū)別

給水排水工程中各種功能的構(gòu)筑物包括：水池、水塔、水渠、水廠等；建筑物包括：管理用房、泵房等。在講授給水排水工程結(jié)構(gòu)時強(qiáng)調(diào)給水排水工程結(jié)構(gòu)的特殊性在于：給水排水工程結(jié)構(gòu)是幾何形狀復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)、薄壁結(jié)構(gòu)；由于使用功能的限制，給水排水工程的抗裂、抗?jié)B、防凍、保溫、防腐要求嚴(yán)格；給水排水工程結(jié)構(gòu)作用荷載繁多：包括重力荷載、風(fēng)荷載、雪荷載、水壓力、土壓力、溫度荷載、收縮應(yīng)力、地基不均勻沉降等，引起外加變形等。

上述給水排水工程結(jié)構(gòu)與房屋建筑結(jié)構(gòu)的區(qū)別若只在緒論中簡要介紹，并不能為學(xué)生建立起一個對于給水排水工程結(jié)構(gòu)清晰的認(rèn)識。應(yīng)在授課中以PPT圖片形式形象地展示出給水排水工程結(jié)構(gòu)與房屋建筑結(jié)構(gòu)的異同。首先，在緒論的講授中，對比給出水渠、水池等給水排水工程結(jié)構(gòu)的截面與房屋建筑結(jié)構(gòu)基本構(gòu)件截面的區(qū)別。其次，在講授混凝土的耐久性要求時，以PPT圖片形式形象地展示出因給水排水工程結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使用年限、使用功能和所處環(huán)境條件的特殊性，對混凝土的抗?jié)B、抗凍、防腐提出的特殊要求。再次，講授鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的基本計(jì)算原則時，在PPT中用圖片展示出給水排水工程結(jié)構(gòu)上可能遇到的水壓力、土壓力、溫度荷載、收縮應(yīng)力、地基不均勻沉降等荷載或作用。

二、依據(jù)培養(yǎng)方案，調(diào)整教學(xué)重點(diǎn)和教學(xué)方法

給水排水科學(xué)與工程專業(yè)的培養(yǎng)方案對畢業(yè)生的培養(yǎng)目標(biāo)為：能夠從事給水排水工程的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營、管理、研究開發(fā)等工作的復(fù)合型高級工程技術(shù)人才。工程結(jié)構(gòu)作為給水排水工程工藝流水線的重要組成部分，學(xué)生畢業(yè)后應(yīng)具有工程結(jié)構(gòu)的基本設(shè)計(jì)知識，從事給水排水工程相關(guān)工作時，能夠?qū)Y(jié)構(gòu)所選擇的材料、結(jié)構(gòu)形式以及結(jié)構(gòu)布置是否合理做出地判斷，把握結(jié)構(gòu)構(gòu)件的受力特點(diǎn)、配筋形式和破壞模式，了解構(gòu)件的截面設(shè)計(jì)方法和構(gòu)造措施。

因此，在授課過程中，教學(xué)重點(diǎn)為學(xué)生對工程結(jié)構(gòu)中各類構(gòu)件受力形式、可能出現(xiàn)的工程設(shè)計(jì)問題及破壞規(guī)律的掌握，了解計(jì)算公式中各符號的物理意義及適用條件，并不要求學(xué)生機(jī)械地記憶計(jì)算公式，了解工程結(jié)構(gòu)設(shè)置構(gòu)造措施的目的，而不是機(jī)械地記憶構(gòu)造措施的內(nèi)容。在教學(xué)方法中避免灌輸式教學(xué)方法，將不同受力狀態(tài)下的混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)理論的知識點(diǎn)聯(lián)系起來，對不同受力狀態(tài)下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中存在的共性問題給予概念性講解，培養(yǎng)學(xué)生對工程問題的認(rèn)識、分析、解決能力。

同時，在授課過程中強(qiáng)調(diào)，工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的答案不是唯一的，任何一項(xiàng)設(shè)計(jì)都有多種方案可以選擇。在工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的全過程中，結(jié)構(gòu)所選擇的材料、結(jié)構(gòu)形式以及結(jié)構(gòu)布置方案對結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)合理、安全適用、技術(shù)先進(jìn)影響至關(guān)重要，這些步驟同時也是工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的決策性步驟。引導(dǎo)學(xué)生在進(jìn)行結(jié)構(gòu)時有全局意識，能夠根據(jù)所學(xué)結(jié)構(gòu)概念從整體對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行決策。

三、充分考慮學(xué)生先修課程的特點(diǎn)，在課堂上培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際工程的能力

給水排水科學(xué)與工程專業(yè)學(xué)生的先修課程中只有工程力學(xué)，對材料力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)并沒有系統(tǒng)地學(xué)習(xí)，而工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分析和截面的應(yīng)力分析離不開結(jié)構(gòu)力學(xué)和材料力學(xué)的基礎(chǔ)，如果仍然按照為建筑結(jié)構(gòu)類本科生授課的方法，可能會使力學(xué)基礎(chǔ)不扎實(shí)的學(xué)生產(chǎn)生畏懼和畏難心理，影響學(xué)習(xí)效果。

因此，在授課過程中，應(yīng)充分考慮到學(xué)生所學(xué)的力學(xué)知識，幫助學(xué)生回顧材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)的一些基本知識，幫助學(xué)生建立力學(xué)基本概念，如梁橫截面上的正應(yīng)力、梁橫截面上的剪應(yīng)力、簡支梁的剪力圖和彎矩圖、兩跨連續(xù)梁的剪力圖和彎矩圖等。在回顧基本知識的基礎(chǔ)上，培養(yǎng)解決實(shí)際工程的能力，根據(jù)不同的工程問題，幫助學(xué)生掌握如何查閱工具書《給水排水工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊》，比如當(dāng)學(xué)生解決水池的池蓋設(shè)計(jì)工程問題時，使學(xué)生能夠熟練掌握并獲得多跨連續(xù)梁的計(jì)算跨度、梁彎矩圖和剪力圖，并能從力學(xué)概念上對得到的彎矩圖、剪力圖是否合理做出判斷。

四、根據(jù)課程特點(diǎn)，強(qiáng)調(diào)科學(xué)思維與工程思維之間的轉(zhuǎn)換

給水排水工程結(jié)構(gòu)所涉及的混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論大都建立在試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)之上，很多設(shè)計(jì)公式不能由嚴(yán)密的邏輯推導(dǎo)得出，只能由試驗(yàn)結(jié)果回歸而成。授課過程中，培養(yǎng)學(xué)生思維方式的轉(zhuǎn)變，為學(xué)生強(qiáng)調(diào)科學(xué)思維與工程思維的不同，比如在具體工程問題的分析和求解計(jì)算公式時，可適當(dāng)簡化，降低工程問題分析難度，得到實(shí)用的工程設(shè)計(jì)計(jì)算式，再通過試驗(yàn)結(jié)果得到具有一定保證率設(shè)計(jì)方法。

教學(xué)中要反復(fù)強(qiáng)調(diào)概念理解的重要性，使學(xué)生不要陷入機(jī)械性地公式推導(dǎo)和記憶中，要側(cè)重給出公式得到的全過程，掌握處理工程問題的工程思維，使學(xué)生根據(jù)構(gòu)件的受力特點(diǎn)、配筋方式、破壞模式，運(yùn)用工程思維把握構(gòu)件設(shè)計(jì)的主要影響因素，理解計(jì)算公式中各系數(shù)的物理意義。

五、結(jié)語

由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在給水排水工程中的重要性，給水排水工程結(jié)構(gòu)課程是一門重要的理論密切聯(lián)系實(shí)踐的工程類課程。從課程本身與混凝土結(jié)構(gòu)課程的聯(lián)系，形象化展示給水排水工程結(jié)構(gòu)與房屋建筑結(jié)構(gòu)的區(qū)別。在本課程的教學(xué)過程中，根據(jù)給水排水科學(xué)與工程專業(yè)的畢業(yè)要求，調(diào)整教學(xué)重點(diǎn)和方法。充分考慮學(xué)生先修課程的特點(diǎn)，在課堂上培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際工程的能力。根據(jù)課程特點(diǎn)，強(qiáng)調(diào)科學(xué)思維與工程思維之間的轉(zhuǎn)換，培養(yǎng)學(xué)生從事工程領(lǐng)域工作的基本素質(zhì)。培養(yǎng)學(xué)生主動學(xué)習(xí)的興趣，有效提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的教學(xué)質(zhì)量。

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