預應力混凝土設計課程教學改革探究

吳 旻,趙 明

(安徽工業大學 建筑工程學院,安徽 馬鞍山 243002)

預應力混凝土設計是土木工程專業的一門寬口徑專業限選課程。其先修關聯課程主要有材料力學和混凝土結構設計原理,而后續課程包括橋梁工程、多高層建筑設計和畢業設計,在土木工程專業教學培養計劃中起著承上啟下的作用[1]。本課程開課時間為第六學期,學生對于所講解專業知識已經有了部分了解,具有一定的專業背景。同時,本課程內容會涉及到新技術和新材料,且規范和技術要求更新速度較快,教師如果完全照本宣科往往獲得不了較好的教學效果。我校土木工程專業已于2017年通過專業評估,后評估時期對專業課程的教學提出了持續改進的新要求。筆者針對預應力混凝土設計課程特點,創新本課程的教學方法,使學生能夠積極主動參與到課程學習中,最終提高學生的工程綜合素質。

一、課程教學特點

(一)課程內容多、公式多、符號多,且與舊有知識體系聯系緊密

預應力混凝土設計課程包括預應力混凝土的概念、材料、施工和設計等多方面內容,并且新工藝和新設計方法不斷涌現,教學內容較多,既有理論推導,又有經驗和實驗研究成果的應用。部分章節的預應力結構計算公式多、符號多,內容繁雜,有相當一部分學生感覺理解起來較為困難。另一方面,本課程是學生在學習了材料力學、結構力學以及混凝土結構設計原理等眾多專業基礎課和專業課后開設的課程,因此在教學內容上,會與先前的課程內容有交叉重復。而學生對于已學過的知識點存在一定的遺忘,導致學習新知識時感覺似曾相識卻又一知半解,解答問題時出現概念模糊的現象。

(二)理論性與實踐性并重

預應力混凝土設計是一門理論性與實踐性并重的課程。如果僅僅照本宣科講解純理論知識,內容相對空洞和抽象,學生掌握的知識較為生硬,不能夠靈活應用,更不用說能夠針對性地解決工程實際問題。例如在橋梁類畢業設計中,學生往往只會套用公式和相似的設計方案,卻忽視了公式的適用條件,設計方案的創新性和靈活性不足。而對走上工作崗位的畢業生調查發現,不少人對于預應力結構的施工圖紙較為生疏,上手緩慢,工程實踐能力較弱。

(三)與行業聯系緊密,復雜工程問題較多

土木工程發展迅速,其行業規范平均每10年就要做一次大的調整和修訂,預應力在土建行業中應用較廣,涉及鐵路、公路、房建和給排水工程等多個專業領域,每個領域的規范對預應力結構設計的側重點各不相同,且更新時間也存在差異[2]。另一方面,預應力技術往往用于大跨徑、大空間結構,其結構設計和計算過程較為繁瑣,一些內容屬于復雜工程問題范疇,課程教學大綱的指標點中,也有對復雜工程問題的分析能力和基本設計能力的要求。這就要求教師在講課時需要關注規范的修訂動態,及時將最新規范的內容添加到課程教學中,注重培養學生解決復雜工程問題的能力。

二、教學改革實踐

(一)精簡教學內容,采用啟發式教學方法,注重新舊知識銜接

本課程開設在第六學期,學生經過兩年半時間的學習,已經有一定的專業知識積累和自學能力,考慮到課程內容多和學時相對少的矛盾,需要對教學內容進行一定的精簡,并對傳統的課堂教學形式做一定的調整。筆者按照教學大綱的要求,將全部課程分成16個專題,采用啟發式教學方法,在每次講課前首先提出問題,引導學生的思路,讓學生討論和思考解決方法,并結合必要的提示,最終將正確的結論總結推出。例如在講解預應力概念時,首先要求學生回顧先前所學習的課程內容,提出普通鋼筋混凝土構件在大跨徑結構中出現哪些固有的弊端,讓學生分組討論和思考,使學生了解預應力作為工程中的一門新技術其產生的背景,然后再介紹預應力混凝土的優越性,并得出其基本定義,最后再讓學生發散思考,舉出生活中應用預應力的實例。從實際效果來看,教師課堂講解時利用啟發式教學方法,不只是向學生灌輸具體知識,也是向他們講授分析和解決問題的方法,能夠調動學生的積極性,提高大學生判斷、分析、歸納、研究問題等各方面能力。

此外,本課程教學內容會與先前的課程內容有交叉重復,需要教師作好已有知識和新內容之間的區分和銜接,特別是與混凝土結構設計原理內容的區分。這就要求教師在課堂講解中能做到重復的講差別,繁瑣的講重點,相似的講典型[3]。例如在講解預應力混凝土構件斜截面承載能力的計算時,其承載能力計算公式與普通鋼筋混凝土的計算公式相似,課程講解時首先復習回顧普通鋼筋混凝土的計算公式,接著介紹預應力鋼筋的提高作用,再重點指出該提高作用如何在計算公式當中反映出來,從而突出預應力混凝土和普通鋼筋混凝土在面對同一問題計算上的差異。這樣使學生既鞏固了舊的知識,又合理銜接了新的知識。 (二)充分應用各類現代化教學手段

針對學生識圖能力較弱,課程中通過CAD軟件,對一些預應力設計較為復雜處如下馬蹄處、T梁端部構造等進行詳細拆分講解,并要求學生能夠繪制出部分結構的大樣圖。同時,穿插講解施工圖紙識圖要點。而對于預應力施工工藝,其工序較為復雜,涉及的材料種類繁多,教材上介紹的也較為簡單,由于學生施工現場經驗不足,如果直接板書或靜態圖片講解學生難以理解,因此在專業課教學過程中,穿插采用錄像教學和三維動畫視頻方式,部分施工錄像來自教師參與的預應力工程實踐項目以及往屆畢業生生產實習資料。動態視頻教學具有生動形象、畫面連續、內容豐富等優點,能夠激發學生的學習熱情,且對于學生進一步理解設計和計算的內容也有一定的幫助。例如,按分項系數法計算后張法預應力損失的知識點,總共包括5大項,內容繁雜,采用傳統的教學方法分項講解,學生理解較為困難,往往學了后面忘了前面。因此,在對于這部分內容講解時,首先插入后張法預應力穿束和張拉施工的錄像,讓學生直觀了解預應力鋼筋摩擦、錨具壓縮等各類損失產生的原因,再從設計角度出發,探討不同因素引起預應力損失的理論值計算模型,這樣使得學生能夠較好掌握該部分知識。

而對于預應力常用材料,如講解各類形式的錨具,筆者將在實驗室和工程實際項目中搜集到的各類錨具實體直接帶人課堂,讓學生互相傳遞觀看,同時結合PPT圖片進行講解,分析各類錨具的優缺點和適用范圍。這樣可以將各類錨具構造直觀、生動地呈現在學生面前,加深學生對于錨具功能的理解。

此外,國際上新興的BIM(Building InformationModeling,建筑信息模型)技術已成為建設領域信息技術的研究和應用熱點,BIM的應用價值已經得到政府的高度關注和行業的普遍認可[4]。我校已有較為完備的BIM模擬操作室,并成立了安徽省首個學生BIM社團。本課程教學中也嘗試引人BIM技術,對典型的后張法預應力構件進行了初步可視化展示和施工模擬。

在制作多媒體課件時,努力做到與教學理論內容相配合:如在概論講解中插人國內或國際上比較著名的預應力建筑或者橋梁結構,以提高學生的學習興趣,而在具體講解課程知識點時,一些中小型工程案例往往更有說服力和針對性。同時,在一些理論公式推導以及疑難知識點的展開,傳統板書往往更有優勢,因此應注意現代化教學手段與傳統板書相結合。

(三)注重教學與規范相結合,初步培養學生解決復雜工程問題的能力

預應力混凝土課程很多內容是對行業現行規范的解析和細化[5]。筆者在教學過程中發現學生在學習過程中過重地依賴于教材,只會做教材上的設計和習題,不夠重視規范,尤其不重視不同行業規范的比較,如土木工程房建方向的學生只關注住建部相關預應力規范,對于公路橋梁預應力規范不感興趣。結果對于后期畢業設計或生產實踐中一些條件復雜、需要綜合運用所學的專業知識的結構設計往往無從下手。因此在教學過程中既要對預應力混凝土基本原理和設計方法進行重點講解,又要介紹相應預應力規范的條文,尤其要求學生注意不同規范對于同一設計問題的條文對比,這樣有利于學生更深刻理解預應力設計內容。

對于學生解決復雜工程問題能力的培養,主要從課上和課下兩個方面進行改革。在課堂上,加強與學生的互動,在講解完理論知識后,引入相關工程事故實例,讓學生討論事故發生的原因和教訓,增加學生的思考時間,鼓勵學生主動發言。而課下,增加綜合性習題所占的比例。以往給學生布置的作業,絕大多數均為驗證類題目,即給出了構件設計方案,讓學生驗證設計是否合理、可靠。從反饋結果來看,學生的答案往往具有相似性,且存在抄襲現象。而綜合性題目要求學生進行自主性設計,即只給出跨徑、荷載參數,讓學生獨立進行預應力混凝土結構截面尺寸和構件配筋的設計和計算,這樣杜絕了抄襲現象,提高了學生解決復雜工程問題的能力。

三、結語

預應力混凝土設計是一門內容多,理論性與實踐性并重,且與行業規范緊密聯系的專業課程,對于學生今后從事預應力混凝土結構的設計、施工和科研均有幫助。在教學工作中,針對本課程的特點,參照土木專業評估的要求,采用啟發式教學手段和現代化教學方法,并注重教學內容與現行規范相結合,以提高教學質量。本課程近三年達成度計算結果為0.721、0.736和0.762,達成度逐年穩步提升,使學生在理論知識、綜合應用和工程意識等方面得到很好訓練,取得了良好的教學效果。