基于“結構設計原理”課程的學生差異化培養教學模式研究

吳 多，尹遇學，葉 青

(南昌工程學院 土木與建筑工程學院，江西 南昌 330099)

“結構設計原理”課程是道橋專業的一門必修課程。這門課是以公路橋涵設計為基礎，緊密聯系生產實際，與同類土木工程專業的“混凝土結構設計原理”相比，具有同樣梁、板式構件的理論體系，又有公路橋梁中相關的專門知識。對于研究構件的基本力學行為，更加側重于分析其壓、彎、剪等力學行為，具有鮮明的行業特色與工程特點[1]。

對于“結構設計原理”課程，傳統填鴨式的教學模式在很大程度上可以快速達到教學大綱中要求的培養目標。通過此類模式開展教學，大多數學生在學完這門課程以后，都可以模仿書中的例題進行簡單的矩形、T形簡支梁的配筋計算或校核任務，但通過進一步對學生進行調查，卻發現學習完該課程的學生并不能完全掌握結構構件的設計與驗算方法，往往表現為知其然而不知其所以然。

很多教師在多年的教學實踐中也在努力探索，將其他學科非常流行的導入式[2-3]、討論式[4-5]、案例式教學法[6-7]引入本門課的教學中，在一定程度上確實調動了學生的積極性。但靜下心來想想，課堂關注度的提高就能等同于教學效果的提高嗎？對于這種實踐性、應用性、理解性極強的課程，僅僅采用這些方法就能完全改變目前的教學現狀嗎？這應該是一個值得深思的問題。

所以就如何提高應用型院校的“結構設計原理”課程的教學效果，通過教學模式的進一步探索分析，構建一種適合本門課程的課堂教學模式并付諸實踐顯得尤為重要。

1 “結構設計原理”課程概述

基于某高校道路橋梁與渡河工程專業14版人才培養方案要求，“結構設計原理”課程大綱中包含40課時的理論教學和8課時的課程設計實踐教學，在大學本科階段的第五學期開設此課程，以下分析均是基于此進行探討的。

該課程的本質主要是討論各種基本構件的受力性能、計算方法和構造設計原理，是學習完整工程結構設計的基礎。該課程的核心內容、特點與其他課程的關系如表1所示。

表1 “結構設計原理”的課程體系

通過分析表1所示“結構設計原理”的課程體系，不難看出本門課程的重要性與核心地位。

1)首先，各高校的本門課程基本都開設在大學的第五個學期，因為這一課程要求學生具備一定程度的數學、力學和材料的知識儲備，因此學生在學習本課程之前，必須完成三大力學(理論力學、材料力學和結構力學)、土木工程材料等先修課程的學習，然后才能進行本課程的學習。在道渡專業課程體系中該課程處于承上啟下的中間位置。完成本課程的學習以后，同學們對梁、板等常見的普通、預應力鋼筋混凝土結構有了更清晰地認識和理解。可進行后階段橋梁工程、下部基礎工程、橋梁施工等課程的學習。

2)從學習內容上看，該課程由基礎知識、構件設計和結構設計這三大塊內容組成。首先通過學習鋼筋混凝土結構的一些基本概念和鋼筋、混凝土等材料的物理力學性能，公路橋涵規范規定的計算原則與方法等內容，熟悉工程結構特別是橋梁工程中涉及到的各類材料性能、優缺點，掌握各類狀態、作用組合的計算方法。然后通過對構件的各類壓、拉、彎、剪、扭等力學行為進行分析，特別是橋梁工程中常見彎壓構件的正截面、斜截面承載能力計算，構件的應力計算和變形與裂縫等正常使用極限狀態設計計算，全面掌握構件的設計計算方法。最后通過對預應力混凝土結構的施工工藝、設計計算方法進行學習，完全掌握簡支T梁(板)、預應力梁(板)等常用的橋梁上部結構形式的設計計算與施工操作。

3)從課程目標看，該課程主要培養學生掌握正向的設計和反向的驗算能力。通過本門課程的學習，學生能夠對已知荷載要求的構件進行截面設計和配筋計算，同時也能夠核算已知構件是否滿足承載能力要求這兩方面的能力。

4)從課程特點來看，該課程具有豐富的多樣性特點，是一門理論分析和現場實踐兩者兼備的課程。通常結構設計中只要滿足一定范圍的標準即可，因此其配筋形式與數量并不唯一，往往存在多種結果組合，計算結果的優異程度取決于計算者或設計者對規范、標準的理解和熟練程度，結合各類力學假定(平截面假定、勻質體假定)，設計與計算過程中常考慮簡化，側重于關注結構與構件的受力與變形特點。

綜上可知，“結構設計原理”課程具有極強的專業性、內容繁瑣復雜且目標要求高、形式多樣等特點，在目前應用型本科院校人才培養方案中規定的40課時理論課程教學前提下，采用常規講授的教學方式進行授課，很難達到大綱預定的復合應用性人才培養的目標要求。因此本文基于目前該課程凸顯的問題與不足，提出一種差異化培養教學模式的分析。

2 差異化培養的課堂教學

2.1 課程體系剖析

1)按照大綱要求，結合選用教材，梳理課程的所有必修知識點，并將全部知識點按照了解、熟悉、掌握、探索等類別的學習程度進行差異化整理、歸類與合并。

如：了解程度(☆)→知識點D1、知識點D2、知識點D3……知識點Dm；

熟悉程度(☆☆)→知識點C1、知識點C2、知識點C3……知識點Cn；

掌握程度(☆☆☆)→知識點B1、知識點B2、知識點B3……知識點Bk；

探索程度(☆☆☆☆)→知識點A1、知識點A2、知識點A3……知識點Al。

2)參照1)所示，按人才培養目標規定的掌握程度進行知識點劃分這一方式雖然大體上可以將知識點按重要性程度分層歸類，但還應考慮各知識點之間難易程度的差異化。

如：非難點(★)→知識點A1、知識點A2、知識點B1、知識點B2……知識點D1、知識點D2；

難點(★★)→知識點A3……知識點Al、知識點B3……知識點Bk、知識點C3……知識點Cn、知識點D3……知識點Dm。

結合1)、2)將課程的整體知識體系按培養目標需要掌握的程度進行金字塔層次理論的劃分如圖1所示。

2.2 學生體系剖析

1)以學生的先修課程成績基礎、未來就業或考研意向、學習興趣與特點等方面，結合學生的側重點、期望與學生的選擇意向，將學生劃分為A(基本學習型)、B(就業實踐型)、C(深造考研型)、D(科研創新型)這四種典型學生類別(見圖2)。

2)綜合考慮大綱中的通識了解、具體熟悉、分析掌握、深層探索四類培養目標和不同的學生類別，構建課程的學生類別與培養目標體系比例關系如表3所示。

圖1 知識點的金字塔分層劃分與培養目標體系對應關系

表2 學生類別的具體情況

表3 不同類別學生與培養目標的占比關系

3 “結構設計原理”課程的應用

3.1 課程知識點體系構建

以《結構設計原理》課本[8]的第十二章預應力混凝土結構的概念及其材料為例分析這一方法的可行性。

將這一章節知識要點梳理劃分為十個小知識點，根據難易程度并按照通識了解、具體熟悉、分析掌握、深層探索的四類培養將其分解為金字塔的知識點體系。

3.2 學生情況分析

基于問卷調查式的學情分析雖然在一定程度上可以體現學生的目標水平，但這種分析方法的效果取決于學生的目標達成度，在實際應用中較難達到預期效果，為解決這一問題，本文提取16和17級道渡專業“結構設計原理”的學習通軟件后臺數據，提取課堂課堂到堂率及訪問頁面情況統計到堂率、作業提交情況如圖3和圖4所示。

圖2 知識點的金字塔分層劃分與培養目標體系對應關系

圖3 課堂到堂率及訪問頁面情況統計

圖3展示了學生的到堂率及學習通軟件的訪問情況，可以看出大部分同學的到堂率在80%以上，到堂率100%和到堂率低于60%的同學比較少，符合中間大兩頭小的統計規律。而分析頁面訪問情況也可以看出，學生訪問學習通軟件的情況具有一定的規律性，一般以周次為間隔進行波段訪問。

圖4 作業發布、提交與成績情況統計

從圖4給出的作業發布、提交與成績情況可以看出，基本上所有同學都會提交課后作業，說明作業作為平時成績的重要考核部分的這一考核方式執行程度較好。分析作業得分情況，該門課程的整體作業平均得分為84.41分，得分率較高，說明學生的課堂掌握情況較好，但另一方面也說明查書式的作業難度較低，并且學生之間也容易出現抄襲現象。

3.3 結果驗證與探討分析

將以上教學法應用于16和17級道橋專業的“結構設計原理”的教學中，結合期末考試與平時考核，可得最終的綜合成績如圖5所示。

圖5 16和17級綜合成績情況

由圖5可以看出，采用這一教學法可較好地將學生進行分類化授課，學生的最終成績符合正態分布情況。總體來說71.4分(16級)、69.8分(17級)的平均得分較為符合“結構設計原理”這門課程的難度與目標要求。

最后根據成績得分轉換為對應的四類學生類別如圖6所示。

圖6 學生類別與人數占比對應情況

通過圖6可以看出，最終得到的學生類別與人數占比與表2中預設的比例基本一致，說明本文提出的教學模式能夠較好地將學生進行歸類化區分，為下一步根據學生特點有側重地開展針對性教學提供依據，這一教學思想可充分挖掘學生特點，將因材施教做到最大化。

4 結論

本文以某高校道橋專業16和17級學生為對象，依托“結構設計原理”課程進行學生差異化分類培養教學分析，得到如下結論：

1)通過對課程的深入剖析，將該課程的知識點按照了解、熟悉、掌握、探索等類別的學習程度進行差異化整理、歸類與合并，并考慮各知識點之間難易程度的差異，將所有知識點進行金字塔式的分層體系劃分。

2)以學生的先修課程成績基礎、未來就業或考研意向、學習興趣與特點等方面，結合學生的側重點、期望與學生的選擇意向，將學生劃分為A(基本學習型)、B(就業實踐型)、C(深造考研型)、D(科研創新型的四種類型，并將學生類別與培養目標的知識點體系一一對應。

3)將該方法應用于目標分析對象，其結果表明學生的最終得分情況達到預期效果，符合學生類別、人數占比等各類指標的正態分布，具有良好效果，可進一步探討研究并應用推廣。