基于工程教育的土木工程專業混凝土結構設計原理課程“線上+線下”教學改革與實踐

曹 兵，吳 楨，黃 博，江 莉，楊一振，王昌勝，杜怡韓

（安徽工程大學建筑工程學院，安徽蕪湖241000）

混凝土結構設計原理（以下簡稱“該課程”）作為土木工程專業的一門專業基礎課程，對后續專業課程的學習起著重要的鋪墊作用。國內較多高校開設了土木工程專業，針對該課程的教學研究取得了較多成果。魏曉剛等[1]、李喆[2]、徐海賓等[3]、夏紅春[4]、薛維培[5]、高忠虎等[6]、汪宏等[7]、曹海等[8]、王晨飛等[9]、王俊等[10]、王可卿等[11]從不同方面對該課程的實驗教學進行了改革探索。該課程主要包含理論教學內容和實驗教學內容兩大部分，上述教育學者也主要從理論教學和實驗教學兩方面進行了改革探索。除了上述教育學者對該課程教學進行了探索外，還有一些教育學者也進行了探索，例如“線上線下”混合教學，不再一一贅述。

1 教學改革措施

工程教育專業認證提出了3個基本理念：成果導向、學生中心和持續改進[12]。上述理念對該課程的教學具有重要的指導作用。同時，科技和網絡資源的不斷發展，給該課程的教學提供了更多的途徑和方法。為了實踐基于學習產出的教育模式（Outcomes-based Education，OBE），筆者在該課程教學中進行了適合于工程教育專業認證的線上線下教學模式探索，提出了加強教師隊伍建設、全面修訂教學大綱、改變教學模式、改變課程評價模式、完善課程考核方式等改革措施。

1.1 加強教師隊伍建設

教師的理論水平、實踐能力及教學能力直接影響教學質量。為了適應工程教育認證對該課程教師工程實踐能力提出的更高要求，安徽工程大學（以下簡稱“我校”）每年都要選派教師參加土木工程專業教學研討會和校、院舉辦的各類青年教師基本功大賽、教案比賽等；教師在正式任教該課程前，先擔任助教工作，并前往專業實踐基地開展交流學習活動，增加工程實踐經驗。目前，為了更好地開展“線上+線下”教學改革，我校為該課程配置了3位主講教師，3人均具有高級職稱或博士學位，都具有教學競賽和工程實踐經歷；3位教師“線上+線下”教學分工明確，為開展小班教學奠定了堅實基礎。以下未注明出處者均為我校教學團隊案例。

1.2 全面修訂教學大綱

工程教育認證強調培養學生的能力。課程教學大綱是根據教學計劃的要求，規定課程地位、作用、性質、目的和任務的基本綱要，工程教育認證背景下課程教學大綱要充分體現OBE教育理念。因此，在經過充分討論和論證的基礎上，我校對該課程的教學大綱進行了全面修訂，進一步明確了課程目標及學生應達到的能力，課程目標對畢業要求的支持關系，課程的教學內容及要求，課程的教學方法，課程的考核方式及課程達成度的評價方式等。

1.3 改變教學模式

傳統的教學模式以教師為中心，教師占主導地位，教師站講臺采用板書或者PPT進行教學。這種傳統教學模式，學生參與度其實并不高，而且教師教學手段比較單一，明顯不符合OBE教育理念。因此，在經過充分討論和論證的基礎上，我校對該課程的教學模式進行了改革。

1.3.1 引入翻轉課堂

對教學內容進行歸類，那些適合翻轉課堂教學模式的教學內容直接采用翻轉課堂模式進行教學。在課前，授課教師課前錄制教學視頻，設立問題，安排學習任務等；授課教師將視頻通過智慧課堂（如學習通）發送給學生端，學生可下載自主學習并完成關鍵環節，教師可進行監督；學生針對相關問題自主查閱文獻和準備課堂討論內容。在課中，授課教師隨機將學生分成若干小組，每組隨機指定1名負責人，各組進行討論，然后由各組負責人指定一位成員進行依次講解，其他組成員對該組講解內容進行提問，該組其他未講解成員負責回答，授課教師對各組情況進行點評講解。

1.3.2 引入線上教學

線上教學有3種方式：線上直播、慕課、智慧課堂。

線上直播。常用的網絡直播平臺有騰訊會議、B站、虎牙等。我校教學團隊開展了6次線上直播，其中3次是圍繞混凝土結構基本概念、混凝土結構材料力學性能、承載能力極限狀態下5種基本構件的設計、正常使用狀態下構件的變形驗算、預應力混凝土構件的設計等5個方面內容選取了部分章節進行線上直播教學，另外安排了3次線上直播互動、答疑和輔導。上述直播平臺均設置有互動模式和直播視頻錄制模式，學生課中可利用彈幕進行提問，教師能夠及時掌握學生的薄弱點；學生課后可以觀看直播視頻回放，對課上沒理解的知識點進行鞏固。在課堂教學中適當穿插線上直播教學，能夠有效提高學生學習積極性。

慕課。主要采用國內知名大學慕課進行教學。該種模式要求學生發揮學習主動性。在課程正式開始前，授課教師要精選2～3門慕課；隨后將選定的慕課地址發送給學生并要求學生在課程過程中利用課前、課后等碎片化時間進行自主學習，同時要求學生做好學習筆記。

智慧課堂。主要采用智慧教學軟件進行教學。在課前，教師通過智慧教學軟件發布教學視頻、課程資料、章節作業等；在課中，教師通過軟件發布課堂討論、章節知識測驗等內容；在課后，教師通過軟件收集和批閱作業，同時和學生互動答疑，實現一對一輔導。

1.3.3 引入實物模型和小程序

由于該課程內容比較抽象且設計沒有唯一性，在課程教學中適當引入實物模型和小程序對學生理解抽象概念和設計沒有唯一性的原則具有重要作用。例如在“受彎構件正截面受彎承載力”章節中一般會涉及混凝土保護層厚度的概念，《混凝土結構設計規范》（2015年版）（以下簡稱“規范”）中規定“混凝土保護層厚度指從最外層鋼筋的外表面到截面邊緣的垂直距離”，講解這個概念時必須先讓學生理解什么是最外層鋼筋。對于受彎構件而言，其內部鋼筋較多，主要包括縱向受拉鋼筋、縱向受壓鋼筋、箍筋、構造腰筋等，所以必須讓學生直觀看到上述鋼筋的相對位置才能進一步理解最外層鋼筋的含義。“規范”中還涉及縱向鋼筋的錨固、縱向鋼筋的截斷伸出長度和延伸長度、箍筋加密和非加密等抽象概念，為了將抽象概念具體化，授課教師在講解上述抽象概念時提前準備了鋼筋骨架實物模型。

還有，在“受彎構件正截面受彎承載力”和“受壓構件截面承載力”章節中常涉及截面設計的問題，需要學生根據配筋計算結果選配縱向受力鋼筋，選配縱向受力鋼筋需要確定鋼筋的直徑和根數，在講解如何確定鋼筋的直徑和根數這個問題時必須讓學生先理解“規范”中對縱向受力鋼筋間的凈距規定要求。授課教師在課前利用EXCEL自行設計了一個計算小程序，課上直接利用該計算小程序進行講解，讓學生直觀地看到受彎構件當混凝土保護層厚度、箍筋直徑、縱向受力鋼筋和截面寬度發生變化時，鋼筋的根數也是在不斷變化的。通過這種方式，學生對如何選配縱向受力鋼筋問題的理解則更加深刻。

另外，在講解“承載能力極限狀態下5種基本構件的設計”時，授課教師一直強調設計不唯一性的原則，當構件的材料強度（或截面尺寸）發生變化時，其截面配筋結果也會相應發生變化，只要配筋結果合理即可。因此，授課教師在教學時引入了微信小程序混凝土結構工具箱，其中包含了多個模塊，如彎剪構件設計及復核、壓彎構件計算、受扭構件計算等。授課教師和學生選取其中模塊并輸入構件參數，該程序直接輸出相應配筋結果，如果改變構件參數，其配筋結果也相應發生改變。通過對比，學生能夠深刻理解設計沒有唯一性這一原則。

1.3.4 將有限元分析軟件融入實驗教學

有限元分析軟件是實驗的重要補充手段，能夠預測實驗構件的承載力及破壞過程，對指導實驗教學具有重要作用。該課程將有限元分析軟件融入實驗教學中，更好地培養了學生的動手操作能力、自主探究能力和創新精神。如“受彎構件正截面受彎破壞實驗”和“斜截面受剪破壞實驗”中，在實驗之前，授課教師先將實驗指導書通過線上平臺發布給學生，要求學生根據所學理論知識計算出正截面受彎承載力和斜截面受剪承載力理論值；然后要求學生利用有限元ABAQUS軟件建立受彎構件實驗加載模型并進行數值計算，得到正截面受彎承載力和斜截面受剪承載力的有限元值，獲得正截面受彎破壞和斜截面受剪破壞的過程以及兩種受力狀態下構件內部鋼筋和混凝土的應力分布情況；最后將實驗講解視頻和實驗過程視頻通過線上平臺發布給學生，要求學生進一步掌握實驗原理和方法，利用線上直播平臺講授有限元ABAQUS分析結果。圖1為有限元ABAQUS計算得到的受彎構件受彎和受剪破壞時混凝土和鋼筋的應力分布圖。

圖1 混凝土和鋼筋的應力分布圖

在實驗現場，學生根據前期分組情況進行實驗，完成適筋梁、少筋梁、超筋梁的受彎實驗和剪壓梁、斜拉梁、斜壓梁的受剪實驗。為了再現實驗場景和方便學生后續學習，利用高清攝像機拍攝記錄整個實驗過程。首先，教師要求學生自主進行實驗構件的安裝、應變片的粘貼和位移計的安裝、應變片和位移計的連接、數據采集系統參數的設置等前期準備工作。其次，教師逐項檢查學生上述準備工作是否滿足實驗要求，發現問題及時更正。最后，教師要求學生自主利用實驗控制系統進行實驗加載，并時刻觀察混凝土的裂縫開展情況和試件破壞過程。在實驗之后，除了要求學生撰寫和提交實驗報告外，還要求學生將各構件的承載力理論計算結果與實驗結果進行對比，以進一步理解受彎承載力、受剪承載力理論計算公式所采取的基本假定，對比結果如表1。

表1 各構件承載力理論計算值與實驗值

1.4 改變課程評價模式

課程評價對提高教學質量具有重要促進作用。傳統的課程評價主要為課程結束后的線下問卷調查，方式較為單一，無法貫穿整個教學過程。我校該課程教學團隊果斷改變了該課程的評價模式，除了常用的課程結束后的線下問卷調查外，還增加了線上問題反饋、線下座談會等課中評價模式。線上問題反饋方式為，學生通過QQ、微信、智慧課堂等交流平臺將每次課的意見直接反饋給授課教師，可自主選擇實名模式和匿名模式，以讓教師及時了解教學過程中存在的問題。線下座談會模式為，教師在教學過程中適時召集學生開展線下座談會，一般要求不少于3次。通過采取上述課程評價模式，教師可以根據學生反饋意見及時改進教學。

1.5 完善課程考核方式

課程考核對引導學生學習具有重要促進作用。傳統的課程考核方式主要是閉卷考試，這種考核方式多偏重理論知識而忽略了能力的考查，很難滿足工程教育的“工程性”要求。因此，我校該課程教學團隊進一步完善了考核方式。首先，改革課程考核成績構成，考核成績由期末考試成績、平時成績和實驗成績三部分構成；其次，重視過程考核，加大平時成績和實驗成績（尤其是實驗操作成績）的占比，減少期末考試成績占比；最后，豐富期末考試試卷的試題類型，增加工程案例分析和綜合設計類試題。

2 教學改革的效果

該課程采取上述教學改革措施后取得了顯著的成效，已經順利進入學校“金課”建設課程。首先，授課教師工程能力顯著提高，豐富了課程教學模式，使抽象的概念更加具體化，有效激發了學生學習熱情及專業興趣。其次，學生能力培養目標更加明確，進一步拓寬了學生的專業視野，提高了學生的自主學習能力、動手操作能力和創新能力，充分發揮了學生在教學中的主體作用，真正體現了“成果導向、學生中心、持續改進”的理念。最后，通過對近兩年教學滿意度問卷調查分析可知，持續改進的教學方法得到了學生的認可，學生滿意率由95.3%提高到98.7%；通過對近兩年學生考試成績分析可知，學生的考試成績有較大幅度的提高，卷面平均分由66.21分提高到了72.13分，卷面不及格率由33.33%下降到23.12%。

3 結語

混凝土結構設計原理課程是一門理論與實踐結合非常緊密的課程，對豐富學生的理論知識、培養學生的實踐能力具有重要作用。為提高該課程的教學效果，本文主要從教師隊伍、教學大綱、教學模式、課程評價模式、課程考核方式等5個方面進行了教學改革與實踐，探索了一種“線上”教學與“線下”教學良好融合的土木工程專業人才培養模式。實踐表明，這種模式有效激發了學生學習熱情及專業興趣，提高了學生的自主學習能力、動手操作能力和創新能力，上述課程教學改革措施可為其他工程類課程的教學提供參考。