預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)教學(xué)與實(shí)踐研究

李建波 劉 俊

大連理工大學(xué)建設(shè)工程學(xué)部水利工程學(xué)院 遼寧大連 116024

現(xiàn)代混凝土結(jié)構(gòu)工程應(yīng)用及發(fā)展總趨勢為：通過不斷提高設(shè)計(jì)、施工組織以及建造技術(shù)水平和采用高強(qiáng)、高性能的輕質(zhì)材料以及建造更為合理、經(jīng)濟(jì)、綠色環(huán)?？沙掷m(xù)利用的結(jié)構(gòu)。而采用高強(qiáng)、高性能的輕質(zhì)材料技術(shù)對現(xiàn)代鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)顯得極其重要。然而，混凝土是一種抗壓強(qiáng)度高、抗拉強(qiáng)度低的結(jié)構(gòu)材料，它的抗拉強(qiáng)度不僅很低，只有抗壓強(qiáng)度的1/10～1/15，而且還很不可靠；它的抗拉變形能力也很小，脆性破壞沒有明顯預(yù)兆。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)利用鋼筋來承受混凝土的拉應(yīng)力，如果假設(shè)不允許混凝土開裂，則鋼筋的拉應(yīng)力只能達(dá)到約20 MPa～30 MPa；而將裂縫寬度限制在容許的0.2 mm～0.25 mm以內(nèi)，鋼筋的拉應(yīng)力而只能達(dá)到約150 MPa～250 MPa。

由于目前我國土木、水利以及交通等工程專業(yè)領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范不統(tǒng)一，另外所涉及的基本方法以及相關(guān)理論基礎(chǔ)也不完全相同，這給預(yù)應(yīng)力混凝土的教學(xué)帶來了困難。因此有必要對一些差異較大的規(guī)范、理論等采取更廣泛的教授理念。盡可能地使學(xué)生學(xué)完相關(guān)課程后具備動(dòng)手能力強(qiáng)，能全面掌握相關(guān)技術(shù)規(guī)范，同時(shí)使學(xué)生對實(shí)際工程設(shè)計(jì)、施工有非常強(qiáng)的認(rèn)識。

土木工程專業(yè)特殊且具有較強(qiáng)的系統(tǒng)性。這主要是因?yàn)樵O(shè)計(jì)和建造出的構(gòu)筑物都是獨(dú)一無二的，不可能出現(xiàn)兩個(gè)完全相同的建筑物。也許有些建筑看起來類似，但是實(shí)際上有些場地條件(例如荷載形式、材料特性以及地基基礎(chǔ)等)都不完全相同。因此，土木工程師需盡可能地考慮到相關(guān)影響因素，隨時(shí)應(yīng)付新的復(fù)雜情況，有時(shí)往往忽略一個(gè)細(xì)小環(huán)節(jié)都將導(dǎo)致一個(gè)失敗的工程。另一方面，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)高速發(fā)展，土木工程中的設(shè)計(jì)計(jì)算問題也變得尤為重要，而且通過計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)使工程設(shè)計(jì)及建造變得越來越方便和快捷。所以，土木工程本身問題也是非常系統(tǒng)和完備的，完全適合那些考慮問題全面系統(tǒng)的同學(xué)，同時(shí)土木工程專業(yè)能夠發(fā)揮個(gè)人才干的。另外，從市場角度看，中國的基礎(chǔ)建設(shè)日新月異，各種超大跨結(jié)構(gòu)、超高層項(xiàng)目拔地而起，隨著中國城鎮(zhèn)化更深入的發(fā)展，這種大規(guī)模的建設(shè)局面也將不會停止。這必將需要大量高素質(zhì)的土木工程相關(guān)人才。

預(yù)應(yīng)力混凝土所涉及的專業(yè)領(lǐng)域就是土木工程專業(yè)，但本課程屬于應(yīng)用性較強(qiáng)的學(xué)科，側(cè)重于培養(yǎng)學(xué)生實(shí)際應(yīng)用能力。對學(xué)生的培養(yǎng)，主要體現(xiàn)在需要有扎實(shí)基礎(chǔ)，同時(shí)需要有較強(qiáng)的實(shí)際分析和動(dòng)手能力。具體來看，該課程教學(xué)內(nèi)容主要包括：預(yù)應(yīng)力混凝土材料和預(yù)應(yīng)力工藝及設(shè)備、預(yù)應(yīng)力及預(yù)應(yīng)力損失計(jì)算、預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件截面承載力計(jì)算、預(yù)應(yīng)力混凝土截面盈利及變形計(jì)算、預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的裂縫、疲勞及錨固區(qū)計(jì)算、預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法、無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、體外預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)等。課程工程與應(yīng)用背景鮮明，對學(xué)生的混凝土基礎(chǔ)知識的要求相對較高。此外，隨著學(xué)科的不斷交叉深入，各個(gè)工科專業(yè)之間聯(lián)合也十分密切，為了能使學(xué)生盡可能地多學(xué)習(xí)知識，為此學(xué)生所選的課程數(shù)目增多，但專業(yè)跨度較大，往往使課程之間的系統(tǒng)性不夠強(qiáng)，這必將導(dǎo)致課時(shí)壓縮，講課速度快。

如何提高授課效果使學(xué)生具有很強(qiáng)的積極性，不少學(xué)者從教學(xué)教法改革的層面深入研究。[1-5]本文則擬在總結(jié)文獻(xiàn)研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合美國教育學(xué)家巴特勒提出的統(tǒng)一的教學(xué)過程的互動(dòng)模型，以預(yù)應(yīng)力混凝土專業(yè)相關(guān)教學(xué)為背景，提出一些有針對性的措施，針對教學(xué)改革提出的相應(yīng)設(shè)想與做法。

具體來看，巴特勒教學(xué)互動(dòng)模型從人們學(xué)習(xí)新知識的理論角度，通過在教學(xué)中使情境、組織、動(dòng)機(jī)、評價(jià)、應(yīng)用、重復(fù)和概括等七要素達(dá)到緊密聯(lián)系。[6]簡要來看，情境主要表現(xiàn)為學(xué)生個(gè)體的內(nèi)在特征和對應(yīng)的外在環(huán)境等；動(dòng)機(jī)則強(qiáng)調(diào)學(xué)生學(xué)習(xí)的個(gè)人主觀能動(dòng)性，以及學(xué)生對新知識的抽象描述；而重復(fù)、應(yīng)用評價(jià)、和概括則更加注重學(xué)生的實(shí)踐鍛煉能力，反映個(gè)體學(xué)習(xí)與新知識掌握程度的上升過程。從中可以看出，只單純地通過教學(xué)教授理論、概念以及程序等是一種最無效的教學(xué)方法，而本課程卻是和實(shí)際聯(lián)系非常緊密的課程，為此要教授這門課程必須理論聯(lián)系實(shí)際。學(xué)生需要經(jīng)常到實(shí)踐中去，通過多多觀察判斷、總結(jié)等手段對自己已掌握相關(guān)知識進(jìn)行深入梳理不斷完善，以便達(dá)到更新自己掌握舊的知識。如此往復(fù)，使學(xué)生對新的領(lǐng)域能夠完整認(rèn)識?？梢?，對于和工程實(shí)踐結(jié)合比較緊密的課程，課堂授課技巧與實(shí)踐環(huán)節(jié)等因素都同樣重要。據(jù)此，結(jié)合個(gè)人的授課體會，本文擬將其應(yīng)用于預(yù)應(yīng)力混凝土設(shè)計(jì)課程講授中。

1 提高學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)和調(diào)動(dòng)學(xué)習(xí)情境

在明確了學(xué)習(xí)目標(biāo)基礎(chǔ)上，需要強(qiáng)調(diào)能動(dòng)性的情境、教與學(xué)辯證關(guān)系、學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)以及教學(xué)的實(shí)踐等影響因素。首先，在教學(xué)過程中，必須深入了解學(xué)生的個(gè)體特征，通過特征分析獲取學(xué)生的愿望與要求，通過引導(dǎo)使其產(chǎn)生較好的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，因?yàn)橐菍W(xué)生沒有強(qiáng)烈的學(xué)習(xí)沖動(dòng)，要達(dá)到非常好的教學(xué)效果是不太現(xiàn)實(shí)的。因此，必須課程的一開始階段就必須盡可能地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，比如在預(yù)應(yīng)力混凝土課程中，我們首先可以講大量的世界著名建筑物為何采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，怎么設(shè)計(jì)才能達(dá)到對特大型結(jié)構(gòu)的受力要求，上課期間盡量采用圖文并茂，同時(shí)放一些生動(dòng)的錄像資料以使是學(xué)生對預(yù)應(yīng)力混凝土設(shè)計(jì)有很大的需求，這樣能幫助學(xué)生理清預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)課程分析基本功的知識框架，減輕學(xué)生對未知領(lǐng)域的畏懼心理，盡可能地拉近現(xiàn)實(shí)身邊工程與學(xué)生的距離，使學(xué)生對該課程產(chǎn)生很好的興趣，自然而然，學(xué)生學(xué)習(xí)的自信心方面也能夠得到很大的提高。此外，如何在課堂中激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情也是一件非常重要的事情。在教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)中，使學(xué)生體會到預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的基本功的培養(yǎng)與工程實(shí)踐聯(lián)系緊密，所學(xué)知識在畢業(yè)設(shè)計(jì)或今后的工作當(dāng)中能起到重要作用，從而激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。當(dāng)然，為了避免“填鴨式”教學(xué)，還必須盡量是學(xué)生達(dá)到有計(jì)劃的自主學(xué)習(xí)，但學(xué)生的基礎(chǔ)良莠不齊，學(xué)生的已有知識結(jié)構(gòu)體系也很重要，往往存在個(gè)別同學(xué)基礎(chǔ)比較差，這樣就必須需要個(gè)性化教學(xué)，針對預(yù)應(yīng)力混凝土這門課程，可以利用課后和對該部分同學(xué)進(jìn)行深入交流，加強(qiáng)其數(shù)學(xué)及力學(xué)相關(guān)知識的指導(dǎo)，同時(shí)讓學(xué)生自己在有效課時(shí)之余進(jìn)行強(qiáng)化培訓(xùn)。

其次，“情境”在教學(xué)中作用也非常重要，它的定義為在教與學(xué)的互動(dòng)模型中重點(diǎn)明確指出教學(xué)中的內(nèi)外環(huán)境之間互動(dòng)的影響?？陀^內(nèi)在條件方面，從學(xué)生角度觀察影響教學(xué)效果條件主要是學(xué)生個(gè)體素質(zhì)以及良好的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)。而外在環(huán)境方法，主要指的是課堂內(nèi)的學(xué)生之間以及學(xué)生與老師之間的融洽程度，當(dāng)然社會價(jià)值觀認(rèn)同度等情境因素也是非常重要的。為此，在社會大環(huán)境方面的影響下，保證良好的授課與學(xué)習(xí)環(huán)境也是十分重要的。克服個(gè)別差異中的消極面以及構(gòu)建最優(yōu)的學(xué)習(xí)需求與氛圍對于增強(qiáng)學(xué)生積極影響大有好處。

廣義角度來看，課堂上優(yōu)秀的教法也屬于情境范疇。[3-9]概括來看，籠統(tǒng)地使用“講授法”“演示法”“討論法”和“發(fā)現(xiàn)法”等對整個(gè)課和單節(jié)課來說都是無效的。課堂內(nèi)的，上課應(yīng)當(dāng)以學(xué)生積極學(xué)習(xí)為主，教學(xué)重點(diǎn)應(yīng)從“教師的教”觀念往 “學(xué)生的學(xué)”的方式轉(zhuǎn)變，要求課程的形式、手段、內(nèi)容以及時(shí)間安排上，都必須圍繞學(xué)生自覺學(xué)生為主展開，達(dá)到從注入式到啟發(fā)式過渡，同時(shí)盡量保證教學(xué)形式由單向傳授化為雙向互動(dòng)，甚至學(xué)生反向向老師提問題學(xué)。為了達(dá)到以上目標(biāo)，課堂教學(xué)中可以盡可能地利用現(xiàn)代教學(xué)手段的優(yōu)勢，利用試驗(yàn)、互聯(lián)網(wǎng)、多媒體等現(xiàn)代新手段。與此同時(shí)，可開展學(xué)生分組學(xué)習(xí)方式，教師提出相關(guān)的科研小問題，讓學(xué)生查閱相關(guān)文獻(xiàn)對其進(jìn)行集體研究，這樣可以讓學(xué)生盡早接觸研究方向，盡量把學(xué)生當(dāng)作創(chuàng)造潛能的主體，為學(xué)生提供更多的選擇創(chuàng)新和獨(dú)立思考能力鍛煉的機(jī)會，使學(xué)生真正主動(dòng)地、積極樂觀向上的發(fā)展。舉例來看，受預(yù)應(yīng)力混凝土體系龐大的限制，學(xué)生往往難于從查閱的文獻(xiàn)中研究結(jié)果中提煉出清晰的原理，筆者在授課中曾嘗試以4～5人為小組，以類似科研方式，圍繞課程相關(guān)諸多小課題(課程中曾舉預(yù)應(yīng)力混凝土損失為例)，進(jìn)行專項(xiàng)查閱文獻(xiàn)以及總結(jié)相關(guān)研究成果，提出課程考核新的標(biāo)準(zhǔn)計(jì)入最終考試成績中，而且盡量讓該類型成績占比較大的比重，這樣也加強(qiáng)了學(xué)生的獨(dú)立性和團(tuán)隊(duì)意識，收到了非常好的效果，有些同學(xué)已經(jīng)在相關(guān)期刊發(fā)表了研究成果。該方式引導(dǎo)學(xué)生在學(xué)習(xí)活動(dòng)中進(jìn)行思考、研究、分析、實(shí)踐、引發(fā)學(xué)生積極向上，學(xué)會解決實(shí)際工程問題， 同時(shí)也能喚醒學(xué)生新舊知識的結(jié)合，進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。

進(jìn)一步以預(yù)應(yīng)力混凝土設(shè)計(jì)這一小課題來看，重點(diǎn)應(yīng)放在預(yù)應(yīng)力混凝土設(shè)計(jì)計(jì)算上。這主要考慮到實(shí)踐環(huán)節(jié)的需求，不應(yīng)忽視大學(xué)生科學(xué)計(jì)算能力的培養(yǎng)，其中包括科學(xué)計(jì)算軟件、正確的計(jì)算方法、理論知識的掌握以及對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行正確的表述等是對學(xué)生一個(gè)非常綜合的訓(xùn)練。

2 合理設(shè)置與優(yōu)化課程的內(nèi)容

合理設(shè)置與優(yōu)化課程的內(nèi)容是學(xué)科建設(shè)的重要內(nèi)容之一。當(dāng)前工科院校學(xué)生教學(xué)大多實(shí)行學(xué)分制。選課方面，學(xué)生有很大的自主權(quán)。但選課水平值得商榷，這主要是受個(gè)人閱歷的限制。另外，為了突破學(xué)科限制，增強(qiáng)學(xué)生就業(yè)競爭力以及拓展學(xué)生的知識面等，工科院校大多推廣采用大專業(yè)培養(yǎng)模式，為此專業(yè)課程設(shè)置之間聯(lián)系往往較模糊。但不管怎么樣，我們必須盡量讓學(xué)生熟悉相關(guān)課程的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)以及教學(xué)內(nèi)容，從而使學(xué)生建立正確的學(xué)習(xí)目標(biāo)。用巴特勒的理論來看，當(dāng)學(xué)習(xí)任務(wù)比較長時(shí)，常常需要提供一些短期的或者即時(shí)的目標(biāo)。

預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的材料特性、鋼筋有效預(yù)應(yīng)力、結(jié)構(gòu)體系以及荷載特征，是預(yù)應(yīng)力混凝土課程核心內(nèi)容。而滿足結(jié)構(gòu)的安全性、經(jīng)濟(jì)性以及可靠性是運(yùn)用預(yù)應(yīng)力混凝土所學(xué)知識進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的終極目標(biāo)，而和以上關(guān)聯(lián)的知識體系還需考慮到預(yù)應(yīng)力筋的有效預(yù)應(yīng)力，這就必須確定張拉控制應(yīng)力和預(yù)應(yīng)力損失，前者主要與施工工藝、預(yù)應(yīng)力筋以及預(yù)應(yīng)力混凝土材料特性有關(guān)，而后者則涉及構(gòu)造特征、施工工藝預(yù)應(yīng)力筋形狀、預(yù)應(yīng)力體系及結(jié)構(gòu)服役期間的所受荷載等，這些是理解預(yù)應(yīng)力混凝土原理和進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)分析的主要基礎(chǔ)，因此，課程內(nèi)容首先探討預(yù)應(yīng)力筋有效預(yù)應(yīng)力以及預(yù)應(yīng)力損失，再結(jié)合結(jié)構(gòu)體系特點(diǎn)及荷載特征，課程內(nèi)容主要以滿足結(jié)構(gòu)安全、可靠、適用以及耐久展開，即滿足承載能力極限狀態(tài)(安全)和正常使用極限狀態(tài)(適用和耐久)，前者學(xué)習(xí)承載能力計(jì)算(這方面必須結(jié)合學(xué)科限制，必須學(xué)習(xí)好相關(guān)的力學(xué)和數(shù)學(xué)知識，當(dāng)然學(xué)習(xí)成績好的學(xué)生可以進(jìn)一步讓其加強(qiáng)對不同專業(yè)的規(guī)范深入學(xué)習(xí)和使用)，后者學(xué)習(xí)變形、裂縫等(這方面可以讓學(xué)生先熟悉好上個(gè)學(xué)期學(xué)的混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)課程)。

3 提高教學(xué)的實(shí)踐導(dǎo)向性

教學(xué)互動(dòng)模型另外的四個(gè)因素:應(yīng)用、重復(fù)、評價(jià)以及概括與實(shí)踐應(yīng)用也有著密切的聯(lián)系關(guān)系。對于土木的本科生培養(yǎng)而言，需盡量培養(yǎng)工科學(xué)生的創(chuàng)新意識以及創(chuàng)新能力，也將對企業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新起較大的促進(jìn)作用。普遍認(rèn)為需充分利用好實(shí)踐環(huán)節(jié)幫助學(xué)生掌握與運(yùn)用所學(xué)知識，盡量讓學(xué)生嘗試所學(xué)理論知識應(yīng)用到實(shí)際工程中。比如，本課程的教學(xué)中，作者就嘗試讓學(xué)生查閱相關(guān)溫度變化下對預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的影響的文獻(xiàn)，通過學(xué)習(xí)ANSYS軟件對其進(jìn)行相關(guān)的研究分析，取得了較好的教學(xué)和科研結(jié)合效果。另一方面來看，從科研的本質(zhì)出發(fā)，科研是教師在某一領(lǐng)域進(jìn)行的研究中，提出新理論、新方法、新事物等。而學(xué)生在與教師一同開展科研活動(dòng)中，學(xué)生也能提出一些創(chuàng)新性想法，這也正是教學(xué)新理論的一種體現(xiàn)。此外，營造理工交叉的學(xué)術(shù)氛圍在有條件的大學(xué)也可以大力提倡，在科研實(shí)踐中加強(qiáng)不同領(lǐng)域相關(guān)知識融會貫通，彌補(bǔ)工科學(xué)生理科知識弱的不足。

4 結(jié)束語

結(jié)合以上研究內(nèi)容，提出以下兩點(diǎn)建議。

(1)在類似預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)課程教學(xué)過程中，必須深入了解學(xué)生的個(gè)體特征，通過特征分析獲取學(xué)生的愿望與要求，通過引導(dǎo)使其產(chǎn)生較好的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)并達(dá)到提高學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)和調(diào)動(dòng)學(xué)習(xí)情境的目的。同時(shí)必須合理設(shè)置與優(yōu)化課程的內(nèi)容，盡量讓學(xué)生熟悉相關(guān)課程的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)以及教學(xué)內(nèi)容，從而使學(xué)生建立正確的學(xué)習(xí)目標(biāo)；(2)加強(qiáng)實(shí)踐環(huán)節(jié)，建立高校創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)基地。對于本課程預(yù)應(yīng)力混凝土課程需加強(qiáng)與相關(guān)的房地產(chǎn)公司、設(shè)計(jì)單位及施工單位緊密聯(lián)系，以培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力為目標(biāo)，以創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)為手段，以全過程開放為原則，建立創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)基地，鼓勵(lì)大學(xué)生，特別是研究生“自選項(xiàng)目、自己動(dòng)手、自主設(shè)計(jì)”進(jìn)行創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)。

[1]胡狄.淺談土木工程專業(yè)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理教學(xué)改革[J].新課程:教育學(xué)術(shù)版,2009(8):309.

[2]崔軍.回歸工程實(shí)踐: 我國高等工程教育課程改革研究[D].南京:南京大學(xué),2011.

[3]盛宏玉.“結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)” 課程教學(xué)實(shí)踐中的幾點(diǎn)認(rèn)識[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào):社會科學(xué)版,2008,21(6):102-104.

[4]夏玉成.工科構(gòu)造地質(zhì)學(xué)教學(xué)改革探索與實(shí)踐[J].中國地質(zhì)教育,2006,15(1):110-112.

[5]干洪.計(jì)算結(jié)構(gòu)力學(xué)課程的改革與學(xué)科發(fā)展[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào):社會科學(xué)版,2003,17(2):32-34.

[6]吳壽煜,吳大煒.原始性創(chuàng)新能力的培養(yǎng)對《動(dòng)力學(xué)》教學(xué)內(nèi)容的要求[J].黑龍江高教研究,2005(9):119-120.

[7]肖明葵,張祥東,程光均,等.動(dòng)力學(xué)教學(xué)體系及方法的改革初探[J].高等建筑教育,1999(29):43-45.

[8]巴特勒F科伊特,盛群力.統(tǒng)一的教學(xué)過程互動(dòng)模型[J].遠(yuǎn)程教育雜志,2008(3):22-36.

[9]李建波,陳健云,范書立,鐘紅.從教學(xué)互動(dòng)模型看抗震專業(yè)研究生數(shù)值分析基本功的培養(yǎng)[J].中國科教創(chuàng)新導(dǎo)刊,2010(13):30-33.