預(yù)應(yīng)力混凝土設(shè)計課程教學(xué)改革探究

吳 旻,趙 明

(安徽工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院,安徽 馬鞍山 243002)

預(yù)應(yīng)力混凝土設(shè)計是土木工程專業(yè)的一門寬口徑專業(yè)限選課程。其先修關(guān)聯(lián)課程主要有材料力學(xué)和混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理,而后續(xù)課程包括橋梁工程、多高層建筑設(shè)計和畢業(yè)設(shè)計,在土木工程專業(yè)教學(xué)培養(yǎng)計劃中起著承上啟下的作用[1]。本課程開課時間為第六學(xué)期,學(xué)生對于所講解專業(yè)知識已經(jīng)有了部分了解,具有一定的專業(yè)背景。同時,本課程內(nèi)容會涉及到新技術(shù)和新材料,且規(guī)范和技術(shù)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(xué)效果。我校土木工程專業(yè)已于2017年通過專業(yè)評估,后評估時期對專業(yè)課程的教學(xué)提出了持續(xù)改進的新要求。筆者針對預(yù)應(yīng)力混凝土設(shè)計課程特點,創(chuàng)新本課程的教學(xué)方法,使學(xué)生能夠積極主動參與到課程學(xué)習(xí)中,最終提高學(xué)生的工程綜合素質(zhì)。

一、課程教學(xué)特點

(一)課程內(nèi)容多、公式多、符號多,且與舊有知識體系聯(lián)系緊密

預(yù)應(yīng)力混凝土設(shè)計課程包括預(yù)應(yīng)力混凝土的概念、材料、施工和設(shè)計等多方面內(nèi)容,并且新工藝和新設(shè)計方法不斷涌現(xiàn),教學(xué)內(nèi)容較多,既有理論推導(dǎo),又有經(jīng)驗和實驗研究成果的應(yīng)用。部分章節(jié)的預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)計算公式多、符號多,內(nèi)容繁雜,有相當一部分學(xué)生感覺理解起來較為困難。另一方面,本課程是學(xué)生在學(xué)習(xí)了材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)以及混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理等眾多專業(yè)基礎(chǔ)課和專業(yè)課后開設(shè)的課程,因此在教學(xué)內(nèi)容上,會與先前的課程內(nèi)容有交叉重復(fù)。而學(xué)生對于已學(xué)過的知識點存在一定的遺忘,導(dǎo)致學(xué)習(xí)新知識時感覺似曾相識卻又一知半解,解答問題時出現(xiàn)概念模糊的現(xiàn)象。

(二)理論性與實踐性并重

預(yù)應(yīng)力混凝土設(shè)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(nèi)容相對空洞和抽象,學(xué)生掌握的知識較為生硬,不能夠靈活應(yīng)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(yè)設(shè)計中,學(xué)生往往只會套用公式和相似的設(shè)計方案,卻忽視了公式的適用條件,設(shè)計方案的創(chuàng)新性和靈活性不足。而對走上工作崗位的畢業(yè)生調(diào)查發(fā)現(xiàn),不少人對于預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)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(yè)聯(lián)系緊密,復(fù)雜工程問題較多

土木工程發(fā)展迅速,其行業(yè)規(guī)范平均每10年就要做一次大的調(diào)整和修訂,預(yù)應(yīng)力在土建行業(yè)中應(yīng)用較廣,涉及鐵路、公路、房建和給排水工程等多個專業(yè)領(lǐng)域,每個領(lǐng)域的規(guī)范對預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)設(shè)計的側(cè)重點各不相同,且更新時間也存在差異[2]。另一方面,預(yù)應(yīng)力技術(shù)往往用于大跨徑、大空間結(jié)構(gòu),其結(jié)構(gòu)設(shè)計和計算過程較為繁瑣,一些內(nèi)容屬于復(fù)雜工程問題范疇,課程教學(xué)大綱的指標點中,也有對復(fù)雜工程問題的分析能力和基本設(shè)計能力的要求。這就要求教師在講課時需要關(guān)注規(guī)范的修訂動態(tài),及時將最新規(guī)范的內(nèi)容添加到課程教學(xué)中,注重培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。

二、教學(xué)改革實踐

(一)精簡教學(xué)內(nèi)容,采用啟發(fā)式教學(xué)方法,注重新舊知識銜接

本課程開設(shè)在第六學(xué)期,學(xué)生經(jīng)過兩年半時間的學(xué)習(xí),已經(jīng)有一定的專業(yè)知識積累和自學(xué)能力,考慮到課程內(nèi)容多和學(xué)時相對少的矛盾,需要對教學(xué)內(nèi)容進行一定的精簡,并對傳統(tǒng)的課堂教學(xué)形式做一定的調(diào)整。筆者按照教學(xué)大綱的要求,將全部課程分成16個專題,采用啟發(fā)式教學(xué)方法,在每次講課前首先提出問題,引導(dǎo)學(xué)生的思路,讓學(xué)生討論和思考解決方法,并結(jié)合必要的提示,最終將正確的結(jié)論總結(jié)推出。例如在講解預(yù)應(yīng)力概念時,首先要求學(xué)生回顧先前所學(xué)習(xí)的課程內(nèi)容,提出普通鋼筋混凝土構(gòu)件在大跨徑結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)哪些固有的弊端,讓學(xué)生分組討論和思考,使學(xué)生了解預(yù)應(yīng)力作為工程中的一門新技術(shù)其產(chǎn)生的背景,然后再介紹預(yù)應(yīng)力混凝土的優(yōu)越性,并得出其基本定義,最后再讓學(xué)生發(fā)散思考,舉出生活中應(yīng)用預(yù)應(yīng)力的實例。從實際效果來看,教師課堂講解時利用啟發(fā)式教學(xué)方法,不只是向?qū)W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(diào)動學(xué)生的積極性,提高大學(xué)生判斷、分析、歸納、研究問題等各方面能力。

此外,本課程教學(xué)內(nèi)容會與先前的課程內(nèi)容有交叉重復(fù),需要教師作好已有知識和新內(nèi)容之間的區(qū)分和銜接,特別是與混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理內(nèi)容的區(qū)分。這就要求教師在課堂講解中能做到重復(fù)的講差別,繁瑣的講重點,相似的講典型[3]。例如在講解預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)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(fù)習(xí)回顧普通鋼筋混凝土的計算公式,接著介紹預(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)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(xué)生既鞏固了舊的知識,又合理銜接了新的知識。 (二)充分應(yīng)用各類現(xiàn)代化教學(xué)手段

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

而對于預(yù)應(yīng)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(xué)生互相傳遞觀看,同時結(jié)合PPT圖片進行講解,分析各類錨具的優(yōu)缺點和適用范圍。這樣可以將各類錨具構(gòu)造直觀、生動地呈現(xiàn)在學(xué)生面前,加深學(xué)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(shù)已成為建設(shè)領(lǐng)域信息技術(shù)的研究和應(yīng)用熱點,BIM的應(yīng)用價值已經(jīng)得到政府的高度關(guān)注和行業(yè)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(xué)生BIM社團。本課程教學(xué)中也嘗試引人BIM技術(shù),對典型的后張法預(yù)應(yīng)力構(gòu)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(xué)理論內(nèi)容相配合:如在概論講解中插人國內(nèi)或國際上比較著名的預(yù)應(yīng)力建筑或者橋梁結(jié)構(gòu),以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)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(dǎo)以及疑難知識點的展開,傳統(tǒng)板書往往更有優(yōu)勢,因此應(yīng)注意現(xiàn)代化教學(xué)手段與傳統(tǒng)板書相結(jié)合。

(三)注重教學(xué)與規(guī)范相結(jié)合,初步培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力

預(yù)應(yīng)力混凝土課程很多內(nèi)容是對行業(yè)現(xiàn)行規(guī)范的解析和細化[5]。筆者在教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中過重地依賴于教材,只會做教材上的設(shè)計和習(xí)題,不夠重視規(guī)范,尤其不重視不同行業(yè)規(guī)范的比較,如土木工程房建方向的學(xué)生只關(guān)注住建部相關(guān)預(yù)應(yīng)力規(guī)范,對于公路橋梁預(yù)應(yīng)力規(guī)范不感興趣。結(jié)果對于后期畢業(yè)設(shè)計或生產(chǎn)實踐中一些條件復(fù)雜、需要綜合運用所學(xué)的專業(yè)知識的結(jié)構(gòu)設(shè)計往往無從下手。因此在教學(xué)過程中既要對預(yù)應(yīng)力混凝土基本原理和設(shè)計方法進行重點講解,又要介紹相應(yīng)預(yù)應(yīng)力規(guī)范的條文,尤其要求學(xué)生注意不同規(guī)范對于同一設(shè)計問題的條文對比,這樣有利于學(xué)生更深刻理解預(yù)應(yīng)力設(shè)計內(nèi)容。

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

三、結(jié)語

預(yù)應(yīng)力混凝土設(shè)計是一門內(nèi)容多,理論性與實踐性并重,且與行業(yè)規(guī)范緊密聯(lián)系的專業(yè)課程,對于學(xué)生今后從事預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計、施工和科研均有幫助。在教學(xué)工作中,針對本課程的特點,參照土木專業(yè)評估的要求,采用啟發(fā)式教學(xué)手段和現(xiàn)代化教學(xué)方法,并注重教學(xué)內(nèi)容與現(xiàn)行規(guī)范相結(jié)合,以提高教學(xué)質(zhì)量。本課程近三年達成度計算結(jié)果為0.721、0.736和0.762,達成度逐年穩(wěn)步提升,使學(xué)生在理論知識、綜合應(yīng)用和工程意識等方面得到很好訓(xùn)練,取得了良好的教學(xué)效果。