基于建材專業(yè)的混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程教學(xué)方法探討

陳成芹，張 微，武紅娟，王 睿

(1.西北民族大學(xué) 土木工程學(xué)院,甘肅 蘭州 730030;2.甘肅省新型建材與建筑節(jié)能重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730000)

0 引言

混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程作為無機(jī)非金屬材料本科專業(yè)的專業(yè)必修課之一，開設(shè)在第六學(xué)期，先修課程包括理論力學(xué)、材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、無機(jī)非金屬材料工學(xué)、混凝土學(xué)和膠凝材料學(xué)，故在構(gòu)建無機(jī)非金屬材料專業(yè)學(xué)生培養(yǎng)方案中起著非常關(guān)鍵的作用.本課程內(nèi)容主要包括兩大部分，基礎(chǔ)知識和混凝土基本構(gòu)建的設(shè)計(jì)原理.基礎(chǔ)知識包括混凝土結(jié)構(gòu)的材料要求和設(shè)計(jì)方法；基本構(gòu)建設(shè)計(jì)原理包括結(jié)構(gòu)中所涉及到的基本受力構(gòu)件，在受到外荷載時(shí)表現(xiàn)出來的力學(xué)性能、破壞過程、承載力計(jì)算、構(gòu)造規(guī)定等[1].目的是通過兩部分內(nèi)容的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握混凝土基本構(gòu)件的基本設(shè)計(jì)原理，積累和提高簡單結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的設(shè)計(jì)驗(yàn)算復(fù)核能力，并為后續(xù)砌塊、攪拌站等畢業(yè)設(shè)計(jì)以及為將來從事設(shè)計(jì)工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ).

根據(jù)教學(xué)大綱和培養(yǎng)方案要求，無機(jī)非金屬材料專業(yè)該門課程共設(shè)36學(xué)時(shí)，理論教學(xué)26學(xué)時(shí)，課程設(shè)計(jì)10學(xué)時(shí).面對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理內(nèi)容多，學(xué)時(shí)少，教授本課程時(shí)，就存在很多問題.為了在短時(shí)間內(nèi)講完如此多的內(nèi)容，教師只能加快講課速度，學(xué)生學(xué)起來就比較吃力，再加上學(xué)生本身力學(xué)底子比較薄，所以最終該門課知識掌握的就比較差.本文針對教學(xué)過程中學(xué)生在學(xué)習(xí)該門課程所表現(xiàn)出來的問題，根據(jù)該門課程的特點(diǎn)和無機(jī)非金屬材料專業(yè)學(xué)生的特點(diǎn)，結(jié)合培養(yǎng)方案和教學(xué)大綱以及筆者六年來的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，探究有利于提升無機(jī)非金屬材料專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)能力的教學(xué)方式.

1 課程特點(diǎn)

混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)作為無機(jī)非金屬材料專業(yè)的必修課程，理論知識內(nèi)容多，應(yīng)用性強(qiáng)，理論知識抽象，可操作性強(qiáng).學(xué)生通過學(xué)習(xí)該門課程，不僅學(xué)會(huì)混凝土結(jié)構(gòu)基本構(gòu)件所包含的的原理知識，涉及混凝土結(jié)構(gòu)概念、材料的物理力學(xué)性能以及結(jié)構(gòu)按極限狀態(tài)法設(shè)計(jì)計(jì)算的方法，彎、剪、扭構(gòu)件的正截面、斜截面的承載力計(jì)算.通過掌握這兩部分知識，提高學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際、分析問題、解決問題的能力.該門課程主要有以下四個(gè)特點(diǎn).

1.1 內(nèi)容多

任何一個(gè)工程項(xiàng)目都是由無數(shù)構(gòu)件構(gòu)成的，每一個(gè)基本構(gòu)件所用的材料、鋼筋、施工方法不同，在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)所依據(jù)的原理差別很大，所以需要了解的內(nèi)容多.該專業(yè)一般采用的是葉見曙編寫的第四版《結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理》，該書所涉及的內(nèi)容很多，包括四大基本結(jié)構(gòu)的原理方法，主要由鋼筋混凝土中所用到的材料物理力學(xué)性能、結(jié)構(gòu)按極限狀態(tài)法設(shè)計(jì)計(jì)算的方法、受彎構(gòu)件、受剪構(gòu)件及偏心受壓構(gòu)件的承載能力狀態(tài)分析、鋼筋截面面積設(shè)計(jì)與復(fù)核計(jì)算、預(yù)應(yīng)力混凝土分類、應(yīng)力損失等內(nèi)容組成.為了更加準(zhǔn)確的研究實(shí)際工程中的混凝土構(gòu)件，所以該課程假設(shè)條件多、構(gòu)造規(guī)定多、公式多、符號多，學(xué)生首次面對這樣一門實(shí)用性非常強(qiáng)的課程，焦慮多，自信心降低.

1.2 構(gòu)件設(shè)計(jì)理論的公式長、修訂系數(shù)多

自19世紀(jì)末，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在土木建筑工程中出現(xiàn)以來，隨著生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的積累和科學(xué)研究的不斷深入，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)理論在不斷的發(fā)展和完善[2].構(gòu)建設(shè)計(jì)理論大致經(jīng)歷了四個(gè)階段：最初的完全經(jīng)驗(yàn)法；以彈性理論為基礎(chǔ)的容許應(yīng)力計(jì)算法；20世紀(jì)30年代蘇聯(lián)學(xué)者首次提出的考慮鋼筋混凝土塑形性能的破損階段計(jì)算法；隨著對荷載和材料強(qiáng)度變異性研究的深入，20世紀(jì)50年代蘇聯(lián)又率先提出了極限狀態(tài)計(jì)算法.

極限狀態(tài)計(jì)算法是破壞階段計(jì)算法的發(fā)展，它規(guī)定了結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)，并把單一安全系數(shù)改為三個(gè)分項(xiàng)系數(shù)，即荷載系數(shù)、材料系數(shù)和工作條件系數(shù)，這就是所謂的“半經(jīng)驗(yàn)、半概率”的“三系數(shù)”極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法[3，4].20世紀(jì)70年代以來，國際上以概率論和數(shù)理統(tǒng)計(jì)為基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)可靠度理論在土木工程領(lǐng)域逐步進(jìn)入應(yīng)用階段，我國才開始在建筑結(jié)構(gòu)領(lǐng)域開展結(jié)構(gòu)可靠度理論和應(yīng)用研究，并且很快取得成效[4，5]，目前國內(nèi)應(yīng)用廣泛的以概率理論為基礎(chǔ)、分項(xiàng)系數(shù)表達(dá)的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法.

設(shè)計(jì)方法隨著實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的不斷積累，計(jì)算公式中含有大量的系數(shù)，這些都是經(jīng)過長期的經(jīng)驗(yàn)積累的改進(jìn).混凝土構(gòu)件還受材料性能和環(huán)境因素的影響，所以在經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上提出了一些相應(yīng)的構(gòu)造要求.

1.3 涉及面廣

建材專業(yè)學(xué)生在學(xué)習(xí)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程時(shí)，首先學(xué)完了與材料性能關(guān)系密切的土木工程材料、無機(jī)非金屬材料工學(xué)、膠凝材料學(xué)和混凝土學(xué)、材料力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué).這么多的先修課程，奠定了學(xué)生對材料的理解，結(jié)構(gòu)在荷載作用下表現(xiàn)出的效應(yīng).若學(xué)生能夠?qū)⑦@些先修課程知識點(diǎn)靈活運(yùn)用到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理中，定會(huì)事半功倍.但是還要認(rèn)識這些學(xué)科之間的區(qū)別，材料力學(xué)研究的對象是理想的彈性體，而該門課程研究的是實(shí)際工程的構(gòu)件，大部分是彈塑性體.為了使所研究的對象更接近于實(shí)體，在確定模型時(shí)，假定了很多條件，學(xué)習(xí)過程中應(yīng)注意分析公式與設(shè)計(jì)公式之間的聯(lián)系與區(qū)別，了解和掌握我國當(dāng)前有關(guān)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)政策[6].

1.4 答案不惟一，需權(quán)衡安全和經(jīng)濟(jì)兩方面的因素

混凝土材料本身是一種多相、不均勻材料，加之采用的是半經(jīng)驗(yàn)半理論計(jì)算公式，導(dǎo)致構(gòu)件進(jìn)行截面的鋼筋面積布置或復(fù)核時(shí)，結(jié)果出現(xiàn)分歧，導(dǎo)致所設(shè)計(jì)的構(gòu)件很多問題并沒有標(biāo)準(zhǔn)答案，需要學(xué)生權(quán)衡安全和經(jīng)濟(jì)兩方面的問題，到底是安全更重要、還是節(jié)約成本更實(shí)惠，要求學(xué)生明白為什么這么選擇的原因.

2 教學(xué)活動(dòng)中存在的問題

根據(jù)六年多來的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，該門課程在教學(xué)活動(dòng)中存在多方面的問題，有培養(yǎng)方案方面的、教師教學(xué)方法方面的、學(xué)生方面的等等.

2.1 實(shí)驗(yàn)課課時(shí)少

由于建材專業(yè)在設(shè)置培養(yǎng)方案時(shí)，沒有安排實(shí)踐實(shí)驗(yàn)，只是單純的講授理論知識，導(dǎo)致學(xué)生在學(xué)習(xí)時(shí)，沒有感性認(rèn)識，加上原理多，規(guī)定多，久而久之，無法產(chǎn)生學(xué)習(xí)興趣.

2.2 授課方式比較單一

從事本課程教學(xué)以來，筆者主要采用板書方式講授，便于作圖和公式的推導(dǎo).采用板書方式，雖然教學(xué)過程比較單調(diào)，但是學(xué)生可以清楚地知道公式的由來，缺點(diǎn)就是課堂氣氛比較悶，個(gè)別學(xué)生不喜歡看復(fù)雜的公式，久而久之，有了放棄的念頭.由于沒有實(shí)驗(yàn)課，主要通過放一些構(gòu)建破壞的視頻，幫助學(xué)生理解構(gòu)建在荷載增大時(shí)，內(nèi)部所發(fā)生的變化，從中了解正常使用極限狀態(tài)、承載能力極限狀態(tài)，從而確定模型，進(jìn)行承載能力計(jì)算.在一定程度上可以幫助學(xué)生理解理論知識，但是此種方法由于信息量大，不直觀，學(xué)生只能被動(dòng)的接受，加上年輕教師工程方面的經(jīng)驗(yàn)不足，教學(xué)效果不理想.

2.3 學(xué)生力學(xué)知識底子薄弱，通性比較差

民族院校學(xué)生，尤其建材專業(yè)學(xué)生，本身培養(yǎng)方案中的力學(xué)知識學(xué)的相對較少，導(dǎo)致力學(xué)知識底子??；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理公式多、計(jì)算多，有些學(xué)生為了應(yīng)付考試，只得死記硬背，結(jié)果花了大量的時(shí)間和精力，還是沒有明白其中的道理，個(gè)別學(xué)生甚至放棄這門課.有個(gè)別學(xué)生，在學(xué)習(xí)該門課程時(shí)，只是單純的學(xué)而學(xué)，缺乏獨(dú)立解決問題和總結(jié)歸納的能力.該課程同材料力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)關(guān)系非常密切，常常需要用到這些課程的相關(guān)知識，學(xué)生通常不能自主地運(yùn)用前期所學(xué)知識來解決問題，不能實(shí)現(xiàn)課程與課程之間的融會(huì)貫通，無法形成系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)體系和建立結(jié)構(gòu)思維.

3 民族院校建材專業(yè)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理》的教學(xué)探討

民族院校的學(xué)生，大部分基礎(chǔ)知識底子薄，學(xué)習(xí)積極性不高，在教學(xué)過程中就不能用普通本科院校的要求，而是應(yīng)該以學(xué)生為中心，針對他們的特點(diǎn)，適當(dāng)調(diào)整教學(xué)方法和教學(xué)手段.為了培養(yǎng)理論基礎(chǔ)較扎實(shí)，實(shí)踐動(dòng)手能力強(qiáng)的工程師，筆者針對建材專業(yè)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理的教學(xué)做了以下四點(diǎn)改進(jìn).

3.1 充分利用課堂時(shí)間提高教學(xué)效果

教學(xué)中應(yīng)結(jié)合無機(jī)非金屬材料專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)，通過實(shí)際工程案例來講授理論知識.由于課時(shí)設(shè)置少，所以在備課過程中對各章節(jié)內(nèi)容合理分配，充分利用課堂45分鐘，通過各種實(shí)際案例開發(fā)學(xué)生的思維，激發(fā)學(xué)生動(dòng)腦思考問題的熱情.課堂教學(xué)時(shí)，必須注意區(qū)別材料與力學(xué)的異同點(diǎn)，進(jìn)一步加深學(xué)生對作用效應(yīng)的認(rèn)識.按照自然現(xiàn)象發(fā)展規(guī)律，指導(dǎo)學(xué)生推導(dǎo)出基本假設(shè)，然后畫出實(shí)際構(gòu)件的受力圖，進(jìn)行受力分析，確定模型，基本計(jì)算公式，選鋼筋布置及校核.在教學(xué)過程中，運(yùn)用多種方法全面描述構(gòu)件的各種力學(xué)特征，建立力學(xué)模型，同時(shí)考慮學(xué)生接受知識水平和理解水平，適當(dāng)選擇教學(xué)內(nèi)容.比如受彎構(gòu)件正截面承載力計(jì)算部分，如果教師投入大量的精力講述單筋矩形截面知識點(diǎn)，學(xué)生又理解透徹了，那么雙筋矩形截面就非常簡單了，只需要區(qū)別兩類截面的異同，這樣既鞏固了先修知識，又掌握了新知識.

3.2 多種教學(xué)模式并用

傳統(tǒng)的教學(xué)模式是以教師為主，教師認(rèn)真?zhèn)湔n，根據(jù)自己的授課經(jīng)驗(yàn)，以板書形式，滿堂灌的授課，認(rèn)真的學(xué)生跟著老師的思路走，可以被動(dòng)的接受老師所講授的內(nèi)容；如果中間哪個(gè)環(huán)節(jié)開小差，思路就跟不上.隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)代高校教師更喜歡采用PPT授課方法，尤其是年輕教師，實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)缺乏，于是普遍出現(xiàn)照“P”宣科的現(xiàn)象，加上PPT播放速度比較快，學(xué)生更易走神，影響教學(xué)效果.為了克服這種現(xiàn)象所帶來的弊端，解決當(dāng)下大部分高校普遍存在的問題，需要變革教學(xué)模式，靈活運(yùn)用多種教學(xué)模式.一是可以繼續(xù)使用板書和PPT結(jié)合的教學(xué)方式.自古以來，大部分教書先生采用板書教學(xué)，它有它的優(yōu)勢，需要繼續(xù)沿用.對一些問題，比如構(gòu)件在受到外荷載時(shí)，變化特征可通過動(dòng)畫給學(xué)生直觀的認(rèn)識，使模糊的東西更加可視化；公式推導(dǎo)過程中，教師引導(dǎo)學(xué)生畫出計(jì)算草圖，這樣可以加深學(xué)生對理論知識的理解，效果更好.二是用多種教學(xué)方法.教學(xué)過程中，教師應(yīng)培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力，激發(fā)學(xué)生的主觀能動(dòng)性，實(shí)踐“多樣化，指導(dǎo)思維方式”的教學(xué)模式.在實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的基礎(chǔ)上進(jìn)行定量和定性分析，以解決思路和方法的實(shí)際問題，充分利用思維導(dǎo)圖式、實(shí)驗(yàn)演示、對比、討論等多種教學(xué)方法，提高課堂教學(xué)效果[7].例如，在理解正截面彎曲構(gòu)件的承載能力特征時(shí)，通過播放少筋梁、超筋梁和適筋梁三種梁的破壞現(xiàn)象，將枯燥的教材描述變?yōu)榭梢姷氖挛?，學(xué)生可以在感性中掌握原理.

3.3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)

建材專業(yè)和土木工程專業(yè)在培養(yǎng)時(shí)的側(cè)重點(diǎn)不同，所以實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)相對比較薄弱.針對建材專業(yè)學(xué)生，可以提出一些選修實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生根據(jù)自己的情況自由選擇，是否切實(shí)弄明白構(gòu)件在工作時(shí)發(fā)生的受力特征.在理論知識講解完畢之后，組織學(xué)生分組動(dòng)手操作受彎構(gòu)件三種梁的加載破壞實(shí)驗(yàn)，加深學(xué)生對相關(guān)知識的理解.在授課期間教師也可以帶領(lǐng)學(xué)生到就近的工地進(jìn)行參觀實(shí)習(xí)，使學(xué)生能把理論知識與工程實(shí)際結(jié)合起來[8].

3.4 改進(jìn)考核方式

建材專業(yè)對本課程的考核包括平時(shí)成績、期中成績和期末成績?nèi)N方式.平時(shí)成績主要是考勤、課堂回答問題、課后題、課程設(shè)計(jì)，占總評成績的20%；期中成績是針對這一段時(shí)間的學(xué)習(xí)，學(xué)生對前一段時(shí)間學(xué)習(xí)的總結(jié)，占總評成績的20%；期末成績考察學(xué)生對該門課的概念、原理與方法的了解，通過選擇題、判斷題、問答題和計(jì)算題的方式進(jìn)行閉卷測驗(yàn)，占總評成績的60%.期末成績占比較重，導(dǎo)致部分學(xué)生達(dá)不到要求，尤其是記不住復(fù)雜的公式，只能重修.現(xiàn)在我國不少高校已經(jīng)有了半開卷半閉卷的形式，即對于基本概念和理論可以采用閉卷，而對公式的應(yīng)用采用開卷方式，學(xué)生可將事先發(fā)放的統(tǒng)一規(guī)格的考試用紙帶入考場，允許學(xué)生填寫自己認(rèn)為重要的內(nèi)容[9]，或者借鑒注冊結(jié)構(gòu)考試的形式，全部采用選擇題，但學(xué)生必須書寫解答過程與依據(jù)[1].鑒于此，針對建材專業(yè)的學(xué)生力學(xué)知識相對薄弱的現(xiàn)狀，不僅可以考察學(xué)生動(dòng)手操作的實(shí)踐能力，也能鍛煉學(xué)生查規(guī)范、分析問題的能力.

4 結(jié)論

混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程作為無機(jī)非金屬材料專業(yè)的必修課程，理論知識內(nèi)容多、經(jīng)驗(yàn)公式長、修訂系數(shù)多、涉面廣、綜合性強(qiáng)、實(shí)踐性強(qiáng)，但是課時(shí)設(shè)置少，缺少實(shí)驗(yàn)課，加上民族院校學(xué)生基礎(chǔ)知識相對薄弱等問題，在教學(xué)過程中，教師應(yīng)以課程特點(diǎn)為基礎(chǔ)，結(jié)合多種教學(xué)方法，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的主觀能動(dòng)性，使學(xué)生真正理解并掌握混凝土結(jié)構(gòu)的原理與設(shè)計(jì)方法.對待建材專業(yè)學(xué)生不能用單一的考核方式來考察，應(yīng)采取更靈活的方式，培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力，為學(xué)生將來從事設(shè)計(jì)工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ).