Excel軟件在混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理教學(xué)中的應(yīng)用研究

商懷帥等

摘要：

混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理是高等院校土木工程專業(yè)最重要的課程之一。根據(jù)工程應(yīng)用型本科院校的教學(xué)特點(diǎn)和實(shí)際情況，以混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理課程中大、小偏壓構(gòu)件為例，將Excel軟件強(qiáng)大的建模計(jì)算功能融入土木工程專業(yè)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理課程教學(xué)，并對課程教學(xué)改革進(jìn)行了探索。該應(yīng)用加深了學(xué)生對偏壓構(gòu)件的認(rèn)識，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理課程的興趣，收到了良好的課堂教學(xué)效果，也為將來畢業(yè)設(shè)計(jì)以及工作中方便、熟練應(yīng)用Excel軟件奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：Excel軟件；土木工程；混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理；教學(xué)改革；教學(xué)效果

中圖分類號：G64242 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：

10052909（2014）02014004

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)是土木工程領(lǐng)域應(yīng)用廣泛的結(jié)構(gòu)形式之一，對于土木工程專業(yè)本科生而言，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理是必修的一門重要專業(yè)課，該課程主要包括設(shè)計(jì)原理和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)兩部分內(nèi)容[1-3]。由于本科教育中該課程所具有舉足輕

重的地位，深入研究這門課程的教學(xué)方法和技巧，對任課教師而言

非常重要。該課程主要研究典型構(gòu)件如梁、板和柱等構(gòu)件的一些力學(xué)性能、設(shè)計(jì)方法、構(gòu)造要求和破壞特征等，作為授課教師如何通過講解，讓學(xué)生深刻理解計(jì)算理論和設(shè)計(jì)方法；如何在教學(xué)中激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，并提高解決實(shí)際工程問題的能力是在教學(xué)過程中需要特別關(guān)注的兩個(gè)問題。

作為通用辦公系統(tǒng)Office的組件之一，Excel[4-5]因?yàn)榫哂袕?qiáng)大的的數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)分析功能，已成為目前普及率非常高的辦公軟件之一。目前，在混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，結(jié)構(gòu)計(jì)算以及驗(yàn)算是必不可少的重要環(huán)節(jié)，雖然結(jié)構(gòu)整體受力分析已采用專業(yè)軟件（如PKPM等）來完成，但是局部構(gòu)件的受力分析、構(gòu)件截面設(shè)計(jì)及校核、其他相關(guān)的復(fù)核及計(jì)算采用手工計(jì)算還是必不可少。此外，混凝土結(jié)構(gòu)的計(jì)算公式多，且公式繁瑣，純粹采用手工計(jì)算不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力而且出錯(cuò)率較高，借助于Excel軟件進(jìn)行參數(shù)化的計(jì)算，可有效提高工作效率。

基于此，筆者以混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理中大偏壓、小偏壓構(gòu)件的設(shè)計(jì)為例，闡述了Excel軟件在教學(xué)中的應(yīng)用，通過課堂效果觀察，該方法可以有效提高學(xué)生的興趣、強(qiáng)化學(xué)生的理解能力，調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性。

一、 混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理課程的特點(diǎn)

混凝土結(jié)構(gòu)或構(gòu)件一般由鋼筋和混凝土兩種材料組成，由于混凝土的非均勻、非連續(xù)和非彈性，導(dǎo)致材料力學(xué)的公式不能直接應(yīng)用于鋼筋混凝土構(gòu)件的承載力計(jì)算。這就使得該課程具有以下特點(diǎn)：一是，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理中構(gòu)件承載力的計(jì)算方法是建立在試驗(yàn)研究基礎(chǔ)上，并以理論分析為依據(jù)， 注重科學(xué)試驗(yàn)和工程實(shí)踐的重要性，涉及內(nèi)容較多，既有承載力的計(jì)算、變形和裂縫寬度的驗(yàn)算， 又有規(guī)范條文以及構(gòu)造要求。二是，設(shè)計(jì)結(jié)果的多種可能。最終設(shè)計(jì)結(jié)果除了滿足承載力要求外，還需綜合考慮施工方便，造價(jià)低等多項(xiàng)指標(biāo)，因此，設(shè)計(jì)中有多種可供選擇的方案，最終的設(shè)計(jì)結(jié)果也不唯一。

二、“教”與“學(xué)”中存在的問題

一是，教師在“教”的過程

中，主要依據(jù)教學(xué)大綱的要求進(jìn)行授課，而教學(xué)大綱重視基本知識點(diǎn)的掌握，因此其設(shè)置的問題、條件及結(jié)論之間有著必然聯(lián)系，也就是條件一定的情況下，結(jié)論唯一[6-7]。這雖然在一定程度上鍛煉了學(xué)生的邏輯思維能力，培養(yǎng)了良好

的思考習(xí)慣以及規(guī)范化的解題思路，但對創(chuàng)新思維的培養(yǎng)有所欠缺，最終導(dǎo)致學(xué)生創(chuàng)新能力不強(qiáng)，理論聯(lián)系實(shí)際能力不強(qiáng)，也就是所謂的不能“學(xué)以致用”。

二是，學(xué)生在“學(xué)”的過程中，不能很好地掌握課程的主要內(nèi)容，或者雖然掌握了課程主要內(nèi)容，在考試中能取得高分，但是不能將所學(xué)知識用于實(shí)際工程問題的解決，知識遷移能力差，實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神薄弱。

三、“教”與“學(xué)”中存在的問題原因分析

教師在“教”的過程中完全依據(jù)教學(xué)大綱的方法不利于創(chuàng)新思維的培養(yǎng)，造成學(xué)生不能將所學(xué)理論與實(shí)際工程聯(lián)系起來。既有的完全依據(jù)教學(xué)大綱的教學(xué)方式導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)熱情不高，學(xué)習(xí)方法僵化，學(xué)生普遍認(rèn)為即使不好好聽講，課后看看課本也能通過考試。因此多數(shù)學(xué)生要么不聽講，要么只聽重要知識點(diǎn)和結(jié)論。這種有選擇的聽課習(xí)慣，導(dǎo)致學(xué)生不知道如何運(yùn)用所學(xué)去分析實(shí)際問題。

四、混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理教學(xué)中Excel的應(yīng)用

某鋼筋混凝土偏心受壓柱，截面尺寸為b=300 mm，h=400 mm，混凝土保護(hù)層厚度為c=20 mm。柱承受豎向壓力設(shè)計(jì)值為N=310 kN，考慮二階彎矩后的彎矩值為M=168.187 kN·m，混凝土強(qiáng)度等級為C30，縱筋采用HRB400級鋼筋，已知截面受壓區(qū)已配有2[XC商.tif；%60%60]18（A′s=509mm2）的鋼筋，求受拉鋼筋A(yù)s？

圖1給出了將案例中的基本內(nèi)容輸入到excel表格后的效果，通過Excel的計(jì)算功能可以將偏壓柱的有效高度、初始偏心距、附加偏心距、計(jì)算偏心距、縱向鋼筋合力點(diǎn)至截面邊緣距離以及軸力到受拉鋼筋合力點(diǎn)的距離等數(shù)據(jù)求出，進(jìn)而可以根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50010-2010[8]或者《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理》[3]中的要求，先按大偏壓計(jì)算截面抵抗距系數(shù)αs，然后根據(jù)αs求出相對受壓區(qū)高度ξ，通過判斷相對受壓區(qū)高度ξ與界限相對受壓區(qū)高度ξb間的相對大小，判定是按大偏壓還是按小偏壓進(jìn)行計(jì)算，最終求出受拉區(qū)鋼筋。

以上為案例的解題過程，講解到此，達(dá)到了教學(xué)大綱的教學(xué)要求

，但失去了用Excel進(jìn)行講解的必要。我們要在完成上述“教”的基礎(chǔ)上進(jìn)一步挖掘該案例的深層次知識，進(jìn)而將混凝土柱的大偏壓、小偏壓講解透徹。

例如，將軸向壓力N由310 kN調(diào)整到400 kN，同時(shí)將考慮二階彎矩后的彎矩值M由168.187 kN·m調(diào)整到217.015kN·m，目的是確保偏壓柱的偏心距e0=543 mm不變。上述改動(dòng)后，Excel可以直接將截面抵抗距系數(shù)αs（αs=0.414）及相對受壓區(qū)高度ξ（ξ=0.5861）求出，此時(shí)經(jīng)過自動(dòng)判斷為小偏壓柱，可以把小偏壓受拉區(qū)鋼筋應(yīng)力σs（αs=273.009）以及受拉區(qū)鋼筋面積As（As=2521 mm2）自動(dòng)求出。如圖2所示。

通過兩個(gè)數(shù)據(jù)的變化將一個(gè)大偏壓柱變?yōu)樾∑珘褐?，讓學(xué)生對大偏壓、小偏壓有了更進(jìn)一步認(rèn)識，但是這還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠；此時(shí)，教師可引導(dǎo)學(xué)生思考，如可以提問：如何將現(xiàn)在的受壓柱的小偏壓受力狀態(tài)再次轉(zhuǎn)化為大偏壓。如：降低相對受壓區(qū)高度ξ是不是可以變化受壓柱的受力狀態(tài)？哪些因素能降低相對受壓區(qū)高度ξ的數(shù)值？然后可以對某些數(shù)據(jù)（如混凝土強(qiáng)度、截面尺寸等）作一些改動(dòng)，如將混凝土強(qiáng)度等級由C30（fc=14.3 N/mm2）改為C35（fc=16.7 N/mm2），再計(jì)算結(jié)果，此時(shí)又由小偏壓轉(zhuǎn)為大偏壓，受拉區(qū)鋼筋面積As=1708 mm2，如圖3所示。

圖3〓更改混凝土強(qiáng)度后的計(jì)算結(jié)果

通過對受壓柱的受力狀態(tài)進(jìn)行講解，讓學(xué)生真正體會(huì)到鋼筋混凝土構(gòu)件設(shè)計(jì)的真諦——所有構(gòu)件的設(shè)計(jì)結(jié)果不唯一，滿足承載力要求的設(shè)計(jì)方案有很多種，對于某一根受壓柱，其受力狀態(tài)也不是唯一的，會(huì)在大偏壓、小偏壓間轉(zhuǎn)換，也就是讓學(xué)生意識到了“條件一定，而結(jié)論不唯一”。

基于上述分析，將Excel軟件應(yīng)用于混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理課程教學(xué)， 可以在注重“雙基”教育的同時(shí)，加強(qiáng)對學(xué)生開放性、創(chuàng)造性思維能力的培養(yǎng)，加強(qiáng)對學(xué)生知識遷移能力的培養(yǎng)，加強(qiáng)對學(xué)生實(shí)踐能力、創(chuàng)新精神的培養(yǎng)。

因此， Excel應(yīng)用于混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理課程教學(xué)不是一種簡單的解題模式訓(xùn)練，而是分析問題、 解決問題能力的培養(yǎng)，是創(chuàng)新意識及能力的培養(yǎng)。

五、結(jié)語

將Excel軟件應(yīng)用于混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理課程教學(xué)，調(diào)動(dòng)了學(xué)生在“學(xué)”中的主觀能動(dòng)性，強(qiáng)調(diào)了知識的整體性，使得基本知識的講授和解題策略的非常規(guī)性，在“教”與“學(xué)”中既共存又互補(bǔ)，有利于培養(yǎng)學(xué)生的思維能力、科學(xué)素養(yǎng)、實(shí)踐能力，開拓學(xué)生的創(chuàng)新思維， 對于提高混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理課程教學(xué)質(zhì)量起到了積極的推動(dòng)作用。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張學(xué)文， 蔡健.混凝土結(jié)構(gòu)課程考試的改革與實(shí)踐[J].河海大學(xué)學(xué)報(bào)：哲學(xué)社會(huì)科學(xué)版， 2002， 4 （1）：167-169.

[2] 季靜， 陳慶軍， 蔡健等.學(xué)生研究計(jì)劃與混凝土結(jié)構(gòu)課程的教學(xué)改革[J].廣州大學(xué)學(xué)報(bào)， 2006， 5（2）：60-61.

[3] 梁興文， 史慶軒.混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2011.

[4] 董軍宇， 胡建海.Excel 2000中文版應(yīng)用與提高[M].2版.青島：青島出版社， 2000.

[5] 杜茂康， 劉宴兵， 袁浩，等.Excel與數(shù)據(jù)處理[M].北京：電子工業(yè)出版社， 2005.

[6] 師韶琴， 程傳蕊.將數(shù)學(xué)開放題引入高等數(shù)學(xué)教學(xué)中的嘗試[J].教育與職業(yè)， 2005（ 30）：77- 79.

[7] 郭清波.運(yùn)用數(shù)學(xué)開放題轉(zhuǎn)化數(shù)學(xué)學(xué)困生的策略[J].教育探索， 2006（ 5）：87- 88 .

[8] 國家標(biāo)準(zhǔn).（GB50010-2010）混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社， 2011

通過兩個(gè)數(shù)據(jù)的變化將一個(gè)大偏壓柱變?yōu)樾∑珘褐寣W(xué)生對大偏壓、小偏壓有了更進(jìn)一步認(rèn)識，但是這還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠；此時(shí)，教師可引導(dǎo)學(xué)生思考，如可以提問：如何將現(xiàn)在的受壓柱的小偏壓受力狀態(tài)再次轉(zhuǎn)化為大偏壓。如：降低相對受壓區(qū)高度ξ是不是可以變化受壓柱的受力狀態(tài)？哪些因素能降低相對受壓區(qū)高度ξ的數(shù)值？然后可以對某些數(shù)據(jù)（如混凝土強(qiáng)度、截面尺寸等）作一些改動(dòng)，如將混凝土強(qiáng)度等級由C30（fc=14.3 N/mm2）改為C35（fc=16.7 N/mm2），再計(jì)算結(jié)果，此時(shí)又由小偏壓轉(zhuǎn)為大偏壓，受拉區(qū)鋼筋面積As=1708 mm2，如圖3所示。

圖3〓更改混凝土強(qiáng)度后的計(jì)算結(jié)果

通過對受壓柱的受力狀態(tài)進(jìn)行講解，讓學(xué)生真正體會(huì)到鋼筋混凝土構(gòu)件設(shè)計(jì)的真諦——所有構(gòu)件的設(shè)計(jì)結(jié)果不唯一，滿足承載力要求的設(shè)計(jì)方案有很多種，對于某一根受壓柱，其受力狀態(tài)也不是唯一的，會(huì)在大偏壓、小偏壓間轉(zhuǎn)換，也就是讓學(xué)生意識到了“條件一定，而結(jié)論不唯一”。

基于上述分析，將Excel軟件應(yīng)用于混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理課程教學(xué)， 可以在注重“雙基”教育的同時(shí)，加強(qiáng)對學(xué)生開放性、創(chuàng)造性思維能力的培養(yǎng)，加強(qiáng)對學(xué)生知識遷移能力的培養(yǎng)，加強(qiáng)對學(xué)生實(shí)踐能力、創(chuàng)新精神的培養(yǎng)。

因此， Excel應(yīng)用于混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理課程教學(xué)不是一種簡單的解題模式訓(xùn)練，而是分析問題、 解決問題能力的培養(yǎng)，是創(chuàng)新意識及能力的培養(yǎng)。

五、結(jié)語

將Excel軟件應(yīng)用于混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理課程教學(xué)，調(diào)動(dòng)了學(xué)生在“學(xué)”中的主觀能動(dòng)性，強(qiáng)調(diào)了知識的整體性，使得基本知識的講授和解題策略的非常規(guī)性，在“教”與“學(xué)”中既共存又互補(bǔ)，有利于培養(yǎng)學(xué)生的思維能力、科學(xué)素養(yǎng)、實(shí)踐能力，開拓學(xué)生的創(chuàng)新思維， 對于提高混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理課程教學(xué)質(zhì)量起到了積極的推動(dòng)作用。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張學(xué)文， 蔡健.混凝土結(jié)構(gòu)課程考試的改革與實(shí)踐[J].河海大學(xué)學(xué)報(bào)：哲學(xué)社會(huì)科學(xué)版， 2002， 4 （1）：167-169.

[2] 季靜， 陳慶軍， 蔡健等.學(xué)生研究計(jì)劃與混凝土結(jié)構(gòu)課程的教學(xué)改革[J].廣州大學(xué)學(xué)報(bào)， 2006， 5（2）：60-61.

[3] 梁興文， 史慶軒.混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2011.

[4] 董軍宇， 胡建海.Excel 2000中文版應(yīng)用與提高[M].2版.青島：青島出版社， 2000.

[5] 杜茂康， 劉宴兵， 袁浩，等.Excel與數(shù)據(jù)處理[M].北京：電子工業(yè)出版社， 2005.

[6] 師韶琴， 程傳蕊.將數(shù)學(xué)開放題引入高等數(shù)學(xué)教學(xué)中的嘗試[J].教育與職業(yè)， 2005（ 30）：77- 79.

[7] 郭清波.運(yùn)用數(shù)學(xué)開放題轉(zhuǎn)化數(shù)學(xué)學(xué)困生的策略[J].教育探索， 2006（ 5）：87- 88 .

[8] 國家標(biāo)準(zhǔn).（GB50010-2010）混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社， 2011

通過兩個(gè)數(shù)據(jù)的變化將一個(gè)大偏壓柱變?yōu)樾∑珘褐?，讓學(xué)生對大偏壓、小偏壓有了更進(jìn)一步認(rèn)識，但是這還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠；此時(shí)，教師可引導(dǎo)學(xué)生思考，如可以提問：如何將現(xiàn)在的受壓柱的小偏壓受力狀態(tài)再次轉(zhuǎn)化為大偏壓。如：降低相對受壓區(qū)高度ξ是不是可以變化受壓柱的受力狀態(tài)？哪些因素能降低相對受壓區(qū)高度ξ的數(shù)值？然后可以對某些數(shù)據(jù)（如混凝土強(qiáng)度、截面尺寸等）作一些改動(dòng)，如將混凝土強(qiáng)度等級由C30（fc=14.3 N/mm2）改為C35（fc=16.7 N/mm2），再計(jì)算結(jié)果，此時(shí)又由小偏壓轉(zhuǎn)為大偏壓，受拉區(qū)鋼筋面積As=1708 mm2，如圖3所示。

圖3〓更改混凝土強(qiáng)度后的計(jì)算結(jié)果

通過對受壓柱的受力狀態(tài)進(jìn)行講解，讓學(xué)生真正體會(huì)到鋼筋混凝土構(gòu)件設(shè)計(jì)的真諦——所有構(gòu)件的設(shè)計(jì)結(jié)果不唯一，滿足承載力要求的設(shè)計(jì)方案有很多種，對于某一根受壓柱，其受力狀態(tài)也不是唯一的，會(huì)在大偏壓、小偏壓間轉(zhuǎn)換，也就是讓學(xué)生意識到了“條件一定，而結(jié)論不唯一”。

基于上述分析，將Excel軟件應(yīng)用于混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理課程教學(xué)， 可以在注重“雙基”教育的同時(shí)，加強(qiáng)對學(xué)生開放性、創(chuàng)造性思維能力的培養(yǎng)，加強(qiáng)對學(xué)生知識遷移能力的培養(yǎng)，加強(qiáng)對學(xué)生實(shí)踐能力、創(chuàng)新精神的培養(yǎng)。

因此， Excel應(yīng)用于混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理課程教學(xué)不是一種簡單的解題模式訓(xùn)練，而是分析問題、 解決問題能力的培養(yǎng)，是創(chuàng)新意識及能力的培養(yǎng)。

五、結(jié)語

將Excel軟件應(yīng)用于混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理課程教學(xué)，調(diào)動(dòng)了學(xué)生在“學(xué)”中的主觀能動(dòng)性，強(qiáng)調(diào)了知識的整體性，使得基本知識的講授和解題策略的非常規(guī)性，在“教”與“學(xué)”中既共存又互補(bǔ)，有利于培養(yǎng)學(xué)生的思維能力、科學(xué)素養(yǎng)、實(shí)踐能力，開拓學(xué)生的創(chuàng)新思維， 對于提高混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理課程教學(xué)質(zhì)量起到了積極的推動(dòng)作用。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張學(xué)文， 蔡健.混凝土結(jié)構(gòu)課程考試的改革與實(shí)踐[J].河海大學(xué)學(xué)報(bào)：哲學(xué)社會(huì)科學(xué)版， 2002， 4 （1）：167-169.

[2] 季靜， 陳慶軍， 蔡健等.學(xué)生研究計(jì)劃與混凝土結(jié)構(gòu)課程的教學(xué)改革[J].廣州大學(xué)學(xué)報(bào)， 2006， 5（2）：60-61.

[3] 梁興文， 史慶軒.混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2011.

[4] 董軍宇， 胡建海.Excel 2000中文版應(yīng)用與提高[M].2版.青島：青島出版社， 2000.

[5] 杜茂康， 劉宴兵， 袁浩，等.Excel與數(shù)據(jù)處理[M].北京：電子工業(yè)出版社， 2005.

[6] 師韶琴， 程傳蕊.將數(shù)學(xué)開放題引入高等數(shù)學(xué)教學(xué)中的嘗試[J].教育與職業(yè)， 2005（ 30）：77- 79.

[7] 郭清波.運(yùn)用數(shù)學(xué)開放題轉(zhuǎn)化數(shù)學(xué)學(xué)困生的策略[J].教育探索， 2006（ 5）：87- 88 .

[8] 國家標(biāo)準(zhǔn).（GB50010-2010）混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社， 2011