鐵道工程專業(yè)“工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理”課程文化建設(shè)的探索與實(shí)踐

郭占月

摘要：課程文化建設(shè)是高職院校培養(yǎng)高素質(zhì)應(yīng)用型人才的必然要求。高職教育在課程文化建設(shè)的過程中，需要避免簡(jiǎn)單地把文化建設(shè)理解為文化課程的建設(shè)，而是要將知識(shí)傳授與觀念、理念、思維的培養(yǎng)協(xié)同起來，推行知識(shí)、能力與素質(zhì)三位一體的教學(xué)模式。本文基于高職鐵道工程專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課程多年教學(xué)實(shí)踐與研究，提出了構(gòu)建高職專業(yè)技術(shù)課程文化建設(shè)的概念、思路與途徑。

關(guān)鍵詞：鐵道工程專業(yè)；工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理；課程文化建設(shè)

中圖分類號(hào)：G712 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-5727（2014）12-0089-04

以應(yīng)用能力培養(yǎng)為核心目標(biāo)的高職教育教學(xué)改革已取得了很多成果。其中，將知識(shí)傳播與能力培養(yǎng)相結(jié)合，知識(shí)、能力、素養(yǎng)三位一體的教學(xué)目標(biāo)已經(jīng)形成共識(shí)。從培養(yǎng)綜合能力，提高從事職業(yè)活動(dòng)的認(rèn)知能力、思維能力、判斷能力、方法能力的角度，把課程知識(shí)作為載體，將文化教育滲透其中，形成反映課程知識(shí)與能力特征的課程文化，從而使課程教育立體化，可以讓學(xué)生不再執(zhí)著于課程知識(shí)的“迷宮”。

“工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理”課程是鐵道工程專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)課程，以道路橋面類橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范、混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程為基礎(chǔ)，主要教授鋼筋混凝土、預(yù)應(yīng)力混凝土、圬工結(jié)構(gòu)構(gòu)件的設(shè)計(jì)原理，其主要內(nèi)容包括如何合理選擇構(gòu)件截面尺寸及其聯(lián)結(jié)方式，并根據(jù)作用的情況驗(yàn)算構(gòu)件的承載力、穩(wěn)定性、撓度和裂縫等問題，它為學(xué)習(xí)鐵道工程、橋梁隧道構(gòu)造物的設(shè)計(jì)計(jì)算與施工技術(shù)奠定理論基礎(chǔ)。

當(dāng)我們從傳授知識(shí)的視角，將其視為一門重要的技術(shù)基礎(chǔ)課時(shí)，我們意識(shí)到了這門課程對(duì)規(guī)范條文的概念、實(shí)質(zhì)的理解與應(yīng)用能力的重要性。

結(jié)構(gòu)的靜力平衡條件與事物的生存法則

靜力平衡條件是鋼筋混凝土受彎構(gòu)件按承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)，無論是單筋矩形截面，或雙筋矩形截面或T形截面，基本計(jì)算式從兩個(gè)方面得到，一是水平力平衡，二是彎矩平衡。以單筋矩形截面為例：

由水平力平衡，即∑H=0，可得

fcd·bx=fsd·As（1）

由彎矩平衡，即∑M=0，可得

M=fcd·bx（h0-■）（2）

根據(jù)按承載能力的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)的原則得出兩個(gè)公式：

γ0Md≤fcd·bx（h0-■）（3）

γ0Md≤fcd·As（h0-■）（4）

公式的適用條件是

X≤ξ0h0（5）

ρ=■≥ρmin（6）

結(jié)構(gòu)計(jì)算的目的要求得到As并確定梁體截面尺寸b和h0。從數(shù)學(xué)的角度，在給定已知參數(shù)的情況下，用公式（1）、與公式（3）或（4）兩個(gè)方程就可以解出包括在內(nèi)的兩個(gè)未知數(shù)。

這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算的關(guān)鍵不在于解方程的技巧，而在于對(duì)計(jì)算公式適用條件的選擇。需要討論x≤ξbh0的條件是否滿足。一是要考慮平衡建立的基礎(chǔ)條件：承載能力達(dá)到極限狀態(tài)下梁在下部截面上發(fā)生了什么？二是要考慮梁的配筋條件設(shè)定得是否合理，鋼筋過多還是過少。

從知識(shí)的角度，我們引導(dǎo)學(xué)生把問題簡(jiǎn)單化，即只要會(huì)解這個(gè)二元二次方程就行了；強(qiáng)調(diào)從思維能力的角度，需要學(xué)生考慮一個(gè)問題，那就是任何事物處于平衡狀態(tài)都是有條件的。

事物的平衡條件包括兩個(gè)方面——主觀條件與客觀條件。在這里客觀條件就是要求梁的極限承載能力發(fā)生時(shí)既不能鋼筋太少，也不能鋼筋太多，即公式（5）、（6）給定的條件；主觀條件則是由自己設(shè)定的，設(shè)計(jì)者一開始假設(shè)的參數(shù)as（公式中h0=（h-as））是否合理。通過反復(fù)的練習(xí)，學(xué)生主要不是在解題熟練程度上的長(zhǎng)進(jìn)，而是對(duì)適用條件的掌握，懂得了自己設(shè)定的條件會(huì)成為所得結(jié)果的重要影響因素。當(dāng)跳出這種計(jì)算，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)，世上事物的許多不平衡往往確實(shí)存在著客觀條件限制，這是我們很難改變的，但更多情況下是由于我們自身設(shè)定的偏差。調(diào)整設(shè)定值，問題就能得到圓滿的解決。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的多方案性與三分法思維

土建結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與施工所面對(duì)的工程項(xiàng)目具有四大特性，即作業(yè)條件與環(huán)境的開放性；時(shí)間、地點(diǎn)、資源的制約性；項(xiàng)目本身與最終成果的唯一性；進(jìn)度、成本、質(zhì)量影響因素的不確定性等特征。因此具體到每一個(gè)設(shè)計(jì)結(jié)果，答案不是唯一的。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理的設(shè)計(jì)案例中，有時(shí)未知數(shù)條件過多需要假設(shè)，有時(shí)需要多次修改反復(fù)驗(yàn)算，條件不同答案就不同。對(duì)于一個(gè)梁的承載能力計(jì)算，滿足同樣的荷載要求，梁的截面與配筋方案可以是多樣的，關(guān)鍵看設(shè)計(jì)者在計(jì)算過程中將什么視為主要因素。我們?cè)谂唽W(xué)生完成的設(shè)計(jì)方案時(shí)，對(duì)其答案不應(yīng)該簡(jiǎn)單地用“√”或“×”來進(jìn)行判斷。很多情況下，要從他考慮問題的角度考察其過程是否正確，考慮的因素是否齊全，鼓勵(lì)學(xué)生從多角度考慮設(shè)計(jì)問題。

工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要多方案比較，這是由工程設(shè)計(jì)的特性決定的。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理學(xué)習(xí)中，特別鼓勵(lì)學(xué)生對(duì)同一設(shè)計(jì)案例作出多種方案。在學(xué)習(xí)過程中逐步培養(yǎng)工程思維能力，即充分論證方案的可行性、可操作性和運(yùn)籌性；正確處理方案的可靠性與可錯(cuò)性、容錯(cuò)性；積極調(diào)動(dòng)設(shè)計(jì)者思維的流暢性、變通性和獨(dú)特性。

面對(duì)一個(gè)命題，我們往往容易急于做出判斷，得出結(jié)論：即對(duì)于一個(gè)問題僅得出“是”或“非”這種兩分法答案。然而，社會(huì)是開放的，環(huán)境是開放的，這就要求我們的思維也必須開闊。“斟酌”是一種工作方法，古人說的“三思而后行”就是要求我們做多方案比較，權(quán)衡不同的因素在命題中的影響作用，對(duì)于每一個(gè)答案不能簡(jiǎn)單地用“是”或“非”、“好”或“不好”來做判斷，這就是“三分法”。

三分法是一種思維模式，是一種對(duì)事物決策強(qiáng)調(diào)理性思考過程的方法，也是從事工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的智慧之一。三分法思維能夠有效地避免人們?cè)跊Q策過程中種種偏執(zhí)、武斷、急躁、沖動(dòng)情緒的影響。對(duì)于未來從事結(jié)構(gòu)工程施工與維護(hù)的高級(jí)專門技術(shù)人才來說，善于權(quán)衡利弊，反復(fù)論證，培養(yǎng)三分法思維，并能有效地應(yīng)用于工程專業(yè)的生產(chǎn)實(shí)踐中，是一種可貴的職業(yè)素質(zhì)。

受彎構(gòu)件試驗(yàn)梁的設(shè)計(jì)與創(chuàng)新思維的實(shí)踐性特征

圖1是用于分析鋼筋混凝土受彎構(gòu)件受力全過程與破壞特征的試驗(yàn)梁。

從學(xué)習(xí)知識(shí)的角度，介紹這個(gè)梁具有純受彎構(gòu)件的特性，且屬于彎矩為恒值就可以了。當(dāng)我們進(jìn)一步分析構(gòu)件的彎矩圖與剪力圖特征時(shí)，發(fā)現(xiàn)學(xué)生對(duì)于“為什么是這種梁，而不是其他形式的梁”更有興趣。通常，我們簡(jiǎn)單地表述一個(gè)受彎構(gòu)件是下頁圖2中a的受力形式，即一個(gè)梁體在跨中受到一個(gè)集中力。這時(shí)的彎矩分布呈現(xiàn)為倒三角形，而剪力分布在整個(gè)梁體上，左側(cè)為正，右側(cè)為負(fù)。比較下頁圖2中a與b可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)由一個(gè)集中力演變?yōu)閮蓚€(gè)集中力時(shí)，構(gòu)件的受彎與受剪特性發(fā)生了質(zhì)的變化。這個(gè)演變過程叫做“一生二”的過程。

作為試驗(yàn)梁，測(cè)試數(shù)據(jù)的基本要求是符合規(guī)律性，因此試驗(yàn)條件必須具備良好的重演性，試驗(yàn)影響因素必須具有確定性或唯一性。顯然，下頁圖2中a構(gòu)件梁體的每個(gè)截面彎矩值都不同，每個(gè)截面既受彎矩又受剪力，不能滿足試驗(yàn)研究的基本條件。進(jìn)而對(duì)梁體的特定截面分別進(jìn)行剪力與彎矩計(jì)算發(fā)現(xiàn)，采用b的集中力分布使得在梁體的CD段出現(xiàn)純受彎與彎矩為恒值的特征。由一個(gè)集中力到兩個(gè)集中力，是集中力的數(shù)量變化，而引起的結(jié)果是受力性質(zhì)的改變。經(jīng)過對(duì)知識(shí)的深入挖掘，當(dāng)我們?cè)倏丛囼?yàn)梁構(gòu)造時(shí)，學(xué)生會(huì)發(fā)出“這張圖很完美”的感嘆，因?yàn)檫@是一個(gè)創(chuàng)造的過程。而實(shí)際上，這個(gè)過程是完成任何工程技術(shù)試驗(yàn)研究的必由之路。

當(dāng)我們對(duì)一張受力圖感到親切的時(shí)候，我們收獲的不再是簡(jiǎn)單的知識(shí)，而是由知識(shí)上升為一種能力，一種摸索工程技術(shù)實(shí)驗(yàn)方法的能力，一種解決問題的智慧，一種對(duì)事物規(guī)律性探索的愿望。這是“一生二”的過程——由關(guān)注一張圖，變成了弄清楚兩張圖。

年輕人對(duì)世界是充滿好奇的，這種好奇是創(chuàng)造力的源泉。作為一門專業(yè)基礎(chǔ)課程，把課程中蘊(yùn)含的創(chuàng)造性思維調(diào)動(dòng)出來、展示出來，給學(xué)生以啟發(fā)和引導(dǎo)，比孤立地開一門課程去教育學(xué)生如何創(chuàng)新要真切得多。因此，我們?cè)谘芯扛呗毥逃母飼r(shí)，要講透“是什么”，因?yàn)檫@是知識(shí)層面規(guī)定，也應(yīng)該根據(jù)內(nèi)容需要講清楚“為什么”，這是涉及能力培養(yǎng)的需要，有時(shí)還需要講講“是怎么來的”和解決問題的思維過程，這是涉及素質(zhì)層面的內(nèi)容。把知識(shí)能力與素質(zhì)培養(yǎng)結(jié)合在一門課程的教學(xué)中，強(qiáng)調(diào)課程的綜合教學(xué)，而不是把各門課程孤立開來，僅僅“承包”規(guī)定的知識(shí)傳授內(nèi)容，這才是我們教育教學(xué)改革的出路，是我們倡導(dǎo)課程文化建立的立意所在。

結(jié)構(gòu)三向受壓特征與人的自我約束與保護(hù)

柱是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的受壓構(gòu)件，一般采用普通箍筋形成柱的骨架結(jié)構(gòu)。當(dāng)柱承受的軸向壓力很大，而其截面尺寸又受到限制不能加大時(shí)，無論怎么提高混凝土的強(qiáng)度等級(jí)或增加縱向主鋼筋用量都不足以承受這種軸向壓力，此時(shí)可以采取螺旋箍筋柱形式以提高柱的承載力。

所謂螺旋箍筋柱，就是用間距比普通鋼筋混凝土柱小得多的閉合鋼筋將柱的核心混凝土圍箍起來猶如形成一個(gè)套筒，通過這種作用可以有效地限制核心混凝土的橫向變形，從而提高柱的承載能力。螺旋箍筋是一種構(gòu)造，它形成的柱則是一種與普通混凝土結(jié)構(gòu)不同性質(zhì)的構(gòu)件。在普通結(jié)構(gòu)中，如果混凝土承受超過自身極限承載能力的作用時(shí)，結(jié)構(gòu)就會(huì)被破壞；而在螺旋箍筋柱中，軸向壓力增大會(huì)伴隨混凝土的變形，但是由于有螺旋箍筋的圍箍作用，使得混凝土不能發(fā)生自由橫向變形，我們把這樣一種受力狀態(tài)叫做“三向受壓”。即當(dāng)構(gòu)件承受z軸方向的壓力時(shí)，如果對(duì)構(gòu)件的兩個(gè)側(cè)向x、y軸方向施加壓力，則可以提高對(duì)z軸方向壓力的承載能力。形象地稱為，如果“有人撐腰”則頂住壓力的能力增強(qiáng)。

這是提高結(jié)構(gòu)構(gòu)件受壓承載能力的原理。我們不是在課堂把它僅僅停留在技術(shù)層面來討論這個(gè)問題，而是要進(jìn)一步追問通過這個(gè)案例能夠得到什么樣的人生感悟。

所謂人的進(jìn)步，指的是能力的提高，通常就要面對(duì)新的更大的壓力。從力學(xué)的角度，應(yīng)力與應(yīng)變、受力與產(chǎn)生變形永遠(yuǎn)是相伴而生的。面對(duì)過大的工作、學(xué)習(xí)、生活的壓力，人們產(chǎn)生身體與行為上的變形是自然的，問題在于，你對(duì)承受這種壓力是否做好了準(zhǔn)備，即面對(duì)各種變形提供相應(yīng)的自我約束與保護(hù)。在壓力不大時(shí)，這種約束或許并不發(fā)生效用，而一旦壓力很大時(shí)，沒有嚴(yán)格的自我約束是不可能承受的。有理想、有抱負(fù)的人往往是那些懂得自我約束的人，想不受約束而順利承擔(dān)重任的“混凝土人”是不存在的。螺旋箍筋的道理還可以啟示我們?nèi)ダ斫庵贫?、法律及社?huì)約束以及如何保障社會(huì)秩序的有效運(yùn)行。

結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)方法與解決矛盾的分類法

工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)討論的是結(jié)構(gòu)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)、規(guī)定的條件下完成預(yù)定功能的能力，耐久性與結(jié)構(gòu)的安全性、適用性共同組成結(jié)構(gòu)功能的三大指標(biāo)。

耐久性是指結(jié)構(gòu)對(duì)氣候變化、化學(xué)侵蝕、物理作用或任何其他破壞過程的抵抗能力。其中的影響因素分別來自對(duì)混凝土的損傷（裂縫、破碎、酥裂、磨損、溶蝕等），對(duì)鋼筋銹蝕、脆化、疲勞、應(yīng)力腐蝕以及對(duì)鋼筋與混凝土之間黏結(jié)作用的削弱。結(jié)構(gòu)耐久性取決于混凝土材料的自身特征和結(jié)構(gòu)的使用環(huán)境。

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)規(guī)范提出了按結(jié)構(gòu)使用環(huán)境進(jìn)行耐久性設(shè)計(jì)的概念，明確規(guī)定了不同使用環(huán)境下結(jié)構(gòu)耐久性的基本要求，對(duì)影響混凝土耐久性的最大水灰比、最小水泥用量、最低強(qiáng)度等級(jí)、最大氯離子含量和堿含量等做出了限值規(guī)定。環(huán)境條件劃分成四大類別，分別針對(duì)：Ⅰ類溫暖或寒冷地區(qū)的大氣環(huán)境、與無侵蝕性的水或土接觸的環(huán)境；Ⅱ類嚴(yán)寒地區(qū)的大氣環(huán)境、使用除冰鹽環(huán)境、濱海環(huán)境；Ⅲ類海水環(huán)境；Ⅳ類為受侵蝕性物質(zhì)影響的環(huán)境。同時(shí)依據(jù)這種對(duì)環(huán)境影響程度的等級(jí)分類，分別制定抗凍等級(jí)選用標(biāo)準(zhǔn)、混凝土保護(hù)層厚度標(biāo)準(zhǔn)等一系列要求。

學(xué)習(xí)這一條例規(guī)定給予我們的啟示是什么？耐久性設(shè)計(jì)面對(duì)的主要是環(huán)境的影響，作為結(jié)構(gòu)本身是無法改變環(huán)境的，于是要提高耐久性必須使結(jié)構(gòu)適應(yīng)不同的環(huán)境。怎么適應(yīng)？

第一位的要求就是面對(duì)外部，對(duì)環(huán)境分門別類，將大氣環(huán)境、水環(huán)境以及運(yùn)營(yíng)條件按影響嚴(yán)重程度不同進(jìn)行等級(jí)分類；第二位的要求是面對(duì)內(nèi)部，提出適應(yīng)性要求，在設(shè)計(jì)措施、施工措施上做出規(guī)定，從而達(dá)到內(nèi)部與外部的協(xié)調(diào)一致。

人們對(duì)于自身所處的環(huán)境有很多的無能為力，你能夠做的就是善于識(shí)別不同的環(huán)境情況，有了明確的認(rèn)識(shí)與界限劃分，才能做到區(qū)別對(duì)待。這里教給我們的工作方法是，工作千頭萬緒、錯(cuò)綜復(fù)雜，如果我們一頭扎進(jìn)去拼命地干，往往事倍功半。于是，首要的工作是進(jìn)行分類，區(qū)別不同的對(duì)象進(jìn)行排列、組合，形成輕重緩急、主次先后，尤其當(dāng)這種無序是我們自身所無法控制的情況時(shí)，分類法是必要的、有效的。

我們能夠控制與改變的是我們自身，不要指望用自身的固定條件能夠適應(yīng)各種環(huán)境，“以不變應(yīng)萬變”，必須善于調(diào)節(jié)自身?xiàng)l件以適應(yīng)不同的環(huán)境。這里的關(guān)注點(diǎn)在于，你用最強(qiáng)勢(shì)的條件去應(yīng)對(duì)最一般的環(huán)境條件實(shí)際上是不合理的。比如說，采用最大的保護(hù)層厚度應(yīng)對(duì)Ⅰ類環(huán)境是不恰當(dāng)?shù)摹Ｒ驗(yàn)楹穸缺旧硪灿衅洳焕挠绊?，過厚的保護(hù)層容易開裂。人們發(fā)揮自身的能力一定要與所處的環(huán)境相適應(yīng)，能力不足不能滿足工作需要，能力表現(xiàn)得過高同樣也不一定適應(yīng)工作需要。

結(jié)論

第一，專業(yè)課程文化的開發(fā)與建設(shè)是高職教育走向職業(yè)化、素質(zhì)化培養(yǎng)目標(biāo)的必然體現(xiàn)。不同的課程具有不同的知識(shí)領(lǐng)域特性，與之相適應(yīng)的則是理念、實(shí)踐與方法論特征，倡導(dǎo)課程文化建設(shè)，就是要提倡在傳授知識(shí)的同時(shí)，將知識(shí)中蘊(yùn)含的邏輯、思維等方法傳授給學(xué)生。

第二，知識(shí)、能力與素養(yǎng)是高職教育的三大目標(biāo)，相互之間有著內(nèi)在的聯(lián)系。在教學(xué)過程中不宜簡(jiǎn)單地針對(duì)三個(gè)目標(biāo)分別制定措施，而必須將三大目標(biāo)協(xié)同起來。它們的關(guān)系在于，知識(shí)是花朵，能力是樹干，而素養(yǎng)是根須。掌握知識(shí)是第一層次目標(biāo)，掌握學(xué)習(xí)知識(shí)的方法，可以適應(yīng)知識(shí)更新的發(fā)展是能力培養(yǎng)，這是第二層次目標(biāo)；了解知識(shí)的產(chǎn)生過程，發(fā)現(xiàn)知識(shí)的規(guī)律，可以發(fā)掘、積累、創(chuàng)新知識(shí)是素養(yǎng)提升，是第三層次目標(biāo)。教學(xué)的目的就是要讓花朵繁茂，更要讓樹干強(qiáng)壯，根須發(fā)達(dá)，使知識(shí)之樹常青。

第三，課程文化需要發(fā)現(xiàn)、發(fā)掘和總結(jié)。知識(shí)是表層，蘊(yùn)藏于知識(shí)中的認(rèn)識(shí)過程、思維方式、實(shí)踐規(guī)律需要專業(yè)技術(shù)人員去細(xì)致探究，才能有所心得，有所發(fā)現(xiàn)。因此，課程文化建設(shè)是一個(gè)鉆研的過程、探索的過程、積累的過程、歸納總結(jié)的過程。

第四，課程文化建設(shè)依賴于課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)的通力合作。任何文化的力量都源于集體。整個(gè)課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)對(duì)課程文化建設(shè)重要性的共識(shí)，對(duì)課程知識(shí)所蘊(yùn)含思維、邏輯、規(guī)律的共同探究，是課程文化建設(shè)的基礎(chǔ)，也是課程文化建設(shè)的保障。

課程文化建設(shè)成功的標(biāo)志，是學(xué)生通過課程教學(xué)收獲了知識(shí)，多年以后雖知識(shí)逐漸淡化，而支撐這些知識(shí)的思想與方法仍植根在學(xué)生的腦海，使學(xué)生能夠真正成為“具有特定專門技術(shù)知識(shí)的智能型人才”。

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（責(zé)任編輯：王璐）