混凝土結構設計原理多元式教學的探索與實踐

王小娟　周宏元　張廣才　石南南

摘? 要：《混凝土結構設計原理》是土木工程專業(yè)一門重要的專業(yè)基礎課，其知識面廣及實踐性強的特點，導致傳統(tǒng)的教學方法效果欠佳。文章結合此課程特點進行了多元式教學的積極探索與實踐，采用小組討論+學生授課、科研活動+學術競賽、工程案例+施工現(xiàn)場、虛擬仿真實驗教學技術，形成了課堂+實驗室+工地的三位一體的多元式教學方法，取得了良好的效果，同時也為本課程教學改革提供一定的參考。

關鍵詞：混凝土結構設計原理;多元式;教學方法;虛擬仿真實驗教學

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2019）16-0086-04

Abstract： The Principles of Concrete Structure Design is an important professional basic course for civil engineering specialty， due to its characteristics of extensive knowledge and strong practicality， effective teaching is difficult with traditional teaching method. Based on the characteristics of the course， the author has actively explored and practiced the multivariate teaching， effectively incorporating group discussion + student teaching， scientific research activities + academic contest， engineering project case + construction site， with the new technology of virtual simulation experiment teaching. The multivariate teaching method has achieved good results and also provided a reference for education reformation.

Keywords： design principle of concrete structure; multivariate; teaching method; virtual simulation experiment teaching

一、概述

“智慧城市”、“海綿城市”、“新型城鎮(zhèn)化”等社會經(jīng)濟發(fā)展需求指明了土木行業(yè)迫切需要高素質的工程人才[1]。高校作為連接學生和社會的橋梁，應勇于為社會培養(yǎng)出與我國的時代發(fā)展需求相適應、能夠解決復雜工程問題的應用型創(chuàng)新人才。

混凝土結構因其造價低、耐久性好、耐火性好等優(yōu)點，是土木工程常用的結構類型。北京工業(yè)大學土木工程專業(yè)培養(yǎng)“高層次技術人才”的目標要求學生擁有扎實的專業(yè)基礎，而《混凝土結構設計原理》作為一門重要的專業(yè)基礎課，積極開展教學探索與實踐工作有益于高素質創(chuàng)新人才的培養(yǎng)。

目前《混凝土結構設計原理》課程多采用課堂講解、課下作業(yè)、期末考試的傳統(tǒng)教學方法。但實踐證明，傳統(tǒng)方法無法有效激發(fā)學生的積極性和自主性，填鴨式的滿堂灌不利于應用型創(chuàng)新人才培養(yǎng)。傳統(tǒng)教學極易導致老師難教、學生難學的“兩難”局面。為解決這一困境，作者分別從該課程的特點、目前的教學困境、教學方法探索思路等方面進行了分析，并開展了多元式教學的積極探索與實踐。

二、課程特點及教學困境

（一）課程特點

為更好地了解課程基本情況，作者在北京工大學建筑工程學院授課班級60名學生中進行了問卷調查，共發(fā)放問卷60份，回收50份。調查結果表明：有98%的學生認為該課程十分重要，原因如圖1，但有96%的學生認為該課程學習困難，原因如圖2。

絕大部分學生普遍認為，無論從事房地產(chǎn)開發(fā)、結構設計及工程施工等工作，還是繼續(xù)深造，都需要掌握或理解本課程知識。但由于本課程綜合性強、實踐性強、原理抽象、公式復雜、實驗多等特點，雖然學生非常重視本課程，也付出了較多學習時間，但不及格現(xiàn)象仍然很多，學生稱其為最容易掛科課程之一。

（二）傳統(tǒng)的教學方法困境

目前，土木行業(yè)蓬勃發(fā)展，新一代信息技術、高性能智能材料、新施工工藝不斷涌現(xiàn)，然而，高校使用教材普遍滯后，授課材料更新緩慢，而且教學課時有限，教師沒有多余的時間給學生擴展土木行業(yè)新進展。并且傳統(tǒng)的課堂講授知識、學生課下做習題的學習方式使學生感覺本課程內容枯燥無味，抽象難懂，缺乏邏輯性。教師在“黑板加粉筆”的教學中，較容易產(chǎn)生“照本宣科”現(xiàn)象，使理論教學嚴重偏離工程實踐，學生只能被動地接受知識，缺少獨立思考的機會，長期以往，則只會模仿課本例題完成作業(yè)，無法鍛煉學生發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力。雖然多媒體技術在教學中的應用，減少了教師在黑板上的書寫，增加了圖片視頻等內容，但是，由于幻燈片放映速度較快，學生沒有記錄幻燈片內容的時間，且不易分清哪里是重點，這導致學生對幻燈片展示的內容印象較淺，難以培養(yǎng)學生對本課程自主研究的興趣。為了培養(yǎng)出既懂得一定的混凝土結構設計理論，又擁有良好的工程實踐能力，全面發(fā)展的高素質人才，傳統(tǒng)的單一教學方法急需改進。

三、多元式教學的探索與實踐

（一）多元式教學的探索思路

為了改進傳統(tǒng)的教學方法，首先，教師應轉變主人公的觀念，在課堂教學中樹立“學生為主體，教師為主導”的教學理念，使學生成為課堂的主人;其次，教師應針對授課對象的變化與時俱進的設計課程，現(xiàn)在大學已經(jīng)開始進入“00后時代”，教學對象有了許多新的特點，他們思維活躍，有著強烈的求知欲、表達欲和創(chuàng)造力，渴望更主動地學習。其次，隨著時代的發(fā)展，虛擬仿真實驗教學因其具有智能化、互動式、開放性的特點，能夠完成土木工程實驗教學不具備或不能完成的教學功能。某種意義上，《混凝土結構設計原理》課程教學確實需要進行一次“供給側改革”。基于以上思路，作者進行了多元式教學的實踐探討。

（二）多元式教學的實踐

怎樣在有限課時里使學生聽得懂、學得會、能應用，是本課程教學中一個需要解決的重要問題。課堂調查問卷表明92%的學生對目前的教學方法不滿意，希望采用新的教學方法，提出的方法如圖3。

作者通過綜合運用小組討論+學生授課、科研活動+學術競賽、工程案例+施工現(xiàn)場、虛擬仿真實驗教學新技術等方法，課程教學取得了令人滿意的結果。下面，筆者分別介紹這幾種方法。

1. 小組討論+學生授課

相對于教師課堂講授，小組討論更能活躍課堂氣氛，提高學生的自主研究學習能力。如果將課堂小組討論的方法應用在本課程教學中，學生會更積極地融入課堂，增加對課程的學習興趣。在本課程中，針對較難理解和開放式答案的問題開展學生小組討論，例如，建筑結構構件有哪幾種類型？鋼筋和混凝土共同工作的原因有哪些？常見的受拉、受壓、受彎構件有哪些？小組討論的方法非常適用于此課程。

學生授課又稱翻轉課堂，如圖4，它不同于傳統(tǒng)的教師講、學生聽的課堂模式，這種教學方法正在被越來越多的使用。根據(jù)課堂討論的結果，每組制作幻燈片進行講解，這樣能充分地調動起學生學習的自主性，訓練團隊合作能力與研究性思維。從學生的反饋來看，小組討論+學生授課的教學方法，實現(xiàn)了非常好的教學效果。

2. 科研活動+學術競賽

高素質應用型創(chuàng)新人才不僅要求學生有扎實的知識基礎，還需具備較強的動手能力和一定的學術水平，但這些綜合素質僅靠單一的課堂是獲得不了的?；谕聊竟こ虒I(yè)實踐性強的特點，作者在日常教學中十分鼓勵學生參加與本專業(yè)相關的大學生科研活動和學術競賽。作者班級有近一半的學生參加過全國結構設計大賽、全國大學生混凝土材料設計大賽、全國大學生節(jié)能減排社會實踐與科技競賽、北京工業(yè)大學結構設計大賽、北京工業(yè)大學大學生星火科技基金等各種類型的學術競賽，圖5為正在參與學術競賽的學生。學生通過在比賽中實踐過程，把課堂上所學理論知識結合起來，培養(yǎng)創(chuàng)新能力。

作者在教學中積極鼓勵和引導學生參與國家自然科學基金等高水平科研項目中。本科學生在科研中雖然發(fā)揮不了關鍵作用，但以問題為導向，通過查閱文獻、動手制作試件、操作設備、設計實驗、貼應變片等工作，不僅會加深對本專業(yè)前沿知識的了解，而且能夠提高學生的工程實踐與科研能力。

通過引導學生積極參加本專業(yè)的各種科研活動和學術競賽，實現(xiàn)教研融合，“理論、實驗、自主研究型學習一體化”，提高了學生的動手能力、應用能力和創(chuàng)新能力。作者明顯感覺到學生有更扎實的專業(yè)知識，更多的學習自主性。

3. 工程案例+施工現(xiàn)場

本課程與實際工程密切相關，非常適合工程案例教學，工程案例教學使學生身臨其境地感受到實際工程的復雜性和挑戰(zhàn)性。在本課程教學中，教師可以和學生討論一些典型工程案例，如上海市閔行區(qū)蓮花南路倒樓事故和汶川地震樓房破壞情況，透過鋼筋混凝土梁板柱的破壞形式，分析原因的同時就可以加深對鋼筋、混凝土材料的性能，構件受力狀態(tài)、“強柱弱梁、強剪弱彎”的設計原理等知識的理解。同時通過一些不合理設計導致結構破壞的案例來探討哪些重要設計因素是不可忽視的。工程案例討論可以增強學生的工程意識，使學生明白結構設計與施工不是胡來，而是依據(jù)規(guī)范和專業(yè)知識。

目前，很多高校重理論、輕實踐，未對施工實習給予足夠重視，造成學生上完本課程后，依然對本課程重要結構構件似懂非懂。構件的截面配筋設計是本課程的重點內容，公式計算并不難，但很多學生并不清楚計算出的截面配筋如何在工程中實現(xiàn)[3]，主要原因是學生缺乏對現(xiàn)場施工的了解，在工地現(xiàn)場學習的機會太少。針對這一現(xiàn)象，教學中作者特別重視課堂講授和施工現(xiàn)場實習相互配合。在北工大-中建八局產(chǎn)學研合作基地以及中鐵建設集團聯(lián)合培養(yǎng)基地，作者以實際工程為載體，講解課本知識如何轉化為實際工程應用，特別是鋼筋截斷綁扎、混凝土澆筑等實際構件制作或澆筑施工問題。圖6為學生在施工現(xiàn)場學習。

4. 虛實結合的實驗教學

混凝土結構設計依據(jù)大部分是通過實驗得到的，為了使學生更深入理解本課程內容，應重視實驗教學。但是，傳統(tǒng)土木工程實驗教學存在諸多問題，主要包括：（1）設備體量大、實驗成本高，特別是某些復雜實驗周期長、危險性高，本科生不能深度參與;（2）北工大土木工程專業(yè)學生較多，設備、場地、教師等都很難滿足實驗教學的需要;（3）混凝土試件澆筑資源消耗大，模擬多種工況下實驗成本高，因各種條件限制，學生難以親手操作。

隨著信息技術的高速發(fā)展，土木工程虛擬仿真實驗教學成為改進傳統(tǒng)實踐教學新方法。它有以下特點：（1）虛擬仿真實驗可以立體的展示出實驗的設計、制作、操作的全過程;（2）學生與計算機交互，這種新穎形式能夠增強學生學習的興趣;（3）土木工程虛擬仿真實驗可以實現(xiàn)多參數(shù)、多次重復模擬實驗，解決傳統(tǒng)實驗無法完成的復雜工程問題;（4）土木工程虛擬仿真實驗教學符合學生網(wǎng)絡化、信息化學習方式的轉變，而且可以實現(xiàn)資源共享。

土木工程虛擬仿真實驗教學是實驗教學的必然發(fā)展方向，作者依托北京工業(yè)大學國家級土木工程實驗教學中心和國家級虛擬仿真實驗教學中心，堅持“虛實結合、相互補充、注意綜合、追求創(chuàng)新”的原則[4]，在實驗教學中，綜合使用虛實兩種方法，揚長避短，將虛擬仿真實驗融入課程各個環(huán)節(jié)，幫助學生理解實驗現(xiàn)象、背后的原理以及注意事項，方便以后的動手操作。圖7為學生在使用虛擬仿真設備。

以鋼筋混凝土簡支梁正截面實驗為例，如圖8，解釋虛擬仿真實驗和傳統(tǒng)實踐教學相結合教學的過程。首先，組織學生觀看虛擬仿真實驗，使用虛擬仿真軟件或設備，了解真實實驗的流程和注意事項，理解混凝土和鋼筋的本構關系、混凝土和鋼筋共同工作的原因、鋼筋混凝土梁的制作過程、鋼筋混凝土簡支梁正截面的破壞現(xiàn)象等;然后，學生去實驗室動手操作，安裝試件、讀取位移計、觀察裂縫等;最后，改變虛擬仿真實驗參數(shù)，得到不同工況下的實驗結果，比如，不同截面尺寸、構件長度、配筋率、外荷載下鋼筋混凝土簡支梁正截面破壞形態(tài)。虛實結合的實驗教學方法，使學生既能學習理論知識，又能親身實踐，應該被推廣到更多的高校使用。

目前，虛擬仿真實驗教學資源比較有限，需要更多的人力和資金進行建設。通過自主研發(fā)、校企合作、產(chǎn)學研結合，建設出更加先進的虛擬仿真實驗教學平臺和更加完善的實驗教學體系，受益于更多的學生。

作者采用多元式教學方法后，學生課上不聽講、作業(yè)抄襲、考試不及格現(xiàn)象明顯減少，學生的成績平均分達到76.6，比專業(yè)均分高4.4;期末考試不及格率為19.3%，比專業(yè)平均不及格率低8.5%。從評教情況來看，學生對本課程的滿意度達到了96%，多元式教學取得了明顯的效果。

四、結束語

作者采用小組討論+學生授課、科研活動+學術競賽、工程案例+施工現(xiàn)場、虛擬仿真實驗教學新技術，形成了課堂教學+實驗室教學+工地現(xiàn)場教學三位一體的多元式教學方法，該方法取得的成果如下：

1. 小組討論+學生授課，在一定程度上實現(xiàn)了“學生是主體，教師是主導”的教學理念，增加了學生的課堂積極性和自主學習能力。

2. 科研活動+學術競賽，拓展了學生的專業(yè)知識和學術素養(yǎng)，研究型學習增強了學生的創(chuàng)新能力。

3. 工程案例+施工現(xiàn)場，加強了學生的工程概念和工程實踐能力。

4. 虛實結合的實驗教學方法，增強了學生學習的興趣，有助于培養(yǎng)“知其然，知其所以然”的工程應用型創(chuàng)新人才。

參考文獻：

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[4]李炎鋒，杜修立.土木類專業(yè)建設虛擬仿真實驗教學中心的探索與實踐[J].中國大學教育，2014，9：82-85.