基于能力導(dǎo)向的荷載與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法課程改革

孫磊

摘 ?要：荷載與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法作為土木工程專業(yè)的必修基礎(chǔ)課程，具有涉及知識(shí)面廣、應(yīng)用性強(qiáng)的特點(diǎn)以及承上啟下的功能。從該課程教學(xué)存在的問題出發(fā)，在教學(xué)模式以及考核評(píng)價(jià)體系等方面進(jìn)行了初步的改革和實(shí)踐，旨在契合應(yīng)用型人才培養(yǎng)需求，強(qiáng)化學(xué)生應(yīng)用能力的培養(yǎng)，促進(jìn)教學(xué)質(zhì)量的提升。

關(guān)鍵詞：荷載與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法;應(yīng)用能力;課程改革

中圖分類號(hào)：G642 ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? 文章編號(hào)：2096-000X（2020）22-0129-04

Abstract： As a compulsory course of civil engineeringspecialty， load and structure design method course has the characteristics of wide range of knowledge， strong applicabilityand link function. In view of the problems existed in the teaching process of the course，this article primarily discussed the teaching reform and practice of the course in the model of teaching and curriculum assessment system in order to accommodate the needs of applied talent， and sharpen students'application ability and promote the teaching quality.

Keywords： Load and Structure Design Method; practica1 ability; curriculum reform

一、概述

在同濟(jì)大學(xué)對(duì)結(jié)構(gòu)工程課程體系改革的基礎(chǔ)上，國(guó)家高等土木工程專業(yè)指導(dǎo)委員會(huì)于2000年正式將荷載與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法（或工程結(jié)構(gòu)荷載與可靠度設(shè)計(jì)原理）列為土木工程專業(yè)必修基礎(chǔ)課程[1]。近十幾年來，眾多高校的土木工程專業(yè)都陸續(xù)在專業(yè)人才培養(yǎng)方案中設(shè)置了該課程，部分高校將課程性質(zhì)逐漸由專業(yè)基礎(chǔ)課發(fā)展為專業(yè)核心課，學(xué)時(shí)也由最初的16個(gè)學(xué)時(shí)增加到現(xiàn)在的30個(gè)學(xué)時(shí)左右，各種教材也是層出不窮[2-4]。相較于課程性質(zhì)、學(xué)時(shí)的改變以及教材的更新，其課程內(nèi)容基本還是一成不變的以同濟(jì)大學(xué)為模板，內(nèi)容上主要包括結(jié)構(gòu)在服役期間可能承受的各種荷載和作用的計(jì)算和統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本概念、結(jié)構(gòu)可靠度原理以及滿足可靠度要求的設(shè)計(jì)方法等，由于該課程涉及了整個(gè)“大土木”工程的各類荷載以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思想方法，其重要性不言而喻[5-6]，但是，在學(xué)時(shí)普遍偏少的情況下，大多側(cè)重于概念、原理以及方法的理論講解，教學(xué)方法上多是以老師課堂機(jī)械式的灌輸為主，與工程實(shí)踐結(jié)合較少，不注重相關(guān)原理的具體應(yīng)用，加之課程內(nèi)容繁雜、枯燥、涉及面廣且規(guī)范性強(qiáng)，導(dǎo)致學(xué)生對(duì)該課程的理解率偏低，學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性普遍不高[7]。顯然，傳統(tǒng)的荷載與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法的教學(xué)模式已經(jīng)無法適應(yīng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要和滿足國(guó)家對(duì)應(yīng)用型土木工程專業(yè)人才培養(yǎng)的要求，唯有通過不斷的改革創(chuàng)新和實(shí)踐才能最終實(shí)現(xiàn)應(yīng)用型專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)[8]。

通過對(duì)2012級(jí)和2013級(jí)土木工程專業(yè)荷載與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法課程的教學(xué)情況進(jìn)行梳理，包括選用的教材、教學(xué)大綱及教案的編制、教學(xué)計(jì)劃的安排以及課程的考核情況等，主要存在以下幾個(gè)方面的問題：

1. 選用的教材質(zhì)量較差，圖表的序號(hào)，部分例題的解答過程等存在許多錯(cuò)誤，一些內(nèi)容完全照搬老的規(guī)范或其他一些經(jīng)典教材的內(nèi)容，在個(gè)別章節(jié)的標(biāo)題和內(nèi)容順序上略作調(diào)整，比如將水壓力、凍脹力等內(nèi)容由側(cè)壓力章節(jié)調(diào)整到其他作用章節(jié)中，教材中完全沒有體現(xiàn)一些最新的關(guān)于土木工程荷載計(jì)算分析以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法的研究成果和案例。

2. 教學(xué)大綱和教案的編制完全是對(duì)教材的復(fù)制，任課老師僅憑個(gè)人經(jīng)驗(yàn)設(shè)定教學(xué)的目標(biāo)和選擇教學(xué)的內(nèi)容，所謂的難點(diǎn)和重點(diǎn)又太過籠統(tǒng)，完全獨(dú)立于整個(gè)人才培養(yǎng)的課程體系之外，沒有明確該課程究竟支撐哪一項(xiàng)或幾項(xiàng)畢業(yè)要求的達(dá)成和人才培養(yǎng)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

3. 教學(xué)計(jì)劃的制定不合理且缺乏科學(xué)的依據(jù)，該課程共計(jì)32個(gè)課時(shí)，結(jié)果把超過三分之二的課時(shí)都用于荷載的計(jì)算及其作用分析方面，顯然無法保證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法相關(guān)內(nèi)容的講解。此外在教學(xué)計(jì)劃的具體實(shí)施過程中還存在不嚴(yán)格執(zhí)行任意調(diào)整的情況，把大量的時(shí)間耗費(fèi)在一些細(xì)枝末節(jié)上面，遇到一些節(jié)假日或是學(xué)校運(yùn)動(dòng)會(huì)等不是想辦法補(bǔ)課而是進(jìn)一步壓縮內(nèi)容，這些顯然都會(huì)影響學(xué)生對(duì)該門課程的學(xué)習(xí)和掌握。

4. 通過一些聽課記錄以及學(xué)生反饋情況發(fā)現(xiàn)在教學(xué)過程中任課老師基本上是對(duì)照ppt課件滿堂灌，與學(xué)生可以說是零互動(dòng)，習(xí)慣性的講解一些自己認(rèn)為比較重要且熟悉的內(nèi)容，選取的一些案例都是比較陳舊的且缺乏個(gè)人的理解和分析，對(duì)一些自己不熟悉的內(nèi)容就輕描淡寫的帶過，甚至直接跟學(xué)生說考試不考所以不講，可以說是極不負(fù)責(zé)任的表現(xiàn)。

5. 關(guān)于課程考核，通過對(duì)試卷的分析可以看出，超過70%的試卷題目都是考查學(xué)生記憶力的，部分計(jì)算題還都是學(xué)生做過的課堂練習(xí)或課后作業(yè)，可以說毫無應(yīng)用能力的體現(xiàn)，由于學(xué)生作業(yè)抄襲問題比較嚴(yán)重導(dǎo)致任課老師對(duì)學(xué)生作業(yè)的批改完全憑學(xué)生的字體的好壞和字?jǐn)?shù)的多少，所謂的平時(shí)表現(xiàn)也僅憑任課老師的主觀判斷，缺乏支撐材料?？梢哉f整個(gè)課程的評(píng)價(jià)基本上是流于形式，可是即便如此，卷面成績(jī)不及格率仍然高達(dá)近40%。

除了上述一系列顯性問題之外，荷載與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法課程還存在一些隱性問題，即影響一些后續(xù)課程教學(xué)開展。鑒于荷載與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法課程的重要性以及教學(xué)過程中面臨的上述諸多困境，作者對(duì)該課程進(jìn)行了一系列的改革和實(shí)踐，取得了一定的成效。

二、自編教材并結(jié)合最新規(guī)范，合理安排學(xué)時(shí)

土木工程專業(yè)相關(guān)專業(yè)課程的一個(gè)顯著的特點(diǎn)是與專業(yè)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)系緊密，因此，在專業(yè)課程的教學(xué)過程中不能僅僅依賴教材進(jìn)行講解，必須要將最新的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)融入教學(xué)過程中，荷載與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法這門專業(yè)基礎(chǔ)課程，用到的規(guī)范主要包括建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范、公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范、混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范、公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范以及水工建筑物荷載設(shè)計(jì)規(guī)范等，涉及不同的專業(yè)方向。因此，需要針對(duì)不同的專業(yè)方向選擇對(duì)應(yīng)的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。作者所在高校土木工程專業(yè)目前主要開設(shè)工業(yè)與民用建筑工程專業(yè)方向，荷載與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法課程的教學(xué)主要采用教材結(jié)合建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范和建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的方式進(jìn)行。與專業(yè)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)由國(guó)家和行業(yè)統(tǒng)一制定不同，專業(yè)教材則種類繁多，大多都是由部分重點(diǎn)高等院校的專家教授編寫，內(nèi)容質(zhì)量參差不齊，許多經(jīng)典教材沒有及時(shí)對(duì)涉及到的相關(guān)專業(yè)規(guī)范和規(guī)程等進(jìn)行更新，授課老師如果在講授相關(guān)內(nèi)容時(shí)不加以注意則可能會(huì)誤導(dǎo)學(xué)生。在目前普遍缺乏與應(yīng)用型專業(yè)人才培養(yǎng)相適應(yīng)的應(yīng)用型教材的情況下，結(jié)合之前教材的使用情況，從14級(jí)開始采用自編的教材，自編教材中的主要內(nèi)容都是基于對(duì)現(xiàn)有經(jīng)典教材內(nèi)容的整理和歸納，對(duì)涉及到規(guī)范的內(nèi)容全部采用最新的規(guī)范進(jìn)行更新，此外，考慮到荷載與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法這門課程涉及到線性代數(shù)、概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)、材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)以及土力學(xué)等先修課程，在自編教材中對(duì)每一章節(jié)會(huì)涉及到哪些先修課程的內(nèi)容都進(jìn)行了說明，并提供具體的案例?？傊跃幗滩木褪且M量符合應(yīng)用型人才培養(yǎng)的需求，體現(xiàn)對(duì)學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)。具體在課時(shí)安排上仍然采用之前的方式，安排1-16周，每周2個(gè)課時(shí)共計(jì)32個(gè)課時(shí)。具體授課內(nèi)容安排如表1所示：

三、去繁從簡(jiǎn)，重構(gòu)教學(xué)內(nèi)容

在“大土木”工程背景下，現(xiàn)有的《荷載與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法》的教材在內(nèi)容上都是盡可能的顧及不同的專業(yè)方向，內(nèi)容“全而不精”是當(dāng)前教材的普通特點(diǎn)，也是導(dǎo)致教師（尤其是青年教師）在授課過程中對(duì)內(nèi)容的難點(diǎn)和重點(diǎn)把握不準(zhǔn)，加之缺乏案例的講解，從而照本宣科現(xiàn)象普遍，學(xué)生學(xué)習(xí)積極性低甚至厭學(xué)。針對(duì)這些現(xiàn)象，必須從教材內(nèi)容的精簡(jiǎn)和重構(gòu)入手，首先重視課程緒論的內(nèi)容，要融入一些真實(shí)的案例讓學(xué)生切實(shí)感受到該課程的重要性，例如臺(tái)風(fēng)、地震等自然災(zāi)害引發(fā)的建筑結(jié)構(gòu)破壞等。其次，按照建筑工程專業(yè)方向安排荷載部分的授課內(nèi)容，重點(diǎn)放在建筑結(jié)構(gòu)及構(gòu)件的自重（恒荷載）以及樓屋面的活荷載、雪荷載、風(fēng)荷載以及基礎(chǔ)的土壓力的計(jì)算和取值（代表值和設(shè)計(jì)值）方面，同時(shí)要對(duì)荷載如何布置在建筑結(jié)構(gòu)上做重點(diǎn)的講解，目前對(duì)荷載的講解大多都是介紹如何計(jì)算而忽略其如何布置，能夠?qū)⒑奢d合理的布置在結(jié)構(gòu)上本身就是一種實(shí)踐能力的體現(xiàn)，重理論而輕實(shí)踐是導(dǎo)致許多同學(xué)在進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)計(jì)算尤其是運(yùn)用BIM軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)模型建好了卻不知道如何布置荷載的根源所在。最后，對(duì)于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，重點(diǎn)關(guān)注結(jié)構(gòu)抗力、結(jié)構(gòu)可靠度以及概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法等內(nèi)容，比如結(jié)構(gòu)抗力主要精力放在建筑材料（如混凝土、鋼筋）強(qiáng)度設(shè)計(jì)值的取值上，即應(yīng)用上，而不應(yīng)過多的關(guān)注其是如何統(tǒng)計(jì)的，理論如何推導(dǎo)的，結(jié)構(gòu)可靠度的計(jì)算和基于分項(xiàng)系數(shù)表達(dá)式的概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法亦是如此，在學(xué)生數(shù)學(xué)功底尤其是概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)知識(shí)普遍不足的情況下，過分的理論講解（如來龍去脈、構(gòu)成學(xué)派等等）只能適得其反，重點(diǎn)還是在于理論如何為實(shí)踐服務(wù)，就如大部分設(shè)計(jì)人員或施工人員只需要按照規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行建筑設(shè)計(jì)和施工，而不需要去深究規(guī)范里的一些經(jīng)驗(yàn)公式、相關(guān)系數(shù)是如何取得的一樣。

荷載與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法課程與其先修和后修課程在一些教學(xué)內(nèi)容上還存在重疊的情況，比如其中的土的自重應(yīng)力和側(cè)壓力部分實(shí)際上在先修的土力學(xué)課程中就已經(jīng)進(jìn)行了專門的講授，地震作用和概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法等內(nèi)容則在后修的土木工程結(jié)構(gòu)抗震課程和混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理、鋼結(jié)構(gòu)以及高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等課程均有涉及。因此，對(duì)這些重疊的內(nèi)容必須進(jìn)行優(yōu)化，涉及到先修的課程內(nèi)容主要結(jié)合具體的工程實(shí)例以復(fù)習(xí)鞏固和實(shí)際應(yīng)用為主，支撐后續(xù)課程學(xué)習(xí)的內(nèi)容則應(yīng)當(dāng)從更加宏觀的方面入手，通過融入一些簡(jiǎn)單的案例突出重要的概念、原理的理解以及方法的掌握。

四、革新教學(xué)模式

《荷載與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法》前后涉及如概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)、靜動(dòng)力學(xué)以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（混凝土、鋼結(jié)構(gòu)、砌體結(jié)構(gòu)）等諸多知識(shí)點(diǎn)，如何上好這門課程現(xiàn)已成為青年教師面臨的一項(xiàng)嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。為此，許多學(xué)者對(duì)教學(xué)方法提出了不同的意見和建議[3，4，8]，摒棄傳統(tǒng)的以“老師”為中心，老師“教”為主的方式，改為以“學(xué)生”為中心，以學(xué)生“學(xué)”為主的教育方式是當(dāng)前教學(xué)方式改革的共識(shí)。案例教學(xué)法以其工程真實(shí)性、多元啟發(fā)性和知識(shí)遷移性等方面的特點(diǎn)在土木工程相關(guān)專業(yè)課程教學(xué)過程中被廣泛采用[9]。從地方本科高校土木工程專業(yè)學(xué)生的學(xué)習(xí)特點(diǎn)及接受能力出發(fā)，結(jié)合建筑工程案例和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)以及以往的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，借助多媒體信息平臺(tái)，初步構(gòu)建了基于建筑工程案例的荷載與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法課程教學(xué)模式。比如在講解側(cè)壓力時(shí)，首先展示上海蓮花河畔景苑建筑倒塌前的相關(guān)圖片，提供周邊環(huán)境、地質(zhì)情況、基礎(chǔ)形式、施工過程以及天氣狀況等工程背景資料，再給出上海蓮花河畔景苑建筑倒塌后的現(xiàn)場(chǎng)圖片，讓學(xué)生分組討論和思考房屋為什么會(huì)倒塌，在學(xué)生探究的基礎(chǔ)上結(jié)合教師引導(dǎo)，將土的自重應(yīng)力、側(cè)壓力、承載力以及預(yù)應(yīng)力管樁水平承載力等知識(shí)點(diǎn)引入和回顧。最后層層剖析導(dǎo)致建筑倒塌的主要因素并提出對(duì)應(yīng)的解決措施，培養(yǎng)學(xué)生全面思考問題和解決問題的能力;在講解建筑結(jié)構(gòu)的恒載和活荷載時(shí)則結(jié)合學(xué)生上課所在的教室結(jié)構(gòu)按照荷載傳遞路徑（樓屋面活荷載→板→梁或墻→柱或基礎(chǔ)）進(jìn)行逐一講解。對(duì)于風(fēng)荷載、地震作用以及其他作用的講解則注重與臺(tái)風(fēng)、地震以及地基變形等引發(fā)的工程事故聯(lián)系起來，比如通過汶川地震中一些建筑結(jié)構(gòu)破壞的圖片和視頻介紹結(jié)合學(xué)生的討論，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)于地震作用的認(rèn)識(shí)，在今后的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中提高抗震設(shè)防的意識(shí);通過房屋墻體表面不同類型的裂縫形式和擴(kuò)展情況引出地基變形問題進(jìn)而擴(kuò)展到道路以及基坑等工程當(dāng)中并引發(fā)學(xué)生思考如何控制地基的變形問題。目前關(guān)于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，尤其是概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法的講解，主要還是結(jié)合規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)涉及到的混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范、工程結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)和建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)等進(jìn)行必要的介紹并讓學(xué)生到圖書館借閱，結(jié)合簡(jiǎn)單的工程實(shí)例重點(diǎn)訓(xùn)練學(xué)生如何理解并使用規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。

五、優(yōu)化課程考核評(píng)價(jià)體系

在對(duì)荷載與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法課程教學(xué)內(nèi)容以及教學(xué)模式改革的同時(shí)，也對(duì)課程的考核評(píng)價(jià)體系進(jìn)行一定的優(yōu)化，原則上還是按照“期末閉卷考試成績(jī)（70%）+平時(shí)成績(jī)（30%）”方式對(duì)學(xué)生該門課程的成績(jī)進(jìn)行評(píng)定，但是在試卷的內(nèi)容上以及平時(shí)成績(jī)的構(gòu)成方面做了一定的調(diào)整，考試內(nèi)容更加注重學(xué)生對(duì)知識(shí)理解、掌握和應(yīng)用能力的考核，比如通過一個(gè)工程事故案例讓學(xué)生運(yùn)用所學(xué)的知識(shí)解釋事故發(fā)生的原因并提出相應(yīng)的解決方案。

平時(shí)成績(jī)的構(gòu)成上，在平時(shí)點(diǎn)名和作業(yè)的基礎(chǔ)上增加自選考核項(xiàng)，包括課堂上針對(duì)某一具體工程案例的討論情況以及課后根據(jù)一套完整的建筑圖紙完成從荷載統(tǒng)計(jì)到最終荷載組合計(jì)算整個(gè)流程的大作業(yè)完成情況，從多個(gè)角度考查學(xué)生對(duì)該門課程的掌握程度。

六、結(jié)束語

荷載與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法課程的教學(xué)改革是整個(gè)土木工程專業(yè)教學(xué)改革的重要組成部分，是培養(yǎng)適應(yīng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及國(guó)家需求的應(yīng)用型土木工程專業(yè)的必然要求。本文從當(dāng)前荷載與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法課程在教學(xué)過程中存在的問題出發(fā)，從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式以及考核方式對(duì)該課程進(jìn)行了初步的改革和實(shí)踐，取得了一定的成效，課程考試的卷面不及格率較以往有了明顯的降低，基本上維持在20%以下，后續(xù)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、高層建筑結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì)以及畢業(yè)設(shè)計(jì)質(zhì)量明顯提升，首次參加了第十三屆全國(guó)大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽安徽分區(qū)賽暨第三屆安徽省大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽，兩支隊(duì)伍分獲二等獎(jiǎng)和三等獎(jiǎng)、實(shí)現(xiàn)歷史性突破等，都進(jìn)一步印證了實(shí)施荷載與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法課程改革所取得的成效。但隨著科技的不斷進(jìn)步和社會(huì)的不斷發(fā)展，課程改革仍面臨諸多新的困難和挑戰(zhàn)，如何將當(dāng)下盛行的BIM信息化技術(shù)、裝配式建筑以及大數(shù)據(jù)等融合到荷載與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法今后的教學(xué)改革過程中仍需要進(jìn)一步的探索和實(shí)踐。

參考文獻(xiàn)：

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