基于工程教育的土木工程專業(yè)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理課程“線上+線下”教學(xué)改革與實(shí)踐

曹 兵，吳 楨，黃 博，江 莉，楊一振，王昌勝，杜怡韓

（安徽工程大學(xué)建筑工程學(xué)院，安徽蕪湖241000）

混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理（以下簡(jiǎn)稱“該課程”）作為土木工程專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程，對(duì)后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)起著重要的鋪墊作用。國(guó)內(nèi)較多高校開設(shè)了土木工程專業(yè)，針對(duì)該課程的教學(xué)研究取得了較多成果。魏曉剛等[1]、李喆[2]、徐海賓等[3]、夏紅春[4]、薛維培[5]、高忠虎等[6]、汪宏等[7]、曹海等[8]、王晨飛等[9]、王俊等[10]、王可卿等[11]從不同方面對(duì)該課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行了改革探索。該課程主要包含理論教學(xué)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容兩大部分，上述教育學(xué)者也主要從理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)兩方面進(jìn)行了改革探索。除了上述教育學(xué)者對(duì)該課程教學(xué)進(jìn)行了探索外，還有一些教育學(xué)者也進(jìn)行了探索，例如“線上線下”混合教學(xué)，不再一一贅述。

1 教學(xué)改革措施

工程教育專業(yè)認(rèn)證提出了3個(gè)基本理念：成果導(dǎo)向、學(xué)生中心和持續(xù)改進(jìn)[12]。上述理念對(duì)該課程的教學(xué)具有重要的指導(dǎo)作用。同時(shí)，科技和網(wǎng)絡(luò)資源的不斷發(fā)展，給該課程的教學(xué)提供了更多的途徑和方法。為了實(shí)踐基于學(xué)習(xí)產(chǎn)出的教育模式（Outcomes-based Education，OBE），筆者在該課程教學(xué)中進(jìn)行了適合于工程教育專業(yè)認(rèn)證的線上線下教學(xué)模式探索，提出了加強(qiáng)教師隊(duì)伍建設(shè)、全面修訂教學(xué)大綱、改變教學(xué)模式、改變課程評(píng)價(jià)模式、完善課程考核方式等改革措施。

1.1 加強(qiáng)教師隊(duì)伍建設(shè)

教師的理論水平、實(shí)踐能力及教學(xué)能力直接影響教學(xué)質(zhì)量。為了適應(yīng)工程教育認(rèn)證對(duì)該課程教師工程實(shí)踐能力提出的更高要求，安徽工程大學(xué)（以下簡(jiǎn)稱“我?！保┟磕甓家x派教師參加土木工程專業(yè)教學(xué)研討會(huì)和校、院舉辦的各類青年教師基本功大賽、教案比賽等；教師在正式任教該課程前，先擔(dān)任助教工作，并前往專業(yè)實(shí)踐基地開展交流學(xué)習(xí)活動(dòng)，增加工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。目前，為了更好地開展“線上+線下”教學(xué)改革，我校為該課程配置了3位主講教師，3人均具有高級(jí)職稱或博士學(xué)位，都具有教學(xué)競(jìng)賽和工程實(shí)踐經(jīng)歷；3位教師“線上+線下”教學(xué)分工明確，為開展小班教學(xué)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。以下未注明出處者均為我校教學(xué)團(tuán)隊(duì)案例。

1.2 全面修訂教學(xué)大綱

工程教育認(rèn)證強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)學(xué)生的能力。課程教學(xué)大綱是根據(jù)教學(xué)計(jì)劃的要求，規(guī)定課程地位、作用、性質(zhì)、目的和任務(wù)的基本綱要，工程教育認(rèn)證背景下課程教學(xué)大綱要充分體現(xiàn)OBE教育理念。因此，在經(jīng)過充分討論和論證的基礎(chǔ)上，我校對(duì)該課程的教學(xué)大綱進(jìn)行了全面修訂，進(jìn)一步明確了課程目標(biāo)及學(xué)生應(yīng)達(dá)到的能力，課程目標(biāo)對(duì)畢業(yè)要求的支持關(guān)系，課程的教學(xué)內(nèi)容及要求，課程的教學(xué)方法，課程的考核方式及課程達(dá)成度的評(píng)價(jià)方式等。

1.3 改變教學(xué)模式

傳統(tǒng)的教學(xué)模式以教師為中心，教師占主導(dǎo)地位，教師站講臺(tái)采用板書或者PPT進(jìn)行教學(xué)。這種傳統(tǒng)教學(xué)模式，學(xué)生參與度其實(shí)并不高，而且教師教學(xué)手段比較單一，明顯不符合OBE教育理念。因此，在經(jīng)過充分討論和論證的基礎(chǔ)上，我校對(duì)該課程的教學(xué)模式進(jìn)行了改革。

1.3.1 引入翻轉(zhuǎn)課堂

對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行歸類，那些適合翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式的教學(xué)內(nèi)容直接采用翻轉(zhuǎn)課堂模式進(jìn)行教學(xué)。在課前，授課教師課前錄制教學(xué)視頻，設(shè)立問題，安排學(xué)習(xí)任務(wù)等；授課教師將視頻通過智慧課堂（如學(xué)習(xí)通）發(fā)送給學(xué)生端，學(xué)生可下載自主學(xué)習(xí)并完成關(guān)鍵環(huán)節(jié)，教師可進(jìn)行監(jiān)督；學(xué)生針對(duì)相關(guān)問題自主查閱文獻(xiàn)和準(zhǔn)備課堂討論內(nèi)容。在課中，授課教師隨機(jī)將學(xué)生分成若干小組，每組隨機(jī)指定1名負(fù)責(zé)人，各組進(jìn)行討論，然后由各組負(fù)責(zé)人指定一位成員進(jìn)行依次講解，其他組成員對(duì)該組講解內(nèi)容進(jìn)行提問，該組其他未講解成員負(fù)責(zé)回答，授課教師對(duì)各組情況進(jìn)行點(diǎn)評(píng)講解。

1.3.2 引入線上教學(xué)

線上教學(xué)有3種方式：線上直播、慕課、智慧課堂。

線上直播。常用的網(wǎng)絡(luò)直播平臺(tái)有騰訊會(huì)議、B站、虎牙等。我校教學(xué)團(tuán)隊(duì)開展了6次線上直播，其中3次是圍繞混凝土結(jié)構(gòu)基本概念、混凝土結(jié)構(gòu)材料力學(xué)性能、承載能力極限狀態(tài)下5種基本構(gòu)件的設(shè)計(jì)、正常使用狀態(tài)下構(gòu)件的變形驗(yàn)算、預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的設(shè)計(jì)等5個(gè)方面內(nèi)容選取了部分章節(jié)進(jìn)行線上直播教學(xué)，另外安排了3次線上直播互動(dòng)、答疑和輔導(dǎo)。上述直播平臺(tái)均設(shè)置有互動(dòng)模式和直播視頻錄制模式，學(xué)生課中可利用彈幕進(jìn)行提問，教師能夠及時(shí)掌握學(xué)生的薄弱點(diǎn)；學(xué)生課后可以觀看直播視頻回放，對(duì)課上沒理解的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行鞏固。在課堂教學(xué)中適當(dāng)穿插線上直播教學(xué)，能夠有效提高學(xué)生學(xué)習(xí)積極性。

慕課。主要采用國(guó)內(nèi)知名大學(xué)慕課進(jìn)行教學(xué)。該種模式要求學(xué)生發(fā)揮學(xué)習(xí)主動(dòng)性。在課程正式開始前，授課教師要精選2～3門慕課；隨后將選定的慕課地址發(fā)送給學(xué)生并要求學(xué)生在課程過程中利用課前、課后等碎片化時(shí)間進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，同時(shí)要求學(xué)生做好學(xué)習(xí)筆記。

智慧課堂。主要采用智慧教學(xué)軟件進(jìn)行教學(xué)。在課前，教師通過智慧教學(xué)軟件發(fā)布教學(xué)視頻、課程資料、章節(jié)作業(yè)等；在課中，教師通過軟件發(fā)布課堂討論、章節(jié)知識(shí)測(cè)驗(yàn)等內(nèi)容；在課后，教師通過軟件收集和批閱作業(yè)，同時(shí)和學(xué)生互動(dòng)答疑，實(shí)現(xiàn)一對(duì)一輔導(dǎo)。

1.3.3 引入實(shí)物模型和小程序

由于該課程內(nèi)容比較抽象且設(shè)計(jì)沒有唯一性，在課程教學(xué)中適當(dāng)引入實(shí)物模型和小程序?qū)W(xué)生理解抽象概念和設(shè)計(jì)沒有唯一性的原則具有重要作用。例如在“受彎構(gòu)件正截面受彎承載力”章節(jié)中一般會(huì)涉及混凝土保護(hù)層厚度的概念，《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（2015年版）（以下簡(jiǎn)稱“規(guī)范”）中規(guī)定“混凝土保護(hù)層厚度指從最外層鋼筋的外表面到截面邊緣的垂直距離”，講解這個(gè)概念時(shí)必須先讓學(xué)生理解什么是最外層鋼筋。對(duì)于受彎構(gòu)件而言，其內(nèi)部鋼筋較多，主要包括縱向受拉鋼筋、縱向受壓鋼筋、箍筋、構(gòu)造腰筋等，所以必須讓學(xué)生直觀看到上述鋼筋的相對(duì)位置才能進(jìn)一步理解最外層鋼筋的含義?！耙?guī)范”中還涉及縱向鋼筋的錨固、縱向鋼筋的截?cái)嗌斐鲩L(zhǎng)度和延伸長(zhǎng)度、箍筋加密和非加密等抽象概念，為了將抽象概念具體化，授課教師在講解上述抽象概念時(shí)提前準(zhǔn)備了鋼筋骨架實(shí)物模型。

還有，在“受彎構(gòu)件正截面受彎承載力”和“受壓構(gòu)件截面承載力”章節(jié)中常涉及截面設(shè)計(jì)的問題，需要學(xué)生根據(jù)配筋計(jì)算結(jié)果選配縱向受力鋼筋，選配縱向受力鋼筋需要確定鋼筋的直徑和根數(shù)，在講解如何確定鋼筋的直徑和根數(shù)這個(gè)問題時(shí)必須讓學(xué)生先理解“規(guī)范”中對(duì)縱向受力鋼筋間的凈距規(guī)定要求。授課教師在課前利用EXCEL自行設(shè)計(jì)了一個(gè)計(jì)算小程序，課上直接利用該計(jì)算小程序進(jìn)行講解，讓學(xué)生直觀地看到受彎構(gòu)件當(dāng)混凝土保護(hù)層厚度、箍筋直徑、縱向受力鋼筋和截面寬度發(fā)生變化時(shí)，鋼筋的根數(shù)也是在不斷變化的。通過這種方式，學(xué)生對(duì)如何選配縱向受力鋼筋問題的理解則更加深刻。

另外，在講解“承載能力極限狀態(tài)下5種基本構(gòu)件的設(shè)計(jì)”時(shí)，授課教師一直強(qiáng)調(diào)設(shè)計(jì)不唯一性的原則，當(dāng)構(gòu)件的材料強(qiáng)度（或截面尺寸）發(fā)生變化時(shí)，其截面配筋結(jié)果也會(huì)相應(yīng)發(fā)生變化，只要配筋結(jié)果合理即可。因此，授課教師在教學(xué)時(shí)引入了微信小程序混凝土結(jié)構(gòu)工具箱，其中包含了多個(gè)模塊，如彎剪構(gòu)件設(shè)計(jì)及復(fù)核、壓彎構(gòu)件計(jì)算、受扭構(gòu)件計(jì)算等。授課教師和學(xué)生選取其中模塊并輸入構(gòu)件參數(shù)，該程序直接輸出相應(yīng)配筋結(jié)果，如果改變構(gòu)件參數(shù)，其配筋結(jié)果也相應(yīng)發(fā)生改變。通過對(duì)比，學(xué)生能夠深刻理解設(shè)計(jì)沒有唯一性這一原則。

1.3.4 將有限元分析軟件融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)

有限元分析軟件是實(shí)驗(yàn)的重要補(bǔ)充手段，能夠預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)構(gòu)件的承載力及破壞過程，對(duì)指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有重要作用。該課程將有限元分析軟件融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，更好地培養(yǎng)了學(xué)生的動(dòng)手操作能力、自主探究能力和創(chuàng)新精神。如“受彎構(gòu)件正截面受彎破壞實(shí)驗(yàn)”和“斜截面受剪破壞實(shí)驗(yàn)”中，在實(shí)驗(yàn)之前，授課教師先將實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書通過線上平臺(tái)發(fā)布給學(xué)生，要求學(xué)生根據(jù)所學(xué)理論知識(shí)計(jì)算出正截面受彎承載力和斜截面受剪承載力理論值；然后要求學(xué)生利用有限元ABAQUS軟件建立受彎構(gòu)件實(shí)驗(yàn)加載模型并進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，得到正截面受彎承載力和斜截面受剪承載力的有限元值，獲得正截面受彎破壞和斜截面受剪破壞的過程以及兩種受力狀態(tài)下構(gòu)件內(nèi)部鋼筋和混凝土的應(yīng)力分布情況；最后將實(shí)驗(yàn)講解視頻和實(shí)驗(yàn)過程視頻通過線上平臺(tái)發(fā)布給學(xué)生，要求學(xué)生進(jìn)一步掌握實(shí)驗(yàn)原理和方法，利用線上直播平臺(tái)講授有限元ABAQUS分析結(jié)果。圖1為有限元ABAQUS計(jì)算得到的受彎構(gòu)件受彎和受剪破壞時(shí)混凝土和鋼筋的應(yīng)力分布圖。

圖1 混凝土和鋼筋的應(yīng)力分布圖

在實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)，學(xué)生根據(jù)前期分組情況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，完成適筋梁、少筋梁、超筋梁的受彎實(shí)驗(yàn)和剪壓梁、斜拉梁、斜壓梁的受剪實(shí)驗(yàn)。為了再現(xiàn)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景和方便學(xué)生后續(xù)學(xué)習(xí)，利用高清攝像機(jī)拍攝記錄整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程。首先，教師要求學(xué)生自主進(jìn)行實(shí)驗(yàn)構(gòu)件的安裝、應(yīng)變片的粘貼和位移計(jì)的安裝、應(yīng)變片和位移計(jì)的連接、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置等前期準(zhǔn)備工作。其次，教師逐項(xiàng)檢查學(xué)生上述準(zhǔn)備工作是否滿足實(shí)驗(yàn)要求，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)更正。最后，教師要求學(xué)生自主利用實(shí)驗(yàn)控制系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)加載，并時(shí)刻觀察混凝土的裂縫開展情況和試件破壞過程。在實(shí)驗(yàn)之后，除了要求學(xué)生撰寫和提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告外，還要求學(xué)生將各構(gòu)件的承載力理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，以進(jìn)一步理解受彎承載力、受剪承載力理論計(jì)算公式所采取的基本假定，對(duì)比結(jié)果如表1。

表1 各構(gòu)件承載力理論計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值

1.4 改變課程評(píng)價(jià)模式

課程評(píng)價(jià)對(duì)提高教學(xué)質(zhì)量具有重要促進(jìn)作用。傳統(tǒng)的課程評(píng)價(jià)主要為課程結(jié)束后的線下問卷調(diào)查，方式較為單一，無法貫穿整個(gè)教學(xué)過程。我校該課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)果斷改變了該課程的評(píng)價(jià)模式，除了常用的課程結(jié)束后的線下問卷調(diào)查外，還增加了線上問題反饋、線下座談會(huì)等課中評(píng)價(jià)模式。線上問題反饋方式為，學(xué)生通過QQ、微信、智慧課堂等交流平臺(tái)將每次課的意見直接反饋給授課教師，可自主選擇實(shí)名模式和匿名模式，以讓教師及時(shí)了解教學(xué)過程中存在的問題。線下座談會(huì)模式為，教師在教學(xué)過程中適時(shí)召集學(xué)生開展線下座談會(huì)，一般要求不少于3次。通過采取上述課程評(píng)價(jià)模式，教師可以根據(jù)學(xué)生反饋意見及時(shí)改進(jìn)教學(xué)。

1.5 完善課程考核方式

課程考核對(duì)引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)具有重要促進(jìn)作用。傳統(tǒng)的課程考核方式主要是閉卷考試，這種考核方式多偏重理論知識(shí)而忽略了能力的考查，很難滿足工程教育的“工程性”要求。因此，我校該課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步完善了考核方式。首先，改革課程考核成績(jī)構(gòu)成，考核成績(jī)由期末考試成績(jī)、平時(shí)成績(jī)和實(shí)驗(yàn)成績(jī)?nèi)糠謽?gòu)成；其次，重視過程考核，加大平時(shí)成績(jī)和實(shí)驗(yàn)成績(jī)（尤其是實(shí)驗(yàn)操作成績(jī)）的占比，減少期末考試成績(jī)占比；最后，豐富期末考試試卷的試題類型，增加工程案例分析和綜合設(shè)計(jì)類試題。

2 教學(xué)改革的效果

該課程采取上述教學(xué)改革措施后取得了顯著的成效，已經(jīng)順利進(jìn)入學(xué)?！敖鹫n”建設(shè)課程。首先，授課教師工程能力顯著提高，豐富了課程教學(xué)模式，使抽象的概念更加具體化，有效激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)熱情及專業(yè)興趣。其次，學(xué)生能力培養(yǎng)目標(biāo)更加明確，進(jìn)一步拓寬了學(xué)生的專業(yè)視野，提高了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、動(dòng)手操作能力和創(chuàng)新能力，充分發(fā)揮了學(xué)生在教學(xué)中的主體作用，真正體現(xiàn)了“成果導(dǎo)向、學(xué)生中心、持續(xù)改進(jìn)”的理念。最后，通過對(duì)近兩年教學(xué)滿意度問卷調(diào)查分析可知，持續(xù)改進(jìn)的教學(xué)方法得到了學(xué)生的認(rèn)可，學(xué)生滿意率由95.3%提高到98.7%；通過對(duì)近兩年學(xué)生考試成績(jī)分析可知，學(xué)生的考試成績(jī)有較大幅度的提高，卷面平均分由66.21分提高到了72.13分，卷面不及格率由33.33%下降到23.12%。

3 結(jié)語

混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理課程是一門理論與實(shí)踐結(jié)合非常緊密的課程，對(duì)豐富學(xué)生的理論知識(shí)、培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力具有重要作用。為提高該課程的教學(xué)效果，本文主要從教師隊(duì)伍、教學(xué)大綱、教學(xué)模式、課程評(píng)價(jià)模式、課程考核方式等5個(gè)方面進(jìn)行了教學(xué)改革與實(shí)踐，探索了一種“線上”教學(xué)與“線下”教學(xué)良好融合的土木工程專業(yè)人才培養(yǎng)模式。實(shí)踐表明，這種模式有效激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)熱情及專業(yè)興趣，提高了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、動(dòng)手操作能力和創(chuàng)新能力，上述課程教學(xué)改革措施可為其他工程類課程的教學(xué)提供參考。