基于“PBL 與LBL 相融合教學(xué)法”的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理課程建設(shè)
——以預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)為例

李 鑫，張鋒春，康玉梅

（東北大學(xué) 資源與土木工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110819）

教學(xué)工作是高等院校的核心，是高校培養(yǎng)人才的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[1]。課程建設(shè)是高校教學(xué)工作的基礎(chǔ)，是高校教學(xué)質(zhì)量的保障，同時(shí)更是高校教學(xué)改革的重點(diǎn)及難點(diǎn)工作[2]。高等院校土木工程專業(yè)的教學(xué)模式對(duì)學(xué)生課堂學(xué)習(xí)的效果有著重要的影響，因此，應(yīng)該針對(duì)學(xué)生的成長(zhǎng)成才和知識(shí)學(xué)習(xí)能力的提高，大力推進(jìn)高校教學(xué)模式改革，著力提升教學(xué)效果，培養(yǎng)更多的卓越土木工程領(lǐng)域人才[3]。土木工程專業(yè)具有知識(shí)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、實(shí)踐性強(qiáng)等特點(diǎn)，傳統(tǒng)的教育模式已經(jīng)不能充分滿足該專業(yè)領(lǐng)域人才的需求[4]。根據(jù)土木工程專業(yè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理課程的特點(diǎn)、結(jié)合傳統(tǒng)課堂教學(xué)方法（以授課為基礎(chǔ)的教學(xué)法——LBL）和以問(wèn)題（或項(xiàng)目）為基礎(chǔ)的教學(xué)法（PBL）的優(yōu)缺點(diǎn)，本文將PBL 和LBL 相融合運(yùn)用在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理課程（以預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)為例）的教學(xué)中，為進(jìn)一步提高土木工程專業(yè)的教學(xué)質(zhì)量、深化課程教學(xué)改革提供參考。

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

1.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理課程是土木工程專業(yè)一門重要的專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課，其在性質(zhì)上與材料力學(xué)課程有相似之處，但有較多不同。材料力學(xué)課程的主要研究對(duì)象是單一、連續(xù)、勻質(zhì)和彈性（或理想彈塑性）材料的構(gòu)件，而結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理課程的研究對(duì)象為工程結(jié)構(gòu)的構(gòu)件。而工程結(jié)構(gòu)的某些材料（如混凝土）不是材料力學(xué)課程中研究的勻質(zhì)、彈性和連續(xù)的材料，能直接應(yīng)用材料力學(xué)公式的情況并不多。但是，材料力學(xué)課程中通過(guò)平衡關(guān)系、物理?xiàng)l件和幾何條件建立基本方程的方法，對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理課程是適用的，而在基本方程的建立上需要考慮工程結(jié)構(gòu)材料性能的特點(diǎn)。

2.構(gòu)件的某些計(jì)算公式是根據(jù)理論分析及試驗(yàn)研究得到的半理論半經(jīng)驗(yàn)公式。學(xué)習(xí)過(guò)程中很多公式的建立不一定都經(jīng)過(guò)嚴(yán)密的推導(dǎo)，要使學(xué)生理解公式的本質(zhì)，注意其使用條件及適用范圍，而不是死記硬背公式。

3.課程的多方案性和試算性。對(duì)于構(gòu)件的設(shè)計(jì)，不僅是構(gòu)件承載力、變形等的計(jì)算，在確定的材料和荷載作用下，即使截面形式相同，構(gòu)件的截面尺寸和截面布置也不是唯一的。結(jié)果是否滿足要求，主要取決于是否滿足設(shè)計(jì)規(guī)范的相關(guān)要求，并且要考慮施工可行性和經(jīng)濟(jì)性等方面的要求。

4.課程實(shí)踐性較強(qiáng)，要學(xué)會(huì)應(yīng)用設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行構(gòu)件設(shè)計(jì)。在掌握基本構(gòu)件受力性能基礎(chǔ)上，學(xué)生能對(duì)現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范的相關(guān)條文規(guī)定的概念和本質(zhì)有較好的理解，并能正確應(yīng)用規(guī)范的計(jì)算方法，進(jìn)而能夠應(yīng)用設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)基本構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì)。

二、LBL 的概念和優(yōu)缺點(diǎn)

LBL（Lecture-based Learning）是以授課教師授課為基礎(chǔ)的教學(xué)法，即授課教師在課堂上利用多媒體、課件、模型和掛圖等進(jìn)行授課，學(xué)生以聽(tīng)課、隨堂筆記、課后作業(yè)、期中和期末考試等為主[5]。LBL 教學(xué)法是目前我國(guó)高等教育中應(yīng)用非常廣泛的一種教學(xué)方法。

（一）LBL 教學(xué)法的優(yōu)點(diǎn)

LBL 教學(xué)法通過(guò)授課教師認(rèn)真地講授，學(xué)生學(xué)習(xí)目標(biāo)比較明確，并且能夠?qū)A(chǔ)知識(shí)系統(tǒng)、全面和深刻地理解。授課教師可以針對(duì)基本理論知識(shí)系統(tǒng)、重點(diǎn)地講解，指導(dǎo)學(xué)生對(duì)各章節(jié)的知識(shí)點(diǎn)及重點(diǎn)、難點(diǎn)有較好的理解和掌握。同時(shí)，LBL 教學(xué)法可以節(jié)約教學(xué)資源、對(duì)學(xué)生的能力要求比較低、對(duì)理論知識(shí)的傳授比較系統(tǒng)和準(zhǔn)確。

（二）LBL 教學(xué)法的缺點(diǎn)

（1）LBL 教學(xué)法在教學(xué)過(guò)程中以授課教師為主，缺乏課堂上師生間的互動(dòng)，教師很難控制教學(xué)質(zhì)量和保證學(xué)生在課堂上對(duì)知識(shí)點(diǎn)掌握程度；（2）學(xué)生缺乏自主學(xué)習(xí)能力，無(wú)法激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，學(xué)生學(xué)習(xí)效果也無(wú)法得到保障；（3）學(xué)生欠缺對(duì)理論知識(shí)的應(yīng)用，缺乏實(shí)踐應(yīng)用能力；（4）學(xué)生欠缺創(chuàng)新思維能力，缺乏團(tuán)隊(duì)合作精神[1，3]。

盡管LBL 教學(xué)法目前存在較多缺點(diǎn)，而我國(guó)傳統(tǒng)的課堂教學(xué)模式大多采用的是LBL 教學(xué)法，該教學(xué)方法不能被其他教學(xué)方法完全替代。

三、PBL 的概念和優(yōu)缺點(diǎn)

1969 年，美國(guó)神經(jīng)病學(xué)教授Howard Barrows 在加拿大麥克馬斯特（McMaster）大學(xué)醫(yī)學(xué)院創(chuàng)立了PBL（Problem or Project-based Learning）教學(xué)法，目前PBL教學(xué)法已經(jīng)成為世界上比較流行的教學(xué)方法之一。PBL教學(xué)法是以問(wèn)題或項(xiàng)目為導(dǎo)向的教學(xué)法，教學(xué)模式是以真實(shí)生活情境問(wèn)題或項(xiàng)目，提出和解決問(wèn)題的過(guò)程作為主要教學(xué)方式[3]。從認(rèn)知科學(xué)、社會(huì)學(xué)和心理學(xué)相結(jié)合的角度來(lái)看，PBL 教學(xué)法的精髓主要表現(xiàn)在以下三個(gè)方面：（1）學(xué)習(xí)方法是以問(wèn)題為導(dǎo)向或以項(xiàng)目為組織開(kāi)展的。這樣不僅可以激發(fā)學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性，也可以為學(xué)習(xí)者提供理論聯(lián)系實(shí)踐的機(jī)會(huì)；置身于實(shí)際的情境中，學(xué)習(xí)者會(huì)更好地分析實(shí)際復(fù)雜問(wèn)題、探索解決問(wèn)題并積累相關(guān)經(jīng)驗(yàn)。（2）在學(xué)習(xí)內(nèi)容上鼓勵(lì)學(xué)科交叉和跨學(xué)科。這樣可以超越傳統(tǒng)的學(xué)科單一化，并且可以避免過(guò)細(xì)的專業(yè)劃分而產(chǎn)生知識(shí)的局限性；學(xué)習(xí)者在解決問(wèn)題或做項(xiàng)目的過(guò)程中需要運(yùn)用專業(yè)理論知識(shí)來(lái)分析問(wèn)題和探索解決問(wèn)題，進(jìn)而可以增強(qiáng)理論和實(shí)踐聯(lián)系的能力。（3）學(xué)習(xí)的社會(huì)性主要體現(xiàn)在人和環(huán)境互動(dòng)的學(xué)習(xí)方式。通過(guò)小組或團(tuán)隊(duì)合作的形式可以培養(yǎng)學(xué)習(xí)者的團(tuán)隊(duì)合作精神，提高學(xué)習(xí)者溝通、組織管理和自我管理的能力，并且能夠提高學(xué)習(xí)者的創(chuàng)新能力。

（一）PBL 教學(xué)法的優(yōu)點(diǎn)

1.管理層面：有關(guān)研究顯示采用PBL 的院校無(wú)論在教學(xué)質(zhì)量還是學(xué)習(xí)成果方面都優(yōu)于采用傳統(tǒng)教學(xué)方式的院校。對(duì)于PBL 學(xué)校的畢業(yè)生就業(yè)企業(yè)的各項(xiàng)評(píng)估中被評(píng)為最能學(xué)以致用、最具創(chuàng)新能力和最受雇主歡迎的員工。從長(zhǎng)期發(fā)展的角度考慮，PBL 是一種經(jīng)濟(jì)型的高等教育模式[6]。

2.學(xué)習(xí)過(guò)程：PBL 的學(xué)習(xí)方法能夠有效地激發(fā)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)動(dòng)力。相關(guān)資料顯示，學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)動(dòng)力一旦被激發(fā)，學(xué)習(xí)的效果和學(xué)習(xí)的質(zhì)量都會(huì)大幅提高。PBL 中分組學(xué)習(xí)方式更能有效地提高學(xué)生在團(tuán)隊(duì)合作中相互學(xué)習(xí)和認(rèn)真思考的能力，這種以共同目標(biāo)為前提的社會(huì)性學(xué)習(xí)，能夠更大程度促進(jìn)學(xué)習(xí)者的反思能力[6-8]。

3.能力培養(yǎng)：通過(guò)對(duì)PBL 教學(xué)法的長(zhǎng)期評(píng)估和對(duì)傳統(tǒng)的教學(xué)相比較，PBL 對(duì)學(xué)生的綜合能力及職業(yè)責(zé)任感等方面的培養(yǎng)和發(fā)展有顯著效果[6-9]。通過(guò)采用PBL教學(xué)法，學(xué)生各方面的綜合能力都有了很大的提高，相比在傳統(tǒng)教育模式下收獲的知識(shí)更多。

4.知識(shí)鞏固：PBL 方法可以提高學(xué)生對(duì)知識(shí)掌握的長(zhǎng)期記憶效果，例如對(duì)不同概念的理解和記憶。針對(duì)企業(yè)對(duì)教育效果的反饋表明，PBL 院校的畢業(yè)生能很好地將平時(shí)學(xué)習(xí)的相關(guān)理論知識(shí)應(yīng)用到工作崗位中。

綜上所述，采用PBL 教學(xué)法，學(xué)生不僅可以獲得同等知識(shí)更可以提高學(xué)生素質(zhì)及多方面能力。采用PBL教學(xué)模式可以提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性，將學(xué)習(xí)變被動(dòng)為主動(dòng)，提高學(xué)生自主思考和解決問(wèn)題的能力，最終培養(yǎng)出專業(yè)創(chuàng)新型人才。

（二）PBL 教學(xué)法的缺點(diǎn)

雖然PBL 教學(xué)法具有較多優(yōu)點(diǎn)，但也存在一定的限制，比如使用PBL 教學(xué)法教學(xué)缺少對(duì)知識(shí)掌握的系統(tǒng)性、全面性；PBL 教學(xué)法對(duì)教師本身素質(zhì)、教學(xué)技能和掌握本專業(yè)及相關(guān)專業(yè)知識(shí)的要求都較高；PBL 教學(xué)成本較高并且在我國(guó)的教學(xué)體系發(fā)展過(guò)程中不是十分健全[5]。

四、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理課程建設(shè)

鑒于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理課程的特點(diǎn)，結(jié)合LBL 和PBL教學(xué)法的優(yōu)缺點(diǎn)，以本課程中預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)教學(xué)為例，采用基于PBL 和LBL 相融合的教學(xué)方法開(kāi)展教學(xué)工作。下面分別從課程目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容和方法、設(shè)計(jì)項(xiàng)目——預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支梁設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)示例、考核評(píng)價(jià)方式及教學(xué)效果評(píng)價(jià)進(jìn)行課程建設(shè)闡述。

（一）課程目標(biāo)

掌握預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的概念和基本原理、設(shè)計(jì)計(jì)算方法；能夠利用相關(guān)規(guī)范對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土軸心受拉構(gòu)件、簡(jiǎn)支梁進(jìn)行設(shè)計(jì)；了解預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的前沿動(dòng)態(tài)。

（二）教學(xué)內(nèi)容和方法

1.教學(xué)內(nèi)容

為實(shí)現(xiàn)預(yù)定的教學(xué)目標(biāo)，將教學(xué)內(nèi)容分為三大部分，即第一部分，預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)概述（主要包括預(yù)應(yīng)力混凝土的概念和基本原理、預(yù)應(yīng)力混凝土的分類、預(yù)加應(yīng)力的方法、預(yù)加應(yīng)力的相關(guān)設(shè)備、預(yù)應(yīng)力混凝土材料、張拉控制應(yīng)力和預(yù)應(yīng)力損失、先張法構(gòu)件預(yù)應(yīng)力筋的傳遞長(zhǎng)度和后張法構(gòu)件錨固區(qū)的局部受壓等）、預(yù)應(yīng)力混凝土軸心受拉構(gòu)件各階段的應(yīng)力分析（主要包括預(yù)應(yīng)力混凝土軸心受拉構(gòu)件的受力特征、先張法預(yù)應(yīng)力混凝土軸心受拉構(gòu)件各階段應(yīng)力分析和后張法預(yù)應(yīng)力混凝土軸心受拉構(gòu)件各階段應(yīng)力分析）。第二部分，設(shè)計(jì)項(xiàng)目——預(yù)應(yīng)力混凝土軸心受拉構(gòu)件或預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支梁設(shè)計(jì)。第三部分，預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)專題報(bào)告（包括體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)、無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土等相關(guān)專題）。

2.教學(xué)方法

三部分教學(xué)內(nèi)容分別采用的教學(xué)方法為：第一部分采用LBL 教學(xué)法；第二部分采用PBL 教學(xué)法；第三部分采用PBL 教學(xué)法。

（三）設(shè)計(jì)項(xiàng)目——預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支梁設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)示例

1.設(shè)計(jì)資料

（1）主梁跨徑及截面尺寸

預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支T 梁，標(biāo)準(zhǔn)跨徑30 m，梁全長(zhǎng)29.94 m，計(jì)算跨徑l0=28.60 m。主梁各部分尺寸如圖1 所示。

圖1 主梁各部分尺寸圖（單位：mm）

（2）設(shè)計(jì)荷載

汽車荷載為公路—Ⅰ級(jí)；人群荷載為3.0 kN/m2；結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)為γ0=1.1。

（3）環(huán)境條件

橋址位于野外一般地區(qū)，環(huán)境條件為Ⅰ類，年平均相對(duì)濕度為75%。

（4）材料要求

混凝土：強(qiáng)度等級(jí)為C50。

預(yù)應(yīng)力鋼筋：標(biāo)準(zhǔn)型低松馳鋼絞線（1×7 標(biāo)準(zhǔn)型），抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fpk=1 860 MPa，公稱直徑為15.2 mm；錨具采用夾片式群錨（具體可按參考資料（2）選用）。

非預(yù)應(yīng)力鋼筋：可按規(guī)范規(guī)定選用。

（5）施工方法

采用后張法施工（主梁混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的90%后，進(jìn)行預(yù)應(yīng)力的張拉），預(yù)制主梁時(shí)，預(yù)留孔道采用預(yù)埋金屬波紋管成型，鋼絞線采用TD 雙作用千斤頂兩端同時(shí)張拉；主梁安裝就位后現(xiàn)澆40 cm 寬的濕接縫。最后施工80 mm 厚的瀝青橋面鋪裝層。

（6）主梁內(nèi)力計(jì)算結(jié)果

具體計(jì)算方法，將在橋梁工程課程中學(xué)習(xí)，在此直接給出中主梁恒載內(nèi)力和活載（包括汽車荷載和人群荷載）內(nèi)力計(jì)算結(jié)果，分別見(jiàn)表1 和表2（每組的內(nèi)力結(jié)果可以不相同，或者根據(jù)實(shí)際情況，學(xué)生可自行計(jì)算主梁的內(nèi)力）。

表1 恒載內(nèi)力計(jì)算結(jié)果

表2 活載（汽車荷載和人群荷載）內(nèi)力計(jì)算結(jié)果

2.設(shè)計(jì)要求

每4～5 人為一組，至少應(yīng)完成以下內(nèi)容的設(shè)計(jì)與計(jì)算：（1）主梁全截面幾何特性；（2）主梁作用效應(yīng)組合；（3）鋼筋（預(yù)應(yīng)力鋼筋和非預(yù)應(yīng)力筋）面積的估算及布置；（4）不同受力階段的主梁截面幾何特性（主要考慮主梁預(yù)制并張拉預(yù)應(yīng)力鋼筋階段、灌漿封錨后主梁吊裝就位并現(xiàn)澆濕接縫階段、橋面、欄桿及人行道施工和運(yùn)營(yíng)使用階段）；（5）持久狀況承載能力極限狀態(tài)計(jì)算（正截面承載力計(jì)算、箍筋設(shè)計(jì)與斜截面承載力計(jì)算）；（6）鋼束預(yù)應(yīng)力損失估算（包括預(yù)應(yīng)力鋼筋與管道壁之間的摩擦引起的預(yù)應(yīng)力損失、錨具變形、鋼筋回縮和接縫壓縮引起的預(yù)應(yīng)力損失、混凝土彈性壓縮引起的預(yù)應(yīng)力損失、預(yù)應(yīng)力鋼筋松弛引起的預(yù)應(yīng)力損失和混凝土收縮及徐變引起的預(yù)應(yīng)力損失）；（7）應(yīng)力驗(yàn)算（短暫狀況的截面正應(yīng)力驗(yàn)算、持久狀況的截面正應(yīng)力驗(yàn)算、持久狀況下的混凝土主應(yīng)力驗(yàn)算）；（8）抗裂性驗(yàn)算；（9）主梁撓度（變形）計(jì)算；（10）錨固區(qū)計(jì)算。

3.項(xiàng)目提交成果

（1）計(jì)算書(shū)（手寫(xiě)）；（2）主梁配筋施工圖（Auto CAD繪制輸出）。

4.參考資料

（1）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理相關(guān)教材；（2）朱新實(shí)，劉效堯編著，2012 年人民交通出版社出版的《預(yù)應(yīng)力技術(shù)及材料設(shè)備（第三版）》；（3）JTG D60—2015《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》；（4）JTG 3362—2018《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》。

（四）考核評(píng)價(jià)方式

學(xué)生的最終成績(jī)（100%）由平時(shí)作業(yè)（10%）、設(shè)計(jì)項(xiàng)目（30%）、專題匯報(bào)（10%）、期末考試（50%）四部分組成。其中設(shè)計(jì)項(xiàng)目以小組（4～5 人）為單位完成，成績(jī)由設(shè)計(jì)計(jì)算書(shū)（包括設(shè)計(jì)圖紙）和答辯情況確定；專題匯報(bào)以小組為單位完成，題目由教師指定或?qū)W生自主確定，然后進(jìn)行課堂展示（或撰寫(xiě)小論文），成績(jī)由學(xué)生評(píng)價(jià)和教師評(píng)價(jià)給出。

（五）教學(xué)效果評(píng)價(jià)

通過(guò)采用PBL 與LBL 相融合教學(xué)法在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理課程的實(shí)踐，表明學(xué)生能夠較全面、系統(tǒng)地掌握課程的內(nèi)容；同時(shí)提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性，分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力得以提高；通過(guò)利用規(guī)范完成設(shè)計(jì)項(xiàng)目，加強(qiáng)了學(xué)生的實(shí)踐能力；通過(guò)相關(guān)專題的課堂展示或撰寫(xiě)小論文，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新能力。

五、結(jié)束語(yǔ)

綜上，PBL 和LBL 相融合教學(xué)法既能充分發(fā)揮PBL教學(xué)法的優(yōu)勢(shì)，又可以避免PBL 教學(xué)法存在的知識(shí)面不系統(tǒng)、不全面的局限，更加適合目前我國(guó)的教育教學(xué)的現(xiàn)狀。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理課程采用PBL 和LBL 相融合的教學(xué)方法，既保證教學(xué)有序而高效的完成，又可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；對(duì)學(xué)生的分析與解決問(wèn)題能力、實(shí)踐動(dòng)手能力及創(chuàng)新精神等綜合素質(zhì)方面都有所提升，提高學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作意識(shí)，是提升教學(xué)效果、培養(yǎng)復(fù)合型人才的有效途徑。