“混凝土結構基本原理”教學實驗方法探討

［摘 要］ “混凝土結構基本原理”是土木工程專業(yè)本科生的專業(yè)必修課，為了讓學生更好地掌握這門概念抽象、實踐性強的專業(yè)課程，教學實驗的有效執(zhí)行非常關鍵。因受教學設備等條件的限制，傳統(tǒng)的教學實驗中學生以旁站參觀等低參與的方式完成教學過程，教學效果較差。為了提升實踐效果，對傳統(tǒng)的教學實驗方法進行了改革，設計了適合學生進行實踐的設備，整合了進行教學實驗的資源，增加了教學實驗項目，讓教學實驗的執(zhí)行成為一個安全有序、可操作性強的過程，吸引學生從被動參與教學實驗轉變?yōu)橹鲃舆M入實驗室參與實踐項目，激發(fā)學生主動學習的興趣，提升實踐教學效果，為推動本科生教學實驗的發(fā)展做出貢獻。

［關鍵詞］ 混凝土結構基本原理；實驗教學方法；教學改革；教學效果

［基金項目］ 2022年度同濟大學第十七期實驗教學改革專項基金“混凝土梁受扭教學實驗方法改進”（0200104541）

［作者簡介］ 袁苗苗（1984—），女，山東鄒平人，碩士，同濟大學土木工程學院工程師，主要從事結構實驗和實驗教學研究；任祥香（1988—），女，山東淄博人，博士，同濟大學土木工程學院工程師（通信作者），主要從事結構實驗技術與結構隔震技術研究。

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2024）36-0126-04 ［收稿日期］ 2023-08-14

“混凝土結構基本原理”是土木工程專業(yè)學習中連接專業(yè)課和基礎課的橋梁，通過本門課程學習，學生可掌握鋼筋混凝土結構構件的基本力學性能、計算分析方法和構造措施，獲得在結構設計和性能評估兩方面解決實際工程問題的能力，為后續(xù)專業(yè)設計課程的學習打下理論基礎，是非常重要的一門專業(yè)基礎課。因本門課程很多理論建立在實驗研究的基礎上，在學習過程中設置教學實驗課程，讓學生在實踐過程中理論聯(lián)系實際，積累感性認識，對本課程的學習非常有益［1］。

從理論教學需求出發(fā)，“混凝土結構基本原理”教學實驗應開展四項教學實驗項目，包括鋼筋混凝土梁正截面受彎、斜截面受剪、純扭性能實驗和柱偏心受壓性能實驗。受教學設備等資源的限制，該課程教學實驗的執(zhí)行仍處于相對薄弱的環(huán)節(jié)。在開展教學實驗的高校中，大部分只開展了鋼筋混凝土梁正截面受彎性能實驗，部分開展了梁斜截面受剪和柱偏心受壓性能實驗，極少數(shù)開展了梁純扭性能實驗［2-7］。在實踐過程中，部分高校以觀摩性教學方式為主，學生通過觀看教學實驗視頻、旁站參觀實驗演示過程等方式學習，動手實踐機會少，實踐教學效果較差。

根據(jù)課程專業(yè)特點，遵循同濟大學土木工程學院以學生為主體的實驗教學方針，在實驗教學和理論教學和諧統(tǒng)一，理論知識學習、實踐能力培養(yǎng)和創(chuàng)新精神并重培養(yǎng)的實驗教學理念指導下［8］，開展了“混凝土結構基本原理”教學實驗改革。通過引進現(xiàn)代化教學方法，設計并配置性能良好的教學設備，擴展教學實驗項目，完善實踐教學全過程，創(chuàng)建完整的實踐教學體系，建設形成了具備四個類型11個實驗小項的全面化、綜合性、開放性、自主型的教學實驗項目，通過實踐，取得了良好的教學效果。

一、實驗項目簡介

（一）教學內(nèi)容

“混凝土結構基本原理”教學實驗是土木工程專業(yè)本科生典型的實踐課程，通過教學實驗認識混凝土結構構件的破壞全過程，掌握混凝土彎、剪、扭和受壓基本受力性能的實驗方法，加深對課堂教學內(nèi)容的理解，培養(yǎng)學生的認知和動手能力。教學實驗為8學時，包括2學時的實踐通識課和6學時的自主實踐課。

實踐通識課主要為自主實踐課做準備，主要從試件制作過程、實驗設備、試件破壞現(xiàn)象等方面入手，讓學生對實踐項目有初步的了解，激發(fā)學生自主實踐的興趣，鼓勵學生進入實驗室動手實踐。自主實踐課6學時分兩次進行，學生從11個實驗小項中選擇2個實驗項目進行自主實踐。11個實驗小項包括：鋼筋混凝土少筋、適筋、超筋梁正截面受彎破壞實驗，鋼筋混凝土梁斜截面斜壓、剪壓、斜拉受剪破壞實驗，鋼筋混凝土梁少筋、適筋、超筋純扭破壞實驗，鋼筋混凝土柱大偏心受壓和小偏心受壓破壞實驗。

（二）試件介紹

本教學實驗的亮點之一是試件種類齊全，共設計了10種不同的混凝土試件。按照破壞類型，受彎破壞為少筋梁、適筋梁和超筋梁三種試件，受剪破壞為斜壓、剪壓和斜拉受剪破壞梁三種試件，純扭破壞為少筋梁、適筋梁和超筋梁三種試件，偏心受壓破壞柱試件為一種，共計十種試件。

受彎、受剪和純扭破壞試件的截面均設計為矩形，截面尺寸為100 mm×150 mm，長度為1 400 mm；偏心受壓破壞柱的截面尺寸為200 mm×200 mm，總長度為1 300 mm，有效長度為700 mm，兩端對稱設置牛腿，截面尺寸200 mm×400 mm。為方便觀察和描述試件的破壞現(xiàn)象，試件養(yǎng)護結束后在試件表面刷白，并繪制50 mm×50 mm的網(wǎng)格。

（三）實驗系統(tǒng)

本教學實驗的亮點之二是教學實驗系統(tǒng)完善、齊備。部分高校的教學實驗系統(tǒng)與科研實驗系統(tǒng)共用，設備的實驗能力與教學實驗需求不相符或實驗時間受限；部分高校缺少某些儀器設備，導致如混凝土梁純扭等教學實驗項目不能開展。為全面高質(zhì)量開展“混凝土結構基本原理”教學實驗，設計新型的加載設施、購置符合實驗需求的千斤頂和傳感器、定制便于學生操作的手動泵等，建設成四套滿足不同實驗要求的教學用實驗系統(tǒng)。

1.受彎、受剪破壞實驗系統(tǒng)。鋼筋混凝土梁正截面受彎破壞和斜截面受剪破壞實驗所用實驗系統(tǒng)基本相同，主要包含：（1）支承和反力系統(tǒng)：實驗臺座、龍門架和鋼支座等組成，龍門架和支座均放置于標準實驗臺座上，龍門架與標準實驗臺座通過地錨螺栓連接，為試件提供反力，鋼支座為試件提供支撐。（2）加載系統(tǒng)：千斤頂、油管和手動泵，千斤頂通過連接螺栓倒掛于龍門架的橫梁上，按壓手動泵、千斤頂頂升可實現(xiàn)試件荷載施加。（3）測量系統(tǒng)：荷載傳感器、位移傳感器和應變片，分別用于測量試件的荷載、撓度和鋼筋應變。（4）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)：數(shù)據(jù)采集儀、數(shù)據(jù)采集軟件和電腦，可實現(xiàn)試件所有被測物理量的同步實時采集和保存。（5）其他：分配梁和鉸支座等，通過分配梁和鉸支座的位置調(diào)整，可實現(xiàn)受彎破壞試件的三分點加載和受剪破壞試件不同剪跨比的加載要求。

2.純扭破壞實驗系統(tǒng)。純扭破壞實驗系統(tǒng)是“混凝土結構基本原理”教學實驗改革的創(chuàng)新點，為了增設鋼筋混凝土純扭構件性能教學實驗項目，全方面開展混凝土構件性能教學實驗，同濟大學自主研發(fā)了一套適用于學生教學實踐的矩形截面混凝土梁純扭實驗裝置［9］。

純扭破壞實驗系統(tǒng)的主要組成部分和創(chuàng)新點是加載部分，主要有鋼立柱、水平扭轉鋼臂、加載千斤頂沿對角線對稱布置。矩形截面混凝土試件可在該系統(tǒng)中實現(xiàn)純扭加載，設備組裝簡單、操作安全方便，可實現(xiàn)學生自主實踐操作。測量系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與受彎、受剪破壞系統(tǒng)基本相同，可滿足受扭破壞試件荷載、扭轉角和應變的測量需求。

3.偏心受壓破壞實驗系統(tǒng)。鋼筋混凝土柱偏心受壓破壞實驗在壓力實驗機上進行，通過移動安裝于試件上下端的鉸支座的位置，實現(xiàn)試件受壓偏心距的調(diào)整，從而實現(xiàn)柱試件大、小偏心受壓破壞實驗。測量系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與上面三套系統(tǒng)基本相同，可實現(xiàn)豎向壓力、豎向壓縮變形、側向彎曲變形和應變的測量。

（四）教學軟件

教學實驗中的梁受彎、受剪、純扭破壞和柱偏心受壓破壞是建筑結構實驗中比較常見的靜力實驗項目。但對大多數(shù)第一次進入實驗室進行實踐操作的學生來講，該實踐項目綜合性較強，從試件、實驗設備到實驗環(huán)境均是新鮮的，為了讓學生在有限的學時內(nèi)認識試件、了解各儀器設備的基本功能和使用方法，可分工協(xié)作完成一次全過程加載實驗。在教學實踐之前，通過教學資料學習必要的實踐知識非常重要。

本教學實驗的亮點之三是建設了一套針對性較強的實驗教學軟件，主要包括試件和實驗設備介紹、試件全過程加載視頻、實驗虛擬操作等板塊。教學軟件的使用，使學生對要進行的實踐操作有一個初步和感性的了解，對儀器由完全陌生到見到可以認識甚至會使用，對即將進行的實踐項目提出問題或想法，激發(fā)了學生進行實踐操作的興趣，縮短了學生進入實驗室后進行實踐操作前的準備時間，有效提升了實踐課的效率。同時，教學軟件與實踐課程的虛實結合，極大地提升了教學實驗的授課效率，豐富了實驗教學的層次，增強了學生的創(chuàng)新實踐意識［10］。

（五）實驗方法

“混凝土結構基本原理”教學實驗中鋼筋混凝土梁受彎、受剪、純扭破壞和柱偏壓破壞均屬于構件單調(diào)加載靜力實驗，為得到試件的開裂荷載、觀察試件隨荷載的破壞現(xiàn)象、得到試件的破壞荷載等，采用前期分級加載、后期連續(xù)加載的加載制度，實驗方法參照《建筑結構試驗》執(zhí)行［11］。

二、實踐教學過程

（一）教學實驗項目安排

每年約有150名學生在靜力實驗室進行“混凝土結構基本原理”教學實驗，3～5人一個小組，每名學生均能實際參與不少于兩個實驗小項的教學需求，實驗室每年制作80件試件。各類型實驗安排數(shù)量如圖1所示，梁受彎、受剪、純扭破壞、柱偏壓破壞四個大項的試件數(shù)量相同，受彎和純扭實驗中適筋梁稍多，受剪實驗中剪壓破壞試件稍多。

（二）教學實踐

教學實驗過程如圖2所示，每次教學實踐課均同時開展四個不同破壞類型的教學實驗項目。進行第一次實踐課時，有4個小組分別進行混凝土梁受彎、受剪、純扭破壞和柱偏壓破壞實驗，每小組約3～5名學生，分別進行數(shù)據(jù)采集、荷載施加和實驗現(xiàn)象觀察三部分工作。實踐中學生分工協(xié)作、相互協(xié)調(diào)，保證各部分工作有序進行，直至完成全過程實驗。進行第二次實踐課程時，不同小組之間相互調(diào)換，保證每名學生均可進行破壞類型不同的兩次實驗。在第二次實踐課全過程實驗結束后，帶領學生對試件不同的破壞現(xiàn)象進行對比分析，比如：實驗現(xiàn)象是否與理論課程相符、破壞原因如何用理論知識去解釋等，提升實踐教學課程效果。

完成兩次實踐課程后，在討論分析和總結的基礎上，完成實驗報告，并提出對該教學實踐項目的建議和意見。實驗研究報告的撰寫是對實踐教學過程全面總結并將實踐與理論融合的過程，為提升實踐報告的撰寫效果，對報告的主要內(nèi)容做出要求，包含且不局限于實驗目的和內(nèi)容、實驗方法、實驗過程描述、實驗結果處理、思考和擴展等。

（三）實踐效果

“混凝土結構基本原理”教學實驗自擴充實驗項目、形成完整的實驗教學體系后，經(jīng)過幾個學期的實踐，已取得了良好的教學反饋。

進入實驗室的每名學生均有充分的實踐體驗，對混凝土結構構件不同加載方法對應的破壞全過程均有形象全面的認識，加深了對“混凝土結構基本原理”課堂教學內(nèi)容的理解，提升了教學效果。同時，通過教學實驗，學生掌握了建筑結構構件靜力實驗的基本實驗方法，大幅提升了學生的認知和動手能力。

此外，有些學生在實驗過程中，就實踐體驗提出了對該教學實驗項目的意見和建議，如少數(shù)學生期望能夠參與試件設計和制作，部分學生希望可以在裂縫描繪過程中有比放大鏡和裂縫寬度測試儀更好的觀測方法等，此部分意見和建議是該課程教改以后努力的方向。

結語

通過一系列的教學改革和實踐，將“混凝土結構基本原理”教學實驗建設成為一門項目齊全的綜合性實踐課程，教學試件數(shù)量多、種類全，教學設備完善、可操作性強，教學資源虛實結合、內(nèi)容豐富，滿足學生自主性、沉浸式體驗各教學實踐項目的需求，全面提升了“混凝土結構基本原理”教學實踐效果，為進一步建設綜合性、多層次、創(chuàng)新性的實驗教學模式打下基礎。

“混凝土結構基本原理”教學實驗的高質(zhì)量開展，為培養(yǎng)既具備扎實的專業(yè)知識，又具有較強實踐能力的卓越工程師做出貢獻。同時，對學生進行科學研究繼續(xù)深造起到很好的引導作用。

參考文獻

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［11］姚振剛，劉祖華.建筑結構試驗［M］.上海：同濟大學出版社，2001：93-106.

Exploration of Teaching and Testing Methods for the Basic Principles of Concrete Structure

YUAN Miao-miao， REN Xiang-xiang

（College of Civil Engineering， Tongji University， Shanghai 200092， China）

Abstract： Basic Principles of Concrete Structure is one of the compulsory courses for undergraduates majoring in civil engineering. In order to make students have a better understanding on this abstract and practical course， an effective execution of the teaching experiment is needed. Due to the limitations of the teaching equipment and other conditions， students in traditional teaching experiments complete the teaching process with low participation such as side visits， and thus the teaching effect is poor. In order to improve the practical effect， the traditional teaching experiment method is reformed in this paper， equipment suitable for students’ practice is designed， resources for teaching experiment are integrated， and teaching experiment projects are increased. Correspondingly， the execution of teaching experiment becomes a safe， orderly， and operable process. Students are attracted from passive participation in teaching experiments to active participation in practical projects in the laboratory， students’ interest in active learning is stimulated， and the effect of practical teaching is improved. This paper can contribute to promoting the development of undergraduate teaching experiments.

Key words： Principles of Concrete Structure; experimental teaching methods; teaching reform; teaching effect