工程结构设计原理课程中的对比教学

秦卫红，冯 健，惠 卓

（东南大学 土木学院，混凝土及预应力混凝土结构教育部重点实验室，江苏 南京 210096）

一、前 言

根据学科发展方向，教育部将原来的建筑工程、地下工程、道路桥梁、市政工程、水利工程等八个专业归并为土木工程，即所谓的“大土木”。当前，很多高校的专业设置已经根据教育部的“大土木”精神进行了调整，把建筑工程、桥梁工程、地下工程等专业的培养模式和教学计划进行了整合。目前，整合之后课程设置的模式主要有两大类：一类是将多种材料结构的基本理论课整合成一个大模块作为结构设计的基础课，而后续课程为结构设计类课程，则可根据建筑、桥梁、地下、水利等的专业取向另划分几个模块；另一种是按结构材料的不同，分别设置设计原理课和结构设计课。其中，东南大学即采用第一种模式，其将各种材料基本构件的设计原理课程归并为“工程结构设计原理”课，作为建筑工程、桥梁工程、地下工程等方向共同的基础课。

二、工程结构设计原理课程的设置特点

在“工程结构设计原理”课程中，包含了混凝土结构、钢结构以及砌体结构三个方面的基本原理。内容覆盖面广，设计多本国家规范。在课程教学过程中，可以强调基本原理、不强调或者淡化各专业方向的规范。该课中，首先将混凝土、钢结构、以及砌体结构的共性概念，如荷载及设计方法，各种材料的物理、力学性能等归并在同一章中讲授，而将混凝土、钢、砌体三种不同结构材料基本构件的设计计算方法，则分章设置。

如上的课程设置有以下几个优点：1）有利于使土木工程类学生对结构设计的概念和理论进行整体性、综合性地掌握，建立大土木的概念。2）适当归并混凝土、钢结构和砌体结构课程中相同或相近的内容，减少原来设置在不同课程中的重复内容，适应教学计划总学时减少的大趋势。3）工程结构设计原理课程编排时将钢构件部分的学习放在混凝土构件的前面，这样对学生循序渐进地掌握专业知识是有利的，因为相对于混凝土部分，钢结构构件的一些概念更接近于先修课程如材料力学、结构力学等力学课程的研究方法和处理方式。

但上述课程设置也为教学带来一些不利因素，尤其是对于后面混凝土部分。相对于钢结构，混凝土部分的教学本来就存在任务重、系统性差、公式多、假定多、经验多等诸多不利的方面，与钢结构基本构件课程整合到一起之后，需要学生在同一门课程中将研究思路和处理方法进行必要的调整和转换。因此，在这个环节中，如何科学、合理地安排混凝土部分的教学是一个值得思考的问题。

三、“对比教学”的必要性和实施方法

笔者在实际教学的过程中发现，将原来的三种不同材料的课程整合到一起之后，固然能给我们提供一个整合的平台，但也会带来很多相应的问题。根据平时的体会与思考，笔者认为“对比教学”可以达到较好的教学效果。笔者在遇到如下问题的时候及时地在混凝土教学过程中引入了“对比教学”方法。

1.混凝土和钢材的材料不同，处理问题的思路和侧重不同，容易给学生带来迷惑

由于钢结构、混凝土两种材料分别具有不同的特点，所以在基本构件的设计原理中很多方面都存在各自的方法和模式，学生在学习过程中会产生疑问和混淆。

（1）钢结构构件的设计表达式多用应力，而混凝土和砌体则多用内力的形式。如果这种情况发生在两门课程中，学生是很容易接受的事情，但是现在出现在一门课中，学生就会产生疑问，为什么会这样？鉴于此，笔者在讲授混凝土部分的时候，会根据需要把钢结构中的相应的设计表达式进行变换。

例如，在讲述轴心受力构件部分时，把钢结构中轴心受压构件的设计表达式变换为，与混凝土轴心受压构件的承载力表达式进行对比讲述。让学生能够理解钢结构和混凝土的轴心受压构件都存在稳定问题，二者从基本设计原理上是没有实质性区别的，而主要不同在于材料组成的不同，所以才从表达式上有各自的特点和项次。又可体会到由于混凝土构件是由两种材料组成，所以不便于采用应力形式的设计表达式。

（2）在钢结构构件设计中，一般会有四个方面“强度、刚度、整体稳定和局部稳定”，而在讲到混凝土构件时，笔者会引导同学们思考：为什么混凝土构件设计不是按照这样的思路？带着这样的问号，外加笔者的提示，学生们在听讲的过程中会体会出，实际上混凝土构件也会是从这几个方面出发，只不过由于材料和连接方式的不同，而带来的两者侧重点不同、考虑的方法和关心的方面不同而已（例如钢结构局部稳定问题突出、而混凝土则裂缝开展问题突出）。这时笔者会趁机向同学们展开思路，讲述混凝土结构发展方向：随着高强度混凝土推广与普及，将来的混凝土构件的设计可能会凸显出类似的问题和新的侧重等。如此，经常在各种材料基本构件之间进行比较和思考，有利于同学们在课程学习的过程中，建立起专业学习中的全局观、发展观等。

2.材料不同，符号体系不同，使得同学们很不容易适应

钢结构和混凝土的符号体系不同容易使同学们混淆。例如同样是钢材，混凝土中钢筋的的强度设计值用fy来表示，而钢结构中钢板的强度用f来表示，桥梁中则用fg表示；尤其值得注意的是fy这个符号在钢结构中则表示钢材强度的标准值。并且，同样级别的钢材，混凝土中钢筋和钢结构中的钢材强度设计值取值也不同。这对于刚刚学习过数学和力学，熟悉力学思维的精确性，初次接触专业课的学生们来讲有很多迷惑，尤其设置在一门课中。这时老师就要设法开阔同学们的思路，适当穿插一些背景知识。解释这些现象的同时，引导他们建立起来新的观念：实际设计工作可能是不完美的，不精确的，但是要全面、周到、系统。逐步在同学们的观念中建立起“工程化”的思路。

3.所遵循规范不同，公式表达式不尽相同

由于这门课是建筑工程、桥梁工程、地下工程各方向共同的专业基础课，学校按照‘大土木”进行招生以后，混凝土结构设计原理课程的教学涉及到多个“小”专业，多部规范，而学时数不增反减，教学的难度大大提高。我们课堂上不可能面面俱到，把每个专业和规范都讲精讲细，而是应该有所侧重，重点地、系统地讲述一个专业的原理、思路和公式，其他类似的可以稍作提及或者展示。例如钢筋混凝土梁中裂缝宽度的计算公式，我们主要针对“混凝土结构设计规范”的公式进行讲述，而桥梁规范的公式可以稍作展示。这样，在平时的授课当中，跟同学们说明不同规范可能会在具体规定和构造上与跟我们教材和授课不同，但基本原理是类似的，打消同学们对将来宽口径就业的疑虑和困惑，尽量做到授课中的“以人为本”。

综上，尽管整合之后的“工程结构设计原理”课程混凝土部分教学难度增大，但我们在实际教学过程中想方设法进行比对研究，可以做到变不利为有利，反而可以在同学们的脑海中建立起来“系统的，全面的”知识体系，这样的教学效果在以前的钢结构和混凝土分为两门课的设置时是不容易做到的。当然要做到上述这些，主讲教师需要在课前花费时间和精力了解和掌握多种参考书和相关规范的内容，正如“课上十分钟、课下十年功”所述。

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