在混凝土结构设计原理课程中用形象化教学法感知结构概念

陶 燕，刘 铮，陈 进，李耕勤，王 奇

（昆明理工大学 建筑工程学院，云南 昆明 650224）

在《朗文辞典》中，“概念”被定义为原理或者观点，原理是指那些已被认可的，并可作为推理或行动基础的事实或信念[1]。在土木工程领域，结构概念是学习、分析和设计的重要基础。混凝土结构设计原理课程是土木专业学生接触的第一门面向工程技术运用的课程，不仅要传授理论知识，还要培养学生的工程思维。理解结构概念、讲授结构概念以及的工程中运用结构概念是十分重要的。过去，概念主要通过手算和工程经验积累所得。而现在，大量的工作由计算机替代，这就需要借助新的方法来获取结构概念。借助多媒体技术，采用形象化教学方法，使得我们对抽象的结构原理直接能够感知到。

一、多媒体动画效果，让复杂理论变容易

混凝土受弯构件正截面承载力计算是课程中接触的到比较重要的一部分内容。在适筋梁破坏试验中，三个阶段的中混凝土应力——应变的发展是教学难点。虽然课程中详尽描述了各个阶段的特征，但是同学并没有很深刻的印象，并不理解讲这些的用意何在？尤其是基本假设提出后，建立了混凝土承载力极限状态的基本模型，采用等效方法简化模型时，一系列公式的推导更让很多同学陷入了茫然。针对此现象，在公式推导前，引入混凝土非线性应力分布等效为均不应力的转化为均匀分布的动画，如图1所示，使得学生从单一的理论介绍中激发兴趣观看动画，同时思考观看动画前教师提出的启发性问题，并从中去努力寻找答案。经过动画演示，同学可以自己提出承载力大小不变下的等效条件：两图形不但压应力合力的大小相等，而且合力的作用位置完全相同，奠定了该门课程后续理论介绍的坚实基础。

图1 非线性应力分布的等效转化

二、多媒体展示工程实际，感知结构中的力学

“一切工程问题归结为力学问题。”；“自然界的事物基本上很简单，所有的基础原理及主要问题都可以用数学方式表达，这是应用数学家的一个信仰。——林家翘”。[2]每当讲述完受压构件后，都会将这句话显示在幻灯片屏幕上。同学先是惊奇，接着是叹气。一提数学或者是力学问题大多同学都觉得恐惧，但是力学模型又是联系实际和理论的基本桥梁，是将实践升华为理论的关键。所建立的基本模型结构和基本假设应既能反映工程实际情况，又能使力学模型简洁明了以便用数学问题解答。为了让学生消除这样的恐惧感，在教学中采用多媒体展示工程实际图片，让学生去感知力学的存在，例如图2[3]。图片所示为Kio双塔之一，高144m，够26层，位于马德里市，以“欧洲之门”而闻名。是相互倾斜的两建筑物，每个塔德竖向倾斜角是15°，让同学思考这一实际工程中面蕴含着什么样的力学问题，猜想工程中会如何解决？

图2 马德里Kio双塔之一

图3 受压构件破坏形式

与我们学习的受压构件的破坏形式（图3）有何联系？结果，同学们的反映很积极。经过热烈讨论，都认为这是力学中质心与稳定问题，这样的倾斜会引起建筑物的倾覆。所以对其中的受压构件，不是我们所说的强度条件满足即可，对构件的倾覆也是不容忽视的。当告知同学们，该建筑为减小这种倾覆所采取的措施之一是在建筑的地下室增加巨大的平衡配重，不仅降低了建筑物的质心，还能使建筑物的质心向基础中心的正上方移动后，同学们就更兴奋了。有同学还联想到了北京首都的中央电视台新楼。据此，再将教材第二章中混凝土结构极限设计方法的理论内容回顾一下，终于可以体会短短文字所描述原理的深刻含义了。课程中随着不断类似工程实例的引入，逐步消除了同学认为运用力学思想解决工程实际问题是一种高深、难把握的方法的认识，帮助他们逐步建立和习惯将力学思维贯穿在结构工程中，加深了结构概念，为后续的结构设计课程打下了良好基础。

三、多媒体实验演示，感知复杂计算原理

在课程的教授和学习中会碰到很多计算原理。除了运用力学、数学区解决工程实际问题外，更重要的对计算原理本身的深刻理解，如果能用可以感知的场景去理解计算原理，那么对其在工程中运用会达到一种创造的境界。以预应力混凝土部分为例。

在学习完普通混凝土原理后，同学们都建立了普通混凝土的通常情况下都是带裂缝工作的这一概念。但是施加对预应力可以是混凝土不开裂难以理解，并且认为工艺复杂，理论高深，在学习中带有畏难情绪。为帮助同学更好感知预应力的概念，特用一组实验演示来加以说明。

图4[3]为一组中心带小孔的木块，通过金属线将它们连接在一起。金属线一端固定在支架上，另一端穿过支架。无预应力状态（a图）不能承受任何荷载；如果在金属线端部悬挂重物使绳张紧，木块彼此挤压形成可承受外荷载的结构（b图）。

图4 预应力作用试验之一——梁

图5[3]同样为为一组中心带小孔的木块，把它们堆成柱子，一更松弛的松紧绳一段固定在底座，另一端出穿过木块。很明显，在绳松弛下（无预应力），施加水平推力，柱子会倒塌（a图）；施加预应力后（（b图），再次施加水平推力（c图），柱子很难被推倒。

图5 预应力作用试验之二——柱

在此基础上进一步引入预应力的理论推导和阐述就可以使该部分内容易于理解，并且可以扩宽预应力混凝土结构的应用范围和领域。

四、网络多媒体创新实验引入，激发学习兴趣

该门课程的教学形成了完善的网络教学平台，便于不同层次学生根据自身学习能力有所选择的进行自主学习。利用网络信息更新快的特点，结合学生大创项目和全国结构设计竞赛项目，在网络中设有创新实验模块，及时将每个相关混凝土结构的新项目的设计、分析、实验结果及时发布网络，发起相应的讨论，大大激发了同学的学习兴趣。例如：CFRP加固钢筋混凝土梁刚度试验。从实验模型设计开始到制作、加固的全过程均有详细的图片（图6——图8）和说明。实验完成后获得的结果（图10、图12）和课程教学中的理论相结合（图11、图13），对课程中涉及的几组曲线有了更深刻的理解和运用。并有部分同学表示希望能够参与到类似的项目中来。

图6 实验梁尺寸和配筋示意图

图7 试件浇筑完成

图8 拆模后实验梁

图9 碳纤维布加固方式

图10 某几组实验梁跨中挠度曲线

图11 弯矩—挠度曲线[4]

图12 B03梁截面应变、01梁截面应变

图13 梁截面应变[4]

五、结 语

混凝土结构设计原理中的大部分都蕴含了和力学、数学相关的设计原理，同时也是从工程实际中归纳和提炼出来的科学理论，该理论又可应用于工程实际。结构概念的建立和正确理解关系到实际工程的合理应用。通过这样现代多媒体技术的手段将力学的问题、数学的问题、复杂的理论公式、复杂的计算原理得以形象化，激发了同学的课程学习兴趣，更深刻的让学生感知了结构概念，为将来设计和建造优秀结构打下坚实的基础。

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[1]林筑英.多媒体教学应用原理与开发技术[M].北京：电子工业出版社，2005.

[2]李永梅，孙国富，等.结构点算在土木工程专业课程设计教学中的运用[J].高等建筑教育，2009（5）：112-115.

[3]季天健，Adrian Bell.感知结构概念[M].北京：高等教育出版社，2009.

[4]沈蒲生，梁兴文.混凝土结构设计原理[M].北京：高等教育出版社，2007.