铁道工程专业“工程结构设计原理”课程文化建设的探索与实践

郭占月

摘要：课程文化建设是高职院校培养高素质应用型人才的必然要求。高职教育在课程文化建设的过程中，需要避免简单地把文化建设理解为文化课程的建设，而是要将知识传授与观念、理念、思维的培养协同起来，推行知识、能力与素质三位一体的教学模式。本文基于高职铁道工程专业的专业基础课程多年教学实践与研究，提出了构建高职专业技术课程文化建设的概念、思路与途径。

关键词：铁道工程专业；工程结构设计原理；课程文化建设

中图分类号：G712 文献标识码：A 文章编号：1672-5727（2014）12-0089-04

以应用能力培养为核心目标的高职教育教学改革已取得了很多成果。其中，将知识传播与能力培养相结合，知识、能力、素养三位一体的教学目标已经形成共识。从培养综合能力，提高从事职业活动的认知能力、思维能力、判断能力、方法能力的角度，把课程知识作为载体，将文化教育渗透其中，形成反映课程知识与能力特征的课程文化，从而使课程教育立体化，可以让学生不再执著于课程知识的“迷宫”。

“工程结构设计原理”课程是铁道工程专业的一门专业基础知识课程，以道路桥面类桥涵设计通用规范、混凝土结构技术规程为基础，主要教授钢筋混凝土、预应力混凝土、圬工结构构件的设计原理，其主要内容包括如何合理选择构件截面尺寸及其联结方式，并根据作用的情况验算构件的承载力、稳定性、挠度和裂缝等问题，它为学习铁道工程、桥梁隧道构造物的设计计算与施工技术奠定理论基础。

当我们从传授知识的视角，将其视为一门重要的技术基础课时，我们意识到了这门课程对规范条文的概念、实质的理解与应用能力的重要性。

结构的静力平衡条件与事物的生存法则

静力平衡条件是钢筋混凝土受弯构件按承载能力极限状态设计，无论是单筋矩形截面，或双筋矩形截面或T形截面，基本计算式从两个方面得到，一是水平力平衡，二是弯矩平衡。以单筋矩形截面为例：

由水平力平衡，即∑H=0，可得

fcd·bx=fsd·As（1）

由弯矩平衡，即∑M=0，可得

M=fcd·bx（h0-■）（2）

根据按承载能力的极限状态设计的原则得出两个公式：

γ0Md≤fcd·bx（h0-■）（3）

γ0Md≤fcd·As（h0-■）（4）

公式的适用条件是

X≤ξ0h0（5）

ρ=■≥ρmin（6）

结构计算的目的要求得到As并确定梁体截面尺寸b和h0。从数学的角度，在给定已知参数的情况下，用公式（1）、与公式（3）或（4）两个方程就可以解出包括在内的两个未知数。

这种结构设计计算的关键不在于解方程的技巧，而在于对计算公式适用条件的选择。需要讨论x≤ξbh0的条件是否满足。一是要考虑平衡建立的基础条件：承载能力达到极限状态下梁在下部截面上发生了什么？二是要考虑梁的配筋条件设定得是否合理，钢筋过多还是过少。

从知识的角度，我们引导学生把问题简单化，即只要会解这个二元二次方程就行了；强调从思维能力的角度，需要学生考虑一个问题，那就是任何事物处于平衡状态都是有条件的。

事物的平衡条件包括两个方面——主观条件与客观条件。在这里客观条件就是要求梁的极限承载能力发生时既不能钢筋太少，也不能钢筋太多，即公式（5）、（6）给定的条件；主观条件则是由自己设定的，设计者一开始假设的参数as（公式中h0=（h-as））是否合理。通过反复的练习，学生主要不是在解题熟练程度上的长进，而是对适用条件的掌握，懂得了自己设定的条件会成为所得结果的重要影响因素。当跳出这种计算，我们会发现，世上事物的许多不平衡往往确实存在着客观条件限制，这是我们很难改变的，但更多情况下是由于我们自身设定的偏差。调整设定值，问题就能得到圆满的解决。

结构设计的多方案性与三分法思维

土建结构的设计与施工所面对的工程项目具有四大特性，即作业条件与环境的开放性；时间、地点、资源的制约性；项目本身与最终成果的唯一性；进度、成本、质量影响因素的不确定性等特征。因此具体到每一个设计结果，答案不是唯一的。在结构设计原理的设计案例中，有时未知数条件过多需要假设，有时需要多次修改反复验算，条件不同答案就不同。对于一个梁的承载能力计算，满足同样的荷载要求，梁的截面与配筋方案可以是多样的，关键看设计者在计算过程中将什么视为主要因素。我们在批阅学生完成的设计方案时，对其答案不应该简单地用“√”或“×”来进行判断。很多情况下，要从他考虑问题的角度考察其过程是否正确，考虑的因素是否齐全，鼓励学生从多角度考虑设计问题。

工程结构设计需要多方案比较，这是由工程设计的特性决定的。在结构设计原理学习中，特别鼓励学生对同一设计案例作出多种方案。在学习过程中逐步培养工程思维能力，即充分论证方案的可行性、可操作性和运筹性；正确处理方案的可靠性与可错性、容错性；积极调动设计者思维的流畅性、变通性和独特性。

面对一个命题，我们往往容易急于做出判断，得出结论：即对于一个问题仅得出“是”或“非”这种两分法答案。然而，社会是开放的，环境是开放的，这就要求我们的思维也必须开阔。“斟酌”是一种工作方法，古人说的“三思而后行”就是要求我们做多方案比较，权衡不同的因素在命题中的影响作用，对于每一个答案不能简单地用“是”或“非”、“好”或“不好”来做判断，这就是“三分法”。

三分法是一种思维模式，是一种对事物决策强调理性思考过程的方法，也是从事工程结构设计的智慧之一。三分法思维能够有效地避免人们在决策过程中种种偏执、武断、急躁、冲动情绪的影响。对于未来从事结构工程施工与维护的高级专门技术人才来说，善于权衡利弊，反复论证，培养三分法思维，并能有效地应用于工程专业的生产实践中，是一种可贵的职业素质。

受弯构件试验梁的设计与创新思维的实践性特征

图1是用于分析钢筋混凝土受弯构件受力全过程与破坏特征的试验梁。

从学习知识的角度，介绍这个梁具有纯受弯构件的特性，且属于弯矩为恒值就可以了。当我们进一步分析构件的弯矩图与剪力图特征时，发现学生对于“为什么是这种梁，而不是其他形式的梁”更有兴趣。通常，我们简单地表述一个受弯构件是下页图2中a的受力形式，即一个梁体在跨中受到一个集中力。这时的弯矩分布呈现为倒三角形，而剪力分布在整个梁体上，左侧为正，右侧为负。比较下页图2中a与b可以发现，当由一个集中力演变为两个集中力时，构件的受弯与受剪特性发生了质的变化。这个演变过程叫做“一生二”的过程。

作为试验梁，测试数据的基本要求是符合规律性，因此试验条件必须具备良好的重演性，试验影响因素必须具有确定性或唯一性。显然，下页图2中a构件梁体的每个截面弯矩值都不同，每个截面既受弯矩又受剪力，不能满足试验研究的基本条件。进而对梁体的特定截面分别进行剪力与弯矩计算发现，采用b的集中力分布使得在梁体的CD段出现纯受弯与弯矩为恒值的特征。由一个集中力到两个集中力，是集中力的数量变化，而引起的结果是受力性质的改变。经过对知识的深入挖掘，当我们再看试验梁构造时，学生会发出“这张图很完美”的感叹，因为这是一个创造的过程。而实际上，这个过程是完成任何工程技术试验研究的必由之路。

当我们对一张受力图感到亲切的时候，我们收获的不再是简单的知识，而是由知识上升为一种能力，一种摸索工程技术实验方法的能力，一种解决问题的智慧，一种对事物规律性探索的愿望。这是“一生二”的过程——由关注一张图，变成了弄清楚两张图。

年轻人对世界是充满好奇的，这种好奇是创造力的源泉。作为一门专业基础课程，把课程中蕴含的创造性思维调动出来、展示出来，给学生以启发和引导，比孤立地开一门课程去教育学生如何创新要真切得多。因此，我们在研究高职教育改革时，要讲透“是什么”，因为这是知识层面规定，也应该根据内容需要讲清楚“为什么”，这是涉及能力培养的需要，有时还需要讲讲“是怎么来的”和解决问题的思维过程，这是涉及素质层面的内容。把知识能力与素质培养结合在一门课程的教学中，强调课程的综合教学，而不是把各门课程孤立开来，仅仅“承包”规定的知识传授内容，这才是我们教育教学改革的出路，是我们倡导课程文化建立的立意所在。

结构三向受压特征与人的自我约束与保护

柱是钢筋混凝土结构中的受压构件，一般采用普通箍筋形成柱的骨架结构。当柱承受的轴向压力很大，而其截面尺寸又受到限制不能加大时，无论怎么提高混凝土的强度等级或增加纵向主钢筋用量都不足以承受这种轴向压力，此时可以采取螺旋箍筋柱形式以提高柱的承载力。

所谓螺旋箍筋柱，就是用间距比普通钢筋混凝土柱小得多的闭合钢筋将柱的核心混凝土围箍起来犹如形成一个套筒，通过这种作用可以有效地限制核心混凝土的横向变形，从而提高柱的承载能力。螺旋箍筋是一种构造，它形成的柱则是一种与普通混凝土结构不同性质的构件。在普通结构中，如果混凝土承受超过自身极限承载能力的作用时，结构就会被破坏；而在螺旋箍筋柱中，轴向压力增大会伴随混凝土的变形，但是由于有螺旋箍筋的围箍作用，使得混凝土不能发生自由横向变形，我们把这样一种受力状态叫做“三向受压”。即当构件承受z轴方向的压力时，如果对构件的两个侧向x、y轴方向施加压力，则可以提高对z轴方向压力的承载能力。形象地称为，如果“有人撑腰”则顶住压力的能力增强。

这是提高结构构件受压承载能力的原理。我们不是在课堂把它仅仅停留在技术层面来讨论这个问题，而是要进一步追问通过这个案例能够得到什么样的人生感悟。

所谓人的进步，指的是能力的提高，通常就要面对新的更大的压力。从力学的角度，应力与应变、受力与产生变形永远是相伴而生的。面对过大的工作、学习、生活的压力，人们产生身体与行为上的变形是自然的，问题在于，你对承受这种压力是否做好了准备，即面对各种变形提供相应的自我约束与保护。在压力不大时，这种约束或许并不发生效用，而一旦压力很大时，没有严格的自我约束是不可能承受的。有理想、有抱负的人往往是那些懂得自我约束的人，想不受约束而顺利承担重任的“混凝土人”是不存在的。螺旋箍筋的道理还可以启示我们去理解制度、法律及社会约束以及如何保障社会秩序的有效运行。

结构耐久性设计方法与解决矛盾的分类法

工程结构设计讨论的是结构在规定的时间内、规定的条件下完成预定功能的能力，耐久性与结构的安全性、适用性共同组成结构功能的三大指标。

耐久性是指结构对气候变化、化学侵蚀、物理作用或任何其他破坏过程的抵抗能力。其中的影响因素分别来自对混凝土的损伤（裂缝、破碎、酥裂、磨损、溶蚀等），对钢筋锈蚀、脆化、疲劳、应力腐蚀以及对钢筋与混凝土之间黏结作用的削弱。结构耐久性取决于混凝土材料的自身特征和结构的使用环境。

在结构设计中，设计规范提出了按结构使用环境进行耐久性设计的概念，明确规定了不同使用环境下结构耐久性的基本要求，对影响混凝土耐久性的最大水灰比、最小水泥用量、最低强度等级、最大氯离子含量和碱含量等做出了限值规定。环境条件划分成四大类别，分别针对：Ⅰ类温暖或寒冷地区的大气环境、与无侵蚀性的水或土接触的环境；Ⅱ类严寒地区的大气环境、使用除冰盐环境、滨海环境；Ⅲ类海水环境；Ⅳ类为受侵蚀性物质影响的环境。同时依据这种对环境影响程度的等级分类，分别制定抗冻等级选用标准、混凝土保护层厚度标准等一系列要求。

学习这一条例规定给予我们的启示是什么？耐久性设计面对的主要是环境的影响，作为结构本身是无法改变环境的，于是要提高耐久性必须使结构适应不同的环境。怎么适应？

第一位的要求就是面对外部，对环境分门别类，将大气环境、水环境以及运营条件按影响严重程度不同进行等级分类；第二位的要求是面对内部，提出适应性要求，在设计措施、施工措施上做出规定，从而达到内部与外部的协调一致。

人们对于自身所处的环境有很多的无能为力，你能够做的就是善于识别不同的环境情况，有了明确的认识与界限划分，才能做到区别对待。这里教给我们的工作方法是，工作千头万绪、错综复杂，如果我们一头扎进去拼命地干，往往事倍功半。于是，首要的工作是进行分类，区别不同的对象进行排列、组合，形成轻重缓急、主次先后，尤其当这种无序是我们自身所无法控制的情况时，分类法是必要的、有效的。

我们能够控制与改变的是我们自身，不要指望用自身的固定条件能够适应各种环境，“以不变应万变”，必须善于调节自身条件以适应不同的环境。这里的关注点在于，你用最强势的条件去应对最一般的环境条件实际上是不合理的。比如说，采用最大的保护层厚度应对Ⅰ类环境是不恰当的。因为厚度本身也有其不利的影响，过厚的保护层容易开裂。人们发挥自身的能力一定要与所处的环境相适应，能力不足不能满足工作需要，能力表现得过高同样也不一定适应工作需要。

结论

第一，专业课程文化的开发与建设是高职教育走向职业化、素质化培养目标的必然体现。不同的课程具有不同的知识领域特性，与之相适应的则是理念、实践与方法论特征，倡导课程文化建设，就是要提倡在传授知识的同时，将知识中蕴含的逻辑、思维等方法传授给学生。

第二，知识、能力与素养是高职教育的三大目标，相互之间有着内在的联系。在教学过程中不宜简单地针对三个目标分别制定措施，而必须将三大目标协同起来。它们的关系在于，知识是花朵，能力是树干，而素养是根须。掌握知识是第一层次目标，掌握学习知识的方法，可以适应知识更新的发展是能力培养，这是第二层次目标；了解知识的产生过程，发现知识的规律，可以发掘、积累、创新知识是素养提升，是第三层次目标。教学的目的就是要让花朵繁茂，更要让树干强壮，根须发达，使知识之树常青。

第三，课程文化需要发现、发掘和总结。知识是表层，蕴藏于知识中的认识过程、思维方式、实践规律需要专业技术人员去细致探究，才能有所心得，有所发现。因此，课程文化建设是一个钻研的过程、探索的过程、积累的过程、归纳总结的过程。

第四，课程文化建设依赖于课程教学团队的通力合作。任何文化的力量都源于集体。整个课程教学团队对课程文化建设重要性的共识，对课程知识所蕴含思维、逻辑、规律的共同探究，是课程文化建设的基础，也是课程文化建设的保障。

课程文化建设成功的标志，是学生通过课程教学收获了知识，多年以后虽知识逐渐淡化，而支撑这些知识的思想与方法仍植根在学生的脑海，使学生能够真正成为“具有特定专门技术知识的智能型人才”。

参考文献：

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（责任编辑：王璐）