基于整体性的土木工程专业结构类课程设计教学改革研究

薛志成，裴 强，李长凤，杜文学，杨 磊

（1. 黑龙江科技大学 建筑工程学院，黑龙江 哈尔滨 150022；2. 大连大学 土木工程技术研究与开发中心，辽宁 大连 116622）

基于整体性的土木工程专业结构类课程设计教学改革研究

薛志成1，裴 强2，李长凤1，杜文学1，杨 磊1

（1. 黑龙江科技大学 建筑工程学院，黑龙江 哈尔滨 150022；2. 大连大学 土木工程技术研究与开发中心，辽宁 大连 116622）

针对土木工程专业结构类课程设计在人才培养和教学中存在的问题，构建了结构类课程设计的目标体系和内容体系，基于整体性提出了结构类课程设计改革和实践方案。实践表明，提高了学生的工程结构设计能力和素质，缩短了学生毕业后工作的适应期。

课程设计；结构设计素质；土木工程；适应期

目前，一般院校土木工程专业人才培养都趋向于培养高级应用型技术人才。土木工程专业的实践性很强，而土木工程结构设计是土木工程专业学生必备的业务能力之一，是土木工程专业高素质人才培养的一个极其重要的实践性教学环节。土木工程结构类课程设计是本科生学完混凝土结构、砌体结构、钢结构和土力学地基基础等专业主干课程后，针对所学的各种不同结构体系和构件的设计理论、设计方法和设计计算步骤等内容进行的阶段性总结及设计训练。同时，进行结构类课程设计既是学生顺利完成毕业设计的基础，又是学生毕业后从事土木工程结构设计、技术咨询等工作的前奏。结构类课程设计教学质量将直接影响到学生毕业后从事土木工程结构设计的能力和素质，也将直接影响到学生就业质量，但是，大多数高等院校的结构类课程设计的实践教学内容、教学模式等不能适应新新形势下土木工程人才培养的要求。分析表明，主要存在以下几方面问题：（1）各门结构类课程设计的设计题目和设计内容相互独立，缺乏系统性和整体性，并没有充分考虑各门课程设计之间相关性；（2）各门课程设计的题目来源和设计内容的工程背景不详，缺乏与实际工程的紧密衔接，缺乏应用性；（3）各门课程设计的任务书中所给基础性数据和参数过于具体，不利于学生独立分析问题解决问题能力及创新能力的培养；（4）课程设计的过程管理，质量监控和成绩评定缺乏有效机制；（5）条件保障有待于加强，必要的课程设计指导书等资料匮乏。

基于上述存在的问题，进行结构类课程设计的改革研究与实践势在必行。因此，以系统论为先导，基于土木工程结构的整体性概念，加强结构类课程设计的多维度的研究与探索，对提高学生工程结构设计素质，实现学生毕业后从事结构设计的零适应期培养具有重要的显示意义。

1 基于整体性构建结构类课程设计的目标体系和内容体系

目标是改革和建设的导向，课程设计的改革亦应如此，明确培养目标是首要的工作。依据社会对土木工程设计人才的需求，明确结构类课程设计改革主要目标是：基于土木工程结构的整体性，培养学生从事工程结构设计和技术咨询等工作的能力和素质，实现毕业后从事结构设计零适应期。具体说，学生在学完混凝土结构、砌体结构、钢结构和土力学地基基础等结构类课程后，通过进行系统的课程设计进一步深化对结构体系和各结构构件的基本概念、基本理论和基本设计方法和公式的理解和应用，并且从土木工程结构整体上把握不同结构体系及其基本构件的具体设计方法和步骤；加强学生对计算机技术（结构电算分析、绘图等）和信息技术应用能力的培养，加强学生设计资料和参考文献查询与检索能力的培养，以及对不同结构体系及其构件的结构施工图表达能力的培养；同时，从多维度培养学生的工程素质（工程意识、工程设计能力等）、创新意识和能力，以及团队协作精神和品质等。

土木工程结构是由各种不同受力状态的构件组成的一个空间结构承重体系。对于建筑工程来说，任意一个建筑结构都是由竖向结构承重体系、水平结构承重体系和下部结构承重体系组成的空间承重骨架，这三部分承重体系之间并不是孤立存在，而是相互连接，组成一个一个系统。这样无论以哪一部分体系为内容进行课程设计，都应该基于整体（系统）性去分析相互之间的关联性[1-3]。

传统的结构类课程设计内容体系包括单向板肋梁楼盖结构设计、单层工业厂房排架结构设计、钢屋架结构设计和基础工程结构设计。由于混凝土结构的装配式单层工业厂房排架结构在目前实际工程中应用较少，且在排架柱设计时，内力组合理论与框架结构中框架柱的内力组合理论相同，因此在新的课程设计内容体系中将其取消。

根据土木工程的专业主干课课程体系构建土木工程专业（建筑工程方向）结构类课程设计内容体系。结合一幢多层混凝土框架结构工业厂房（附带有多层砌体结构办公楼），基于整体性构建的结构类课程设计内容体系如图1所示。从房屋建筑工程结构整体性的角度编写结构类课程设计任务书，内容包括总则（包含设计目的、工程背景资料、建筑图纸等）和各分项课程设计内容的设计要求及相关资料和参考文献，在课程设计任务书中体现出：钢屋盖结构课程设计主要是设计框架厂房的屋盖，混凝土梁板结构课程设计主要是设计框架结构厂房及砌体结构办公楼的楼盖和楼梯；通过完成屋盖和楼盖结构设计，即可确定出由屋盖和楼盖传递给框架和墙体的荷载，这样就可以进行框架结构和砌体的课程设计。砌体结构课程设计主要设计砌体结构部分的墙体、墙梁、过梁、圈梁和雨篷等。上述四项课程设计内容的完成，即完成了整个建筑结构体系的上部结构体系的结构设计，也确定出了上部结构传递给基础的荷载；再根据地质条件等其他因素，进行基础工程的选型和设计计算，完成基础的结构设计[1]。

2 基于整体性培养学生结构设计能力及创新意识和能力

结构设计是一项富于创新的工作。在课程设计任务书中，根据建筑的使用功能要求和建筑模数的要求给定相关的尺寸（柱网尺寸、标高、层高等），通过这些尺寸的合理交叉使班级每个学生具有一组基础数据；对于楼面的做法、楼（屋）面可变荷载等都不直接给出，由学生自己设计或查阅资料确定，这相当于每个学生的设计方案计算都不尽相同。对于结构体系的具体结构形式也不做明确的规定（如混凝土梁板结构课程设计中不明确要求必须采用何种结构形式的楼盖和楼梯等），让学生根据结构实际情况进行结构设计，这样通过课程设计的训练，既培养了学生的创新意识和创新能力，又培养了学生独立分析问题和解决问题的能力。

图1 土木工程结构类课程设计内容体系

学生集中在第六学期 8周的时间内系统地完成图1中规定五项设计内容，每项设计内容完成后，要求学生要保存每项课程设计数据和成果，以便进行下一项课程设计时应用到上一项课程设计的数据，保持其设计数据的连续性和完整性。同时，建立每个学生课程设计档案，最终完成五项课程设计后，使每个学生的各项课程设计的设计成果归档到一起，统一保管，有利于学生在第8学期进行毕业设计时提供参考。

基于整体性学生系统地完成了任务书中规定的五项课程设计内容，实现了一幢建筑的整个结构设计，既完成了结构的上部承重体系（水平承重体系和竖向承重体系）和下部承重体系的结构设计。这样组织开展课程设计，系统地巩固了学生所学的混凝土结构、砌体结构、钢结构和土力学地基基础等结构类课程的设计理论和设计方法，提高了学生结构设计方面专业知识的运用能力；设计既紧密结合工程实际，又提高了学生对建筑结构设计的整体性认识。

计算机辅助设计在土木工程中的应用已经非常广泛，用于结构分析和绘图的软件（如PKPM、天正、CAD等）也较多，结合建筑工程计算机辅助设计课程的开设，在课程设计中，对于每一分项课程设计，要求学生手工绘图和计算机绘图相结合。要求至少一张手工绘图，目的在于强化手工绘图的基本技能；同时，要求学生至少一张计算机绘图。对于结构设计计算，要求采用电算和手算相结合，应用电算对手算进行复核[4-5]。

结构类课程大作业也是对学生所学专业设计知识在实际工程设计中的综合性训练，有针对性地安排设计型大作业，可以实现对学生所学专业知识的系统设计训练，及时检测学生生多所学知识的掌握程度；同时，实现对课程设计起到良好的衔接和促进作用。例如，在混凝土结构设计原理课程教学中，当讲完受弯构件纵向钢筋的弯起、截断和锚固等内容后，就可以及时地给学生布置一道均布荷载作用下外伸简支梁设计的大作业，主要是强化学生对受弯构件纵向钢筋弯起、截断和锚固等构造要求的理解和掌握。学生完成此大作业后，有助于加深理解肋梁楼盖结构和楼梯结构中各类梁的纵向钢筋构造要求。

此外，在图1的结构类课程设计内容体系中取消了单层工业厂房排架结构课程设计，但单层工业厂房排架结构内力计算及组合的方法对后续课程的学习是非常必要的。为了加强学生对这部分知识的理解和应用，可以安排排架结构内力计算和组合的大作业。

3 基于整体性加强过程管理、质量控制和评价机制

结构类课程设计的时间比较紧，设计计算和绘图的工作量较大；并且一般高的院校第六学期的结构类课程设计和高一年级本科生的毕业设计同时进行，教师指导课程设计和毕业设计的工作量较大。为此，在第五学期相关结构类课程的结构设计内容讲完后，就把课程设计任务书发到学生手中，使学生能结合所学内容，有针对性地提前思考和准备课程设计。将课程设计紧密融入相关课程教学中；同时，任课教师在结构类课程教学中既要给学生讲清本门课程的课程设计内容和课程设计的必要性，又要讲清课程设计直接相关的内容，特别是指出学生设计中经常出现的问题。在具体设计时，指导教师要通过正确的引导，使学生进一步重视课程设计，激发学生的积极性和主动性。指导学生制定较为详尽的课程设计进度计划，按计划每天加强指导和考核，培养学生自我管理、自我约束的意识和严谨、务实的工程师品质，保证课程设计按时高质量完成。

根据图1所示，五个分项课程设计内容构成一个系统，各分项课程设计按照“3+1”人才培养的要求，集中于第五学期完成，综合性较强，因此对指导教师的指导能力和水平以及时间的保障也提出了较高要求。为保证指导质量。依据教师专业能力优势，对指导教师实行分组，每组集中对一个或几个班级进行指导，要求每组指导教师对五项课程设计内容的指导，分工协作；对于不同分项课程设计内容的指导实行主指导教师负责制，且对于不同分项课程设计内容的指导实现指导教师的优势互补。避免一位指导教师集中指导一个或几个班级课程设计时，在时间上和指导能力与水平上的不足。

改革课程设计的评价办法，基于整体性原则，在考核结构方案和结构选型的合理性、设计计算的准确性和图纸绘制规范性的基础上，还要结合平时的表现考核独立分析问题和解决问题的能力、计算机应用能力等。并且有必要通过答辩的方式进一步考核学生课程设计是否存在抄袭、对设计基本理论的理解和应用情况[6]。

同时，指导教师通过对课程设计的指导、审阅和答辩，及时进行总结和研讨课程设计中存在问题和不足；并且也有必要针对学生设计中存在的问题对学生组织召开课程设计专项总结会。这样循序渐进，逐步提高学生设计的水平。

4 基于整体性加强条件保障机制建设

良好的教学条件保障是完成高质量课程设计的基石。对于结构类课程设计的整体性改革，结合学生的特点，编制高质量的课程设计指导书是重要的条件保障之一。

结合结构类课程设计任务书编写其课程设计指导书。针对学生初次进行结构设计的特点，指导书中应详细说明各结构体系设计的基本理论、基本方法和设计步骤；并且编写具有代表性的工程实例及设计计算和绘图中应特别注意的问题。同时，指导书中的工程实例集中反映现行结构设计规范条文的应用、最新科研成果及工程经验，这样通过工程实例引导学生加深理解所需理论知识，进一步促进理论与实践相结合，有利于提高课程设计质量。

5 结束语

上述结构类课程设计改革的研究成果已经过两届毕业生的实践性教学中的实践，取得了较好的效果，学生的工程结构素质得到了提高，促进了毕业设计质量的提升。从学生就业来看，近两届毕业生到设计单位就职的明显增多；信息反馈表明，这些毕业生在实际工作中明显体现出适应期短、上手快的特点，得到了工作单位的认可。

[1]薛志成, 徐晓红. 土木工程结构设计类课程体系优化设置及建设的研究[J]. 高等建筑教育, 2009, 18(5)∶ 97-101.

[2]江树勇, 任正义, 赵立红. 基于系统论的工程实践教学体系设计研究[J]. 高教论坛, 2009(3)∶ 81-83.

[3]郇筱林, 戴素娟. 土木工程专业钢结构课程设计质量监控体系的构建[J]. 高等建筑教育, 2015, 24(5)∶ 103-105.

[4]肖鹏, 李琮琦, 康爱红. 基于系列化模式的土木工程专业课程设计教学改革[J]. 高等建筑教育, 2010, 19(5)∶ 128-131.

[5]李永梅, 孙国富, 董峥, 等. 结构电算在土木工程专业课程设计教学中的应用[J]. 高等建筑教育, 2010, 18(5)∶ 112-115.

[6]李晓丽, 袁朝庆, 张云峰, 等. 土木工程专业课程设计改革与实践[J]. 中国冶金教育, 2010(1)∶ 56-58.

Reforming the Course Design and the Teaching of Structure System Courses based on Integrity

XUE Zhi-cheng1, PEI Qiang2, LI Chang-feng1, DU Wen-xue1, YANG Lei1
(1. Civil Engineering Department, Heilongjiang Science & Technology Institute, Harbin 150027,China; 2. The R&D Center of the Civil Engineering Technology, Dalian University, Dalian 116622, China)

In order to solve the problems of cultivating and teaching of the graduates in the course design of structure system courses of civil engineering, the goal system and the course design framework of structure system courses are constructed in civil engineering majors. Teaching renovation and applied measures of course design are discussed based on integrity. According to the method mentioned above, the engineering structural design ability is improved greatly, and helps graduates adapt to new work quickly.

designing course; ability to structure design; civil engineering; adaption time

TU-4

A

1008-2395(2015)06-0128-04

2015-09-21

黑龙江省教育科学―十二五”规划课题（重点课题GBB1212055；规划课题GBC1213115）；黑龙江科技大学教学改革项目(JY14-88)。

薛志成（1972-），男，教授，博士，研究方向：土木工程教育教学改革。