应用微缩模型提升土木工程施工教学效果

邓华

摘要：本科专业核心基础课程土木工程施工（4.0学分，72学时）的知识难点多且内容抽象，常规课堂授课方式难以获得较好的教学效果。本文提出基于模型设计法的土木工程施工课程的教学改革新模式，该法围绕课程教学目标，要求根据教学进度同步制作缩尺实际工程模型（1：20）模拟工程施工。学期内通过将实际工程进行按比例微缩，模式施工全过程，将课程理论知识与实际工程施工同步结合。经过本科三轮教学实践，教改课程教评优秀率达82.4%，有效的提高该课程教学质量，该方法可以用于工程专业核心专业课程教改。

关键词：微缩模型；土木工程施工；教学改革

《国家教育事业发展“十三五”规划》指出十三五时期推进高等教育改革发展的思路之重是从规模向质量转变，以创新发展激发教育活力，全面提升教育质量。“土木工程施工”是工程管理专业的核心专业课程，工程建造技术和网络组织管理技术的内容，理论知识的重点多、难点多，且理论分析和实际应用并重。对于在校大学生来说，由于缺乏工程的感性体验，使得施工的知识很抽象且晦涩难懂。所以，有必要研究新型教学方法提高“土木工程施工”的教学质量。

一、土木工程传统教学方法的教学效果分析

土木工程施工课程内容包含施工技术模块和施工组织原理模块。施工技术模块包括从地下到地上，从土建到装饰装修，从现浇式施工到装配式施工，主要有土石方工程、基础工程、砌筑工程、混凝土结构工程、脚手架工程、防水工程、装饰装修工程、结构安装工程。施工组织模块的知识主要有流水施工基本原理、网络计划技术、单位工程施工组织、施工组织总设计等知识。总体来说，土木工程施工的理论知识很抽象、对教师如何展开有效教学提出了重大挑战。许多教师采用传统的讲授法教授土木工程施工课程，在课堂单向灌输知识，教学形式简单粗暴，创新不足且和实践脱节，教学效果不佳。还有教师展开立体化教学尝试，通过理论知识配合施工图片、动画仿真视频、实际工程视頻等多种媒体形式，从听和观摩的角度让学生接受施工知识，但缺乏切身体验，对施工知识的感受不够深刻。为了加强切身体验，有的教师展开了理论与现场教学相结合的模式，将施工的知识划分成模块，根据模块寻找相应的工地，并带学生参观。这种模式很好，但是可行性有限，因为要找到匹配的工地很难，且大量的学生在现场聚集，存在安全隐患，这种教学方式只能偶尔为之，无法常态化。

综上所述，传统教学方法存在许多不足，因此探索新型“土木工程施工”的教学方法极为重要，这是改变当前土木工程施工教学低效能的出路。

二、微缩模型在土木工程施工教学中的应用

（一）微缩模型

微缩模型就是通过调动学生的全身感官，手脑并重设计微缩的建筑模型，并应用基本的建筑材料，复原制作建筑模型，以模拟建筑施工的过程，在整个制作过程中，将理论知识融入到模型制作过程中，达到学以致用的目的。应用建筑模型教学一般遵循的程序如图1所示。

笔者将以“土木工程施工”中一个重难点之一：钢筋混凝土工程施工的教学，阐述模型设计法的具体应用，并分析教学效果。

（二）模型设计法教学设计

1.教学目标及知识点分析

在土木工程施工课程中，钢筋混凝土工程施工涵盖钢筋、模板和混凝土三个分项工程。本章内容的教学目标及知识点分析如表1所示。

从过往的教学效果来看，由于学生缺乏工程施工现场的感性认识，对钢筋原材料的特性及加工、模板的分类、模板的安装、混凝土的配料和浇筑等知识都只能主观臆想，不能和工程实际对应，造成钢筋混凝土模块的知识呈现抽象、难度大、内容枯燥等特点，教学效果不好。

2.微缩模型设计与制作

首先，将某一实际工程的框架结构模型进行简化，给出图纸。要求学生根据图纸尺寸，按照一定比例（1：20）缩小，做成依靠人力能够搬动的微缩钢筋混凝土框架结构模型。然后，将学生分组若干小组，每组6人，进行分工协作。先行采购所有的原材料均通过班级统一采购分发，主要采购的材料有：木质模板（1-2 mm厚）、钢筋（0.6～1 mm）、水泥（42.5#）、中砂、脱模剂等。最后，在人员和材料齐备后，按照下表要求进度和内容完成模型制作。

3.微缩模型在教学过程中的应用及效果分析

通过紧密联系理论知识，各组同学根据图纸的要求制作出了质量不一的模型。学生共计完成21组模型，其中7组失败，主要是结构构件的尺寸偏离图纸太大的和不成整体。对余下的14组模型试验进行模型试验。

首先，根据混凝土外观是否平整光滑、外形尺寸准确和是否蜂窝孔洞的情况，将模型质量根据国家施工规范对钢筋混凝土的品质要求标准进行从优到差的标准分级，分为A/B/C/D四个等级，如图2所示。

其次，进行荷载试验，计算承重比，比较模型的效率。通过加载试验，进行分级加载，每次加载的重量，直至模型破坏为止。最终，14组模型的试验统计结果如表3所示，外观质量A/B/C/D各有3组、2组、4组和5组。表中数据很明显地呈现出质量越高的模型承载力越高的特点。模型的效率指标——承重比最高可达37.09，最小的则为0，质量和承载力不同是每组同学制作的细心和技术不一所致。

三、建筑模型教学法效果评价与反思

（一）模型制作的好坏不影响教学效果

不管是质量好的模型还是质量差的模型，都有很高的教学价值。尤其是质量差的模型，普遍破坏的原因表现为梁柱节点处缺乏锚固、混凝土浇筑振捣不密实和混凝土配合比不当，导致模型酥松、结构模型呈崩塌式破坏，而这些问题正是学生没有很好掌握施工相关知识和遵循规范的工艺技术所致。最终，他们能够从失败中深刻感受到知识的有用性和知识背后的原理。

（二）学生的评价数据分析

本教学方法在对三届共计265名学生进行试验后，进行问卷调研，结果如表4所示。从统计结果看出，绝大部分学生对模型教学方法是肯定和支持的，大部分学生通过本次模型学习，对知识的理解和体验均更加深刻。同时，学生还提了许多意见和建议，例如建议继续完善这种教学方法和模型制作改进等。通过模型教学法，将理论知识融入动手操作的过程中，学生更好地调动了全身的感官体验和吸收知识，而不仅仅只是在课堂上听和看。

（三）学生的学习主动性显著提升

通过制作模型，学生摒除了被动听教师讲授理论的枯燥乏味感，能够主动研究教材中相关的内容，主动结合图书馆数据库资料和网络资源探索文献资料。学生的学习过程由被动的知识灌输，转变为主动探索，学习动力和积极性显著提升。通过资料的阅读和调研，学生学会了框架结构的柱、梁、板的模板构造；能够对钢筋进行下料计算，精确计算钢筋长度，并安装钢筋模型；通过混凝土的配置、浇筑以及养护，深刻体验到混凝土施工过程的重点环节和施工质量的重要性。教师的教学由单向传授，转变为过程控制和结果讨论与总结归纳，使得理论更加系统化和深刻化。

结论

模型教学法将施工理论知识融入到模型制作过程中，使教学过程发生了根本性的改变。即由教师单项灌输和学生被动接受这样的低效模式，转变为学生自主探索和教师全程控制和指导的积极互动模式。该法大大提升了学生的学习积极性，调动学生全身感官参与和体验知识的应用过程，加深了对知识的掌握和理解，取得较好效果。同时，所制作的微缩模型仿真度较高、成本低，平均每个学生仅投入20元，在实验室完成，可行性高。