基于建材专业的混凝土结构设计基础课程教学方法探讨

陈成芹，张 微，武红娟，王 睿

(1.西北民族大学 土木工程学院,甘肃 兰州 730030;2.甘肃省新型建材与建筑节能重点实验室，甘肃 兰州 730000)

0 引言

混凝土结构设计基础课程作为无机非金属材料本科专业的专业必修课之一，开设在第六学期，先修课程包括理论力学、材料力学、结构力学、无机非金属材料工学、混凝土学和胶凝材料学，故在构建无机非金属材料专业学生培养方案中起着非常关键的作用.本课程内容主要包括两大部分，基础知识和混凝土基本构建的设计原理.基础知识包括混凝土结构的材料要求和设计方法；基本构建设计原理包括结构中所涉及到的基本受力构件，在受到外荷载时表现出来的力学性能、破坏过程、承载力计算、构造规定等[1].目的是通过两部分内容的学习，使学生掌握混凝土基本构件的基本设计原理，积累和提高简单结构或构件的设计验算复核能力，并为后续砌块、搅拌站等毕业设计以及为将来从事设计工作打下坚实的基础.

根据教学大纲和培养方案要求，无机非金属材料专业该门课程共设36学时，理论教学26学时，课程设计10学时.面对结构设计原理内容多，学时少，教授本课程时，就存在很多问题.为了在短时间内讲完如此多的内容，教师只能加快讲课速度，学生学起来就比较吃力，再加上学生本身力学底子比较薄，所以最终该门课知识掌握的就比较差.本文针对教学过程中学生在学习该门课程所表现出来的问题，根据该门课程的特点和无机非金属材料专业学生的特点，结合培养方案和教学大纲以及笔者六年来的教学经验，探究有利于提升无机非金属材料专业学生学习能力的教学方式.

1 课程特点

混凝土结构设计基础作为无机非金属材料专业的必修课程，理论知识内容多，应用性强，理论知识抽象，可操作性强.学生通过学习该门课程，不仅学会混凝土结构基本构件所包含的的原理知识，涉及混凝土结构概念、材料的物理力学性能以及结构按极限状态法设计计算的方法，弯、剪、扭构件的正截面、斜截面的承载力计算.通过掌握这两部分知识，提高学生理论联系实际、分析问题、解决问题的能力.该门课程主要有以下四个特点.

1.1 内容多

任何一个工程项目都是由无数构件构成的，每一个基本构件所用的材料、钢筋、施工方法不同，在进行设计时所依据的原理差别很大，所以需要了解的内容多.该专业一般采用的是叶见曙编写的第四版《结构设计原理》，该书所涉及的内容很多，包括四大基本结构的原理方法，主要由钢筋混凝土中所用到的材料物理力学性能、结构按极限状态法设计计算的方法、受弯构件、受剪构件及偏心受压构件的承载能力状态分析、钢筋截面面积设计与复核计算、预应力混凝土分类、应力损失等内容组成.为了更加准确的研究实际工程中的混凝土构件，所以该课程假设条件多、构造规定多、公式多、符号多，学生首次面对这样一门实用性非常强的课程，焦虑多，自信心降低.

1.2 构件设计理论的公式长、修订系数多

自19世纪末，钢筋混凝土结构在土木建筑工程中出现以来，随着生产实践经验的积累和科学研究的不断深入，钢筋混凝土结构理论在不断的发展和完善[2].构建设计理论大致经历了四个阶段：最初的完全经验法；以弹性理论为基础的容许应力计算法；20世纪30年代苏联学者首次提出的考虑钢筋混凝土塑形性能的破损阶段计算法；随着对荷载和材料强度变异性研究的深入，20世纪50年代苏联又率先提出了极限状态计算法.

极限状态计算法是破坏阶段计算法的发展，它规定了结构的极限状态，并把单一安全系数改为三个分项系数，即荷载系数、材料系数和工作条件系数，这就是所谓的“半经验、半概率”的“三系数”极限状态设计法[3，4].20世纪70年代以来，国际上以概率论和数理统计为基础的结构可靠度理论在土木工程领域逐步进入应用阶段，我国才开始在建筑结构领域开展结构可靠度理论和应用研究，并且很快取得成效[4，5]，目前国内应用广泛的以概率理论为基础、分项系数表达的极限状态设计方法.

设计方法随着实践经验的不断积累，计算公式中含有大量的系数，这些都是经过长期的经验积累的改进.混凝土构件还受材料性能和环境因素的影响，所以在经验基础上提出了一些相应的构造要求.

1.3 涉及面广

建材专业学生在学习混凝土结构设计基础课程时，首先学完了与材料性能关系密切的土木工程材料、无机非金属材料工学、胶凝材料学和混凝土学、材料力学和结构力学.这么多的先修课程，奠定了学生对材料的理解，结构在荷载作用下表现出的效应.若学生能够将这些先修课程知识点灵活运用到结构设计原理中，定会事半功倍.但是还要认识这些学科之间的区别，材料力学研究的对象是理想的弹性体，而该门课程研究的是实际工程的构件，大部分是弹塑性体.为了使所研究的对象更接近于实体，在确定模型时，假定了很多条件，学习过程中应注意分析公式与设计公式之间的联系与区别，了解和掌握我国当前有关混凝土结构设计的技术和经济政策[6].

1.4 答案不惟一，需权衡安全和经济两方面的因素

混凝土材料本身是一种多相、不均匀材料，加之采用的是半经验半理论计算公式，导致构件进行截面的钢筋面积布置或复核时，结果出现分歧，导致所设计的构件很多问题并没有标准答案，需要学生权衡安全和经济两方面的问题，到底是安全更重要、还是节约成本更实惠，要求学生明白为什么这么选择的原因.

2 教学活动中存在的问题

根据六年多来的教学经验，该门课程在教学活动中存在多方面的问题，有培养方案方面的、教师教学方法方面的、学生方面的等等.

2.1 实验课课时少

由于建材专业在设置培养方案时，没有安排实践实验，只是单纯的讲授理论知识，导致学生在学习时，没有感性认识，加上原理多，规定多，久而久之，无法产生学习兴趣.

2.2 授课方式比较单一

从事本课程教学以来，笔者主要采用板书方式讲授，便于作图和公式的推导.采用板书方式，虽然教学过程比较单调，但是学生可以清楚地知道公式的由来，缺点就是课堂气氛比较闷，个别学生不喜欢看复杂的公式，久而久之，有了放弃的念头.由于没有实验课，主要通过放一些构建破坏的视频，帮助学生理解构建在荷载增大时，内部所发生的变化，从中了解正常使用极限状态、承载能力极限状态，从而确定模型，进行承载能力计算.在一定程度上可以帮助学生理解理论知识，但是此种方法由于信息量大，不直观，学生只能被动的接受，加上年轻教师工程方面的经验不足，教学效果不理想.

2.3 学生力学知识底子薄弱，通性比较差

民族院校学生，尤其建材专业学生，本身培养方案中的力学知识学的相对较少，导致力学知识底子薄；结构设计原理公式多、计算多，有些学生为了应付考试，只得死记硬背，结果花了大量的时间和精力，还是没有明白其中的道理，个别学生甚至放弃这门课.有个别学生，在学习该门课程时，只是单纯的学而学，缺乏独立解决问题和总结归纳的能力.该课程同材料力学和结构力学关系非常密切，常常需要用到这些课程的相关知识，学生通常不能自主地运用前期所学知识来解决问题，不能实现课程与课程之间的融会贯通，无法形成系统的结构体系和建立结构思维.

3 民族院校建材专业《混凝土结构设计原理》的教学探讨

民族院校的学生，大部分基础知识底子薄，学习积极性不高，在教学过程中就不能用普通本科院校的要求，而是应该以学生为中心，针对他们的特点，适当调整教学方法和教学手段.为了培养理论基础较扎实，实践动手能力强的工程师，笔者针对建材专业混凝土结构设计原理的教学做了以下四点改进.

3.1 充分利用课堂时间提高教学效果

教学中应结合无机非金属材料专业的培养目标，通过实际工程案例来讲授理论知识.由于课时设置少，所以在备课过程中对各章节内容合理分配，充分利用课堂45分钟，通过各种实际案例开发学生的思维，激发学生动脑思考问题的热情.课堂教学时，必须注意区别材料与力学的异同点，进一步加深学生对作用效应的认识.按照自然现象发展规律，指导学生推导出基本假设，然后画出实际构件的受力图，进行受力分析，确定模型，基本计算公式，选钢筋布置及校核.在教学过程中，运用多种方法全面描述构件的各种力学特征，建立力学模型，同时考虑学生接受知识水平和理解水平，适当选择教学内容.比如受弯构件正截面承载力计算部分，如果教师投入大量的精力讲述单筋矩形截面知识点，学生又理解透彻了，那么双筋矩形截面就非常简单了，只需要区别两类截面的异同，这样既巩固了先修知识，又掌握了新知识.

3.2 多种教学模式并用

传统的教学模式是以教师为主，教师认真备课，根据自己的授课经验，以板书形式，满堂灌的授课，认真的学生跟着老师的思路走，可以被动的接受老师所讲授的内容；如果中间哪个环节开小差，思路就跟不上.随着计算机技术的发展，当代高校教师更喜欢采用PPT授课方法，尤其是年轻教师，实践经验缺乏，于是普遍出现照“P”宣科的现象，加上PPT播放速度比较快，学生更易走神，影响教学效果.为了克服这种现象所带来的弊端，解决当下大部分高校普遍存在的问题，需要变革教学模式，灵活运用多种教学模式.一是可以继续使用板书和PPT结合的教学方式.自古以来，大部分教书先生采用板书教学，它有它的优势，需要继续沿用.对一些问题，比如构件在受到外荷载时，变化特征可通过动画给学生直观的认识，使模糊的东西更加可视化；公式推导过程中，教师引导学生画出计算草图，这样可以加深学生对理论知识的理解，效果更好.二是用多种教学方法.教学过程中，教师应培养学生自主学习的能力，激发学生的主观能动性，实践“多样化，指导思维方式”的教学模式.在实验现象的基础上进行定量和定性分析，以解决思路和方法的实际问题，充分利用思维导图式、实验演示、对比、讨论等多种教学方法，提高课堂教学效果[7].例如，在理解正截面弯曲构件的承载能力特征时，通过播放少筋梁、超筋梁和适筋梁三种梁的破坏现象，将枯燥的教材描述变为可见的事物，学生可以在感性中掌握原理.

3.3 实验教学

建材专业和土木工程专业在培养时的侧重点不同，所以实验环节相对比较薄弱.针对建材专业学生，可以提出一些选修实验，让学生根据自己的情况自由选择，是否切实弄明白构件在工作时发生的受力特征.在理论知识讲解完毕之后，组织学生分组动手操作受弯构件三种梁的加载破坏实验，加深学生对相关知识的理解.在授课期间教师也可以带领学生到就近的工地进行参观实习，使学生能把理论知识与工程实际结合起来[8].

3.4 改进考核方式

建材专业对本课程的考核包括平时成绩、期中成绩和期末成绩三种方式.平时成绩主要是考勤、课堂回答问题、课后题、课程设计，占总评成绩的20%；期中成绩是针对这一段时间的学习，学生对前一段时间学习的总结，占总评成绩的20%；期末成绩考察学生对该门课的概念、原理与方法的了解，通过选择题、判断题、问答题和计算题的方式进行闭卷测验，占总评成绩的60%.期末成绩占比较重，导致部分学生达不到要求，尤其是记不住复杂的公式，只能重修.现在我国不少高校已经有了半开卷半闭卷的形式，即对于基本概念和理论可以采用闭卷，而对公式的应用采用开卷方式，学生可将事先发放的统一规格的考试用纸带入考场，允许学生填写自己认为重要的内容[9]，或者借鉴注册结构考试的形式，全部采用选择题，但学生必须书写解答过程与依据[1].鉴于此，针对建材专业的学生力学知识相对薄弱的现状，不仅可以考察学生动手操作的实践能力，也能锻炼学生查规范、分析问题的能力.

4 结论

混凝土结构设计基础课程作为无机非金属材料专业的必修课程，理论知识内容多、经验公式长、修订系数多、涉面广、综合性强、实践性强，但是课时设置少，缺少实验课，加上民族院校学生基础知识相对薄弱等问题，在教学过程中，教师应以课程特点为基础，结合多种教学方法，充分调动学生的主观能动性，使学生真正理解并掌握混凝土结构的原理与设计方法.对待建材专业学生不能用单一的考核方式来考察，应采取更灵活的方式，培养学生分析问题和解决问题的能力，为学生将来从事设计工作打下坚实的基础.