荷载与结构设计方法课程教学改革探讨与研究

韩 祎，王 天，贾生海，戚乐磊

(1.甘肃农业大学 水利水电工程学院，甘肃 兰州 730070；2.甘肃省建筑设计研究院有限公司，甘肃 兰州 730030)

荷载与结构设计方法课程是土木工程专业的一门专业基础课程，是结构理论与概率理论、模糊数学、数理统计等相结合的一门新兴学科，是土木工程专业的必修课程。该课程的教学主要目的是使学生熟悉工程结构中常见的各类荷载定义及其特点，掌握结构设计方法，理解并运用好《工程结构可靠度设计统一标准》及相应的设计规范体系，为今后工程结构的设计计算打下必要的基础。然而这门课程的开设时间并不长，教学经验亦不足[1]，虽然本课程为必修专业课，但由于学时较少又得不到学生的重视，笔者在实际教学过程中发现了诸多问题，为此，甘肃农业大学对荷载与结构设计方法课程进行了教学改革探讨与研究，以激发学生的学习兴趣，剖析该课程在教学中存在的问题，提出相对应的改进措施，以期为后续专业课程的学习及毕业设计中结构计算部分打下良好的基础。

1 荷载与结构设计方法课程教学中存在的问题

荷载与结构设计方法课程自1998年设立以来，国内多所高校教学团队对其进行了教学改革探讨，袁敬等[2]对“新工科”背景下荷载与结构设计方法教学中存在的问题进行了总结，提出了适应于“新工科”的教学理念和教学模式；李长凤等[3]对荷载与结构设计方法课程进行了信息化的教学模式改革，笔者在从教过程中亦发现了一些问题，总结如下。

1.1 学时少、内容多、系统性差、知识跨度大

荷载与结构设计方法课程作为土木工程专业的必修基础课，该课程涵盖了数学、力学及土木工程所有专业课程的荷载基本计算及原理知识[4]，是后续钢筋混凝土结构设计原理、钢结构设计原理、基础工程、建筑结构抗震设计原理及高层结构设计等课程的先修基础性课程。根据高等学校土木工程本科指导性专业规范规定，该课程的主要内容包含三个部分：一是工程结构承受的各种荷载的概念、类型及计算方法；二是结构可靠度理论；三是结构设计方法。并且教育部要求该课程按照大土木目标来安排教学内容,教学内容不仅要包括建筑结构、桥梁结构、水工建筑物结构荷载的介绍,还应包括对隧道、港口工程、海岸与海洋工程等荷载的介绍[5]，然而该课程开设时间是第四学期，只有16个学时，学时少、内容多，且各章节的知识点不连贯，学习内容零散繁琐、枯燥无味，学生存在畏难、厌学情绪，加之处于第四学期的学生，对专业知识的理解尚浅，还处于懵懂阶段，无法将该课程与其他专业课程较好地结合起来，教学活动开展困难，教学效果达不到预期目的。

1.2 配套教材内容滞后，教学内容与实际工程差异性大

由于土木工程专业性质，所有的课程需与规范、标准同步，但修订后的新规范相配套的教材内容滞后，导致教学内容差异性较大[4]，学生在学习的过程中常会感到困惑，不能学以致用，无法利用课堂上所学的理论知识分析和解决工程实际中遇到的问题，对完成教学目标要求有一定的阻碍。例如，日前住房城乡建设部关于发布国家标准《建筑结构可靠性设计统一标准》的公告：现批准《建筑结构可靠性设计统一标准》为国家标准，编号为GB50068-2018，自2019年4月1日起实施。《建筑结构可靠性设计统一标准GB-50068-2018》取消了以恒载起控制作用时分项系数取1.35的规定，恒荷载分项系数由1.2调整为1.3，活荷载分项系数由1.4调整为1.5，预应力作用分项系数1.3。新标准对相关系数进行了变动，但课堂上所讲授内容并未提及分项系数变化后的内力组合计算和带来的一系列影响，而一味提高分项系数能否实质性地提高结构安全，是否会导致施工单位偷工减料时更有底气，钢材需求增加是否会引起价格上涨等等。造价成本增加最终会由开发商转接给购房者，而此项修改对造价的影响到底如何？对于高校土木工程专业的专任教师来讲，我们所关心的是如何将这一调整带来的改变及影响较全面地给土木工工程专业的本科生阐述清楚。

2 荷载与结构设计方法课程教学改革探讨

为了消除学生的厌学情绪，激发学习兴趣，改善课程教学中的诸多问题，提升教学效果，笔者对荷载与结构设计方法课程进行了教学改革探索与研究，提出了以下几点改进措施。

2.1 构建多元混合式教学模式

目前，教师所采用的教学手段较多，有启发式、对比式、案例式、互动式等[3]，但都属于传统教学手段，随着计算机网络的兴起，近几年来，信息技术快速发展，国家在《教育信息化十年发展规划(2011年——2020年)》中已经指出，以教育信息化带动教育现代化，注重信息技术与教育的全面深度融合[6]，所以微课、慕课、翻转课堂等现代信息化教学手段如雨后春笋般进入高校课堂，实现了信息化技术与课程教学的有机结合，在信息化技术的大背景下，甘肃农业大学土木工程专业荷载与结构设计方法课程组对本课程进行了教学改革,探索与时代发展相适应的课程教学方法和手段,将网络课程平台、微课、翻转课堂等结合起来,构建多元混合式教学模式[7]，具体探索途径和实施方案如下所述。

2.1.1 提高教师应用信息化技术能力

目前，有关网络教育教学的平台很多，教师怎么样去选择适合自己课程性质和特点的教学模式以及如何利用信息化技术创建自己的课程，是当下的难点问题。鉴于此，甘肃农业大学聘请了对口支援学校清华大学混合课程教学团队，通过线上培训和线下面授的方式，对全校四分之三的教师进行了“混合教学与教师信息化教学能力提升”的培训。培训内容包括混合教学理念引领、混合课程的认知与设计以及混合课程建设，基于XMind8导学单的制作，录屏软件camtasia studio的使用，微视频脚本设计，PPT课件优化技巧等，参加培训的教师需完成自己所教授一门课程中一个学习单元的混合课程建设。通过该项教师教学能力提升的培训，教师能充分利用信息化技术，针对自己的课程性质和特点，独立建设混合教学课程。

2.1.2 线上线下共同学习，提高教学效果

在甘肃农业大学在线教育综合平台上，对荷载与结构设计方法这门课程进行混合教学建设。首先进行课程整体设计，按照课程性质对其进行学习单元的拆分，教师可添加调查问卷、讨论区、学习反思及随堂测试等教学活动环节，实现与学生的良好互动，改善传统教学模式中老师唱独角戏的问题，激发学生的学习兴趣，培养其独立思考的能力。例如，在讲授温度作用时，可通过线上教学平台中创建的学习资源，观看美国“9.11事件”，飞机撞击大楼引发火灾而发生倒塌的视频，强调火灾作用对人类造成的生命财产和经济损失极其严重；讲述地震作用时，可在讨论区创建学生经历5.12地震的话题；在讲述地震波时，通过线上教学资源中的动画，展示横波、纵波、乐福波、瑞雷波的性质，帮助学生加深理解，并完成随堂测试，积极挖掘学生的自主学习能力。

线上教学可进行学习评价，学习评价的维度和数据来源于三种：一是在线测试，二是课程作业，三是在线学习行为。在线学习行为包括在线时长、统计论坛、课程资源、学习笔记，教师按课程的性质设置相应的学习评价指标，荷载与结构设计方法课程总成绩为线上成绩(50%)+线下成绩(50%)，其中线上学习评价指标为在线测试(10%)+课程作业(20%)+在线学习行为(20%)，线下成绩为期末考试卷面成绩，这样设计学习评价指标，有效地避免了部分学生平时不学习、考前靠突击的陋习，培养了学生良好的学习习惯。

采用混合教学手段，线下根据教学进度安排进行面授课程，线上根据教学大纲完善和巩固重点、难点，学生可以通过网络教学资源来丰富自己的专业知识，开阔视野，构建本课程各章节之间的联系，扩充与本课程相关专业知识信息，做好与其他专业课程的衔接，又较好地实现了课堂互动环节，增进了师生之间的感情。

2.2 多引入工程案例，加强实践训练

荷载与结构设计方法作为一门工程技术类课程,教学中必须要安排一些与工程实际紧密结合的训练环节,提升学生的工程实践能力[8]，否则，影响其在工作岗位上对知识的应用能力及解决问题的创造能力。同时由于《建筑结构可靠性设计统一标准GB-50068-2018》的执行，导致教材内容滞后，而荷载统计与分析及内力组合直接会影响结构设计的安全性，为解决这一问题，同时将新标准调整后的计算方法和带来的影响给学生讲述清楚，笔者以内力组合为例，进行了以下研究工作：

为了将新旧标准的荷载效应组合值进行对比，首先应明确新旧标准中对荷载效应组合的规定。承载力极限状态的荷载效应设计值分为荷载基本组合的效应设计值和荷载偶然组合的效应设计值，旧标准规定[9]：

(1)荷载基本组合的效应设计值：

①由可变荷载控制的组合荷载效应设计值：

Sd=∑1.2SGjk+1.4γL1SQ1k+∑γQiγLiφciSQik

②由永久荷载控制的组合荷载效应设计值：

Sd=∑1.35SGjk+∑1.4γLiφciSQik

③多遇烈度下的地震作用效应和其他荷载效应设计值：

S=1.2SGE+1.3SEhK+1.3SEvK+1.4φwSwk

(2)《建筑结构可靠性设计统一标准GB-50068-2018》，即新标准规定[10]：

①荷载基本组合的效应设计值

Sd=∑1.3SGjk+1.5γL1SQ1k+∑γQiγLiφciSQik

②多遇烈度下的地震作用效应和其他荷载效应设计值：

S=1.2SGE+1.3SEhK+1.3SEvK+1.4φwSwk

综上所述，新标准取消了以恒载起控制作用的组合项，并对恒载及活载分项系数进行了修订，但是没有对考虑地震作用效应的荷载组合分项系数进行修订，《高规》[11]中也明确指出，计算地震作用效应时，一般情况下重力荷载分项系数仍然取1.2，故当地震作用起控制作用时，新旧标准计算所得荷载效应内力组合值是相同的。

③案例对比分析

为了更清晰全面地阐述新标准荷载分项系数的调整对结构设计计算的影响，现设计了一栋教学楼，其建筑结构参数信息参考混凝土结构设计规范[12]、建筑抗震设计规范[13]等行业法规，利用盈建科建筑结构设计软件，在确保其他设计条件不变的情况下，通过改变分项系数，分别计算了新、旧标准下内力组合值的大小，其工程概况如下：结构类型为钢筋混凝土框架结构，抗震设防烈度为8度(0.20g)，场地类别为II类，设计地震分组为第二组。结构单层平面布置图如图1所示。图2为取一榀框架计算结构内力的示意图，图中标注出了梁端的六个控制截面。

图1 结构单层平面布置图

图2 一榀框架结构内力计算示意图

无论新旧标准，内力设计值均为最不利组合，为了简化计算本文选用的荷载组合方式包括：旧标准的荷载组合方式为1.2恒载+1.4活载、1.35恒载+0.98活载、1.2恒载+0.6活载+1.3地震、1.2恒载+0.6活载-1.3地震，取最不利组合为内力设计值；而新标准的荷载组合方式有1.3恒载+1.5活载、1.2恒载+0.6活载+1.3地震、1.2恒载+0.6活载-1.3地震，同样取最不利组合为内力设计值。计算所得框架梁内力组合值如表1所示，框架梁端主要承受和传递弯矩及剪力，框架柱主要承受和传递弯矩、剪力及轴力，因为钢筋混凝土框架结构底层柱为薄弱层，故取底层为典型算例进行比较。由表可知，新标准计算所得框架梁2、4、6截面的弯矩和剪力均大于旧标准计算结果，且弯矩设计值分别增大了48.8%、60.5%、55.6%，剪力设计值分别增大了22.0%、37.7%、23.2%；截面1、3、5的内力设计值新旧标准计算结果相同，这是因为1、3、5截面内力最不利组合是考虑了地震作用效应的组合项，该组合项荷载分项系数的新旧标准是一样的。

表1 框架梁内力组合值

表2为新旧标准计算所得框架柱内力设计值的对比结果，可以看出，柱底所有截面内力设计值新旧标准的计算结果是完全相同的，这是因为在水平地震作用下，该截面的最不利组合是1.2恒载+0.6活载-1.3地震，该组合项的荷载分项系数并未进行修订。

表2 框架柱内力组合值

④案例对比结论

通过对五层钢筋混凝土框架结构在新、旧标准下最不利荷载组合值的计算，得出以下几点结论：

a.新标准计算所得的内力值不小于旧标准所得计算结果，即分项系数的提高会使截面内力设计值增大；

b.当地震作用效应起控制作用时，新旧标准计算所得的内力设计值是相同的；

c.新标准修订后的荷载组合项取消了以恒载起控制作用的分项系数1.35，使得荷载组合项数比旧标准少，因此减少了计算工作量，节约了计算成本。

采用案例法教学，可以将理论知识运用于实际工程中，激发了学生的学习兴趣，调动了学习积极性，充分发挥了学生的自主能动性，加深了学生对知识点的理解，提升了学生的实践能力，将该课程所学知识与其他专业课程的知识点交叉联系，同时使得课堂也不再枯燥乏味，达到提升教学质量和教学效果的目的。

3 结语

针对荷载与结构设计方法课程在教学过程中存在的问题，笔者进行了该门课程的教学改革探索，充分利用信息化技术手段构建多元式混合教学模式，弥补了课程内容多学时少的缺点，实现了与学生的良好互动，培养了学生的学习兴趣。在教学过程中适当增加案例教学，加深了学生对知识点的理解，提升了学生的实践能力，但新型的教学改革是一条持久而又复杂的过程，还需在今后的教学过程中不断总结经验，不断完善。