思维导图在“混凝土结构设计原理”课程教学中的应用

王英俊，杜书廷，朱叶

（1.许昌学院 土木工程学院，河南 许昌 461000；2.河南开放大学建筑工程学院，河南 郑州 450046）

“混凝土结构设计原理”是我校土木工程、道路与桥梁等专业学生最先接触的专业基础课程。该课程的研究对象为不同荷载组合作用下钢筋混凝土梁、板、柱构件截面内力设计与校核及裂缝宽度和挠度计算，其基本公式是根据试验研究结果做出基本假定后推导得到的半理论半经验公式。此外，该课程与现行各种设计规范、工程实践紧密相连，致使该课程具有信息量大、概念多、计算公式多、符号多、经验系数多、构造规定多等特点，导致该课程既难教又难学，处于“两难”阶段，且该课程教学质量的优劣也直接影响后续专业课程的学习。因此，如何提高本课程教学质量是目前亟需解决的问题。

在信息化快速发展的今天，以适应我国现阶段土木工程专业人才培养目标和社会需求为导向，结合现代化教学工具，以激发学生学习兴趣、提高教学效率为目的进行教学方法改革。以“混凝土结构设计原理”课程[1]中钢筋混凝土梁正截面性能与设计为例，探讨该课程的教学方法。

1 思维导图分解教学内容

思维导图是一种全方位的视觉和图解思考工具[2-3]，不仅可以组织自己的思想，也可以通过笔记的形式组织别人的思想[4]。近年来，将思维导图用于土力学理论和试验教学过程中[5]，以丰富的图像组织教学内容，以图文结合的形式吸引学生的注意力，达到了预期的教学目的。将思维导图用于英语课程等教学过程中，也取得了良好效果[6]。现本文将其用于“混凝土结构设计原理”课程教学过程中，钢筋混凝土梁正截面性能与设计的思维导图如图1所示。

图1 钢筋混凝土梁正截面性能与设计思维导图

从图1中可以看出，本章内容分为6部分，共12 学时。其中，第1、2 部分为试验研究及试验结果分析；第3、4、5 部分为计算公式在工程中的应用；第6 部分为对本章内容的总结。在每一部分主分支中都配有相应研究内容的图片，并通过分支细化该部分的主要内容，将其清晰地展现在学生面前，可读性强、逻辑关系明确。如第5部分中的T形截面梁，主要包括T 形截面梁的应用范围、受压区有效翼缘宽度的确定、T 形梁的分类、基本计算公式及在实际工程中的应用。

2 教学过程

近年来，随着网络信息技术的发展，学习通、雨课堂、微助教、UMUI、蓝墨等网络教学平台的出现方便教师上传课件、资料及讲课视频，学生可以利用碎片化时间随时随地进行学习。根据本课程的特点，采用传统教学+PPT 为主、网络教学为辅的教学模式，实现其创新发展。针对不同的教学内容采用不同的教学方法，通过以下教学实例进行说明。

2.1 课前导学

通过超星学习通提前发布本节课的思维导图、PPT 课件及国内外先进工程案例等相关资料，分配相关任务。教师可查看学习通中每个学生的学习情况，不仅能随时掌握学生的学习动态以及激发学生学习的积极性和主动性，又能使学生接触国内外先进的学术思想，提高自身专业素养，从而极大地提高教学效率。

2.2 试验研究教学

试验研究教学是将整个试验室现场操作程序直观、清晰地展现在理论课堂的一种教学方法。整个教学过程为先绘制思维导图，分析试验方案及测试内容，然后分析试验结果并总结试验规律，最后做出基本假定，推导基本公式并提出适用条件。以单筋矩形截面梁正截面受弯承载力试验研究为例，思维导图如图2 所示。在图2 中可知该部分内容分为两方面，第一部分为单筋矩形截面梁正截面试验研究，第二部分为单筋矩形截面梁正截面受弯承载力分析。在第一部分中，试验方案制定和测试内容均可由PPT 讲解，将试验过程中构件的受力过程和破坏形态做成三维动画视频，一边播放视频或动画，一边讲解，两者完美结合，把学生从抽象思维带到感性认知，使其愉快、轻松地理解、掌握这些知识。第二部分为试验结果的整理阶段，即根据试件受力过程和试验现象做出基本假定，推导公式适用条件，可由PPT 讲解。在PPT 的讲解过程中，可以按需设置问题，引导学生进行思考，最后得出结论。

图2 单筋矩形截面梁试验教学思维导图

2.3 理论教学

在试验教学研究的基础上进行理论教学，单筋矩形截面梁正截面受弯承载力的思维导图如图3 所示。从图中可知，单筋矩形截面梁正截面受弯承载力由五部分内容组成，即基本计算公式、公式中参数意义、适用条件、计算步骤和工程应用。在基本计算公式中，第一个基本方程为对受拉钢筋形心求距得到的单筋矩形截面梁正截面最大受弯承载力，第二个方程为对受压区混凝土合力作用点求距得到的单筋矩形截面梁正截面最大受弯承载力。在参数意义中，参数αs为截面抵抗矩系数，参数γs为受拉区钢筋合力作用点到受压区混凝土合力作用点间的距离，即内力臂系数，这两个参数均与相对受压区高度ξ有关，可归结为一个参数的两种不同应用。在适用条件中，不仅限定了此公式的适用范围，还蕴含了适用条件以外的计算方法，即超筋梁和少筋梁正截面受弯承载力的计算，具体计算方法见工程应用部分；计算步骤部分分为设计和校核两种情况，工程应用部分为对计算公式设计和校核两种情况的实际应用，针对每种情况，均有不同的解题步骤，比如，设计时出现少筋梁情况，这时取最小纵筋配筋截面面积即可，校核时出现超筋梁情况，这时取最大相对受压区高度计算该梁最大受弯承载力即可。

图3 单筋矩形截面梁理论教学思维导图

针对上述每一步骤，可采用PPT+板书的教学模式，将关键词列在黑板上，通过PPT展示内容，思路清晰，条理清楚。

同理，双筋矩形截面梁、T 型梁正截面受弯承载力计算公式讲解也可采用上述授课方法，此处不再赘述。

2.4 复习课

经过上述学习，本章内容学习结束，进入课程复习阶段。《道德经》中说：“授人以鱼，不如授人以渔”。因此让学生自己绘出整章内容的思维导图，不仅引领学生重温知识点的内容，还可以查漏补缺、扩散思维并进行创新。在这张思维导图中，不仅需要标出本章所有知识点，而且也要标出每个知识点中的主要内容，且主要内容用关键词而不是短语或句子来表示。这张思维导图可以将整个知识网络串联起来，形成“从厚到薄”的过程，以受弯构件正截面性能与设计为例，见图4 所示；随着对每一个知识点进行扩展，又形成“从薄到厚”的过程，以双筋梁受弯承载力为例，见图5 所示。在“厚-薄-厚”的总结和学习过程中，学生会发现不同知识点之间的相互联系、相互区别，分清课程内容的主、次关系，把握学习的重点，理清学习思路。同时，还可以激发学生对知识进行主动探索、主动发现和主动建构的兴趣，培养其独立思考问题的能力和发散性思维的创作。

图4 受弯构件正截面性能与设计思维导图

图5 双筋矩形截面受弯承载力计算思维导图

经过对本章知识的汇总及剖析，学生已经掌握和理解了教学内容，然后利用多媒体图片展示混凝土结构的实际现场以及相关构造措施，给出工程实例，让学生运用所学知识进行剖析和相互讨论，教师进行纠正和评判。这样，将理论知识与实际工程融会贯通，使得理论学习、工程实践和规范规定相联系，丰富知识体系，提高教学效率，达到预期教学目的。此外，讨论过程中还可以培养学生的思维能力及解决问题的能力，从而为后期的学习和工作奠定坚实的知识基础。

3 思维导图教学优势

思维导图作为学习的一种工具，在课堂效果、教学质量和学习效益等方面起到了较好的积极作用，它有以下两方面的优势：

学生根据自己所绘制的思维导图有利于寻找知识的核心内容，然后进行思维能力的创新与发散，提升自身的总结能力，不仅能确保教育质量与教学效果，还可切实提高大学生的专业能力；

大力引导学生使用思维导图做课堂笔记，不仅可以开阔自身视野，还可以及时发现学习中的不足，调整学习方案，达到更好的学习效果。

4 总结

使用思维导图建构知识网络，将离散的知识点串联起来，从整体上把握知识的重点、难点，掌握学习方法，实现自主学习，提高学习兴趣；

针对不同的教学内容采用不同的教学方法，教学思路灵活，学生学习兴趣较高，达到了教学的预期目的；

思维导图在复习课中的使用，不仅使课程知识“从厚到薄”，也可以“从薄到厚”，将繁多凌乱的知识点相互贯穿起来，知识体系更加清晰直观，能培养学生的创新能力及发散思维能力，提高学生的核心素养。