混凝土结构设计原理多元式教学的探索与实践

王小娟　周宏元　张广才　石南南

摘  要：《混凝土结构设计原理》是土木工程专业一门重要的专业基础课，其知识面广及实践性强的特点，导致传统的教学方法效果欠佳。文章结合此课程特点进行了多元式教学的积极探索与实践，采用小组讨论+学生授课、科研活动+学术竞赛、工程案例+施工现场、虚拟仿真实验教学技术，形成了课堂+实验室+工地的三位一体的多元式教学方法，取得了良好的效果，同时也为本课程教学改革提供一定的参考。

关键词：混凝土结构设计原理;多元式;教学方法;虚拟仿真实验教学

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2019）16-0086-04

Abstract： The Principles of Concrete Structure Design is an important professional basic course for civil engineering specialty， due to its characteristics of extensive knowledge and strong practicality， effective teaching is difficult with traditional teaching method. Based on the characteristics of the course， the author has actively explored and practiced the multivariate teaching， effectively incorporating group discussion + student teaching， scientific research activities + academic contest， engineering project case + construction site， with the new technology of virtual simulation experiment teaching. The multivariate teaching method has achieved good results and also provided a reference for education reformation.

Keywords： design principle of concrete structure; multivariate; teaching method; virtual simulation experiment teaching

一、概述

“智慧城市”、“海綿城市”、“新型城镇化”等社会经济发展需求指明了土木行业迫切需要高素质的工程人才[1]。高校作为连接学生和社会的桥梁，应勇于为社会培养出与我国的时代发展需求相适应、能够解决复杂工程问题的应用型创新人才。

混凝土结构因其造价低、耐久性好、耐火性好等优点，是土木工程常用的结构类型。北京工业大学土木工程专业培养“高层次技术人才”的目标要求学生拥有扎实的专业基础，而《混凝土结构设计原理》作为一门重要的专业基础课，积极开展教学探索与实践工作有益于高素质创新人才的培养。

目前《混凝土结构设计原理》课程多采用课堂讲解、课下作业、期末考试的传统教学方法。但实践证明，传统方法无法有效激发学生的积极性和自主性，填鸭式的满堂灌不利于应用型创新人才培养。传统教学极易导致老师难教、学生难学的“两难”局面。为解决这一困境，作者分别从该课程的特点、目前的教学困境、教学方法探索思路等方面进行了分析，并开展了多元式教学的积极探索与实践。

二、课程特点及教学困境

（一）课程特点

为更好地了解课程基本情况，作者在北京工大学建筑工程学院授课班级60名学生中进行了问卷调查，共发放问卷60份，回收50份。调查结果表明：有98%的学生认为该课程十分重要，原因如图1，但有96%的学生认为该课程学习困难，原因如图2。

绝大部分学生普遍认为，无论从事房地产开发、结构设计及工程施工等工作，还是继续深造，都需要掌握或理解本课程知识。但由于本课程综合性强、实践性强、原理抽象、公式复杂、实验多等特点，虽然学生非常重视本课程，也付出了较多学习时间，但不及格现象仍然很多，学生称其为最容易挂科课程之一。

（二）传统的教学方法困境

目前，土木行业蓬勃发展，新一代信息技术、高性能智能材料、新施工工艺不断涌现，然而，高校使用教材普遍滞后，授课材料更新缓慢，而且教学课时有限，教师没有多余的时间给学生扩展土木行业新进展。并且传统的课堂讲授知识、学生课下做习题的学习方式使学生感觉本课程内容枯燥无味，抽象难懂，缺乏逻辑性。教师在“黑板加粉笔”的教学中，较容易产生“照本宣科”现象，使理论教学严重偏离工程实践，学生只能被动地接受知识，缺少独立思考的机会，长期以往，则只会模仿课本例题完成作业，无法锻炼学生发现问题和解决问题的能力。虽然多媒体技术在教学中的应用，减少了教师在黑板上的书写，增加了图片视频等内容，但是，由于幻灯片放映速度较快，学生没有记录幻灯片内容的时间，且不易分清哪里是重点，这导致学生对幻灯片展示的内容印象较浅，难以培养学生对本课程自主研究的兴趣。为了培养出既懂得一定的混凝土结构设计理论，又拥有良好的工程实践能力，全面发展的高素质人才，传统的单一教学方法急需改进。

三、多元式教学的探索与实践

（一）多元式教学的探索思路

为了改进传统的教学方法，首先，教师应转变主人公的观念，在课堂教学中树立“学生为主体，教师为主导”的教学理念，使学生成为课堂的主人;其次，教师应针对授课对象的变化与时俱进的设计课程，现在大学已经开始进入“00后时代”，教学对象有了许多新的特点，他们思维活跃，有着强烈的求知欲、表达欲和创造力，渴望更主动地学习。其次，随着时代的发展，虚拟仿真实验教学因其具有智能化、互动式、开放性的特点，能够完成土木工程实验教学不具备或不能完成的教学功能。某种意义上，《混凝土结构设计原理》课程教学确实需要进行一次“供给侧改革”。基于以上思路，作者进行了多元式教学的实践探讨。

（二）多元式教学的实践

怎样在有限课时里使学生听得懂、学得会、能应用，是本课程教学中一个需要解决的重要问题。课堂调查问卷表明92%的学生对目前的教学方法不满意，希望采用新的教学方法，提出的方法如图3。

作者通过综合运用小组讨论+学生授课、科研活动+学术竞赛、工程案例+施工现场、虚拟仿真实验教学新技术等方法，课程教学取得了令人满意的结果。下面，笔者分别介绍这几种方法。

1. 小组讨论+学生授课

相对于教师课堂讲授，小组讨论更能活跃课堂气氛，提高学生的自主研究学习能力。如果将课堂小组讨论的方法应用在本课程教学中，学生会更积极地融入课堂，增加对课程的学习兴趣。在本课程中，针对较难理解和开放式答案的问题开展学生小组讨论，例如，建筑结构构件有哪几种类型？钢筋和混凝土共同工作的原因有哪些？常见的受拉、受压、受弯构件有哪些？小组讨论的方法非常适用于此课程。

学生授课又称翻转课堂，如图4，它不同于传统的教师讲、学生听的课堂模式，这种教学方法正在被越来越多的使用。根据课堂讨论的结果，每组制作幻灯片进行讲解，这样能充分地调动起学生学习的自主性，训练团队合作能力与研究性思维。从学生的反馈来看，小组讨论+学生授课的教学方法，实现了非常好的教学效果。

2. 科研活动+学术竞赛

高素质应用型创新人才不仅要求学生有扎实的知识基础，还需具备较强的动手能力和一定的学术水平，但这些综合素质仅靠单一的课堂是获得不了的。基于土木工程专业实践性强的特点，作者在日常教学中十分鼓励学生参加与本专业相关的大学生科研活动和学术竞赛。作者班级有近一半的学生参加过全国结构设计大赛、全国大学生混凝土材料设计大赛、全国大学生节能减排社会实践与科技竞赛、北京工业大学结构设计大赛、北京工业大学大学生星火科技基金等各种类型的学术竞赛，图5为正在参与学术竞赛的学生。学生通过在比赛中实践过程，把课堂上所学理论知识结合起来，培养创新能力。

作者在教学中积极鼓励和引导学生参与国家自然科学基金等高水平科研项目中。本科学生在科研中虽然发挥不了关键作用，但以问题为导向，通过查阅文献、动手制作试件、操作设备、设计实验、贴应变片等工作，不仅会加深对本专业前沿知识的了解，而且能够提高学生的工程实践与科研能力。

通过引导学生积极参加本专业的各种科研活动和学术竞赛，实现教研融合，“理论、实验、自主研究型学习一体化”，提高了学生的动手能力、应用能力和创新能力。作者明显感觉到学生有更扎实的专业知识，更多的学习自主性。

3. 工程案例+施工现场

本课程与实际工程密切相关，非常适合工程案例教学，工程案例教学使学生身临其境地感受到实际工程的复杂性和挑战性。在本课程教学中，教师可以和学生讨论一些典型工程案例，如上海市闵行区莲花南路倒楼事故和汶川地震楼房破坏情况，透过钢筋混凝土梁板柱的破坏形式，分析原因的同时就可以加深对钢筋、混凝土材料的性能，构件受力状态、“强柱弱梁、强剪弱弯”的设计原理等知识的理解。同时通过一些不合理设计导致结构破坏的案例来探讨哪些重要设计因素是不可忽视的。工程案例讨论可以增强学生的工程意识，使学生明白结构设计与施工不是胡来，而是依据规范和专业知识。

目前，很多高校重理论、轻实践，未对施工实习给予足够重视，造成学生上完本课程后，依然对本课程重要结构构件似懂非懂。构件的截面配筋设计是本课程的重点内容，公式计算并不难，但很多学生并不清楚計算出的截面配筋如何在工程中实现[3]，主要原因是学生缺乏对现场施工的了解，在工地现场学习的机会太少。针对这一现象，教学中作者特别重视课堂讲授和施工现场实习相互配合。在北工大-中建八局产学研合作基地以及中铁建设集团联合培养基地，作者以实际工程为载体，讲解课本知识如何转化为实际工程应用，特别是钢筋截断绑扎、混凝土浇筑等实际构件制作或浇筑施工问题。图6为学生在施工现场学习。

4. 虚实结合的实验教学

混凝土结构设计依据大部分是通过实验得到的，为了使学生更深入理解本课程内容，应重视实验教学。但是，传统土木工程实验教学存在诸多问题，主要包括：（1）设备体量大、实验成本高，特别是某些复杂实验周期长、危险性高，本科生不能深度参与;（2）北工大土木工程专业学生较多，设备、场地、教师等都很难满足实验教学的需要;（3）混凝土试件浇筑资源消耗大，模拟多种工况下实验成本高，因各种条件限制，学生难以亲手操作。

随着信息技术的高速发展，土木工程虚拟仿真实验教学成为改进传统实践教学新方法。它有以下特点：（1）虚拟仿真实验可以立体的展示出实验的设计、制作、操作的全过程;（2）学生与计算机交互，这种新颖形式能够增强学生学习的兴趣;（3）土木工程虚拟仿真实验可以实现多参数、多次重复模拟实验，解决传统实验无法完成的复杂工程问题;（4）土木工程虚拟仿真实验教学符合学生网络化、信息化学习方式的转变，而且可以实现资源共享。

土木工程虚拟仿真实验教学是实验教学的必然发展方向，作者依托北京工业大学国家级土木工程实验教学中心和国家级虚拟仿真实验教学中心，坚持“虚实结合、相互补充、注意综合、追求创新”的原则[4]，在实验教学中，综合使用虚实两种方法，扬长避短，将虚拟仿真实验融入课程各个环节，帮助学生理解实验现象、背后的原理以及注意事项，方便以后的动手操作。图7为学生在使用虚拟仿真设备。

以钢筋混凝土简支梁正截面实验为例，如图8，解释虚拟仿真实验和传统实践教学相结合教学的过程。首先，组织学生观看虚拟仿真实验，使用虚拟仿真软件或设备，了解真实实验的流程和注意事项，理解混凝土和钢筋的本构关系、混凝土和钢筋共同工作的原因、钢筋混凝土梁的制作过程、钢筋混凝土简支梁正截面的破坏现象等;然后，学生去实验室动手操作，安装试件、读取位移计、观察裂缝等;最后，改变虚拟仿真实验参数，得到不同工况下的实验结果，比如，不同截面尺寸、构件长度、配筋率、外荷载下钢筋混凝土简支梁正截面破坏形态。虚实结合的实验教学方法，使学生既能学习理论知识，又能亲身实践，应该被推广到更多的高校使用。

目前，虚拟仿真实验教学资源比较有限，需要更多的人力和资金进行建设。通过自主研发、校企合作、产学研结合，建设出更加先进的虚拟仿真实验教学平台和更加完善的实验教学体系，受益于更多的学生。

作者采用多元式教学方法后，学生课上不听讲、作业抄袭、考试不及格现象明显减少，学生的成绩平均分达到76.6，比专业均分高4.4;期末考试不及格率为19.3%，比专业平均不及格率低8.5%。从评教情况来看，学生对本课程的满意度达到了96%，多元式教学取得了明显的效果。

四、结束语

作者采用小组讨论+学生授课、科研活动+学术竞赛、工程案例+施工现场、虚拟仿真实验教学新技术，形成了课堂教学+实验室教学+工地现场教学三位一体的多元式教学方法，该方法取得的成果如下：

1. 小组讨论+学生授课，在一定程度上实现了“学生是主体，教师是主导”的教学理念，增加了学生的课堂积极性和自主学习能力。

2. 科研活动+学术竞赛，拓展了学生的专业知识和学术素养，研究型学习增强了学生的创新能力。

3. 工程案例+施工现场，加强了学生的工程概念和工程实践能力。

4. 虚实结合的实验教学方法，增强了学生学习的兴趣，有助于培养“知其然，知其所以然”的工程应用型创新人才。

参考文献：

[1]魏晓刚，刘淼.高校混凝土结构设计原理课程教学与改革探索[J].郑州航空工业管理学院学报（社会科学版），2017，36（2）：141-144.

[2]梁兴文.混凝土结构设计原理[M].北京：中国建筑工业出版社，2011.

[3]邢贞相，李晨洋.水工钢筋混凝土结构教学方法探讨[J].高等建筑教育，2009，18（3）：97-99.

[4]李炎锋，杜修立.土木类专业建设虚拟仿真实验教学中心的探索与实践[J].中国大学教育，2014，9：82-85.