构建基于工程素质培养的《混凝土结构原理》课程电算教学体系

李永梅，赵 均，马 华

（北京工业大学 建筑工程学院 工程抗震与结构诊治北京市重点实验室，北京 100124）

一、引 言

众所周知，当今社会计算机技术的迅猛发展，使得计算机辅助设计已经在各行各业的工程设计中得到了十分广泛的应用。面对工程设计日益计算机化的大趋势，计算机应用能力已成为土木工程技术人员必须具备的基本素质。为了满足学生“零距离”就业市场的需要，熟练使用土木工程设计应用软件必然成为土木工程专业学生应具备的基本能力。

2010年6月，教育部“卓越工程师教育培养计划”正式启动。《混凝土结构原理》作为高校土木工程专业的一门重要专业基础核心课程，是土木工程专业各方向基础课程转入专业课程学习过程中的一门关键性课程，对土木工程专业后续开设的专业课程、毕业设计的教学质量提供必要的保障作用；该课程知识内容广博、庞杂，具有理论性和实践性并重、应用性强的特点，其教学内容和教学效果直接关系到土木工程专业的教学质量，对实现本专业“卓越工程师”人才培养目标具有重要作用。

“兴趣是最好的老师”、“兴趣是最大的源动力”。经调查，学生普遍对计算机辅助设计、软件应用感兴趣。故《混凝土结构原理》课程教学必须顺应潮流，与时俱进，大胆推进把计算机辅助设计、结构软件应用融入到教学实践中的教学改革，构建以“基本理论为基础，概念设计为理念，工程实践为导向”的电算教学体系，消除部分学生认为的“在校学习的理论与实际相差大、学无所用”的错误想法，激发学生自主学习的兴趣，培养学生具备基本的工程素质和创新能力。

二、《混凝土结构原理》课程电算教学体系的构建

构建《混凝土结构原理》课程电算教学体系，是以“基本理论为基础，概念设计为理念，工程实践为导向”作为基本原则，以“提高学生工程素质，服务学生就业市场，培养学生自学能力，激发学生创新意识”为目标，不仅培养学生学会使用土木工程常用结构设计软件的能力，而且应避免学生中存在的“盲目电算”的不良现象，注重基本理论，强调概念设计，让学生在学习电算的过程中，自觉主动地把软件技术条件和在校学习阶段需要重点掌握的内容结合起来，从而进一步深入理解课程涉及到的基本理论、结构构件设计原理和设计方法等，使学生做电算的主人，真正达到“学以致用”。

《混凝土结构原理》课程电算教学体系的实施，可具体落实到现代工程教育的三个组成方面[1]，即课堂教学、实践教学和氛围教学的教育教学全过程中，采用“任务驱动法”、“项目教学法”和“探究式教学法”，循序渐进，将其运用于课堂教学、课程设计，以及运用到课外氛围教学的教育教学全过程中，真正把对学生工程素质和创新能力的培养具体化、落到实处。

（一）课堂教学环节

在《混凝土结构原理》课程教学中，除了课堂上讲授混凝土受弯、受压等构件正、斜截面承载力计算理论和方法之外，随着授课进度，结合教学内容和规范，借助PKPM系列的钢筋混凝土结构基本构件辅助设计（GJ）、理正结构工具箱和探索者（TSSD）等常用构件软件，适时讲解软件主要功能、操作和技术条件等。受学时所限，软件的具体应用则让学生自学完成。为保证自学质量，采用“任务驱动法”，布置习题作业，并要求进行手算和电算结果的对比复核，作出分析与总结。如结合教学进度，布置钢筋混凝土梁、板、柱的承载力计算，以及裂缝宽度、挠度验算的手算与电算对比作业，即让学生先手算完成教材上的习题，然后利用计算软件进行电算（如图1～3所示）。

图1 梁截面尺寸（GJ）

图2 梁截面内力（GJ）

图3 梁截面设计计算结果显示（GJ）

上述手算和电算相结合的“任务驱动法”和“手算和电算的对比复核”模式，首先，以基本理论、基本概念为基础，要求学生掌握《混凝土结构原理》课程的基本理论、理解混凝土结构基本构件设计原理和设计方法；然后，面向工程实践，与设计院工程师常用的计算软件接轨，可以提高学生计算机应用能力和构件的设计表达能力。在此教学过程中，学生学习混凝土原理课程的兴趣大大得以提高，绝大多数学生能够课下进行自主学习常用的这些结构构件软件，同时大大激发了学生做作业的积极性，教学效果明显。

（二）课程设计环节

在保证课堂教学环节顺利实施和教学质量的基础上，对《混凝土结构原理》课程的两个课程设计“钢筋混凝土楼盖结构设计”和“钢筋混凝土单层工业厂房结构设计”，改变多年不变的 “全部手算”的教学模式，坚持贯彻“手算和电算对比复核”模式[2]。

图4 RC楼盖配筋图（PMCAD）

图5 吊车荷载布置图

图6 一榀排架PK内力分析

以“工程实践为导向”，收集和选择典型工程设计实例作为教学案例，运用“项目教学法”，引入占市场分额超过80%的PKPM系列结构设计软件的教学，让学生了解结构设计专业软件的一般功能，接触、熟悉、掌握常用软件的一般应用和技巧，训练学生具备计算机建模能力和计算能力，使学生在享受软件带来的快捷方便的同时，更好地理解结构设计的基本原理、方法和步骤，基本掌握结构设计的完整步骤和相关内容，将工程素质和创新能力的培养落到实处。譬如，在钢筋混凝土楼盖课程设计中，引入结构平面计算机辅助设计软件（PMCAD）的辅助教学，使学生熟悉PMCAD的基本功能、应用范围及主要技术条件、熟悉常用菜单命令及其操作步骤，掌握PMCAD交互式数据输入界面的作图和输入各层平面数据，建立结构整体模型，即从轴线输入→网格生成→楼层定义→荷载输入→楼层组装→信息输入，直至计算数据文件的形成，最后利用软件内力计算和配筋的结果，进行楼盖结构平面施工图的绘制（如图4所示）。又如，在钢筋混凝土单层工业厂房课程设计中，引入框排架计算机辅助设计计算软件（PK）和基础设计计算软件（JCCAD）的辅助教学，让学生学习应用PK软件建立排架设计模型（如图5所示），布置吊车等荷载（如图6所示），计算出内力和配筋，并绘制排架柱结构施工图。同时，通过JCCAD的学习，让学生使用“基础人机交互输入”菜单统一布置柱下杯口基础、布置荷载和绘制基础平面布置图和基础详图。通过上述用结构软件获得的数据，与课程设计手算设计过程及结果进行比较，进一步增强对混凝土结构设计方法的理解。

课程设计手算阶段，以“基本理论为基础，概念设计为理念”，教师通过指导学生利用基本的理论知识，对已知结构选取合理的计算模型，确定恰当的计算简图，在受力分析、内力组合后，进行截面配筋设计和细部构造处理等，培养学生查阅专业资料的习惯、以及综合运用所学专业知识解决工程实际问题的能力。在教学过程中发现，不少学生习惯于模仿教材示例，没有阅读规范原文的习惯和意识。众所周知，建筑结构设计规范是结构工程师进行设计工作的依据，因此在课设手算阶段和电算阶段，均应加强学生对结构专业规范、规程的接触和理解。教师应强调规范的重要性，让学生做课程设计时，有目的、有意识地从新版《建筑结构荷载规范》、《混凝土结构设计规范》、《建筑地基基础设计规范》等，查找规范原文、找设计依据，并要求学生经过仔细研读后，写入到结构计算书中的对应位置。

对课程设计中重要而繁琐的内力组合工作，鉴于专用设计软件是“黑箱”操作，没有内力组合的具体过程；为避免学生陷入“盲目电算”，同时，为解决学生以往手算过程中重复、繁琐、工作量大、易错的麻烦，让学生自主学习应用Microsoft EXCEL制表、编程功能。最后，为提高学生发现问题、分析问题和解决问题的能力，应要求学生将手算和电算的计算结果进行相互复核、比较、分析两者结果差异产生的原因，从而作出正确的判断，并把这一部分明确要求作为结构计算书不可缺少的内容。

“图纸是工程师的语言”。对课程设计中结构施工图的绘制，鉴于以前全部用Autocad绘图重复、繁琐、质量不高的现状，要求学生对结构平面布置图和基础平面布置图，可以分别借助PMCAD软件和JCCAD软件，通过“人机对话”快捷方便绘出；而对于板、梁、柱、基础之类的结构构件的配筋详图，则要求学生用Autocad制图，主要目的防止学生忽视结构构造等要求，通过一根根线条的绘制，一方面锻炼学生绘图的基本功，更重要的是学生在掌握配筋构造要求的基础上，才能正确绘制配筋详图。

课程设计增设的“电算”环节，由于与设计院结构设计模式基本相同，学生学习的积极性普遍很高，了解了实际工程结构设计的基本程序、完整步骤，训练了学生的计算机建模能力、编程能力和计算能力。通过课程设计增设的手算和电算的“对比复核”环节，使学生能更好地掌握混凝土结构设计原理、方法、步骤，使理论教学与工程实际紧密地结合在一起。

在此教学环节过程中，学生学习的积极性进一步得到激发。一方面，学生认为学习接近实际工程、学以致用，计算机知识得以运用和提高，对学生毕业设计，以及毕业后尽快适应工作有直接帮助，为今后的工作打下坚实基础。另一方面，此教学环节进一步将理论与实践、知识与能力的关系进行协调，不仅能提高学生结构设计能力，而且启发了学生积极思维和主观能动性，学会观察、发现、分析、解决一些实际工程中的基本问题，使学生具有基本的工程素质和初步的创新能力，为学生大四的毕业设计，以及不久走上工作岗位提供“实践经验”。

（三）氛围教学环节

工程素质和创新能力的不断提高，需要增加反复实践操作、重复训练的机会。利用课外时间，采用“探究式教学法”，开展混凝土结构电算自主型课外研究性学习，进行工程应用能力训练和研究性创新训练，使学生运用所学知识独立分析、解决工程实际问题，从而培养学生独立思考和全面的综合创新能力。

开展自主型课外研究性学习，确定课题很重要；课题要有意义，既要符合学生的实际能力，又要满足教学的客观条件。为满足不同层次学生的知识需求，实行分层次教学，将自主型课外研究性学习题目分为两大类：编制计算程序和计算机模拟仿真分析，旨在丰富学生第二课堂，促进创新人才培养。

编制计算程序是指用任一种如FORTRAN、C、BASIC等计算机程序语言，编制钢筋混凝土梁（单筋矩形截面、双筋矩形截面、T形截面）和钢筋混凝土柱（大、小偏心受压和大、小偏心受拉）构件的承载力计算类（截面设计和截面复核）、裂缝宽度和挠度验算类的计算程序，包括设计计算流程，编制程序、提供程序设计的源代码，调试程序和验证算例，以及程序使用说明等，如为检验自编程序的正确性，要求学生利用正确的计算结果（可来源于参考书上例题等），与所编程序计算结果进行相互比较和分析，校核、验证程序计算的正确性。另外，鼓励学生通过查阅资料，学习相关界面设计的程序如VB，编写“人机”交互界面，便于结构材料参数、几何参数、内力数值等的输入，不仅能够反映计算的过程，而且对计算结果的表达“可视化”，从而便于修改和判断正误。

由此，学生一方面体会到对计算机程序设计语言学以致用带来的成就感，具备了一定的程序设计与阅读能力，另一方面深入理解混凝土构件设计原理和设计方法，从而使学生应用计算机的能力和专业知识普遍得以提高。

另外，对那些学有余力的学生，开展计算机模拟仿真分析的学习，学习国内外通用的大型有限元分析软件如SAP2000、ANSYS或ABAQUS。不受教学经费、实验场地和实验设备等限制，学生利用计算机仿真分析来模拟静、动力结构试验，进行结构静、动力反应分析，甚至进行试验难于实现的破损性分析如建筑物倒塌分析等，某种程度上将结构的“足尺试验”得以实现，而且可方便地修改结构参数，实现重复性训练的优越性。

经过此项学习，一些学有余力的学生结合一些教师的科研项目参与进来，甚至有些自主选择或提出研究性创新课题，开展工程应用能力的训练或研究性创新训练，自己完成计算机模拟分析、设计试验过程、进行数据分析和处理，学生运用所学知识独立分析、解决工程实际问题，从而加强对学生创新意识和创新能力的培养。如利用计算机数值模拟来分析比较钢筋混凝土深梁与普通梁的受力特点异同、钢筋混凝土单、双向板的受力特点异同等。这类题目，学生需要开动脑筋设计方案，建立正确的力学模型，并通过改变相关参数，分析其结果变化情况，并总结参数与计算结果的相关规律等，这些无疑对培养学生的创新能力、对卓越工程师的培养大有裨益。对那些今后进入研究生阶段学习的本科生，这类题目无疑对他们的科研能力、对学生独立开展的科学研究奠定良好的基础。

近些年来，北京工业大学土木系学生运用学到的计算机编程能力和计算机仿真分析技术参加建工学院、学校、北京市、全国不同层次的科技创新活动、结构设计竞赛以及学术论坛等，取得了一些成绩，不仅丰富了学生的第二课堂，开阔了学生视野，而且促进了创新人才的培养。

三、结 语

计算机应用能力已成为土木工程技术人员必须具备的基本素质。教学实践表明，通过从课堂教学、实践教学和氛围教学的教育教学全过程中，积极推行《混凝土结构原理》理论教学与工程实践相衔接的教学改革，构建以“基本理论为基础、概念设计为理念、工程实践为导向”的《混凝土结构原理》课程电算教学体系，即建立在学生对混凝土结构原理深入理解和掌握的基础上，不仅加强了学生从理论到实践、从课内到课外的计算机实际工程应用的教学、训练广度和深度，使学生受到结构工程师基本技能的训练，培养了学生工程素质、工程实践能力和创新能力，而且大大激发了学生自主学习兴趣和学习热情，发挥了学生主观能动性，扩大了学生专业知识面，增强了就业市场竞争力。

]

[1]李富民.基于创造性工程人才培养的课堂教学实践[J].高等建筑教育，2005，14（4）：1-4.

[2]李永梅.结构电算在土木工程专业课程设计教学中的应用[J].高等建筑教育，2009，18（5）：112-115.