“混凝土结构设计原理”启发式教学探讨——以预应力概念的教学为例

吴海军， 张学富， 吴国雄

(重庆交通大学土木建筑学院，重庆400074)

一、“混凝土结构设计原理”课程特点及教学中的问题

“混凝土结构设计原理”课程是一门重要的必修专业技术基础课，其作用在于培养学生运用建筑材料和力学课程所学知识来解决混凝土结构构件的设计计算问题。本课程是一门实践性很强，且与现行的规范、规程等有关的专业基础课，在土木工程专业的培养计划中占有极其重要的地位，各相关高等院校对该课程的教学也非常重视。

课程内容分为两大部分:钢筋混凝土结构设计原理与预应力混凝土结构设计原理，前者是后者学习的基础。相比之下，前者属于被动受力，其基本概念和原理比后者简单，结构受力的分析过程与工程力学教给大家的习惯性思维较为接近，学生一般容易掌握。预应力混凝土结构则具有对结构受力主动干预的本质及特点，这既是其优点也是掌握其概念、受力原理和计算方法的难点。

以往本课程的教学通常以课堂讲解为主，主要体现了注入式教学的特征，存在的主要问题是学生学习的积极性、主动性不足。如何引导和启发学生的学习热情、激发学生思维水平是提高本课程教学效果的重要问题。另外，在学习时学生普遍感觉预应力混凝土部分的内容复杂和难以掌握。

二、启发式教学在本课程教学中的适用性分析

本课程属于土木工程课程体系中的重要一员，根据课程特点，借鉴和参考国内外相关教学理念和方法是本课程教学方法改革和研究的重要途径。

现代教学中最关键的问题是要形成正确的教学指导思想，指导思想正确了，才能灵活运用教学方法，有所创新。上世纪末，美国大学本科教育开始谋求一场根本性的变革，著名的博伊报告提出了本科教育的十大对策。“使以探究为基础的学习为标准”是博伊委员会提出的首条对策，其主旨是建立以探究为基础的学习，并贯穿大学教育全过程。这不仅是教学方式的变革，而且是教育理念的转变:把学生作为知识接受者的文化转化为把学生作为知识探索者的文化。这一理念与“学生为主体，教师为主导”的现代教学指导思想接近。如何体现学生为主体，教师为主导，关键是学生是否有学习积极性，而学习积极性在很大程度上与教师的启发和引导有直接关系。

启发式教学既是一种教学指导思想，又是一个教学原则。运用启发式教学方法可以培养学生分析问题、解决问题的能力，通过经历问题的解决过程，激发学生的自主学习热情，提高学习兴趣，而且通过对解决问题方法的探索，可以激发学生的创造热情，培养创新能力。

启发式教学是相对于注入式教学提出的。注入式教学无视学生在学习上的主观能动性，而启发式能启发学生的思维积极活动，能调动学生学习的积极性和主动性，因而在教学中要大力提倡启发式教学，反对注入式教学。从启发式教学的特点及作用分析，其原理非常适合于本课程的教学实践，能够有效应对本课程教学中存在的主要难题。

启发式教学虽以其科学求实的特点倍受青睐，但是如果“启不得法”，便会“启而不发”。只有在教学实践中准确把握并巧妙运用，方可收到激发兴趣、启迪思维之效果。

使用启发式教学理念应根据具体的教学内容来使用不同的教学策略。下面以“混凝土结构设计原理”课程教学中的难点和重点问题——预应力基本概念的讲解来说明启发式教学在本课程中应用的实践与过程。

三、启发式教学在预应力概念教学中的应用

(一)预应力相关基本概念的特点

本课程预应力混凝土部分的概念众多，涉及预应力混凝土结构的基本原理、施工方法、施工工艺、受力过程、受力特点、主要优点、计算原则等方面，覆盖预应力混凝土结构学习的全过程。

1.有较强的抽象性

预应力混凝土在结构受力过程上有明显不同于钢筋混凝土的地方。其相关概念具有明显的抽象性，特别是当学生习惯了本课程前期普通钢筋混凝土部分的概念后，习惯性思维会使该部分概念更加难以把握和理解。例如预应力混凝土这个基本概念非常强调主动施加荷载进行干预的特点，也强调施加预应力的主要目的，由于缺乏工程经验及前期习惯性思维的影响，不少学生感觉此概念非常抽象难懂。类似的概念还包括预应力度、部分预应力、消压弯矩等，这些概念都具有较强的抽象性和高度的概括性。

2.有严密的逻辑性

概念是逻辑思维活动的高级形式，它反映了在人们头脑里的客观事物的本质属性。作为描述预应力基本特性的概念，除重视文字的准确性和语言结构的合理性外，更加重视概念的内涵和外延，其每一部分的阐述都有严密的逻辑关系，经过了认真推敲并有其特定的意义，以保证概念的准确性和完整性。

3.有形成的阶段性

预应力基本概念是由浅入深，根据结构施工和受力过程逐渐安排和讲解，反映了施工过程预应力结构的基本特性。在教学要求上，由低至高可以将相关概念划分为了解、认识、掌握和应用三个逐步递进的目标层次。可见，预应力基本概念具有很强的阶段性。

(二)启发式教学的应用实践

针对该部分教学内容，如果采用死记硬背等不恰当的教学方式会对以后的预应力结构设计原理等教学有明显阻碍，并影响学生学习后续课程的效果。启发式教学的特点正好有利于学生对抽象性知识的把握。

1.重点启发，注意挖掘概念的内涵和本质

预应力混凝土中一些概念描述较复杂、层次较多，给学生记忆和理解带来了一定的难度。在教学中可以重点启发引导学生掌握概念中的本质含义、重点词句，通过突出重点的讲解，促进学生对概念的理解，加强记忆效果。

例如“预应力混凝土结构”的概念，其描述为“事先人为地在混凝土或钢筋混凝土中引入内部应力，且其数值和分布恰好能将使用荷载产生的内力抵消到一个合适程度的混凝土。而预先给混凝土引入内部应力的结构，就称为预应力混凝土结构”。此概念中实际涉及了预应力混凝土受力、施工等诸多要素，在讲解中应重点启发和强调事先人为(即预先主动)的本质特性，希望学生首先应把握预应力混凝土是“主动施加力来抵消使用荷载影响的内涵”，而不能简单宣讲此概念的字面含义。学生只有理解这一定义的本质，才能深刻理解和应用此基本概念。

2.举例启发，使抽象概念形象化、生动化

在学生缺乏工程积累的情况下，对较抽象的概念应通过合适、生动的比喻或贴近学生生活场景的例子来启发、引导学生认识和体会概念的含义。我们发现，这种方法经常可以起到事半功倍的效果，它既能排除学生对抽象概念的畏难和厌烦情绪，又能使学生对抽象概念的理解更加准确和深入。

例如在讲解预应力基本原理的概念时，可以先启发学生体会教科书上有关预应力施工过程对截面受力的影响，想象预应力的作用方式及效果。再通过举例，引导学生回忆和分析日常生活中见到的一些现象。例如先列举图1所示的搬书的事例，通过分析此例中书本能够不向下掉落的受力原理，启发学生理解预应力施加的原理及传力过程。此实例是学生马上就能够亲自验证和便于理解的，能够较清楚地说明此概念的主要含义。

图1 利用搬书讲解概念的图例

也可以用图2所示的例子来启发和讲解通过分析砖夹与砖头之间的预应力施加原理，使大家从原来习以为常的现象中体会到其中包含的预应力施加的神奇过程。这个例子贴近同学的生活，大多数同学有从事过此劳动的经历，因此启发教学的形式生动活泼，具有较强的阐述效果。

图2 利用砖夹讲解概念的图例

此外，也可以启发学生体会预应力原理的应用实例，对于使用过木水桶或木饭桶的同学，会更加直观地体会到预应力施加的效果。这类例子还包括女同学使用皮筋扎辫子等。在课堂教学中，讲解这些例子时往往伴随着学生的大笑或会意的神情，课堂气氛非常活跃，其教学效果对多个预应力概念的理解都有很大的作用。

3.通过比较启发来分析概念之间的联系与区别

预应力混凝土部分的概念众多，而且很多概念从字面解释看存在含义接近或相似等特点，如预应力度、消压弯矩、全预应力、部分预应力等。如果讲解时能够及时启发引导学生注意概念与概念之间的微妙联系和区别，就可以避免学生对概念理解不深，导致概念模糊、似懂非懂、混淆不清等问题。

在教学中可列举不同程度的预应力施加后几组实例下结构开裂、变形的实际表现，通过进行比较教学，在对比中启发学生理解二者的本质区别和联系。如通过分析，结合有关预应力度对结构影响的讲解，可以使大家清楚这些概念都反映了预应力大小不同时结构开裂荷载及正常使用性能的不同，也更加清楚预应力混凝土的本质优势及其与普通钢筋混凝土的最根本区别。

此外，也可以通过观看实验录像、参加实际试验、重视概念的形成过程等方式来讲解预应力混凝土部分的相关概念，为学习好预应力的设计、计算原理及桥梁工程等后续专业课程打下坚实的基础。

(三)应用效果及注意事项

通过以上启发式教学在实践中的探索和应用，我们发现以前学生普遍反映难以理解的预应力混凝土概念变得易懂和有趣了，预应力混凝土结构计算原理的讲解也让学生感觉不再陌生和费解，教学取得了良好的效果。

值得注意的是，要取得预期的教学效果，上述启发式教学方法的运用应特别结合学生实际知识和生活背景进行调整。例如，当学生基本在城市生活和成长时，图2对于他们是陌生和缺乏启发的;对于基本没有骑过自行车的重庆本地学生来讲，自行车车轮中的预应力原理也是不容易引发学生共鸣的。

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