预应力混凝土结构设计教学与实践研究

李建波 刘 俊

大连理工大学建设工程学部水利工程学院 辽宁大连 116024

现代混凝土结构工程应用及发展总趋势为：通过不断提高设计、施工组织以及建造技术水平和采用高强、高性能的轻质材料以及建造更为合理、经济、绿色环保可持续利用的结构。而采用高强、高性能的轻质材料技术对现代钢筋混凝土结构显得极其重要。然而，混凝土是一种抗压强度高、抗拉强度低的结构材料，它的抗拉强度不仅很低，只有抗压强度的1/10～1/15，而且还很不可靠；它的抗拉变形能力也很小，脆性破坏没有明显预兆。钢筋混凝土结构利用钢筋来承受混凝土的拉应力，如果假设不允许混凝土开裂，则钢筋的拉应力只能达到约20 MPa～30 MPa；而将裂缝宽度限制在容许的0.2 mm～0.25 mm以内，钢筋的拉应力而只能达到约150 MPa～250 MPa。

由于目前我国土木、水利以及交通等工程专业领域的标准、规范不统一，另外所涉及的基本方法以及相关理论基础也不完全相同，这给预应力混凝土的教学带来了困难。因此有必要对一些差异较大的规范、理论等采取更广泛的教授理念。尽可能地使学生学完相关课程后具备动手能力强，能全面掌握相关技术规范，同时使学生对实际工程设计、施工有非常强的认识。

土木工程专业特殊且具有较强的系统性。这主要是因为设计和建造出的构筑物都是独一无二的，不可能出现两个完全相同的建筑物。也许有些建筑看起来类似，但是实际上有些场地条件(例如荷载形式、材料特性以及地基基础等)都不完全相同。因此，土木工程师需尽可能地考虑到相关影响因素，随时应付新的复杂情况，有时往往忽略一个细小环节都将导致一个失败的工程。另一方面，随着计算机技术高速发展，土木工程中的设计计算问题也变得尤为重要，而且通过计算机的设计使工程设计及建造变得越来越方便和快捷。所以，土木工程本身问题也是非常系统和完备的，完全适合那些考虑问题全面系统的同学，同时土木工程专业能够发挥个人才干的。另外，从市场角度看，中国的基础建设日新月异，各种超大跨结构、超高层项目拔地而起，随着中国城镇化更深入的发展，这种大规模的建设局面也将不会停止。这必将需要大量高素质的土木工程相关人才。

预应力混凝土所涉及的专业领域就是土木工程专业，但本课程属于应用性较强的学科，侧重于培养学生实际应用能力。对学生的培养，主要体现在需要有扎实基础，同时需要有较强的实际分析和动手能力。具体来看，该课程教学内容主要包括：预应力混凝土材料和预应力工艺及设备、预应力及预应力损失计算、预应力混凝土构件截面承载力计算、预应力混凝土截面盈利及变形计算、预应力混凝土构件的裂缝、疲劳及锚固区计算、预应力混凝土结构设计方法、无黏结预应力混凝土结构设计、体外预应力混凝土结构设计、预应力混凝土结构抗震设计等。课程工程与应用背景鲜明，对学生的混凝土基础知识的要求相对较高。此外，随着学科的不断交叉深入，各个工科专业之间联合也十分密切，为了能使学生尽可能地多学习知识，为此学生所选的课程数目增多，但专业跨度较大，往往使课程之间的系统性不够强，这必将导致课时压缩，讲课速度快。

如何提高授课效果使学生具有很强的积极性，不少学者从教学教法改革的层面深入研究。[1-5]本文则拟在总结文献研究的基础上，结合美国教育学家巴特勒提出的统一的教学过程的互动模型，以预应力混凝土专业相关教学为背景，提出一些有针对性的措施，针对教学改革提出的相应设想与做法。

具体来看，巴特勒教学互动模型从人们学习新知识的理论角度，通过在教学中使情境、组织、动机、评价、应用、重复和概括等七要素达到紧密联系。[6]简要来看，情境主要表现为学生个体的内在特征和对应的外在环境等；动机则强调学生学习的个人主观能动性，以及学生对新知识的抽象描述；而重复、应用评价、和概括则更加注重学生的实践锻炼能力，反映个体学习与新知识掌握程度的上升过程。从中可以看出，只单纯地通过教学教授理论、概念以及程序等是一种最无效的教学方法，而本课程却是和实际联系非常紧密的课程，为此要教授这门课程必须理论联系实际。学生需要经常到实践中去，通过多多观察判断、总结等手段对自己已掌握相关知识进行深入梳理不断完善，以便达到更新自己掌握旧的知识。如此往复，使学生对新的领域能够完整认识。可见，对于和工程实践结合比较紧密的课程，课堂授课技巧与实践环节等因素都同样重要。据此，结合个人的授课体会，本文拟将其应用于预应力混凝土设计课程讲授中。

1 提高学习动机和调动学习情境

在明确了学习目标基础上，需要强调能动性的情境、教与学辩证关系、学习动机以及教学的实践等影响因素。首先，在教学过程中，必须深入了解学生的个体特征，通过特征分析获取学生的愿望与要求，通过引导使其产生较好的学习动机，因为要是学生没有强烈的学习冲动，要达到非常好的教学效果是不太现实的。因此，必须课程的一开始阶段就必须尽可能地激发学生的学习动机，比如在预应力混凝土课程中，我们首先可以讲大量的世界著名建筑物为何采用预应力混凝土结构，怎么设计才能达到对特大型结构的受力要求，上课期间尽量采用图文并茂，同时放一些生动的录像资料以使是学生对预应力混凝土设计有很大的需求，这样能帮助学生理清预应力混凝土结构设计课程分析基本功的知识框架，减轻学生对未知领域的畏惧心理，尽可能地拉近现实身边工程与学生的距离，使学生对该课程产生很好的兴趣，自然而然，学生学习的自信心方面也能够得到很大的提高。此外，如何在课堂中激发学生的学习热情也是一件非常重要的事情。在教学实践环节中，使学生体会到预应力混凝土结构的基本功的培养与工程实践联系紧密，所学知识在毕业设计或今后的工作当中能起到重要作用，从而激发学习兴趣。当然，为了避免“填鸭式”教学，还必须尽量是学生达到有计划的自主学习，但学生的基础良莠不齐，学生的已有知识结构体系也很重要，往往存在个别同学基础比较差，这样就必须需要个性化教学，针对预应力混凝土这门课程，可以利用课后和对该部分同学进行深入交流，加强其数学及力学相关知识的指导，同时让学生自己在有效课时之余进行强化培训。

其次，“情境”在教学中作用也非常重要，它的定义为在教与学的互动模型中重点明确指出教学中的内外环境之间互动的影响。客观内在条件方面，从学生角度观察影响教学效果条件主要是学生个体素质以及良好的学习动机。而外在环境方法，主要指的是课堂内的学生之间以及学生与老师之间的融洽程度，当然社会价值观认同度等情境因素也是非常重要的。为此，在社会大环境方面的影响下，保证良好的授课与学习环境也是十分重要的。克服个别差异中的消极面以及构建最优的学习需求与氛围对于增强学生积极影响大有好处。

广义角度来看，课堂上优秀的教法也属于情境范畴。[3-9]概括来看，笼统地使用“讲授法”“演示法”“讨论法”和“发现法”等对整个课和单节课来说都是无效的。课堂内的，上课应当以学生积极学习为主，教学重点应从“教师的教”观念往 “学生的学”的方式转变，要求课程的形式、手段、内容以及时间安排上，都必须围绕学生自觉学生为主展开，达到从注入式到启发式过渡，同时尽量保证教学形式由单向传授化为双向互动，甚至学生反向向老师提问题学。为了达到以上目标，课堂教学中可以尽可能地利用现代教学手段的优势，利用试验、互联网、多媒体等现代新手段。与此同时，可开展学生分组学习方式，教师提出相关的科研小问题，让学生查阅相关文献对其进行集体研究，这样可以让学生尽早接触研究方向，尽量把学生当作创造潜能的主体，为学生提供更多的选择创新和独立思考能力锻炼的机会，使学生真正主动地、积极乐观向上的发展。举例来看，受预应力混凝土体系庞大的限制，学生往往难于从查阅的文献中研究结果中提炼出清晰的原理，笔者在授课中曾尝试以4～5人为小组，以类似科研方式，围绕课程相关诸多小课题(课程中曾举预应力混凝土损失为例)，进行专项查阅文献以及总结相关研究成果，提出课程考核新的标准计入最终考试成绩中，而且尽量让该类型成绩占比较大的比重，这样也加强了学生的独立性和团队意识，收到了非常好的效果，有些同学已经在相关期刊发表了研究成果。该方式引导学生在学习活动中进行思考、研究、分析、实践、引发学生积极向上，学会解决实际工程问题， 同时也能唤醒学生新旧知识的结合，进一步激发学生的学习热情。

进一步以预应力混凝土设计这一小课题来看，重点应放在预应力混凝土设计计算上。这主要考虑到实践环节的需求，不应忽视大学生科学计算能力的培养，其中包括科学计算软件、正确的计算方法、理论知识的掌握以及对计算结果进行正确的表述等是对学生一个非常综合的训练。

2 合理设置与优化课程的内容

合理设置与优化课程的内容是学科建设的重要内容之一。当前工科院校学生教学大多实行学分制。选课方面，学生有很大的自主权。但选课水平值得商榷，这主要是受个人阅历的限制。另外，为了突破学科限制，增强学生就业竞争力以及拓展学生的知识面等，工科院校大多推广采用大专业培养模式，为此专业课程设置之间联系往往较模糊。但不管怎么样，我们必须尽量让学生熟悉相关课程的基础结构以及教学内容，从而使学生建立正确的学习目标。用巴特勒的理论来看，当学习任务比较长时，常常需要提供一些短期的或者即时的目标。

预应力混凝土结构的材料特性、钢筋有效预应力、结构体系以及荷载特征，是预应力混凝土课程核心内容。而满足结构的安全性、经济性以及可靠性是运用预应力混凝土所学知识进行结构设计的终极目标，而和以上关联的知识体系还需考虑到预应力筋的有效预应力，这就必须确定张拉控制应力和预应力损失，前者主要与施工工艺、预应力筋以及预应力混凝土材料特性有关，而后者则涉及构造特征、施工工艺预应力筋形状、预应力体系及结构服役期间的所受荷载等，这些是理解预应力混凝土原理和进行结构优化设计分析的主要基础，因此，课程内容首先探讨预应力筋有效预应力以及预应力损失，再结合结构体系特点及荷载特征，课程内容主要以满足结构安全、可靠、适用以及耐久展开，即满足承载能力极限状态(安全)和正常使用极限状态(适用和耐久)，前者学习承载能力计算(这方面必须结合学科限制，必须学习好相关的力学和数学知识，当然学习成绩好的学生可以进一步让其加强对不同专业的规范深入学习和使用)，后者学习变形、裂缝等(这方面可以让学生先熟悉好上个学期学的混凝土结构设计课程)。

3 提高教学的实践导向性

教学互动模型另外的四个因素:应用、重复、评价以及概括与实践应用也有着密切的联系关系。对于土木的本科生培养而言，需尽量培养工科学生的创新意识以及创新能力，也将对企业的技术创新起较大的促进作用。普遍认为需充分利用好实践环节帮助学生掌握与运用所学知识，尽量让学生尝试所学理论知识应用到实际工程中。比如，本课程的教学中，作者就尝试让学生查阅相关温度变化下对预应力混凝土结构的影响的文献，通过学习ANSYS软件对其进行相关的研究分析，取得了较好的教学和科研结合效果。另一方面来看，从科研的本质出发，科研是教师在某一领域进行的研究中，提出新理论、新方法、新事物等。而学生在与教师一同开展科研活动中，学生也能提出一些创新性想法，这也正是教学新理论的一种体现。此外，营造理工交叉的学术氛围在有条件的大学也可以大力提倡，在科研实践中加强不同领域相关知识融会贯通，弥补工科学生理科知识弱的不足。

4 结束语

结合以上研究内容，提出以下两点建议。

(1)在类似预应力混凝土结构设计课程教学过程中，必须深入了解学生的个体特征，通过特征分析获取学生的愿望与要求，通过引导使其产生较好的学习动机并达到提高学习动机和调动学习情境的目的。同时必须合理设置与优化课程的内容，尽量让学生熟悉相关课程的基础结构以及教学内容，从而使学生建立正确的学习目标；(2)加强实践环节，建立高校创新实验基地。对于本课程预应力混凝土课程需加强与相关的房地产公司、设计单位及施工单位紧密联系，以培养学生创新能力为目标，以创新实验为手段，以全过程开放为原则，建立创新实验基地，鼓励大学生，特别是研究生“自选项目、自己动手、自主设计”进行创新实验。

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