混凝土结构设计原理课程教学探讨

周孝军　杨虹　伍平

摘要：混凝土结构设计原理是理论性与实践性很强的一门课程。基于课程特点，从有机结合现代多媒体教学与传统板书、注重联系规范与工程实践、强化试验教学环节、重视课堂练习与课后习题、多样化考核等方面，进行了课程教学方法和教学手段的探讨和实践。旨在提高教学水平，使学生较好地理解和掌握混凝土结构设计原理和计算方法，提升学生综合运用知识进行工程结构设计的能力，为培养合格的工程师打下坚实基础。

关键词：混凝土结构设计原理；课程特点；教学方法；教学手段；探讨

中图分类号：TU375 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2015）41-0150-03

前言

混凝土结构设计原理属于土木工程类核心专业课程之一，其内容丰富、理论严谨、应用性强，是理论性与实践性相融合的一门学科。课程主要讲述钢筋混凝土结构的设计理论与基本构件的设计计算方法，以及相应的构造措施等，旨在培养学生基本的工程结构设计能力。目前涉及这门课程的教材种类繁多，但有关其教学方法探讨与改革实践方面的研究还相对较少[1-4]。因此，本文从该门课程特点与教学目的出发，对其教学方法和教学手段进行了探讨。

一、课程特点

1.课程内容多，与基础课程联系紧密。混凝土结构包括素混凝土结构、钢筋混凝土结构、预应力混凝土结构等结构形式，其设计方法各不相同。要掌握混凝土结构设计原理与计算方法，首先要了解这种复合材料特殊的物理力学性能，更重要的是理解基本构件的受力特性、破坏形态与承载力计算方法，以及相应的构造措施[2]，课程教学内容多，涉及知识面广。同时，课程内容与其他基础课程联系非常紧密，特别是对基本构件受力特性的理解以及荷载、内力与变形计算要求有材料力学、理论力学、结构力学的基础知识作为支撑，要求学生具有良好的力学理论基础。

2.参数符号多，取值应用经验性强。课程参数符号多：一方面表现在材料强度指标与荷载代表值种类多，不同极限状态表达式中荷载代表值与材料强度取值不同，同时还包括相应的分项系数，学生在初次接触这些参数时很容易混淆；另一方面，基本构件强度与承载力影响因素多，计算方法复杂，为简化计算，在公式推导中引入了计算参数与经验系数，比如相对受压区高度ξ、配筋强度比ζ、剪扭承载力降低系数βt等，这些参数符号大多较抽象，取值应用来源于试验分析与工程经验，理解相对较困难。

3.计算公式应用存在限制条件。钢筋与混凝土这两种材料的相互作用、组成比例直接影响基本构件的力学性能，且混凝土属于弹塑性材料，力学性能影响因素多，离散性大，导致混凝土结构构件的受力性能分析十分复杂，不能直接沿用材料力学的推导公式。基本构件的承载力计算方法主要是以试验分析为基础，结合工程经验，拟定计算基本假定简化构件截面应力分布，由几何关系与力的平衡原理以建立相应的计算公式。这样，计算公式的应用必须满足一定的适用条件，凡满足条件的设计结果都是可行的，结果具有不唯一性，需要学生转变这种思维模式[3，4]。

4.构造措施多，工程背景强。不同类型的结构构件构造措施很多，有些规定是为避免结构计算中基本假定与实际力学特性的差异，有些是针对一些不便或不必计算的内容而进行的要求。但大多都是根据长期的工程经验和试验结果而规定的，比如受力钢筋直径、间距、保护层厚度，架立钢筋与腰筋的布置，板中分布钢筋的布置，以及最小配筋的规定等。这些措施关联性不大、系统性不强，有的只能死记硬背，有些需要结合工程应用来理解性记忆，且容易混淆。

混凝土结构设计原理课程内容丰富，专业性与实践性强，是学生进入工作岗位尤其是从事结构设计工作必备的专业基础知识。随着混凝土材料与结构工程技术的进步，混凝土结构设计原理的教学内容还会相应增加，教师应对教学内容编排、教学方法、教学手段与考核机制等各方面尝试创新与改革，改善教学效果，使学生转变学习思维，扎实掌握混凝土结构的基本设计原理与计算方法及其应用，培养学生工程结构设计能力[5，6]。

二、教学方法和教学手段探讨

针对混凝土设计原理课程的特点，笔者结合自身的教学体验，通过与同行教师的讨论、交流，认真探讨总结了该门课程的教学方法与和教学手段，并在教学中得以实施，有效帮助学生掌握混凝土结构的设计原理和计算方法，提升学生的综合素质和工程设计能力。

1.注重传统板书与现代多媒体教学有机结合。传统板书思路清晰，逻辑性与连贯性强，可以较好地引导学生分析问题、主动思考，但一些复杂图形不便描述，试验过程与试验现象无法展示；现代多媒体教学主要是以计算机为核心，通过制作多媒体课件，精心设计教学内容，辅以适当的动画和视频录像来进行讲解的现代化教学方法[5]。由于混凝土结构设计原理课程教学内容复杂，用单一的教学方法和手段不能有效完成教学任务或者达不到应有的教学效果[1-4]，因而可以有机结合多媒体教学与传统板书的优点，以多媒体教学为主。教师制作课件前先整合提炼教学内容，编列讲解提纲，理清教学思路，多以图片和动画代替一些枯燥的叙述。针对一些重点内容则需结合传统板书，既能引起学生的重视，也能加深理解。例如讲解受弯构件正截面与斜截面破坏形态时，可以简要板书主要的破坏形态，然后结合试验视频，让学生对破坏特征进行归纳总结；由等效应力图建立受弯构件正截面承载力计算方法时，应力分布图可采用多媒体演示，平衡方程的建立及其适用条件可以通过板书推导；构造措施可以结合工程照片或施工图进行讲解，通过工程实例让学生有较直观认识，提高学习积极性。

2.重视规范应用与工程实践。混凝土结构设计原理是一门工程实践性很强的核心专业课，课程内容与规范密切相关，且主要是对规范条款的解释、细化和延伸，尤其是一些构造措施与基本构件的承载力计算方法。教师在讲解过程中要紧密联系现行规范，结合工程实例，既要指明规范要求，也要阐述清楚理论依据与工程意义，让学生理解工程结构设计不仅应满足理论计算要求，更应符合规范规定，培养学生处理实际工程问题的能力。另外，应有目的地组织学生进行工程现场参观和学习[5，6]，了解基本构件的钢筋布置与相应的构造措施，加深对课堂教学内容的理解，提升学生对结构设计的认识，培养学习兴趣。

3.强化试验教学。混凝土结构构件受力机理复杂、力学性能分析困难，不能直接沿用材料力学的推导公式，需通过大量试验，结合工程经验，提出基本假定，推导承载力计算方法进行结构设计，总体思路可概括为：试验分析与工程经验→基本假定→简化应力图→基本公式→构件设计[2，3]。可见，试验分析是构件受力分析与计算方法建立与截面设计的基础，课程教学中应重视试验教学。在进行拉、压、弯、剪、扭五大基本构件受力特性讲解前，可先结合力学基础知识分析受力机理，然后给学生观看试验教学视频，了解各种受力状态下构件的破坏过程、破坏特征、破坏形态与影响因素。结合试验视频阐述哪些破坏形态是实际工程中不允许发生、设计时需避免的，哪些破坏形态是我们分析构件承载力的依据和基础。再分析并建立相应的承载力计算方法，规定其适用条件，学生自然比较容易接受。另外，尽量安排试验教学环节，以分组的形式让学生全程参与基本构件试验模型，从钢筋的绑扎、应变片的粘贴、混凝土的制备与浇筑，到模型试验测试、数据记录与结果整理，让学生对比体会理论与试验结果的异同，巩固对不同结构构件受力特性的认识和理解。既能提高学生的学习积极性，也锻炼了学生的动手能力与团队合作精神，培养学生发现问题、分析问题、解决问题的能力。

4.重视课堂例题与课后习题。课程中公式参数多，不同构件的设计计算方法不同，计算方法建立过程学生应尽量掌握，但关键是计算方法如何应用、相关参数的取值、如何进行构件截面设计或校核，这就需要加强课堂例题和课后习题练习。课堂上每个基本构件的计算方法提出后，要分析运用该计算方法时的解题思路，总结计算步骤和注意事项，让学生先结合教材上的例题熟悉公式与参数的应用，然后再进行随堂例题演练，考察学生对计算方法的应用能力，及时发现问题并有针对性地进行讲解指导。比如，关于偏心受压构件是否需要考虑二阶效应应同时满足三个条件：①杆端弯矩比M1/M2≤0.9；②轴压比不大于0.9；③长细比lc/i≤34-12（M1/M2）。给出这个三个条件后，随即给出三个条件同时满足与个别条件满足的相关例题，让学生对比分析，这样学生就能较容易掌握何时该考虑二阶效应。对于这些枯燥的公式和参数，学生在课堂上理解了而不及时复习巩固也容易遗忘，课后习题是较好督促学生学习和巩固的手段，并能检验一些基本要求和验算条件学生是否真正理解清楚，同时了解、发现学生容易犯的共性错误，再有针对性地组织进行习题讲解与答疑。

5.课程考核方式多样化。混凝土结构设计原理主要要求学生掌握基本构件的受力性能、计算方法以及相应的构造措施，学会运用规范，具备一定的解决实际工程问题与工程结构设计的能力。但课程中构造规定多，公式计算复杂，参数取值需要查表，课程考核方式完全依靠闭卷考试的形式，难免加大学生的记忆工作量，且有些知识点学生在实际工程设计时套用公式或按规范取值即可，另外也有些内容在实际工程设计时较重要但不适合作为闭卷考试题目[4]。因此，教师应对课程考核方式进行适当的调整和改进，按平时考核占课程成绩10%、作业占课程成绩10%、期中测试占课程成绩10%、试验占课程成绩10%，期末考试占课程成绩60%的模式进行综合考评。同时，为激励学生主动思考，提高学习积极性，对课堂主动回答问题的学生，根据情况可给予总评成绩0.5～1分的奖励。考试中一些参数指标或经验计算公式，比如材料强度指标、斜截面抗剪计算公式、考虑二阶效应时截面弯矩计算公式等可有限提供。总之，课程教学旨在培养学生对知识点的理解和应用，课程考核方式可以多样化。

三、结语

混凝土结构设计原理主要讲述基本设计原理和构件设计方法，是一门理论性与实践性相融合的课程，内容多，知识面广，应用性很强。教授这门课程要根据课程特点，结合现行设计规范，注重理论与实践的联系，认真探索和实践多样化的教学手段和方法，帮助学生较好地理解和掌握混凝土结构设计原理和计算方法，提升学生综合运用知识进行工程结构设计的能力，为从事土木工程相关工作打下坚实基础。

参考文献：

[1]刘华新，魏巍.混凝土结构教学方法的研究与实践[J].辽宁工学院学报，2001，（9）：90-91.

[2]王秋萍，李宏伟.混凝土结构课程的教学方法初探[J].高等建筑教育，2005，14（1）：59-61.

[3]许英，汪宏，等.混凝土结构设计原理教学方法与教学手段探讨[J].高等建筑教育，2008，17（3）：88-91.

[4]任凤鸣，袁兵.“混凝土结构设计”课程的教学探讨[J].广东工业大学学报，2006，12（增刊）：122-123.

[5]刘杰.学生工程意识和实践能力培养的研究与实践[J].中国教学与社会科学，2009，（2）：12-13.

[6]张利.谈工程应用型本科专业课教学[J].高等建筑教育，2004，13（1）：29～31.