预应力混凝土设计课程教学改革探究

吴 旻,赵 明

(安徽工业大学 建筑工程学院,安徽 马鞍山 243002)

预应力混凝土设计是土木工程专业的一门宽口径专业限选课程。其先修关联课程主要有材料力学和混凝土结构设计原理,而后续课程包括桥梁工程、多高层建筑设计和毕业设计,在土木工程专业教学培养计划中起着承上启下的作用[1]。本课程开课时间为第六学期,学生对于所讲解专业知识已经有了部分了解,具有一定的专业背景。同时,本课程内容会涉及到新技术和新材料,且规范和技术要求更新速度较快,教师如果完全照本宣科往往获得不了较好的教学效果。我校土木工程专业已于2017年通过专业评估,后评估时期对专业课程的教学提出了持续改进的新要求。笔者针对预应力混凝土设计课程特点,创新本课程的教学方法,使学生能够积极主动参与到课程学习中,最终提高学生的工程综合素质。

一、课程教学特点

(一)课程内容多、公式多、符号多,且与旧有知识体系联系紧密

预应力混凝土设计课程包括预应力混凝土的概念、材料、施工和设计等多方面内容,并且新工艺和新设计方法不断涌现,教学内容较多,既有理论推导,又有经验和实验研究成果的应用。部分章节的预应力结构计算公式多、符号多,内容繁杂,有相当一部分学生感觉理解起来较为困难。另一方面,本课程是学生在学习了材料力学、结构力学以及混凝土结构设计原理等众多专业基础课和专业课后开设的课程,因此在教学内容上,会与先前的课程内容有交叉重复。而学生对于已学过的知识点存在一定的遗忘,导致学习新知识时感觉似曾相识却又一知半解,解答问题时出现概念模糊的现象。

(二)理论性与实践性并重

预应力混凝土设计是一门理论性与实践性并重的课程。如果仅仅照本宣科讲解纯理论知识,内容相对空洞和抽象,学生掌握的知识较为生硬,不能够灵活应用,更不用说能够针对性地解决工程实际问题。例如在桥梁类毕业设计中,学生往往只会套用公式和相似的设计方案,却忽视了公式的适用条件,设计方案的创新性和灵活性不足。而对走上工作岗位的毕业生调查发现,不少人对于预应力结构的施工图纸较为生疏,上手缓慢,工程实践能力较弱。

(三)与行业联系紧密,复杂工程问题较多

土木工程发展迅速,其行业规范平均每10年就要做一次大的调整和修订,预应力在土建行业中应用较广,涉及铁路、公路、房建和给排水工程等多个专业领域,每个领域的规范对预应力结构设计的侧重点各不相同,且更新时间也存在差异[2]。另一方面,预应力技术往往用于大跨径、大空间结构,其结构设计和计算过程较为繁琐,一些内容属于复杂工程问题范畴,课程教学大纲的指标点中,也有对复杂工程问题的分析能力和基本设计能力的要求。这就要求教师在讲课时需要关注规范的修订动态,及时将最新规范的内容添加到课程教学中,注重培养学生解决复杂工程问题的能力。

二、教学改革实践

(一)精简教学内容,采用启发式教学方法,注重新旧知识衔接

本课程开设在第六学期,学生经过两年半时间的学习,已经有一定的专业知识积累和自学能力,考虑到课程内容多和学时相对少的矛盾,需要对教学内容进行一定的精简,并对传统的课堂教学形式做一定的调整。笔者按照教学大纲的要求,将全部课程分成16个专题,采用启发式教学方法,在每次讲课前首先提出问题,引导学生的思路,让学生讨论和思考解决方法,并结合必要的提示,最终将正确的结论总结推出。例如在讲解预应力概念时,首先要求学生回顾先前所学习的课程内容,提出普通钢筋混凝土构件在大跨径结构中出现哪些固有的弊端,让学生分组讨论和思考,使学生了解预应力作为工程中的一门新技术其产生的背景,然后再介绍预应力混凝土的优越性,并得出其基本定义,最后再让学生发散思考,举出生活中应用预应力的实例。从实际效果来看,教师课堂讲解时利用启发式教学方法,不只是向学生灌输具体知识,也是向他们讲授分析和解决问题的方法,能够调动学生的积极性,提高大学生判断、分析、归纳、研究问题等各方面能力。

此外,本课程教学内容会与先前的课程内容有交叉重复,需要教师作好已有知识和新内容之间的区分和衔接,特别是与混凝土结构设计原理内容的区分。这就要求教师在课堂讲解中能做到重复的讲差别,繁琐的讲重点,相似的讲典型[3]。例如在讲解预应力混凝土构件斜截面承载能力的计算时,其承载能力计算公式与普通钢筋混凝土的计算公式相似,课程讲解时首先复习回顾普通钢筋混凝土的计算公式,接着介绍预应力钢筋的提高作用,再重点指出该提高作用如何在计算公式当中反映出来,从而突出预应力混凝土和普通钢筋混凝土在面对同一问题计算上的差异。这样使学生既巩固了旧的知识,又合理衔接了新的知识。 (二)充分应用各类现代化教学手段

针对学生识图能力较弱,课程中通过CAD软件,对一些预应力设计较为复杂处如下马蹄处、T梁端部构造等进行详细拆分讲解,并要求学生能够绘制出部分结构的大样图。同时,穿插讲解施工图纸识图要点。而对于预应力施工工艺,其工序较为复杂,涉及的材料种类繁多,教材上介绍的也较为简单,由于学生施工现场经验不足,如果直接板书或静态图片讲解学生难以理解,因此在专业课教学过程中,穿插采用录像教学和三维动画视频方式,部分施工录像来自教师参与的预应力工程实践项目以及往届毕业生生产实习资料。动态视频教学具有生动形象、画面连续、内容丰富等优点,能够激发学生的学习热情,且对于学生进一步理解设计和计算的内容也有一定的帮助。例如,按分项系数法计算后张法预应力损失的知识点,总共包括5大项,内容繁杂,采用传统的教学方法分项讲解,学生理解较为困难,往往学了后面忘了前面。因此,在对于这部分内容讲解时,首先插入后张法预应力穿束和张拉施工的录像,让学生直观了解预应力钢筋摩擦、锚具压缩等各类损失产生的原因,再从设计角度出发,探讨不同因素引起预应力损失的理论值计算模型,这样使得学生能够较好掌握该部分知识。

而对于预应力常用材料,如讲解各类形式的锚具,笔者将在实验室和工程实际项目中搜集到的各类锚具实体直接带人课堂,让学生互相传递观看,同时结合PPT图片进行讲解,分析各类锚具的优缺点和适用范围。这样可以将各类锚具构造直观、生动地呈现在学生面前,加深学生对于锚具功能的理解。

此外,国际上新兴的BIM(Building InformationModeling,建筑信息模型)技术已成为建设领域信息技术的研究和应用热点,BIM的应用价值已经得到政府的高度关注和行业的普遍认可[4]。我校已有较为完备的BIM模拟操作室,并成立了安徽省首个学生BIM社团。本课程教学中也尝试引人BIM技术,对典型的后张法预应力构件进行了初步可视化展示和施工模拟。

在制作多媒体课件时,努力做到与教学理论内容相配合:如在概论讲解中插人国内或国际上比较著名的预应力建筑或者桥梁结构,以提高学生的学习兴趣,而在具体讲解课程知识点时,一些中小型工程案例往往更有说服力和针对性。同时,在一些理论公式推导以及疑难知识点的展开,传统板书往往更有优势,因此应注意现代化教学手段与传统板书相结合。

(三)注重教学与规范相结合,初步培养学生解决复杂工程问题的能力

预应力混凝土课程很多内容是对行业现行规范的解析和细化[5]。笔者在教学过程中发现学生在学习过程中过重地依赖于教材,只会做教材上的设计和习题,不够重视规范,尤其不重视不同行业规范的比较,如土木工程房建方向的学生只关注住建部相关预应力规范,对于公路桥梁预应力规范不感兴趣。结果对于后期毕业设计或生产实践中一些条件复杂、需要综合运用所学的专业知识的结构设计往往无从下手。因此在教学过程中既要对预应力混凝土基本原理和设计方法进行重点讲解,又要介绍相应预应力规范的条文,尤其要求学生注意不同规范对于同一设计问题的条文对比,这样有利于学生更深刻理解预应力设计内容。

对于学生解决复杂工程问题能力的培养,主要从课上和课下两个方面进行改革。在课堂上,加强与学生的互动,在讲解完理论知识后,引入相关工程事故实例,让学生讨论事故发生的原因和教训,增加学生的思考时间,鼓励学生主动发言。而课下,增加综合性习题所占的比例。以往给学生布置的作业,绝大多数均为验证类题目,即给出了构件设计方案,让学生验证设计是否合理、可靠。从反馈结果来看,学生的答案往往具有相似性,且存在抄袭现象。而综合性题目要求学生进行自主性设计,即只给出跨径、荷载参数,让学生独立进行预应力混凝土结构截面尺寸和构件配筋的设计和计算,这样杜绝了抄袭现象,提高了学生解决复杂工程问题的能力。

三、结语

预应力混凝土设计是一门内容多,理论性与实践性并重,且与行业规范紧密联系的专业课程,对于学生今后从事预应力混凝土结构的设计、施工和科研均有帮助。在教学工作中,针对本课程的特点,参照土木专业评估的要求,采用启发式教学手段和现代化教学方法,并注重教学内容与现行规范相结合,以提高教学质量。本课程近三年达成度计算结果为0.721、0.736和0.762,达成度逐年稳步提升,使学生在理论知识、综合应用和工程意识等方面得到很好训练,取得了良好的教学效果。