基于能力导向的荷载与结构设计方法课程改革

孙磊

摘  要：荷载与结构设计方法作为土木工程专业的必修基础课程，具有涉及知识面广、应用性强的特点以及承上启下的功能。从该课程教学存在的问题出发，在教学模式以及考核评价体系等方面进行了初步的改革和实践，旨在契合应用型人才培养需求，强化学生应用能力的培养，促进教学质量的提升。

关键词：荷载与结构设计方法;应用能力;课程改革

中图分类号：G642       文献标志码：A         文章编号：2096-000X（2020）22-0129-04

Abstract： As a compulsory course of civil engineeringspecialty， load and structure design method course has the characteristics of wide range of knowledge， strong applicabilityand link function. In view of the problems existed in the teaching process of the course，this article primarily discussed the teaching reform and practice of the course in the model of teaching and curriculum assessment system in order to accommodate the needs of applied talent， and sharpen students'application ability and promote the teaching quality.

Keywords： Load and Structure Design Method; practica1 ability; curriculum reform

一、概述

在同济大学对结构工程课程体系改革的基础上，国家高等土木工程专业指导委员会于2000年正式将荷载與结构设计方法（或工程结构荷载与可靠度设计原理）列为土木工程专业必修基础课程[1]。近十几年来，众多高校的土木工程专业都陆续在专业人才培养方案中设置了该课程，部分高校将课程性质逐渐由专业基础课发展为专业核心课，学时也由最初的16个学时增加到现在的30个学时左右，各种教材也是层出不穷[2-4]。相较于课程性质、学时的改变以及教材的更新，其课程内容基本还是一成不变的以同济大学为模板，内容上主要包括结构在服役期间可能承受的各种荷载和作用的计算和统计分析，结构设计的基本概念、结构可靠度原理以及满足可靠度要求的设计方法等，由于该课程涉及了整个“大土木”工程的各类荷载以及结构设计思想方法，其重要性不言而喻[5-6]，但是，在学时普遍偏少的情况下，大多侧重于概念、原理以及方法的理论讲解，教学方法上多是以老师课堂机械式的灌输为主，与工程实践结合较少，不注重相关原理的具体应用，加之课程内容繁杂、枯燥、涉及面广且规范性强，导致学生对该课程的理解率偏低，学习积极性和主动性普遍不高[7]。显然，传统的荷载与结构设计方法的教学模式已经无法适应社会经济发展需要和满足国家对应用型土木工程专业人才培养的要求，唯有通过不断的改革创新和实践才能最终实现应用型专业人才培养目标[8]。

通过对2012级和2013级土木工程专业荷载与结构设计方法课程的教学情况进行梳理，包括选用的教材、教学大纲及教案的编制、教学计划的安排以及课程的考核情况等，主要存在以下几个方面的问题：

1. 选用的教材质量较差，图表的序号，部分例题的解答过程等存在许多错误，一些内容完全照搬老的规范或其他一些经典教材的内容，在个别章节的标题和内容顺序上略作调整，比如将水压力、冻胀力等内容由侧压力章节调整到其他作用章节中，教材中完全没有体现一些最新的关于土木工程荷载计算分析以及结构设计方法的研究成果和案例。

2. 教学大纲和教案的编制完全是对教材的复制，任课老师仅凭个人经验设定教学的目标和选择教学的内容，所谓的难点和重点又太过笼统，完全独立于整个人才培养的课程体系之外，没有明确该课程究竟支撑哪一项或几项毕业要求的达成和人才培养目标的实现。

3. 教学计划的制定不合理且缺乏科学的依据，该课程共计32个课时，结果把超过三分之二的课时都用于荷载的计算及其作用分析方面，显然无法保证结构设计方法相关内容的讲解。此外在教学计划的具体实施过程中还存在不严格执行任意调整的情况，把大量的时间耗费在一些细枝末节上面，遇到一些节假日或是学校运动会等不是想办法补课而是进一步压缩内容，这些显然都会影响学生对该门课程的学习和掌握。

4. 通过一些听课记录以及学生反馈情况发现在教学过程中任课老师基本上是对照ppt课件满堂灌，与学生可以说是零互动，习惯性的讲解一些自己认为比较重要且熟悉的内容，选取的一些案例都是比较陈旧的且缺乏个人的理解和分析，对一些自己不熟悉的内容就轻描淡写的带过，甚至直接跟学生说考试不考所以不讲，可以说是极不负责任的表现。

5. 关于课程考核，通过对试卷的分析可以看出，超过70%的试卷题目都是考查学生记忆力的，部分计算题还都是学生做过的课堂练习或课后作业，可以说毫无应用能力的体现，由于学生作业抄袭问题比较严重导致任课老师对学生作业的批改完全凭学生的字体的好坏和字数的多少，所谓的平时表现也仅凭任课老师的主观判断，缺乏支撑材料。可以说整个课程的评价基本上是流于形式，可是即便如此，卷面成绩不及格率仍然高达近40%。

除了上述一系列显性问题之外，荷载与结构设计方法课程还存在一些隐性问题，即影响一些后续课程教学开展。鉴于荷载与结构设计方法课程的重要性以及教学过程中面临的上述诸多困境，作者对该课程进行了一系列的改革和实践，取得了一定的成效。

二、自编教材并结合最新规范，合理安排学时

土木工程专业相关专业课程的一个显著的特点是与专业规范和标准联系紧密，因此，在专业课程的教学过程中不能仅仅依赖教材进行讲解，必须要将最新的规范和标准融入教学过程中，荷载与结构设计方法这门专业基础课程，用到的规范主要包括建筑结构可靠度设计统一标准、建筑结构荷载规范、公路桥涵设计通用规范、混凝土结构设计规范、公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范以及水工建筑物荷载设计规范等，涉及不同的专业方向。因此，需要针对不同的专业方向选择对应的规范和标准。作者所在高校土木工程专业目前主要开设工业与民用建筑工程专业方向，荷载与结构设计方法课程的教学主要采用教材结合建筑结构荷载规范和建筑结构可靠度设计统一标准的方式进行。与专业规范和标准由国家和行业统一制定不同，专业教材则种类繁多，大多都是由部分重点高等院校的专家教授编写，内容质量参差不齐，许多经典教材没有及时对涉及到的相关专业规范和规程等进行更新，授课老师如果在讲授相关内容时不加以注意则可能会误导学生。在目前普遍缺乏与应用型专业人才培养相适应的应用型教材的情况下，结合之前教材的使用情况，从14级开始采用自编的教材，自编教材中的主要内容都是基于对现有经典教材内容的整理和归纳，对涉及到规范的内容全部采用最新的规范进行更新，此外，考虑到荷载与结构设计方法这门课程涉及到线性代数、概率论与数理统计、材料力学、结构力学以及土力学等先修课程，在自编教材中对每一章节会涉及到哪些先修课程的内容都进行了说明，并提供具体的案例。总之，自编教材就是要尽量符合应用型人才培养的需求，体现对学生实践能力的培养。具体在课时安排上仍然采用之前的方式，安排1-16周，每周2个课时共计32个课时。具体授课内容安排如表1所示：

三、去繁从简，重构教学内容

在“大土木”工程背景下，现有的《荷载与结构设计方法》的教材在内容上都是尽可能的顾及不同的专业方向，内容“全而不精”是当前教材的普通特点，也是导致教师（尤其是青年教师）在授课过程中对内容的难点和重点把握不准，加之缺乏案例的讲解，从而照本宣科现象普遍，学生学习积极性低甚至厌学。针对这些现象，必须从教材内容的精简和重构入手，首先重视课程绪论的内容，要融入一些真实的案例让学生切实感受到该课程的重要性，例如台风、地震等自然灾害引发的建筑结构破坏等。其次，按照建筑工程专业方向安排荷载部分的授课内容，重点放在建筑结构及构件的自重（恒荷载）以及楼屋面的活荷载、雪荷载、风荷载以及基础的土压力的计算和取值（代表值和设计值）方面，同时要对荷载如何布置在建筑结构上做重点的讲解，目前对荷载的讲解大多都是介绍如何计算而忽略其如何布置，能够将荷载合理的布置在结构上本身就是一种实践能力的体现，重理论而轻实践是导致许多同学在进行建筑结构计算尤其是运用BIM软件进行结构计算时模型建好了却不知道如何布置荷载的根源所在。最后，对于结构设计方法，重点关注结构抗力、结构可靠度以及概率极限状态设计方法等内容，比如结构抗力主要精力放在建筑材料（如混凝土、钢筋）强度设计值的取值上，即应用上，而不应过多的关注其是如何统计的，理论如何推导的，结构可靠度的计算和基于分项系数表达式的概率极限状态设计方法亦是如此，在学生数学功底尤其是概率论与数理统计知识普遍不足的情况下，过分的理论讲解（如来龙去脉、构成学派等等）只能适得其反，重点还是在于理论如何为实践服务，就如大部分设计人员或施工人员只需要按照规范或标准进行建筑设计和施工，而不需要去深究规范里的一些经验公式、相关系数是如何取得的一样。

荷载与结构设计方法课程与其先修和后修课程在一些教学内容上还存在重叠的情况，比如其中的土的自重应力和侧压力部分实际上在先修的土力学课程中就已经进行了专门的讲授，地震作用和概率极限状态设计方法等内容则在后修的土木工程结构抗震课程和混凝土结构设计原理、钢结构以及高层建筑结构设计等课程均有涉及。因此，对这些重叠的内容必须进行优化，涉及到先修的课程内容主要结合具体的工程实例以复习巩固和实际应用为主，支撑后续课程学习的内容则应当从更加宏观的方面入手，通过融入一些简单的案例突出重要的概念、原理的理解以及方法的掌握。

四、革新教学模式

《荷载与结构设计方法》前后涉及如概率论与数理统计、静动力学以及结构设计（混凝土、钢结构、砌体结构）等诸多知识点，如何上好这门课程现已成为青年教师面临的一项严峻挑战。为此，许多学者对教学方法提出了不同的意见和建议[3，4，8]，摒弃传统的以“老师”为中心，老师“教”为主的方式，改为以“学生”为中心，以学生“学”为主的教育方式是当前教学方式改革的共识。案例教学法以其工程真实性、多元启发性和知識迁移性等方面的特点在土木工程相关专业课程教学过程中被广泛采用[9]。从地方本科高校土木工程专业学生的学习特点及接受能力出发，结合建筑工程案例和实践经验以及以往的教学经验，借助多媒体信息平台，初步构建了基于建筑工程案例的荷载与结构设计方法课程教学模式。比如在讲解侧压力时，首先展示上海莲花河畔景苑建筑倒塌前的相关图片，提供周边环境、地质情况、基础形式、施工过程以及天气状况等工程背景资料，再给出上海莲花河畔景苑建筑倒塌后的现场图片，让学生分组讨论和思考房屋为什么会倒塌，在学生探究的基础上结合教师引导，将土的自重应力、侧压力、承载力以及预应力管桩水平承载力等知识点引入和回顾。最后层层剖析导致建筑倒塌的主要因素并提出对应的解决措施，培养学生全面思考问题和解决问题的能力;在讲解建筑结构的恒载和活荷载时则结合学生上课所在的教室结构按照荷载传递路径（楼屋面活荷载→板→梁或墙→柱或基础）进行逐一讲解。对于风荷载、地震作用以及其他作用的讲解则注重与台风、地震以及地基变形等引发的工程事故联系起来，比如通过汶川地震中一些建筑结构破坏的图片和视频介绍结合学生的讨论，加强学生对于地震作用的认识，在今后的结构设计中提高抗震设防的意识;通过房屋墙体表面不同类型的裂缝形式和扩展情况引出地基变形问题进而扩展到道路以及基坑等工程当中并引发学生思考如何控制地基的变形问题。目前关于结构设计方法，尤其是概率极限状态设计方法的讲解，主要还是结合规范和标准，对涉及到的混凝土结构设计规范、工程结构可靠度设计统一标准和建筑结构可靠度设计统一标准等进行必要的介绍并让学生到图书馆借阅，结合简单的工程实例重点训练学生如何理解并使用规范和标准。

五、优化课程考核评价体系

在对荷载与结构设计方法课程教学内容以及教学模式改革的同时，也对课程的考核评价体系进行一定的优化，原则上还是按照“期末闭卷考试成绩（70%）+平时成绩（30%）”方式对学生该门课程的成绩进行评定，但是在试卷的内容上以及平时成绩的构成方面做了一定的调整，考试内容更加注重学生对知识理解、掌握和应用能力的考核，比如通过一个工程事故案例让学生运用所学的知识解释事故发生的原因并提出相应的解决方案。

平时成绩的构成上，在平时点名和作业的基础上增加自选考核项，包括课堂上针对某一具体工程案例的讨论情况以及课后根据一套完整的建筑图纸完成从荷载统计到最终荷载组合计算整个流程的大作业完成情况，从多个角度考查学生对该门课程的掌握程度。

六、结束语

荷载与结构设计方法课程的教学改革是整个土木工程专业教学改革的重要组成部分，是培养适应社会经济发展以及国家需求的应用型土木工程专业的必然要求。本文从当前荷载与结构设计方法课程在教学过程中存在的问题出发，从教学内容、教学模式以及考核方式对该课程进行了初步的改革和实践，取得了一定的成效，课程考试的卷面不及格率较以往有了明显的降低，基本上维持在20%以下，后续混凝土结构设计、高层建筑结构课程设计以及毕业设计质量明显提升，首次参加了第十三届全国大学生结构设计竞赛安徽分区赛暨第三届安徽省大学生结构设计竞赛，两支队伍分获二等奖和三等奖、实现历史性突破等，都进一步印证了实施荷载与结构设计方法课程改革所取得的成效。但随着科技的不断进步和社会的不断发展，课程改革仍面临诸多新的困难和挑战，如何将当下盛行的BIM信息化技术、装配式建筑以及大数据等融合到荷载与结构设计方法今后的教学改革过程中仍需要进一步的探索和实践。

参考文献：

[1]何亚楣，孙飞飞，李国强.某专业基础课程的网站构思与建设[J].高等工程教育研究，2006（5）：119-121.

[2]李耕勤，陈利，赵惠敏.对荷载与结构设计方法课程教学的一些体会[C]//建筑教育改革理论与实践研讨会，2005.

[3]霍俊芳.大土木背景下荷载与结构设计方法课程教学探讨[C]//土木建筑教育改革理论与实践，2010.

[4]袁敬，代彬，王军林，等.新工科背景下的“荷载与结构设计方法”课程教学探索[J].西部素质教育，2018（9）：166-167.

[5]白国良，刘明.荷载与结构设计方法[M].北京：高等教育出版社，2003.

[6]李国强，等.工程结构荷载与可靠度设计[M].北京：中国建筑工业出版社，2005.

[7]贾传果，李英民，夏洪流，等.荷载与结构设计课程教学问题及解决对策——以JCSS组合规则为例[J].高等建筑教育，2014，23（4）：92-95.

[8]李长凤，杜文学，薛志成，等.基于大数据需求的荷载与结构设计方法课程教学改革研究[J].高等建筑教育，2016，25（5）：86-89.

[9]蔣友宝，杨伟军.注重实践能力的“荷载与结构设计方法”教学改革探索[J].中国电力教育，2013（14）：111-112.