基于工程教育的土木工程专业混凝土结构设计原理课程“线上+线下”教学改革与实践

曹 兵，吴 桢，黄 博，江 莉，杨一振，王昌胜，杜怡韩

（安徽工程大学建筑工程学院，安徽芜湖241000）

混凝土结构设计原理（以下简称“该课程”）作为土木工程专业的一门专业基础课程，对后续专业课程的学习起着重要的铺垫作用。国内较多高校开设了土木工程专业，针对该课程的教学研究取得了较多成果。魏晓刚等[1]、李喆[2]、徐海宾等[3]、夏红春[4]、薛维培[5]、高忠虎等[6]、汪宏等[7]、曹海等[8]、王晨飞等[9]、王俊等[10]、王可卿等[11]从不同方面对该课程的实验教学进行了改革探索。该课程主要包含理论教学内容和实验教学内容两大部分，上述教育学者也主要从理论教学和实验教学两方面进行了改革探索。除了上述教育学者对该课程教学进行了探索外，还有一些教育学者也进行了探索，例如“线上线下”混合教学，不再一一赘述。

1 教学改革措施

工程教育专业认证提出了3个基本理念：成果导向、学生中心和持续改进[12]。上述理念对该课程的教学具有重要的指导作用。同时，科技和网络资源的不断发展，给该课程的教学提供了更多的途径和方法。为了实践基于学习产出的教育模式（Outcomes-based Education，OBE），笔者在该课程教学中进行了适合于工程教育专业认证的线上线下教学模式探索，提出了加强教师队伍建设、全面修订教学大纲、改变教学模式、改变课程评价模式、完善课程考核方式等改革措施。

1.1 加强教师队伍建设

教师的理论水平、实践能力及教学能力直接影响教学质量。为了适应工程教育认证对该课程教师工程实践能力提出的更高要求，安徽工程大学（以下简称“我校”）每年都要选派教师参加土木工程专业教学研讨会和校、院举办的各类青年教师基本功大赛、教案比赛等；教师在正式任教该课程前，先担任助教工作，并前往专业实践基地开展交流学习活动，增加工程实践经验。目前，为了更好地开展“线上+线下”教学改革，我校为该课程配置了3位主讲教师，3人均具有高级职称或博士学位，都具有教学竞赛和工程实践经历；3位教师“线上+线下”教学分工明确，为开展小班教学奠定了坚实基础。以下未注明出处者均为我校教学团队案例。

1.2 全面修订教学大纲

工程教育认证强调培养学生的能力。课程教学大纲是根据教学计划的要求，规定课程地位、作用、性质、目的和任务的基本纲要，工程教育认证背景下课程教学大纲要充分体现OBE教育理念。因此，在经过充分讨论和论证的基础上，我校对该课程的教学大纲进行了全面修订，进一步明确了课程目标及学生应达到的能力，课程目标对毕业要求的支持关系，课程的教学内容及要求，课程的教学方法，课程的考核方式及课程达成度的评价方式等。

1.3 改变教学模式

传统的教学模式以教师为中心，教师占主导地位，教师站讲台采用板书或者PPT进行教学。这种传统教学模式，学生参与度其实并不高，而且教师教学手段比较单一，明显不符合OBE教育理念。因此，在经过充分讨论和论证的基础上，我校对该课程的教学模式进行了改革。

1.3.1 引入翻转课堂

对教学内容进行归类，那些适合翻转课堂教学模式的教学内容直接采用翻转课堂模式进行教学。在课前，授课教师课前录制教学视频，设立问题，安排学习任务等；授课教师将视频通过智慧课堂（如学习通）发送给学生端，学生可下载自主学习并完成关键环节，教师可进行监督；学生针对相关问题自主查阅文献和准备课堂讨论内容。在课中，授课教师随机将学生分成若干小组，每组随机指定1名负责人，各组进行讨论，然后由各组负责人指定一位成员进行依次讲解，其他组成员对该组讲解内容进行提问，该组其他未讲解成员负责回答，授课教师对各组情况进行点评讲解。

1.3.2 引入线上教学

线上教学有3种方式：线上直播、慕课、智慧课堂。

线上直播。常用的网络直播平台有腾讯会议、B站、虎牙等。我校教学团队开展了6次线上直播，其中3次是围绕混凝土结构基本概念、混凝土结构材料力学性能、承载能力极限状态下5种基本构件的设计、正常使用状态下构件的变形验算、预应力混凝土构件的设计等5个方面内容选取了部分章节进行线上直播教学，另外安排了3次线上直播互动、答疑和辅导。上述直播平台均设置有互动模式和直播视频录制模式，学生课中可利用弹幕进行提问，教师能够及时掌握学生的薄弱点；学生课后可以观看直播视频回放，对课上没理解的知识点进行巩固。在课堂教学中适当穿插线上直播教学，能够有效提高学生学习积极性。

慕课。主要采用国内知名大学慕课进行教学。该种模式要求学生发挥学习主动性。在课程正式开始前，授课教师要精选2～3门慕课；随后将选定的慕课地址发送给学生并要求学生在课程过程中利用课前、课后等碎片化时间进行自主学习，同时要求学生做好学习笔记。

智慧课堂。主要采用智慧教学软件进行教学。在课前，教师通过智慧教学软件发布教学视频、课程资料、章节作业等；在课中，教师通过软件发布课堂讨论、章节知识测验等内容；在课后，教师通过软件收集和批阅作业，同时和学生互动答疑，实现一对一辅导。

1.3.3 引入实物模型和小程序

由于该课程内容比较抽象且设计没有唯一性，在课程教学中适当引入实物模型和小程序对学生理解抽象概念和设计没有唯一性的原则具有重要作用。例如在“受弯构件正截面受弯承载力”章节中一般会涉及混凝土保护层厚度的概念，《混凝土结构设计规范》（2015年版）（以下简称“规范”）中规定“混凝土保护层厚度指从最外层钢筋的外表面到截面边缘的垂直距离”，讲解这个概念时必须先让学生理解什么是最外层钢筋。对于受弯构件而言，其内部钢筋较多，主要包括纵向受拉钢筋、纵向受压钢筋、箍筋、构造腰筋等，所以必须让学生直观看到上述钢筋的相对位置才能进一步理解最外层钢筋的含义。“规范”中还涉及纵向钢筋的锚固、纵向钢筋的截断伸出长度和延伸长度、箍筋加密和非加密等抽象概念，为了将抽象概念具体化，授课教师在讲解上述抽象概念时提前准备了钢筋骨架实物模型。

还有，在“受弯构件正截面受弯承载力”和“受压构件截面承载力”章节中常涉及截面设计的问题，需要学生根据配筋计算结果选配纵向受力钢筋，选配纵向受力钢筋需要确定钢筋的直径和根数，在讲解如何确定钢筋的直径和根数这个问题时必须让学生先理解“规范”中对纵向受力钢筋间的净距规定要求。授课教师在课前利用EXCEL自行设计了一个计算小程序，课上直接利用该计算小程序进行讲解，让学生直观地看到受弯构件当混凝土保护层厚度、箍筋直径、纵向受力钢筋和截面宽度发生变化时，钢筋的根数也是在不断变化的。通过这种方式，学生对如何选配纵向受力钢筋问题的理解则更加深刻。

另外，在讲解“承载能力极限状态下5种基本构件的设计”时，授课教师一直强调设计不唯一性的原则，当构件的材料强度（或截面尺寸）发生变化时，其截面配筋结果也会相应发生变化，只要配筋结果合理即可。因此，授课教师在教学时引入了微信小程序混凝土结构工具箱，其中包含了多个模块，如弯剪构件设计及复核、压弯构件计算、受扭构件计算等。授课教师和学生选取其中模块并输入构件参数，该程序直接输出相应配筋结果，如果改变构件参数，其配筋结果也相应发生改变。通过对比，学生能够深刻理解设计没有唯一性这一原则。

1.3.4 将有限元分析软件融入实验教学

有限元分析软件是实验的重要补充手段，能够预测实验构件的承载力及破坏过程，对指导实验教学具有重要作用。该课程将有限元分析软件融入实验教学中，更好地培养了学生的动手操作能力、自主探究能力和创新精神。如“受弯构件正截面受弯破坏实验”和“斜截面受剪破坏实验”中，在实验之前，授课教师先将实验指导书通过线上平台发布给学生，要求学生根据所学理论知识计算出正截面受弯承载力和斜截面受剪承载力理论值；然后要求学生利用有限元ABAQUS软件建立受弯构件实验加载模型并进行数值计算，得到正截面受弯承载力和斜截面受剪承载力的有限元值，获得正截面受弯破坏和斜截面受剪破坏的过程以及两种受力状态下构件内部钢筋和混凝土的应力分布情况；最后将实验讲解视频和实验过程视频通过线上平台发布给学生，要求学生进一步掌握实验原理和方法，利用线上直播平台讲授有限元ABAQUS分析结果。图1为有限元ABAQUS计算得到的受弯构件受弯和受剪破坏时混凝土和钢筋的应力分布图。

图1 混凝土和钢筋的应力分布图

在实验现场，学生根据前期分组情况进行实验，完成适筋梁、少筋梁、超筋梁的受弯实验和剪压梁、斜拉梁、斜压梁的受剪实验。为了再现实验场景和方便学生后续学习，利用高清摄像机拍摄记录整个实验过程。首先，教师要求学生自主进行实验构件的安装、应变片的粘贴和位移计的安装、应变片和位移计的连接、数据采集系统参数的设置等前期准备工作。其次，教师逐项检查学生上述准备工作是否满足实验要求，发现问题及时更正。最后，教师要求学生自主利用实验控制系统进行实验加载，并时刻观察混凝土的裂缝开展情况和试件破坏过程。在实验之后，除了要求学生撰写和提交实验报告外，还要求学生将各构件的承载力理论计算结果与实验结果进行对比，以进一步理解受弯承载力、受剪承载力理论计算公式所采取的基本假定，对比结果如表1。

表1 各构件承载力理论计算值与实验值

1.4 改变课程评价模式

课程评价对提高教学质量具有重要促进作用。传统的课程评价主要为课程结束后的线下问卷调查，方式较为单一，无法贯穿整个教学过程。我校该课程教学团队果断改变了该课程的评价模式，除了常用的课程结束后的线下问卷调查外，还增加了线上问题反馈、线下座谈会等课中评价模式。线上问题反馈方式为，学生通过QQ、微信、智慧课堂等交流平台将每次课的意见直接反馈给授课教师，可自主选择实名模式和匿名模式，以让教师及时了解教学过程中存在的问题。线下座谈会模式为，教师在教学过程中适时召集学生开展线下座谈会，一般要求不少于3次。通过采取上述课程评价模式，教师可以根据学生反馈意见及时改进教学。

1.5 完善课程考核方式

课程考核对引导学生学习具有重要促进作用。传统的课程考核方式主要是闭卷考试，这种考核方式多偏重理论知识而忽略了能力的考查，很难满足工程教育的“工程性”要求。因此，我校该课程教学团队进一步完善了考核方式。首先，改革课程考核成绩构成，考核成绩由期末考试成绩、平时成绩和实验成绩三部分构成；其次，重视过程考核，加大平时成绩和实验成绩（尤其是实验操作成绩）的占比，减少期末考试成绩占比；最后，丰富期末考试试卷的试题类型，增加工程案例分析和综合设计类试题。

2 教学改革的效果

该课程采取上述教学改革措施后取得了显著的成效，已经顺利进入学校“金课”建设课程。首先，授课教师工程能力显著提高，丰富了课程教学模式，使抽象的概念更加具体化，有效激发了学生学习热情及专业兴趣。其次，学生能力培养目标更加明确，进一步拓宽了学生的专业视野，提高了学生的自主学习能力、动手操作能力和创新能力，充分发挥了学生在教学中的主体作用，真正体现了“成果导向、学生中心、持续改进”的理念。最后，通过对近两年教学满意度问卷调查分析可知，持续改进的教学方法得到了学生的认可，学生满意率由95.3%提高到98.7%；通过对近两年学生考试成绩分析可知，学生的考试成绩有较大幅度的提高，卷面平均分由66.21分提高到了72.13分，卷面不及格率由33.33%下降到23.12%。

3 结语

混凝土结构设计原理课程是一门理论与实践结合非常紧密的课程，对丰富学生的理论知识、培养学生的实践能力具有重要作用。为提高该课程的教学效果，本文主要从教师队伍、教学大纲、教学模式、课程评价模式、课程考核方式等5个方面进行了教学改革与实践，探索了一种“线上”教学与“线下”教学良好融合的土木工程专业人才培养模式。实践表明，这种模式有效激发了学生学习热情及专业兴趣，提高了学生的自主学习能力、动手操作能力和创新能力，上述课程教学改革措施可为其他工程类课程的教学提供参考。