基于“PBL 与LBL 相融合教学法”的结构设计原理课程建设——以预应力混凝土结构为例

李 鑫，张锋春，康玉梅

（东北大学 资源与土木工程学院，沈阳 110819）

教学工作是高等院校的核心，是高校培养人才的关键环节[1]。课程建设是高校教学工作的基础，是高校教学质量的保障，同时更是高校教学改革的重点及难点工作[2]。高等院校土木工程专业的教学模式对学生课堂学习的效果有着重要的影响，因此，应该针对学生的成长成才和知识学习能力的提高，大力推进高校教学模式改革，着力提升教学效果，培养更多的卓越土木工程领域人才[3]。土木工程专业具有知识结构复杂、实践性强等特点，传统的教育模式已经不能充分满足该专业领域人才的需求[4]。根据土木工程专业结构设计原理课程的特点、结合传统课堂教学方法（以授课为基础的教学法——LBL）和以问题（或项目）为基础的教学法（PBL）的优缺点，本文将PBL 和LBL 相融合运用在结构设计原理课程（以预应力混凝土结构为例）的教学中，为进一步提高土木工程专业的教学质量、深化课程教学改革提供参考。

一、结构设计原理课程的特点

1.结构设计原理课程是土木工程专业一门重要的专业技术基础课，其在性质上与材料力学课程有相似之处，但有较多不同。材料力学课程的主要研究对象是单一、连续、匀质和弹性（或理想弹塑性）材料的构件，而结构设计原理课程的研究对象为工程结构的构件。而工程结构的某些材料（如混凝土）不是材料力学课程中研究的匀质、弹性和连续的材料，能直接应用材料力学公式的情况并不多。但是，材料力学课程中通过平衡关系、物理条件和几何条件建立基本方程的方法，对结构设计原理课程是适用的，而在基本方程的建立上需要考虑工程结构材料性能的特点。

2.构件的某些计算公式是根据理论分析及试验研究得到的半理论半经验公式。学习过程中很多公式的建立不一定都经过严密的推导，要使学生理解公式的本质，注意其使用条件及适用范围，而不是死记硬背公式。

3.课程的多方案性和试算性。对于构件的设计，不仅是构件承载力、变形等的计算，在确定的材料和荷载作用下，即使截面形式相同，构件的截面尺寸和截面布置也不是唯一的。结果是否满足要求，主要取决于是否满足设计规范的相关要求，并且要考虑施工可行性和经济性等方面的要求。

4.课程实践性较强，要学会应用设计规范进行构件设计。在掌握基本构件受力性能基础上，学生能对现行设计规范的相关条文规定的概念和本质有较好的理解，并能正确应用规范的计算方法，进而能够应用设计规范对基本构件进行设计。

二、LBL 的概念和优缺点

LBL（Lecture-based Learning）是以授课教师授课为基础的教学法，即授课教师在课堂上利用多媒体、课件、模型和挂图等进行授课，学生以听课、随堂笔记、课后作业、期中和期末考试等为主[5]。LBL 教学法是目前我国高等教育中应用非常广泛的一种教学方法。

（一）LBL 教学法的优点

LBL 教学法通过授课教师认真地讲授，学生学习目标比较明确，并且能够对基础知识系统、全面和深刻地理解。授课教师可以针对基本理论知识系统、重点地讲解，指导学生对各章节的知识点及重点、难点有较好的理解和掌握。同时，LBL 教学法可以节约教学资源、对学生的能力要求比较低、对理论知识的传授比较系统和准确。

（二）LBL 教学法的缺点

（1）LBL 教学法在教学过程中以授课教师为主，缺乏课堂上师生间的互动，教师很难控制教学质量和保证学生在课堂上对知识点掌握程度；（2）学生缺乏自主学习能力，无法激发学生学习兴趣，学生学习效果也无法得到保障；（3）学生欠缺对理论知识的应用，缺乏实践应用能力；（4）学生欠缺创新思维能力，缺乏团队合作精神[1，3]。

尽管LBL 教学法目前存在较多缺点，而我国传统的课堂教学模式大多采用的是LBL 教学法，该教学方法不能被其他教学方法完全替代。

三、PBL 的概念和优缺点

1969 年，美国神经病学教授Howard Barrows 在加拿大麦克马斯特（McMaster）大学医学院创立了PBL（Problem or Project-based Learning）教学法，目前PBL教学法已经成为世界上比较流行的教学方法之一。PBL教学法是以问题或项目为导向的教学法，教学模式是以真实生活情境问题或项目，提出和解决问题的过程作为主要教学方式[3]。从认知科学、社会学和心理学相结合的角度来看，PBL 教学法的精髓主要表现在以下三个方面：（1）学习方法是以问题为导向或以项目为组织开展的。这样不仅可以激发学习的积极性和主动性，也可以为学习者提供理论联系实践的机会；置身于实际的情境中，学习者会更好地分析实际复杂问题、探索解决问题并积累相关经验。（2）在学习内容上鼓励学科交叉和跨学科。这样可以超越传统的学科单一化，并且可以避免过细的专业划分而产生知识的局限性；学习者在解决问题或做项目的过程中需要运用专业理论知识来分析问题和探索解决问题，进而可以增强理论和实践联系的能力。（3）学习的社会性主要体现在人和环境互动的学习方式。通过小组或团队合作的形式可以培养学习者的团队合作精神，提高学习者沟通、组织管理和自我管理的能力，并且能够提高学习者的创新能力。

（一）PBL 教学法的优点

1.管理层面：有关研究显示采用PBL 的院校无论在教学质量还是学习成果方面都优于采用传统教学方式的院校。对于PBL 学校的毕业生就业企业的各项评估中被评为最能学以致用、最具创新能力和最受雇主欢迎的员工。从长期发展的角度考虑，PBL 是一种经济型的高等教育模式[6]。

2.学习过程：PBL 的学习方法能够有效地激发学习者的学习动力。相关资料显示，学习者的学习动力一旦被激发，学习的效果和学习的质量都会大幅提高。PBL 中分组学习方式更能有效地提高学生在团队合作中相互学习和认真思考的能力，这种以共同目标为前提的社会性学习，能够更大程度促进学习者的反思能力[6-8]。

3.能力培养：通过对PBL 教学法的长期评估和对传统的教学相比较，PBL 对学生的综合能力及职业责任感等方面的培养和发展有显著效果[6-9]。通过采用PBL教学法，学生各方面的综合能力都有了很大的提高，相比在传统教育模式下收获的知识更多。

4.知识巩固：PBL 方法可以提高学生对知识掌握的长期记忆效果，例如对不同概念的理解和记忆。针对企业对教育效果的反馈表明，PBL 院校的毕业生能很好地将平时学习的相关理论知识应用到工作岗位中。

综上所述，采用PBL 教学法，学生不仅可以获得同等知识更可以提高学生素质及多方面能力。采用PBL教学模式可以提高学生学习的主动性和积极性，将学习变被动为主动，提高学生自主思考和解决问题的能力，最终培养出专业创新型人才。

（二）PBL 教学法的缺点

虽然PBL 教学法具有较多优点，但也存在一定的限制，比如使用PBL 教学法教学缺少对知识掌握的系统性、全面性；PBL 教学法对教师本身素质、教学技能和掌握本专业及相关专业知识的要求都较高；PBL 教学成本较高并且在我国的教学体系发展过程中不是十分健全[5]。

四、结构设计原理课程建设

鉴于结构设计原理课程的特点，结合LBL 和PBL教学法的优缺点，以本课程中预应力混凝土结构教学为例，采用基于PBL 和LBL 相融合的教学方法开展教学工作。下面分别从课程目标、教学内容和方法、设计项目——预应力混凝土简支梁设计任务书示例、考核评价方式及教学效果评价进行课程建设阐述。

（一）课程目标

掌握预应力混凝土结构的概念和基本原理、设计计算方法；能够利用相关规范对预应力混凝土轴心受拉构件、简支梁进行设计；了解预应力混凝土结构的前沿动态。

（二）教学内容和方法

1.教学内容

为实现预定的教学目标，将教学内容分为三大部分，即第一部分，预应力混凝土结构概述（主要包括预应力混凝土的概念和基本原理、预应力混凝土的分类、预加应力的方法、预加应力的相关设备、预应力混凝土材料、张拉控制应力和预应力损失、先张法构件预应力筋的传递长度和后张法构件锚固区的局部受压等）、预应力混凝土轴心受拉构件各阶段的应力分析（主要包括预应力混凝土轴心受拉构件的受力特征、先张法预应力混凝土轴心受拉构件各阶段应力分析和后张法预应力混凝土轴心受拉构件各阶段应力分析）。第二部分，设计项目——预应力混凝土轴心受拉构件或预应力混凝土简支梁设计。第三部分，预应力混凝土结构专题报告（包括体外预应力技术、无粘结预应力混凝土等相关专题）。

2.教学方法

三部分教学内容分别采用的教学方法为：第一部分采用LBL 教学法；第二部分采用PBL 教学法；第三部分采用PBL 教学法。

（三）设计项目——预应力混凝土简支梁设计任务书示例

1.设计资料

（1）主梁跨径及截面尺寸

预应力混凝土简支T 梁，标准跨径30 m，梁全长29.94 m，计算跨径l0=28.60 m。主梁各部分尺寸如图1 所示。

图1 主梁各部分尺寸图（单位：mm）

（2）设计荷载

汽车荷载为公路—Ⅰ级；人群荷载为3.0 kN/m2；结构重要性系数为γ0=1.1。

（3）环境条件

桥址位于野外一般地区，环境条件为Ⅰ类，年平均相对湿度为75%。

（4）材料要求

混凝土：强度等级为C50。

预应力钢筋：标准型低松驰钢绞线（1×7 标准型），抗拉强度标准值fpk=1 860 MPa，公称直径为15.2 mm；锚具采用夹片式群锚（具体可按参考资料（2）选用）。

非预应力钢筋：可按规范规定选用。

（5）施工方法

采用后张法施工（主梁混凝土达到设计强度的90%后，进行预应力的张拉），预制主梁时，预留孔道采用预埋金属波纹管成型，钢绞线采用TD 双作用千斤顶两端同时张拉；主梁安装就位后现浇40 cm 宽的湿接缝。最后施工80 mm 厚的沥青桥面铺装层。

（6）主梁内力计算结果

具体计算方法，将在桥梁工程课程中学习，在此直接给出中主梁恒载内力和活载（包括汽车荷载和人群荷载）内力计算结果，分别见表1 和表2（每组的内力结果可以不相同，或者根据实际情况，学生可自行计算主梁的内力）。

表1 恒载内力计算结果

表2 活载（汽车荷载和人群荷载）内力计算结果

2.设计要求

每4～5 人为一组，至少应完成以下内容的设计与计算：（1）主梁全截面几何特性；（2）主梁作用效应组合；（3）钢筋（预应力钢筋和非预应力筋）面积的估算及布置；（4）不同受力阶段的主梁截面几何特性（主要考虑主梁预制并张拉预应力钢筋阶段、灌浆封锚后主梁吊装就位并现浇湿接缝阶段、桥面、栏杆及人行道施工和运营使用阶段）；（5）持久状况承载能力极限状态计算（正截面承载力计算、箍筋设计与斜截面承载力计算）；（6）钢束预应力损失估算（包括预应力钢筋与管道壁之间的摩擦引起的预应力损失、锚具变形、钢筋回缩和接缝压缩引起的预应力损失、混凝土弹性压缩引起的预应力损失、预应力钢筋松弛引起的预应力损失和混凝土收缩及徐变引起的预应力损失）；（7）应力验算（短暂状况的截面正应力验算、持久状况的截面正应力验算、持久状况下的混凝土主应力验算）；（8）抗裂性验算；（9）主梁挠度（变形）计算；（10）锚固区计算。

3.项目提交成果

（1）计算书（手写）；（2）主梁配筋施工图（Auto CAD绘制输出）。

4.参考资料

（1）结构设计原理相关教材；（2）朱新实，刘效尧编著，2012 年人民交通出版社出版的《预应力技术及材料设备（第三版）》；（3）JTG D60—2015《公路桥涵设计通用规范》；（4）JTG 3362—2018《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》。

（四）考核评价方式

学生的最终成绩（100%）由平时作业（10%）、设计项目（30%）、专题汇报（10%）、期末考试（50%）四部分组成。其中设计项目以小组（4～5 人）为单位完成，成绩由设计计算书（包括设计图纸）和答辩情况确定；专题汇报以小组为单位完成，题目由教师指定或学生自主确定，然后进行课堂展示（或撰写小论文），成绩由学生评价和教师评价给出。

（五）教学效果评价

通过采用PBL 与LBL 相融合教学法在结构设计原理课程的实践，表明学生能够较全面、系统地掌握课程的内容；同时提高了学生学习的积极性和主动性，分析问题和解决问题的能力得以提高；通过利用规范完成设计项目，加强了学生的实践能力；通过相关专题的课堂展示或撰写小论文，培养了学生的创新能力。

五、结束语

综上，PBL 和LBL 相融合教学法既能充分发挥PBL教学法的优势，又可以避免PBL 教学法存在的知识面不系统、不全面的局限，更加适合目前我国的教育教学的现状。在结构设计原理课程采用PBL 和LBL 相融合的教学方法，既保证教学有序而高效的完成，又可以激发学生的学习兴趣；对学生的分析与解决问题能力、实践动手能力及创新精神等综合素质方面都有所提升，提高学生的团队协作意识，是提升教学效果、培养复合型人才的有效途径。