新时代下“混凝土结构设计原理”课程教学改革探索

潘云锋 张世杰 侯宁

摘    要：高校要实现新时代下“三型”人才的培养目标，需要加强课程建设。文章聚焦“混凝土结构设计原理”课程教学改革，以把握行业能力为导向，培养学生工程师思维；引入“翻转课堂”和仿真实验平台，提升理论学习和实验教学效果，提高学生的学习兴趣；采用多样化作业、实验设计、实践成果和有限开卷四位一体的考核机制，加深学生对课程的理解和对知识的把握；借助校企平台，提高学生的实践能力，加深学生对理论知识的感性认识；提升专任教师思政教育能力，优化课程教学内容，将思政教育与专业知识的讲授有机融合，提升学生的民族自豪感、职业道德与社会责任感，促进学生全面发展。文章结合教学经历，提出教学改革措施，介绍了“混凝土结构设计原理”课程教学过程中的实践和取得的教学效果。

关键词：混凝土结构设计原理；工程师思维；混合式教学；多样化作业；课程思政

中图分类号：G642          文献标识码：A          文章编号：1002-4107（2024）07-0053-03

目前，我国处在向第二个百年奋斗目标迈进之际，建筑业朝着低碳绿色、信息化和智能化的方向发展，这对高素质工程技术人才的要求日益提高。高校土木工程专业人才的培养应顺应国家战略需求和科学技术的发展趋势，因此高等工程教育改革势在必行。2018年，习近平总书记在全国教育大会上的重要讲话中明确指出，高校要“着重培养创新型、复合型、应用型人才”，这也为我国高等教育的土木工程人才培养指明了方向。

“混凝土结构设计原理”作为土木工程专业的核心基础课程，在土木工程人才培养中起着连接专业知识和实践应用的功能，是土木类学生的必修课和主干课。据调查统计，有96.5%的学生认为“混凝土结构设计原理”课程很重要，但同时又有87.8%的学生认为这门课程非常难[1]。课程难点表现为内容多、涉及面广、与工程实际联系紧密和学生缺乏实践等，这都会造成学生上课难听懂，下课遗忘快的现象。因此，如何在有限课时内（64课时，包含实验课时）帮助学生迅速掌握混凝土基本原理，并提升运用基本原理解决实际工程问题的能力，是本门课程的重难点，也是该课程教学改革探索的出发点和落脚点。

一、课程特点与教学现状

（一）课程特点

本门课程具有内容多、信息量大的特点，课程内容涉及钢筋混凝土构件设计方法演变、材料力学性能、构件性能计算（承载力、变形与耐久性）和预应力混凝土结构设计等，具体表现为公式、图表和规范条文繁多，且多为半经验半理论的计算公式。课程大纲安排上既有理论教学又有实验操作，且两者互为支持和验证，与工程实践紧密联系，具有极强的工程属性[2]。“混凝土结构设计原理”课程的计算以数学、力学为基础，但又不同于传统数学、力学的严格推导，其在满足设计要求的前提下，结果往往具有非唯一性，需要反复的迭代计算和调整，要想获得较优的结果往往需要一定的工程经验。可见，“混凝土结构设计原理”课程涉及数学、力学、实验、工程实践等方面，且各学科又相互影响，极大增加了学生学习和教师施教的难度，其结果往往导致学生失去学习主动性和自主性。

（二）教学现状

1.思维障碍。“混凝土结构设计原理”课程与先修的基础课程“高等数学”“概率论”“理论力学”“材力学”和

“结构力学”等的学习思维具有较大区别。这些先修课程具有严谨的理论推导，对应唯一、精确的答案，与学生从小养成的科学严谨的思维习惯具有一致性[3-4]。而“混凝土结构设计原理”是一门半经验半理论的课程，

需要学生具有工程师思维[5]。所谓工程师思维，即能合理运用科学知识，系统化解决各种实际工程问题，其外延是指工程师解决实际问题时所运用的思考方式和方法，超越了纯理论或技术领域的知识，还需要综合性思维、系统性思维、经济性思维和风险管理思维等。工程师思维的核心在于化繁为简。这种思维要求学生能在保证结构安全的前提下将现实中复杂的结构进行必要的简化，包括平截面假定、荷载布置、数值取值以及边界条件设置等，从而简化为对应力学模型。这种简化思维没有严谨的理论可循，与学生一直以来接受的根深蒂固科学思维差别较大。思维障碍导致学生在学习这门课的过程中出现“难以理解和接受”“得新忘旧”等现象，无法形成系统化的知识结构体系。

2.授课方式单调。部分高校的“混凝土结构设计原理”课程主要以教师讲授为主，立足重点、难点，讲求层层深入的讲解，表现为单向的知识输出[6]。这种教学方式的优点在于教学进度可控，但缺点也十分明显，师生之间缺乏交流互动，学生主动学习的热情不足，逐渐失去学习乐趣[7]。

相比课堂理论教学，实验课程设置一直处于从属地位。该实验属于课内实验，仅4～8课时，其中内容包括混凝土梁正截面抗弯、抗剪破坏，还包括实验的准备（制备、养护、粘贴应变等）、测试（加载、结果记录等）等工作[8]。根据以往实践统计发现，学生往往选择其中一个实验项目，且由于实验课时少，也只能把其中某个实验项目匆匆过一遍，这种现象严重违背了设置实验的初衷，也无法反哺课堂教学，从而极大制约了“混凝土结构设计原理”课程教学效果的提升。

3.考核方式单一。国内大部分高校的“混凝土结构设计原理”对学生的考核还是以期末闭卷笔试为主。由于公式、符号和理论知识多等原因，学生把重点放在如何记住这些知识上。在此情况下，教师往往通过降低闭卷考试的深度与广度来对学生进行考核，但这种降低考试难度的做法不利于土木工程专业人才的培养[9]。为了改善这种情况，也有一些高校采用开卷笔试，但其也带来了许多弊端。一方面，开卷笔试给部分学生造成在平时学习中不用下苦功夫，复习时也不用认真总结备考的错觉，使其在考试中将一切都寄托于当场查阅教材。另一方面，开卷笔试试卷难度往往比闭卷难度要高。对比发现，开卷笔试导致学生掌握知识的能力变差，成绩也会偏低。在闭卷与开卷笔试之间，教师也陷入了两难的境地。

4.工程实践不足。随着经济和技术的飞速发展，社会对土木工程领域的“三型”人才需求越来越大，要求也越来越高。而现实情况却是，符合社会要求的人才短缺，同时也出现了土木工程专业毕业生就业困难的现象。这种矛盾的根源在于人才的培养忽略了社会的需求，脱离了工程实际。“混凝土结构设计原理”课程具有工程性强的特点，几乎每一章的内容都对应实际工程中的一类构件。而其教材国内绝大多数高校，对教师文凭要求越来越高，大多数教师具有博士学位[4]。面对科研、教学等考核指标，高校教师也难有时间去工地实践，导致其缺乏实践经验。同时，当今复杂工程（超高层建筑、大跨度体育馆、过江隧道和预制拼装等）层出不穷，一方面考验着现有的规范和传统施工技术能力，另一方面不断涌现出的新计算方法、工艺和技术给土木工程专业人才的培养带来了挑战。

5.课程思政建设薄弱。习近平总书记在全国高校思想政治工作会议上指出：“要用好课堂教学这个主渠道，思想政治理论课要坚持在改进中加强，提升思想政治教育亲和力和针对性，满足学生成长发展需求和期待，其他各门课都要守好一段渠、种好责任田，使各类课程与思想政治理论课同向同行，形成协同效应。”这就要求思想政治教育不仅仅是专任思政课教师、辅导员和班主任的事情，而且与专业课教师也息息相关[10]。绝大多数专任教师都是专业出身，具有较高的专业理论知识，但缺乏有效的思政教学能力、方法和有效路径。

二、教学改革措施

针对教学现状，本文从转变思维方式、改革教学方式、完善评价机制、加强工程实践和提升课程思政教学能力等五方面开展“混凝土结构设计原理”课程教学改革探索，并在浙江理工大学2019级和2020级土木工程专业展开了相应的实践工作。课程教学改革的思维导图如图1。

（一）转变思维方式

首先，专任教师认识到转变思维的重要性，将工程师思维贯穿“混凝土结构设计原理”课程教学全过程。工程师思维体现在构件设计时，以解决问题为导向，不再一味追求计算精度，而是在满足构件安全性、适用性和耐久性的前提下，允许舍弃一定精度，获得近似、简洁结果的计算方法。例如，在计算受弯构件正截面承载力时，受压区混凝土的实际应力图为抛物线和直线的组合，计算涉及微积分，计算过程复杂，采用“工程师思维”化繁为简，将实际应力图用等效的矩形应力图形替代，引入了两个与混凝土强度相关的系数和，实现力的大小和作用位置的等效；在计算偏心受压构件时，大小偏压判断的本质是判断受压区的高度，难以进行直接判断，需要进行迭代分析，通过引入已知标准物体与待测构件进行比较，初步判别大小偏心，极大简化计算步骤，这种方法在解决实际问题时更加实用。其次，工程师思维不是一朝一夕就能养成的，教师需注重循序渐进引导学生转变思维，引导他们用工程师思维去分析问题、解决问题。例如，在介绍基本混凝土构件的承载力时，先启发学生对构件的破坏模式进行思考，通过提问的方式让学生去搜索自己已学习的土木工程材料、三大力学等知识，进而寻找到对应的力学模型。最后，学生应学会自主转变思维方式。教师通过设计实验作业等方式让学生用工程师思维去解决问题。

（二）改革教学方式

首先，改变传统课堂单向输出的教学模式，融入翻转课堂，建立以学生为主导、教师为引导的教学模式。利用“钉钉”“学习通”等平台将提前上传的相关学习要点、短视频、课件、案例等资料推送给学生，充分利用碎片化时间，发挥学生课前预习和课后复习巩固的作用，真正做到“我的学习我做主”。课堂上根据学生对问题的回答，了解学生对知识的掌握情况，有利于教师掌握学生学习程度，及时调整学习进度。通过随机分组，针对重难点开展讨论，形成共同意见并进行小组汇报。

其次，利用混凝土模拟仿真实验平台，创新线上线下实验新模式[11-12]。混凝土模拟仿真实验平台克服了传统混凝土结构教学实验对课时、场地、实验条件等存在特殊要求的困难，学生将虚拟的混凝土原料及钢筋制作成钢筋混凝土构件，并在平台上进行相关力学性能的虚拟测试，在线给出不同的破坏模式和性能指标。学生通过在线演示可以清楚了解混凝土构件破坏全过程，极大提升了课堂理论学习的兴趣和效果。

最后，发挥学生设计物理实验的自主性，引导学生对理论知识进行实践应用。专任教师通过编制小程序，课堂上自动分组和随机分配设计参数。根据设计参数，学生设计配比，自行制备混凝土构件，进行混凝土性能测试，提高学生动手能力和理论联系实际的能力。同时利用混凝土模拟仿真实验平台设计线上实验，对比物理实验与模拟仿真结果，促使学生了解理论、模拟、实际的区别与联系，激发了学有余力的学生的探索兴趣。

（三）完善多维的评价机制

改变传统的以闭卷考试为主要考核方式的评价机制，建立包含多样化作业、实验设计成果、实践成果、期末有限开卷等方式的多维度评价机制。创新多样化作业形式，构建习题、自编小程序、自制小模型等作业形式。实验设计成果的评价既可以是对模拟仿真实验的结果评判，也可以是对实验室实验操作的评判。鼓励学生参与工程实践，将工程实践活动纳入考核评价指标体系，这既能让学生把已学的理论知识运用于实际工程，也能提高学生参与工程实践的积极性。有限开卷

（一纸开卷）既能把学生从繁琐的概念和死记硬背的公式中解放出来，又能让学生把更多的时间用于对所学内容进行总结和归纳。课程学习不再仅仅以考试为目的，做到了教、学、用、考的协调一体，减轻学习压力，提升学习兴趣，让学生真正去理解课本知识，达到满足行业发展要求和提高教学质量的目的。

（四）加强工程实践

利用校企互动交流机制，借助于校企互动平台，加强学生与企业互动。为此，浙江理工大学建筑工程学院先后与数十家施工、设计、检测企业建立实践基地和校企合作平台。通过推送企业简介，学生根据个人意愿，自主申请参观企业项目，提高学生对相关工程的感性认识。建立学生互评机制，促进相互学习，同时将总结报告纳入评分机制。通过工程实践，学生将理论知识与实际工程相结合，将所学的理论知识用于解决实际问题，实践也将反哺对教材知识的理解与深化。

（五）提升课程思政教学能力与水平

一方面，提升专任教师的思政素养。按照“教育者先受教育原则”，专任教师应具有较高的“思政课程”教学能力，但是专任教师通常并非思政专业出身，对“思政课程”与专业教学资源的整合能力较弱。通过建立集体思政教研机制，汇聚土木专业教师，邀请思政专业教师进行思维碰撞与交流，丰富思政素材，提升课程思政教学设计能力[13]。另一方面，结合“混凝土结构设计原理”课程特点开展思政教育，充分挖掘价值引领、家国情怀、道德培育和精神塑造，将思政教育与专业知识的讲授进行有机融合，做到“课程思政”[14]。优化课程教学内容，将思政元素融入专业知识，重点突出我国重大工程、工程灾害与事故、土木领域科学发现等内容，提升学生的民族自豪感、职业道德与社会责任感。

三、结论

“混凝土结构设计原理”作为土木工程专业的专业核心课程，是基础课程向专业方向课程过渡的重要一环，其核心是理论与实践相结合。对于该课程教学改革进行的探索既是土木工程行业培养“三型”人才的需要，也是社会发展的必然。本文从转变思维方式、改革教学方式、完善考核评价机制、加强工程实践和提升课程思政教学能力等五个方面，对“混凝土结构设计原理”课程进行教学改革探索，以期能够使学生真正掌握和理解这门课程，做到理论基础扎实，实践经验充足，职业道德良好，为以后工作与深造打下坚实的基础。

参考文献：

[1]  汤永净，赵勇.混凝土结构基本原理课程教改中新模式

和新平台的应用[J].高等建筑教育，2017（1）.

[2]  刘素梅，徐礼华，池寅，等.混凝土结构基本原理教学方法

创新与实践[J].高等建筑教育，2017（6）.

[3]  卓德兵，陈国平，庹清.基于混合式教学模式的混凝土结

构基本原理课程教学改革与实践[J].高教论坛，2020（3）.

[4]  乔惠云，陈誉.《混凝土结构设计原理》教学改革探索[J].

创新创业理论研究与实践，2021（6）.

[5]  高向玲，赵宪忠.以卓越工程师培养为目标的设计类课

程教与学——以土木工程专业建筑混凝土结构设计为

例[J].高等建筑教育，2016（4）.

[6]  赵羽习，申士军，姜秀英，等.在《钢筋混凝土结构设计》的

教学改革中促进卓越工程师的培养[J].东南大学学报（哲

学社会科学版），2012（S2）.

[7]  蒋冬启，范进，孙巍巍，等.混凝土结构基本原理课程的教学

创新与实践[J].南京工程学院学报（社会科学版），2021（4）.

[8]  张元亮.“混凝土结构设计原理实验”课程教学的现状及

改进措施——以青海大学土木工程学院为例[J].西部素

质教育，2022（10）.

[9]  蔡健，陈庆军，黄炎生.混凝土结构理论课程教学改革探

索[J].高等建筑教育，2008（5）.

[10]  卢爱新，丁梧秀.新工科背景下工科专业课程思政建设的

思考与探索[J].洛阳理工学院学报（社会科学版），2021（6）.

[11]  陈云敏，陈仁朋.土木工程专业课程的教学与创新人才

培养[C]//陈国兴，韩爱民，侯曙光.高等学校土木工程

专业建设的研究与实践——第九届全国高校土木工

程学院（系）院长（主任）工作研讨会论文集.北京：科学出

版社，2008：171-176.

[12]  宋晓滨，张伟平，黄庆华，等.混凝土构件受力性能虚拟

实验教学平台建设[J].高等建筑教育，2021（3）.

[13]  楚国清.以提升人才培养能力为导向的课程思政探索与

实践[J].北京联合大学学报（人文社会科学版），2022（4）.

[14]  吴发红，于小娟，殷勇，等.土木工程专业课程思政教育

的探索与实践[J].高等建筑教育，2022（4）.

收稿日期：2024-01-21

作者简介：潘云锋，浙江理工大学建筑工程学院副教授，博士

基金项目：浙江理工大学教育教学改革研究项目（202017）；浙江理工大学研究生课程建设项目（202133）