智慧水利背景下“水工钢筋混凝土结构学”教学改革探讨

摘要：“水工钢筋混凝土结构学”是水利水电工程专业的核心课程，智慧水利的构建是推动水利工程管理工作向专业化、精细化、信息化和智能化转变的关键。本研究旨在探讨智慧水利背景下“水工钢筋混凝土结构学”课程的教学改革举措，文章分别从教学内容、教学方法、考核方式三个层面对该课程现有教学中存在的问题以及相应的改革思路和执行措施进行了详细分析和讨论。研究结果表明，现有改革方案取得了良好的教学效果，本研究对推动水工卓越人才培养具有一定的促进作用。

关键词：水工钢筋混凝土结构学；智慧水利；教学改革

中图分类号：G642.0文献标识码：A

1概述

水利行业关系国计民生，是国家社会经济发展的重要基础。“水工钢筋混凝土结构学”是水利水电工程专业必修的核心课程，在水利水电工程专业的培养方案中占有重要地位［1］。该课程在基础课程与专业课程中发挥着承上启下的关键作用，同时与行业规范、工程实际联系紧密，是培养学生掌握系统工程知识和解决工程实际问题的重要课程［2］。此外，该课程所包含的知识点在后续课程设计和毕业设计中也频繁应用，如果学生没有将这门课掌握牢固，后续课程设计及毕业设计开展的难度将会大大增加。总体而言，该课程对于学生未来从事水利工程结构设计、施工和管理工作极为重要。

“水工钢筋混凝土结构学”课程概念、公式、图表、规范条文较多，具有内容丰富、知识点细而繁、构造形式复杂、工程应用性强等特点［34］。按照现行本科教学大纲的要求，该课程的学时相对有限，教师课堂教学的时间主要用于对钢筋混凝土结构基本理论知识的讲解，因此仅凭教师课堂的教学很难使学生完全掌握［5］。近年来笔者发现，学生普遍认为“水工钢筋混凝土结构学”考试较难，在后续的课程设计及最终的毕业设计过程中，知识脱节问题也逐渐暴露。此外，在水工结构设计方面，我国电力系统的设计规范（DL/T5057—2009）与水利系统的设计规范（SL191—2008）有所区别，这为本课程的讲授以及学生的理解增加了一定难度［6］。因此，如何在有限学时内帮助学生扎实掌握课程基本理论，同时有效提高学生在水利工程中的实践能力，已成为“水工钢筋混凝土结构学”课程教学改革研究的关键任务。

智慧水利是在智慧城市建设理念下提出的水利工程领域的重要发展目标，主要指运用物联网、云计算、大数据等新一代信息通信技术，促进水利规划、工程建设、运行管理和社会服务的智慧化，提升水资源的利用效率和水旱灾害的防御能力，改善水环境和水生态，保障国家水安全和经济社会的可持续发展［7］。基于“水工钢筋混凝土结构学”的理论知识，探索智慧水利背景下的专业基础课程教学改革模式，不但有助于促进学科交叉融合，实现各类资源共享，还可以促进构建“产—学—研—用”一体化融合的实践教学体系，有效提升学生的认知和创新能力，并为后续水利信息化、数字化以及智能化建设培养相关人才。

2教学内容改革

“水工钢筋混凝土结构学”课程教学内容多、涉及面广，因此，教师在教学过程中要注重目的性、层次性、综合性和探究性，并让学生理解这几个关键概念的含义。以河海大学等四校联编的第4版《水工钢筋混凝土结构学》［8］为例，该教材共包含绪论以及其他十二个章节。第一章为材料特性，该章节大部分内容已经在“材料力学”和“建筑材料”两门课程中讲授；第二章为设计理论，是设计工作的基础，该章节逐渐出现学生以前在基础课中较少接触的重要概念（标准值、设计值等），且文字性内容较多，容易让学生感到无趣或茫然；第三章至第七章为构件层面的承载力计算问题（弯、剪、压、拉、扭），开始出现大量计算公式，这部分内容往往是期末考试计算题的重点；第八章为构件层面的裂缝宽度、变形验算等，该章节主要围绕“正常使用极限状态”这个已在第二章指出的重要概念开展；第九章至第十二章从构件层面过渡到结构层面，同时也是对前面章节知识的综合运用。由此可见，不同章节的目的性明确，进而使课程内容整体上呈现明显的递进关系，同时也逐步对学生综合运用知识的能力提出考验。同时，教师应强调学生对“假定”的理解，很多计算公式的基本假定从工程角度出发，在科学层面上并非“唯一”。因此，教师有必要引导学生对这些假定进行讨论，进而调动学生的积极性，培养学生理论实践相结合的能力。此外，教师应当鼓励学生去搜集国内外高新技术在钢混结构中的应用研究。以智慧水利背景下的水库大坝三维智能安全监测为例，监测平台依托三维精细化建模，将三维模型与水雨情、大坝变形及渗流等项目的实时监测数据结合，进而实现模型与数据的绑定映射，并自动查找该测点所对应的三维模型［9］。在这种场景下，教师可以引导学生将组成结构的各个构件进行高亮显示，并通过视图拆分、视图爆炸等方式对不同构件的配筋或构造情况进行可视化分析，进而以更加直观的视角对基本原理和计算步骤进行理解。

3教学方法改革

3.1丰富授课方式

传统教学模式主要依赖多媒体教学，并辅以板书作为辅助工具，课堂教学成为主要教学单元。然而，教师难以有效掌控课前和课后的教学环节。近年来，线上教学模式发展迅速（如MOOC、微课等），这些教学方式具有开放性大、传播范围广、可随时随地学习等优势，但是也存在教师与学生互动性差、教师难以有效掌控教学过程等缺点［10］。因此，为了实现教学效果的相互增强，探索“1+1＞2”的线上线下混合授课方式有着重要意义。在上一学年的授课过程中，笔者在课前为学生推荐3～5个线上教学视频，每个视频时长约15分钟，以便让学生对即将讲授的课程有一个初步的认识。在课堂上，笔者采用“多媒体+板书+视频+可视化系统”相结合的授课方式，帮助学生理解科学与工程问题。其中，可视化系统借助BIM提供的可视化特征，结合实际水利工程（如下图），将学生视角从图纸上的平面视图引领到三维立体的建筑物上来，进而提升构件之间的交互性。

水利工程可视化教学系统图

3.2加强互动教学

“水工钢筋混凝土结构学”的课堂教学通常采取的是大班教学模式。加强师生互动一方面能够让学生增强学习的兴趣，另一方面可以提高课堂授课的质量和效果。因此，除了线上线下课堂建设之外，教室还可以通过建立移动平台与学生进行实时互动。例如，在每堂课的课后，笔者通过建立的云文档鼓励学生在线大胆提问（将对本节课存在疑问的知识点或内容及时在文档内总结），通过这种方式，不仅能在网络平台上即时为学生解答疑惑，还能激发学生的思考，引导他们进行更深入的研究和探索。根据学生提出的问题，教师也可以反思自己在上一节课授课中出现的问题或不足，并对部分教学内容进行合理的修正和更新，进而更加准确地找到学生的“痛点”。通过这种师生联动的交流方式，既能够激发学生学习的动力，还可以帮助他们进行深入思考和研究［11］。此外，“水工钢筋混凝土结构学”归根结底是一门面向设计的专业基础课程，为了让学生对实际工程有着更加直观感性的认识，教师还可以邀请一些设计单位的工作人员就具体的工程设计问题与学生进行交流互动，通过“发现问题、提出问题、分析问题、解决问题”，推动产学研用深度合作。

3.3习题编程实现

在平时的水工结构设计中，经常需要大量计算或快速计算钢筋混凝土构件的受力钢筋面积。“水工钢筋混凝土结构学”课程基本构件承载力计算包括受弯构件正截面承载力计算、受弯构件斜截面受剪承载力计算、受压构件承载力计算、受拉构件承载力计算、受扭构件承载力计算，每种构件都可以通过编写小程序来辅助设计计算，在课程教学过程中鼓励学生结合课程特点进行计算机编程设计计算，有助于提高学生的学习自主性和创造性［12］。以第三章中矩形截面构件正截面受弯承载力计算为例，根据初始是否已配置受压钢筋以及受压钢筋面积是否给定，所采用的计算流程可分为多种情况。不少同学在面对这种选择时，从心理上便产生畏惧，甚至束手无策。如果可以让学生根据计算理论进行编程，不但有助于他们对计算公式以及构造要求的理解，还可以通过参数化设计模式让他们体会到快速准确、修改方便的优点。

3.4融入思政元素

教育部印发的《高等学校课程思政建设指导纲要》指出，全面推进课程思政建设是落实立德树人根本任务的战略举措。课程思政元素的挖掘是进行课程思政教育的基础，是培养大学生政治认同、素养提升的关键。新时代背景下，如何帮助学生深入理解课程思政的内涵和外延，发挥课程思政示范课程的实践作用和引领作用具有重要意义。在课堂教学中，教师应运用广阔的视角和贴近实际的案例，结合课程章节结构和专业知识背景，深入挖掘这门工科课程中的思政教育要素。将思政思想融入其中，使专业知识传授与课程思政育人达到有机融合，无形中培养出适应新时代需求的专业技术人才。例如，在课程绪论部分，可以介绍混凝土技术在国内外的起源、发展历程、现状以及国内与国外的对比分析，深入阐述我国混凝土技术起步晚、发展迅速的特点；在经典案例分析中，要鼓励学生挖掘其中包含的思政要素，并引入学生相互评分的机制，这样才能吸引更多学生参与思政要素的讨论和学习。

4考核方式改革

在传统教学模式中，教师经常依赖阶段性考试和期末考试来评估学生的学习成效，这种考核方法的局限性在于其单一性，往往无法全面反映整个教学过程中的细节和学生学习的连续性。因此，这种评价机制不足以为教师提供必要的信息来有效监控学生的学习进展和动态，缺乏持续和多元化的评估手段，限制了教育者对学生学习状态的全面理解和及时干预的可能。而“水工钢筋混凝土结构学”这门课程的计算公式繁多，且部分为经验性公式。因此，笔者认为有些公式没有必要“死记硬背”，例如第五章中的偏心距增大系数η以及计算η所需的两个截面曲率影响系数ζ1和ζ2。笔者建议在期末考试的试卷中，可以给出部分经验公式，进而避免学生花费大量时间记忆那些机理性较弱的经验公式。另外，课后作业通常作为平时成绩的一部分。本课程与其他课程的一个重要区别便是答案的多样性与合理性：即使对于同一工况，从设计的角度考虑也可能得出不同的计算结果（截面尺寸、配筋量等），且这些结果可能都是合理的。因此，大篇幅完全相同的计算结果有可能意味着作业间的互相借鉴。为了避免这种情况，教师针对不同学生可以适当调整给定题目的计算参数范围，使得作业更能反映学生在课后的学习质量。此外，教师可根据互动平台上的问答情况以及学习记录，对学生的学习过程和平时成绩进行综合考量，进而更加客观全面地评价学生的学习效果。

结语

笔者结合近年来的教学实践经验，对智慧水利背景下的“水工钢筋混凝土结构学”课程教学进行了初步改革，充分发挥了教师的引导作用，目前已初步取得良好的教学效果：加强了学生的团队意识，激发了学生的创新精神，提高了学生的综合素质与实践能力。但在教学改革实施过程中也发现了一些不足之处有待解决，例如，部分同学对最基础的力学概念不清楚，部分同学在互动平台上缺乏主动性等，这些问题有待在后续课堂教学中进一步探索解决。综上，高校专业基础课程的教学改革仍然任重而道远，只有不断创新与优化教学过程，我们才能更好地培养出适应社会发展需求的专业人才。

参考文献：

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［3］刘伟，刘楠.水工钢筋混凝土结构设计在港航专业中的教学研讨［J］.科学大众（科学教育），2019（03）：162163.

［4］刘丹，吴胜文.水工钢筋混凝土结构的BOPPPS教学设计与实践［J］.山西建筑，2022，48（22）：189191.

［5］邢贞相，李晨洋.水工钢筋混凝土结构教学方法探讨［J］.高等建筑教育，2009，18（03）：9799.

［6］刘伟，刘楠.水工钢筋混凝土结构设计在港航专业中的教学研讨［J］.科学大众（科学教育），2019（03）：162163.

［7］张建云，刘九夫，金君良.关于智慧水利的认识与思考［J］.水利水运工程学报，2019（06）：17.

［8］河海大学，武汉大学，大连理工大学，等.水工钢筋混凝土结构学［M］.4版.北京：中国水利水电出版社，2009.

［9］安觅，林艳燕.三维可视化安全监测平台在锦江水库的研究与应用［C］//河海大学，武汉大学，长江水利委员会网络与信息中心，湖北省水利水电科学研究院.2023（第十一届）中国水利信息化技术论坛论文集.武汉：2023（第十一届）中国水利信息化技术论坛，2023：28.

［10］李峰.线上线下混合式教学模式在水利专业教学中的实践应用：以《水工钢筋混凝土结构》为例［J］.产业与科技论坛，2021，20（06）：167169.

［11］王先军.提升“水工钢筋混凝土结构学”课堂教学效果的方法探讨［J］.课程教育研究，2017（36）：163164.

［12］罗立权，何金春，刘健.水工钢筋混凝土结构教学改革与实践探讨［J］.高等建筑教育，2017，26（02）：5761.

*通讯作者：刘兴阳（1989—），男，汉族，辽宁沈阳人，博士，讲师，研究方向：水工结构抗震。