荷載與結構設計方法課程教學改革研究

摘 要: 本文作者對荷載與結構設計方法課的教學內容和教學現狀進行分析后發現，該課程對前修課的要求與現有教學計劃矛盾。為此，作者提出了從應用層面上對荷載與結構設計方法課程進行改革的新思路，認為應該取消該課程，各類荷載的計算由其他在內容上相關的課程解決，結構可靠度設計方法放在混凝土結構設計方法課講解。在現行的教學計劃下，作者還探討了最大限度地提高該課程教學效果的方法，從而使學生較好地掌握這門課。

關鍵詞: 荷載與結構設計方法課程 對策 教學方法改革

20世紀末教育部對土木工程專業進行了新的劃分，原建筑工程專業、交通土建專業、地下工程專業及礦山建設專業合并為土木工程專業，其課程體系設置也作了相應調整，增設了荷載與結構設計方法這門專業基礎課。但是，幾年來在荷載與結構設計方法課程的教學過程中，我們發現該課程的設置存在一些問題，使其教學過程面臨困難。為解決這些問題，我們作了相關的探討和實踐。

一、荷載與結構設計方法課的內容及要求

荷載與結構設計方法屬于專業基礎課程。教學內容主要可分為兩部分[1-2]:第一部分是結構在使用年限內可能遇到的各種荷載及其相應的計算方法，包括重力引起的豎向荷載計算、側壓力計算、風荷載計算、地震荷載計算、其他作用計算等。這部分內容主要是各種荷載的作用機理和計算公式的推導以及計算作用在結構上產生的荷載效應，要求學生掌握各種荷載的計算方法。第二部分是介紹結構設計方法，包括荷載統計分析、抗力統計分析、結構可靠度分析及概率極限設計方法，要求學生掌握滿足可靠度的結構設計方法。因此，該課程的學習效果對于學生掌握專業基礎知識，深入學習后繼專業課程具有重大影響[3]。但是第二部分內容不再涉及各類荷載的計算，因此這兩部分內容在概念體系上不是充分相關的。

二、荷載與結構設計方法課面臨的困難

要完成荷載與結構設計方法課的教學任務，我們先要分析該課程的前修課程有哪些[4]。

重力引起的豎向荷載計算包括結構自重荷載、土的自重荷載、雪荷載、車荷載、樓屋面活荷載及行人荷載。在結構自重荷載、雪荷載、樓屋面活荷載及行人荷載的計算中，往往要將這些荷載計算到不同構件層次上。為此，我們需要知道建筑物的構造方法、結構體系及力的傳遞路徑，而這些知識有賴于房屋建筑學、各類結構設計與板殼力學的知識。

側壓力計算包括土的側壓力、水壓力、波浪荷載、凍脹力等。土的側壓力是以土的材料性能和強度理論為基礎，我們必須學習土力學和彈性力學才能很好地理解和掌握。水壓力和波浪荷載計算需要以流體力學為基礎。

風荷載計算需要知道空氣流體的特性，以及結構的動力響應特性，需要流體力學和結構動力學的知識支撐。

地震荷載計算較難，涉及到地震基本知識、結構地震設防和結構的動力響應特性等，不先學習結構抗震工程和結構動力學是不可能做到的。

其他作用中的爆炸作用需要空氣動力學課的知識，而本專業一般不開設該課，因此只能直接介紹爆炸作用的計算公式。預加力涉及到預應力知識，主要在混凝土結構設計原理和施工技術里講解。

荷載的統計分析和結構抗力的統計分析涉及到概率與統計知識。

綜上所述，荷載與結構設計方法的前修課程有概率與統計、房屋建筑學、結構力學、彈性力學、土力學、流體力學、結構抗震工程、結構動力學、混凝土結構設計原理和施工技術等課程，特別是概率與統計、土力學、結構動力學和建筑抗震工程。沒有這些前修課程的支撐，要學好荷載與結構設計方法課中的第一部分內容猶如空中建樓，是不可能實現的。由于荷載與結構設計方法課是專業基礎課，在教學計劃中這些課程不可能全部安排在該課程之前，否則不利于教學活動的組織。混凝土結構設計原理、結構抗震工程和施工技術等課程一般安排在大學后期學習。

另外，荷載與結構設計方法課的很多內容與其他專業課程重復，如土的側壓力與土力學知識重復，地震作用與結構抗震工程內容重復，水壓力與流體力學內容重復，等等。由于該課程學時有限，內容涉及面廣，但又沒有相關課程內容講的深入，教師只能點到為止，不能深入其里，學生容易產生混淆和負遷移。我們在課堂教學過程和學生的問卷調查中均發現，學生在學習第一部分內容時新鮮感大打折扣;而第二部分內容理論性強，沒有具體結構作為講解載體，學習起來較為枯燥乏味。這就使得教學效果不理想，教學過程面臨困難。

三、問題與對策

荷載與結構設計方法課對前修課的要求及其與現有教學計劃的矛盾屬于教學計劃層面上的結構性矛盾，其根本解決思路應從結構調整上入手。我們在教學實踐經驗基礎上，對這問題作了探討，認為要解決這個問題，可以取消荷載與結構設計方法課，把該課程的教學內容拆分，再重組到相應的課程上講解。

第一部分內容不再強調荷載的作用機理和計算公式的推導，致力于從應用層面上講解各種荷載的計算。把與土有關的荷載在土力學課上講解，與水有關的荷載在水力學課上講解;地震作用在結構抗震工程上講解;風荷載和爆炸作用可在流體力學課上講解;雪荷載、結構自重荷載和樓屋面荷載相對比較簡單，可以在混凝土結構設計大作業或課程設計中講解;溫度作用和變形作用可以在結構力學中講解。如此一來，既能使學生學習各種荷載的計算方法，又能解決荷載與結構設計方法課這部分內容所面臨的矛盾。

第二部分內容是結構設計方法，不再涉及各類荷載的具體計算，混凝土結構設計課程也涉及到結構設計方法。因此可以把兩門課程的這部分內容結合起來，放在混凝土結構設計課程中講解。把結構可靠度設計理論和結構設計方法應用到具體結構的設計上，從應用層面上來講解，直觀形象，學生感覺這部分內容學來即用，比單純的理論學習效果要好。

把荷載與結構設計方法教學內容拆分重組，既可以保證教學計劃的系統性，又可以避免教學內容上的重復。現在有不少學校在實踐這種方法，如東南大學將荷載與結構設計方法和混凝土結構設計兩門課程結合起來，統稱為工程結構設計原理。

四、教學方法改革

在課程體系尚未執行，不能從教學計劃上作調整時，為了提高教學效果，權宜之計是在教學方法方面進行改革。我們發現，在教學中若過于重視荷載的產生機理和計算公式的推導，很容易使學生陷入概念、符號、公式系數中，產生畏懼感，喪失信心、失去興趣。因此教學方法改革很有必要。

1.創設啟發式、討論式教學氛圍。

為調動學生學習的主動性，促使其養成勤于思考的習慣，教師在一開始就要形成問題情景，啟發學生進行初步探索，激發學生的探究心理，調動學習積極性。我們采用課前、課中、課后提問，將問題情景貫穿教學全過程。在講授教學內容前提出問題，學生大都能積極思考、預習，因為學生有思考和準備，所以回答問題很踴躍，自然形成了討論式、師生互動的氛圍。而課前提問即是將要進行課堂教學內容的關鍵、核心所在，所以教師是在引導學生積極思考、與自己同步思維，在回答問題的過程中使教學層層深入，最終解決問題。提出課后問題以幫助學生進一步理解、吸收所學知識。教師在精心創設的問題情景中，對每個問題都不是單向灌輸，學生在回答問題的過程中也在體會學習的方法、解決問題的方法。

2.以工程實例為載體，授課方法以知識應用型為主。

教師在課程中，應積極引進案例、提出需要完成的任務，在授課中注重教學互動，并利用校內實訓場進行現場模擬教學，特別是典型惡性事故的講解、觀察分析身邊工程結構思考開放性問題、錄像、大作業訓練、課程設計、參觀實習等，在整個教學過程的各個環節中多側面、多角度將理論聯系實際，幫助學生加深對理論知識的理解，增強工程意識，盡量縮短理論與實踐之間的差距。在可能的環節中盡量讓學生動手參與，使他們成為課堂上的主體[5]。這樣的教學方式能夠激發學生強烈的求知欲望，強化他們的創造性思維能力。

3.提供網絡平臺，為學生課外學習營造良好環境。

教師可以充分利用現代教學手段與方法，建立荷載與結構設計方法的課程網站，通過網絡平臺承載更多的信息，上傳多媒體課件、工程圖片、作業習題，對一些難點和重點進行知識延伸和鏈接，解決課程內容多、學生感性認識少、平面表達難度大的問題，教學課件與大量工程資料圖片、錄像結合，利用分析軟件模擬工程結構工作狀態與動畫演示，等等，加大信息量，可以激發學生的學習興趣，提高教學效果。

4.建立從“整體到局部”的教學模式。

長期以來荷載與結構設計方法遵循“從局部到整體”的教學模式，即由各種荷載計算到荷載組合，兩部分內容相互割裂，缺乏聯系，任何結構不可能只承受一種荷載，而總是同時有幾種荷載作用在結構上。從單個荷載出發的教學模式，一開始就缺乏整體感，沒考慮到學生能否自己完成把各種荷載組合成結構的受力狀態，其結果是學生孤立地學習了一些荷載知識，卻未建立起較清晰的整體結構荷載概念，不清楚基本工程結構在多種荷載作用下的工作性能、受力特點，更不清楚一個工程結構應承受和傳遞哪些荷載，以及為保證傳遞過程的完成而應采取的各種措施。教師在教學過程中，從整體結構出發展開教學，易于以工程應用為目的直接面向工程，實現理論與實踐相結合，將工程實例貫穿教學始終，使學生充分理解其工程背景和目標。由于面對的是整體，考慮問題必須從整體出發，分析解決問題需考慮各種枝節問題，學生整體思維能力、整體結構概念及工程意識、綜合分析及解決工程問題的能力能得到培養，思維品質會得到提升。

參考文獻:

[1]柳炳康.荷載與結構設計方法[M].武漢:武漢理工大學出版社，2003.

[2]白國良，劉明.荷載與結構設計方法[M].北京:高等教育出版社，2003.

[3]張小剛，林小嵩.適應大土木要求的荷載與結構設計方法知識點講解研究[J].高等建筑教育，2006，15，(4):74-78.

[4]劉運林，丁克偉，方高倪.土木工程應用型人才專業規范教學內容和知識體系探討[J].高等建筑教育，2009，18，(5):61-65.

[5]何培玲.土木工程專業本科實踐教學體系的構建[J].理工高教研究，2008，27，(1):127-129.