工程教育認證背景下混凝土結構設計原理教學模式探索

馬佳星　陳柯宇　沈心媛　王銀輝

摘要：工程教育專業(yè)認證的實施為中國應對新一輪科技革命指明了道路，更進一步為培養(yǎng)專業(yè)實踐人才奠定了基礎，具有重要的指導意義。混凝土結構設計原理課程是土木工程專業(yè)重要的專業(yè)基礎課程之一，但在實際教學過程中，存在授課形式單一、結合新技術少和涉及實踐知識少等問題。基于工程教育專業(yè)認證的理念和要求，橫向對比國內及新加坡高校混凝土結構設計原理課程的教學方式，并進一步總結經驗，優(yōu)化教學方式，提出教學改革措施，提升課程的教學質量，以期為國內高校課程改革提供參考。

關鍵詞：土木工程;工程教育認證;混凝土結構設計原理

中圖分類號：TU37-4;G642.3 文獻標志碼：A 文章編號：1005-2909（2020）06-0047-07

近年來，隨著中國經濟技術的發(fā)展，傳統(tǒng)的工科行業(yè)面臨著新一輪科技革命和技術變革的沖擊，大學生的就業(yè)形勢十分嚴峻。為進一步提高工程類畢業(yè)生的專業(yè)素質，滿足社會企業(yè)的需求，教育部大力推進高等學校工程類專業(yè)的教學改革。2016年，中國成為《華盛頓協議》第18個正式成員國，標志著中國的工程認證教育改革逐步與國際接軌[1-2]。工程教育專業(yè)認證是指

工程類專業(yè)教育實施的專門性認證，具有國際等效、學生中心、產出導向、持續(xù)改進等特征，旨在為相關工程技術人才進入業(yè)界從業(yè)提供預備的教育保證[3-4]。其將教師授課的關注點轉向學生的需求，重點考查人才培養(yǎng)目標的合理性和時效性，并依據學生的接受情況建立改進機制。從1995年開始，中國對土木工程開展工程教育專業(yè)認證工作，極大提高了專業(yè)教育質量，為土建類注冊工程師在國際上的流動奠定基礎[5]。國內也有眾多學者基于工程認證的要求，對材料力學、土力學和鋼結構等土木工程專業(yè)課程提出教學改革方案[6-8]，在授課過程中充分發(fā)揮了學生的主觀能動性和實踐性，取得了良好的教學效果。

混凝土結構設計原理是土木工程專業(yè)課程的主干課程之一，也是一門實踐性強和涉及規(guī)范多的專業(yè)基礎課程。以三大力學理論為基礎，授課內容包括鋼筋混凝土材料的基本性能，各類基本構件的設計方法和構造要求、變形與裂縫寬度的驗算以及預應力混凝土構件的計算分析等[9-11]，從而使學生掌握受拉、受壓、受剪、受扭等基本構件的設計和配筋方法，強化學生的工程實踐能力，為后續(xù)專業(yè)課程的學習與畢業(yè)設計奠定基礎。然而，該課程也具有概念抽象、公式復雜等特征，對學生的理解和教師的授課提出了挑戰(zhàn)。研究者也嘗試在該課程中應用各種現代教育方法，CDIO教學模式[12]、翻轉課堂[13]、引入實體模型和工程案例[14]等，旨在提高混凝土結構設計原理課程的教學質量，提升學生的創(chuàng)新實踐能力，使其達到工程認證的要求。

但總體上，中國高等工科課程教學模式較多地借鑒了蘇聯模式，具有一定的局限性[15]。新加坡國家面積狹小、資源缺乏，但經濟、文化和教育的發(fā)展卻達到了發(fā)達國家的水平[16]。建筑業(yè)對新加坡經濟和建設的發(fā)展貢獻巨大，建筑業(yè)的蓬勃發(fā)展與其前瞻的人才戰(zhàn)略和土木工程高等教育的國際化戰(zhàn)略密不可分[17]，對中國的土木工程專業(yè)高等教育具有十分重要的參考價值。筆者曾在中國和新加坡高校（南洋理工大學）講授混凝土結構原理課程，對新加坡的教學模式和授課內容均有一定的了解。文章基于中國工程教育專業(yè)認證的相關背景，提出混凝土結構設計原理教學現存問題，對比并討論中新兩國異同點，總結經驗，優(yōu)化混凝土。

一、中國混凝土結構設計原理課程現存問題

混凝土結構設計原理課程是一門理論知識與實踐知識并重的課程。孫惠香[18]等將混凝土結構設計原理課程的特點概括為“四多兩強”，即概念多、原理多、實驗現象多、計算公式多，理論性強、實踐性強。因而在中國混凝土結構設計原理教學中往往面臨諸多問題，制約了學生工程實踐能力的培養(yǎng)，難以滿足工程教育專業(yè)認證的要求。

（一）授課內容較為單一，結合新技術較少

中國的混凝土結構設計原理通常被安排在大三第一學年講授，占2.5學分，授課形式以教授理論知識為主。而在新加坡，該課程分為24課時講座和12課時的理論課講解，課時數目一般高于國內。在講座課堂中，學校邀請不同的專家學者分別對設計理念、梁的強度設計要求和維護方案等工程知識進行講解。

中國課程的主要內容按照授課順序依次為鋼筋混凝土材料的力學性能、結構設計的基本方法、受不同作用的截面承載力計算、混凝土構件變形及裂縫寬度驗算和預應力構件的計算。而新加坡課程的主要內容按照授課順序依次為鋼筋混凝土材料的力學性能、結構分析（包含荷載分析）、梁各狀態(tài)下的臨界界面計算、鋼筋的綁扎和施工方式、鋼筋混凝土的維護等。前幾部分授課內容相對差距較小，在后續(xù)的內容中，中國更注重對學生計算能力的考察，而新加坡則更注重知識體系的完整性。在土木工程施工課程中，中國高校教授鋼筋的綁扎和配置等技術操作[19-20]，但橫向比較看，中國的混凝土結構設計原理授課內容較為單一，較少結合新技術。

以結構計算分析為例，中國課程僅教授較為簡單的框架結構計算方法，多基于三大力學的相關知識，并不涉及更多的課外拓展。而新加坡混凝土結構設計課程對框架結構計算給出了3種方法，按精度遞增依次為彎矩和剪切系數計算、力矩分配法和計算積分計算法等。三者具有不同的工程應用條件，彎矩和剪切系數計算僅限于具有相同跨度、相同構件尺寸的連續(xù)梁。力矩分配法則可用于任何類型的加載模式和框架結構，計算結果也比前者更為精確。計算機分析法是最高效和精確的方法，適用于大型復雜的框架結構。在課堂中也對3種計算方法進行舉例計算，進一步加深學生的印象。同時，在混凝土維護的章節(jié)，新加坡混凝土結構設計原理課程詳細介紹了鋼筋的表面特性，并介紹鋼筋錨固長度的計算方法和轉移鋼筋受力的機制，構建了較為完整的混凝土配筋體系。而在中國課程中沒有對該部分進行解釋，也難以達到工程教育專業(yè)認證的相關要求。

（二）授課形式較為單一，學生學習興趣較低

混凝土結構設計原理課程中有部分知識來源于工程實踐，學生難以掌握其規(guī)律。此外，有些學生先修課程的學習不扎實，造成基本概念掌握不牢固，學生感覺學習乏味，進而產生畏難情緒[21]，影響學生的工程實踐能力，難以達到工程認證的要求。

中國傳統(tǒng)的混凝土結構設計原理課程模式是教師利用黑板或PPT講解具體算例，并布置課堂作業(yè)，期末進行考核，學生被動接受，整體流程較為單一。對于教學內容中的基本概念、計算方法和計算步驟等內容的講解，以及一些復雜圖形的模擬，可以采用多媒體課件進行演示，加深學生的理解[22-23]。

而新加坡課堂，教師采用的教學模式更為豐富，采用視頻、電子模型、實驗等多種途徑輔助教學。在授課期間將課程內容類比優(yōu)化，并鼓勵學生討論匯報。圖1是新加坡混凝土結構設計原理課程第五章的一頁演示講義，具體講解了箍筋的概念與混凝土桁架的概念，其中教師將箍筋類比成馬鐙便于學生理解。同時假定開裂后的鋼筋混凝土梁為由斜撐和橫向拉桿組成腹板的平行桁架結構，且不具有抗拉能力。學生在此基礎上能更好理解課程知識，契合工程教育專業(yè)認證下以學生為中心的教學理念。

（三）實踐知識涉及少，學生鍛煉不足

工程教育專業(yè)認證強調以企業(yè)需求為導向，著重培養(yǎng)學生的工程實踐和創(chuàng)新能力[24]。這也要求土木工程專業(yè)的人才培養(yǎng)由“知識型”轉變?yōu)椤皩嵺`型”。混凝土結構設計原理課程盡管以描述鋼筋混凝土構件的設計方法為主，但既有理論推導又有實驗研究，對實踐能力的訓練也格外關注。

中國的混凝土結構設計原理重視基本概念的講解，多以講解單純的設計方法為主，對學生的工程實踐能力培養(yǎng)較弱，難以達到工程教育專業(yè)認證的要求。近年來，通過不斷改進，中國高校在授課過程中積極融入混凝土結構設計方法和建筑結構荷載規(guī)范等知識[25]，在一定程度上使學生提前接觸專業(yè)規(guī)范。在新加坡混凝土結構設計原理教學中，教師較早帶領學生解讀規(guī)范，利用模型進行演示，并將其結合到課程測驗中。以新加坡混凝土結構設計原理2013—2014學年期末考試的某設計計算題為例，該題的計算思路并不復雜，可結合極限荷載配筋的計算和設計圖表的查閱對學生進行多角度考察。

圖2顯示了以一定數量的H32鋼筋圍繞YY軸對稱加固一個圓柱截面（圖2中所示的鋼筋數量僅用于說明目的）。沿Z-Z軸施加極限載荷N=2 250 KN。其中fck=32 N/mm2，fyk=500 N/ mm2。彎矩與主軸線Y-Y有關。（a）假定圓柱部分可以承受的極限彎矩為304 KN·m，請使用設計圖表（請參閱附錄）找出所需的H32鋼筋總數（As）;（b）假設H32的總數為6，則通過截面分析確定柱截面可以支撐的極限彎矩。

二、混凝土結構設計原理課程改革措施

中國的混凝土結構設計原理課程存在授課內容與形式單一、實踐知識結合少等問題，影響了學生學習的積極性，也難以達到工程教育專業(yè)認證的要求。筆者基于上述分析并結合多年的教學經驗，對該課程提出相應的教學改革措施。

（一）豐富課堂教學模式

理論課堂的教學是混凝土結構設計原理課程的主體，采取更為豐富的課堂教學模式能提升教學質量。在傳統(tǒng)教學模式的基礎上，教師應運用新的教學手段進一步加深學生對基本概念的理解。在講授混凝土梁正截面受彎承載力章節(jié)，利用BIM軟件建立模型，使學生能觀察到縱橫向鋼筋的分布細節(jié)，突破傳統(tǒng)的平面展示模式，更好地結合工程新技術。

同時參考新加坡的教學模式，采用類比等方式幫助學生理解。結合混凝土結構工程案例和模型進行內容講解，并為對這部分內容感興趣的學生專門組織內容分享會，要求教師不能孤立地介紹具體構件或結構的基本理論與實踐知識。筆者組織浙大寧波理工學院2017級學生在每次上課前對混凝土結構設計課程相應知識點進行案例分享匯報，引導學生在課下主動搜集資料。表1展示了學生的匯報內容，具體包括近期的工程案例和新技術的分享。上述舉措提升了學生的創(chuàng)新探索能力，也使學生接觸到了新技術新工藝，這與新加坡的教學理念也較為一致。

（二）加強實踐環(huán)節(jié)的落實

實踐性教學環(huán)節(jié)是土木工程專業(yè)教學的重要組成部分，是提高專業(yè)人才創(chuàng)新能力、動手能力和專業(yè)素質的關鍵途徑與手段[26]。針對混凝土結構設計原理課程，南洋理工大學將課程內容與實驗相結合。圖3是課程第二章有關混凝土在長期荷載下的蠕變實驗，在展示時間-形變曲線的同時，也對應變儀和測試圖片進行展示。

筆者所在的浙大寧波理工學院具有一系列完整的混凝土實驗設備、教學模型和實驗場地。教學模型多樣，包括簡支梁、T型梁、矩形梁等，能對學生起到很好的教學展示作用。將實驗與模型引入理論課堂的教學活動，模擬工地狀況，有效結合工程教育專業(yè)認證的要求。同時專業(yè)教師應將科研創(chuàng)新活動引入課堂教學中，引導對混凝土類科研有興趣的學生開展大學生科研活動，實現學生的“產學結合”，達到實踐人才的培養(yǎng)目標。《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010—2020年）》明確指出，要提高人才培養(yǎng)質量，支持學生參與科學研究，強化實踐教學環(huán)節(jié)[27]。

（三）課程考核方式的改進

課程的考核方式是整個教學過程中尤為關鍵的一環(huán)，針對其改革也需從實際出發(fā)，滿足工程教育專業(yè)認證的要求。浙大寧波理工學院專業(yè)教師團隊根據授課內容建立試題庫，期末考試時在AB卷中抽取一套，剩余的一套則作為補考試卷。同時混凝土結構設計原理課程期末考試所占比重進一步降低，更加重視平時成績和課堂表現。

后期考核環(huán)節(jié)，在混凝土結構設計原理課程中逐步引入“半開卷”的考核方式，對于基本概念采用閉卷方式，對需要查找規(guī)范的計算題則采用開卷的形式。這種做法也是與國家注冊工程師考試相接軌的形式[28]。

三、結語

混凝土結構設計原理課程是一門重要的專業(yè)基礎課，對其進行課程改革既是對課程建設的需要，也是在工程教育專業(yè)認證背景下對學生培養(yǎng)的需求。合理參考新加坡南洋理工大學混凝土結構設計原理課程的教學經驗能對中國的課程建設起到良性作用。通過豐富課堂教學模式、加強實踐環(huán)節(jié)及內容、改進學生考核機制等手段，不斷將混凝土結構設計原理課程教學與工程教育專業(yè)認證結合，從而培養(yǎng)具有實踐創(chuàng)新能力的土木工程專業(yè)人才。