基于整體性的土木工程專業結構類課程設計教學改革研究

薛志成，裴 強，李長鳳，杜文學，楊 磊

（1. 黑龍江科技大學 建筑工程學院，黑龍江 哈爾濱 150022；2. 大連大學 土木工程技術研究與開發中心，遼寧 大連 116622）

基于整體性的土木工程專業結構類課程設計教學改革研究

薛志成1，裴 強2，李長鳳1，杜文學1，楊 磊1

（1. 黑龍江科技大學 建筑工程學院，黑龍江 哈爾濱 150022；2. 大連大學 土木工程技術研究與開發中心，遼寧 大連 116622）

針對土木工程專業結構類課程設計在人才培養和教學中存在的問題，構建了結構類課程設計的目標體系和內容體系，基于整體性提出了結構類課程設計改革和實踐方案。實踐表明，提高了學生的工程結構設計能力和素質，縮短了學生畢業后工作的適應期。

課程設計；結構設計素質；土木工程；適應期

目前，一般院校土木工程專業人才培養都趨向于培養高級應用型技術人才。土木工程專業的實踐性很強，而土木工程結構設計是土木工程專業學生必備的業務能力之一，是土木工程專業高素質人才培養的一個極其重要的實踐性教學環節。土木工程結構類課程設計是本科生學完混凝土結構、砌體結構、鋼結構和土力學地基基礎等專業主干課程后，針對所學的各種不同結構體系和構件的設計理論、設計方法和設計計算步驟等內容進行的階段性總結及設計訓練。同時，進行結構類課程設計既是學生順利完成畢業設計的基礎，又是學生畢業后從事土木工程結構設計、技術咨詢等工作的前奏。結構類課程設計教學質量將直接影響到學生畢業后從事土木工程結構設計的能力和素質，也將直接影響到學生就業質量，但是，大多數高等院校的結構類課程設計的實踐教學內容、教學模式等不能適應新新形勢下土木工程人才培養的要求。分析表明，主要存在以下幾方面問題：（1）各門結構類課程設計的設計題目和設計內容相互獨立，缺乏系統性和整體性，并沒有充分考慮各門課程設計之間相關性；（2）各門課程設計的題目來源和設計內容的工程背景不詳，缺乏與實際工程的緊密銜接，缺乏應用性；（3）各門課程設計的任務書中所給基礎性數據和參數過于具體，不利于學生獨立分析問題解決問題能力及創新能力的培養；（4）課程設計的過程管理，質量監控和成績評定缺乏有效機制；（5）條件保障有待于加強，必要的課程設計指導書等資料匱乏。

基于上述存在的問題，進行結構類課程設計的改革研究與實踐勢在必行。因此，以系統論為先導，基于土木工程結構的整體性概念，加強結構類課程設計的多維度的研究與探索，對提高學生工程結構設計素質，實現學生畢業后從事結構設計的零適應期培養具有重要的顯示意義。

1 基于整體性構建結構類課程設計的目標體系和內容體系

目標是改革和建設的導向，課程設計的改革亦應如此，明確培養目標是首要的工作。依據社會對土木工程設計人才的需求，明確結構類課程設計改革主要目標是：基于土木工程結構的整體性，培養學生從事工程結構設計和技術咨詢等工作的能力和素質，實現畢業后從事結構設計零適應期。具體說，學生在學完混凝土結構、砌體結構、鋼結構和土力學地基基礎等結構類課程后，通過進行系統的課程設計進一步深化對結構體系和各結構構件的基本概念、基本理論和基本設計方法和公式的理解和應用，并且從土木工程結構整體上把握不同結構體系及其基本構件的具體設計方法和步驟；加強學生對計算機技術（結構電算分析、繪圖等）和信息技術應用能力的培養，加強學生設計資料和參考文獻查詢與檢索能力的培養，以及對不同結構體系及其構件的結構施工圖表達能力的培養；同時，從多維度培養學生的工程素質（工程意識、工程設計能力等）、創新意識和能力，以及團隊協作精神和品質等。

土木工程結構是由各種不同受力狀態的構件組成的一個空間結構承重體系。對于建筑工程來說，任意一個建筑結構都是由豎向結構承重體系、水平結構承重體系和下部結構承重體系組成的空間承重骨架，這三部分承重體系之間并不是孤立存在，而是相互連接，組成一個一個系統。這樣無論以哪一部分體系為內容進行課程設計，都應該基于整體（系統）性去分析相互之間的關聯性[1-3]。

傳統的結構類課程設計內容體系包括單向板肋梁樓蓋結構設計、單層工業廠房排架結構設計、鋼屋架結構設計和基礎工程結構設計。由于混凝土結構的裝配式單層工業廠房排架結構在目前實際工程中應用較少，且在排架柱設計時，內力組合理論與框架結構中框架柱的內力組合理論相同，因此在新的課程設計內容體系中將其取消。

根據土木工程的專業主干課課程體系構建土木工程專業（建筑工程方向）結構類課程設計內容體系。結合一幢多層混凝土框架結構工業廠房（附帶有多層砌體結構辦公樓），基于整體性構建的結構類課程設計內容體系如圖1所示。從房屋建筑工程結構整體性的角度編寫結構類課程設計任務書，內容包括總則（包含設計目的、工程背景資料、建筑圖紙等）和各分項課程設計內容的設計要求及相關資料和參考文獻，在課程設計任務書中體現出：鋼屋蓋結構課程設計主要是設計框架廠房的屋蓋，混凝土梁板結構課程設計主要是設計框架結構廠房及砌體結構辦公樓的樓蓋和樓梯；通過完成屋蓋和樓蓋結構設計，即可確定出由屋蓋和樓蓋傳遞給框架和墻體的荷載，這樣就可以進行框架結構和砌體的課程設計。砌體結構課程設計主要設計砌體結構部分的墻體、墻梁、過梁、圈梁和雨篷等。上述四項課程設計內容的完成，即完成了整個建筑結構體系的上部結構體系的結構設計，也確定出了上部結構傳遞給基礎的荷載；再根據地質條件等其他因素，進行基礎工程的選型和設計計算，完成基礎的結構設計[1]。

2 基于整體性培養學生結構設計能力及創新意識和能力

結構設計是一項富于創新的工作。在課程設計任務書中，根據建筑的使用功能要求和建筑模數的要求給定相關的尺寸（柱網尺寸、標高、層高等），通過這些尺寸的合理交叉使班級每個學生具有一組基礎數據；對于樓面的做法、樓（屋）面可變荷載等都不直接給出，由學生自己設計或查閱資料確定，這相當于每個學生的設計方案計算都不盡相同。對于結構體系的具體結構形式也不做明確的規定（如混凝土梁板結構課程設計中不明確要求必須采用何種結構形式的樓蓋和樓梯等），讓學生根據結構實際情況進行結構設計，這樣通過課程設計的訓練，既培養了學生的創新意識和創新能力，又培養了學生獨立分析問題和解決問題的能力。

圖1 土木工程結構類課程設計內容體系

學生集中在第六學期 8周的時間內系統地完成圖1中規定五項設計內容，每項設計內容完成后，要求學生要保存每項課程設計數據和成果，以便進行下一項課程設計時應用到上一項課程設計的數據，保持其設計數據的連續性和完整性。同時，建立每個學生課程設計檔案，最終完成五項課程設計后，使每個學生的各項課程設計的設計成果歸檔到一起，統一保管，有利于學生在第8學期進行畢業設計時提供參考。

基于整體性學生系統地完成了任務書中規定的五項課程設計內容，實現了一幢建筑的整個結構設計，既完成了結構的上部承重體系（水平承重體系和豎向承重體系）和下部承重體系的結構設計。這樣組織開展課程設計，系統地鞏固了學生所學的混凝土結構、砌體結構、鋼結構和土力學地基基礎等結構類課程的設計理論和設計方法，提高了學生結構設計方面專業知識的運用能力；設計既緊密結合工程實際，又提高了學生對建筑結構設計的整體性認識。

計算機輔助設計在土木工程中的應用已經非常廣泛，用于結構分析和繪圖的軟件（如PKPM、天正、CAD等）也較多，結合建筑工程計算機輔助設計課程的開設，在課程設計中，對于每一分項課程設計，要求學生手工繪圖和計算機繪圖相結合。要求至少一張手工繪圖，目的在于強化手工繪圖的基本技能；同時，要求學生至少一張計算機繪圖。對于結構設計計算，要求采用電算和手算相結合，應用電算對手算進行復核[4-5]。

結構類課程大作業也是對學生所學專業設計知識在實際工程設計中的綜合性訓練，有針對性地安排設計型大作業，可以實現對學生所學專業知識的系統設計訓練，及時檢測學生生多所學知識的掌握程度；同時，實現對課程設計起到良好的銜接和促進作用。例如，在混凝土結構設計原理課程教學中，當講完受彎構件縱向鋼筋的彎起、截斷和錨固等內容后，就可以及時地給學生布置一道均布荷載作用下外伸簡支梁設計的大作業，主要是強化學生對受彎構件縱向鋼筋彎起、截斷和錨固等構造要求的理解和掌握。學生完成此大作業后，有助于加深理解肋梁樓蓋結構和樓梯結構中各類梁的縱向鋼筋構造要求。

此外，在圖1的結構類課程設計內容體系中取消了單層工業廠房排架結構課程設計，但單層工業廠房排架結構內力計算及組合的方法對后續課程的學習是非常必要的。為了加強學生對這部分知識的理解和應用，可以安排排架結構內力計算和組合的大作業。

3 基于整體性加強過程管理、質量控制和評價機制

結構類課程設計的時間比較緊，設計計算和繪圖的工作量較大；并且一般高的院校第六學期的結構類課程設計和高一年級本科生的畢業設計同時進行，教師指導課程設計和畢業設計的工作量較大。為此，在第五學期相關結構類課程的結構設計內容講完后，就把課程設計任務書發到學生手中，使學生能結合所學內容，有針對性地提前思考和準備課程設計。將課程設計緊密融入相關課程教學中；同時，任課教師在結構類課程教學中既要給學生講清本門課程的課程設計內容和課程設計的必要性，又要講清課程設計直接相關的內容，特別是指出學生設計中經常出現的問題。在具體設計時，指導教師要通過正確的引導，使學生進一步重視課程設計，激發學生的積極性和主動性。指導學生制定較為詳盡的課程設計進度計劃，按計劃每天加強指導和考核，培養學生自我管理、自我約束的意識和嚴謹、務實的工程師品質，保證課程設計按時高質量完成。

根據圖1所示，五個分項課程設計內容構成一個系統，各分項課程設計按照“3+1”人才培養的要求，集中于第五學期完成，綜合性較強，因此對指導教師的指導能力和水平以及時間的保障也提出了較高要求。為保證指導質量。依據教師專業能力優勢，對指導教師實行分組，每組集中對一個或幾個班級進行指導，要求每組指導教師對五項課程設計內容的指導，分工協作；對于不同分項課程設計內容的指導實行主指導教師負責制，且對于不同分項課程設計內容的指導實現指導教師的優勢互補。避免一位指導教師集中指導一個或幾個班級課程設計時，在時間上和指導能力與水平上的不足。

改革課程設計的評價辦法，基于整體性原則，在考核結構方案和結構選型的合理性、設計計算的準確性和圖紙繪制規范性的基礎上，還要結合平時的表現考核獨立分析問題和解決問題的能力、計算機應用能力等。并且有必要通過答辯的方式進一步考核學生課程設計是否存在抄襲、對設計基本理論的理解和應用情況[6]。

同時，指導教師通過對課程設計的指導、審閱和答辯，及時進行總結和研討課程設計中存在問題和不足；并且也有必要針對學生設計中存在的問題對學生組織召開課程設計專項總結會。這樣循序漸進，逐步提高學生設計的水平。

4 基于整體性加強條件保障機制建設

良好的教學條件保障是完成高質量課程設計的基石。對于結構類課程設計的整體性改革，結合學生的特點，編制高質量的課程設計指導書是重要的條件保障之一。

結合結構類課程設計任務書編寫其課程設計指導書。針對學生初次進行結構設計的特點，指導書中應詳細說明各結構體系設計的基本理論、基本方法和設計步驟；并且編寫具有代表性的工程實例及設計計算和繪圖中應特別注意的問題。同時，指導書中的工程實例集中反映現行結構設計規范條文的應用、最新科研成果及工程經驗，這樣通過工程實例引導學生加深理解所需理論知識，進一步促進理論與實踐相結合，有利于提高課程設計質量。

5 結束語

上述結構類課程設計改革的研究成果已經過兩屆畢業生的實踐性教學中的實踐，取得了較好的效果，學生的工程結構素質得到了提高，促進了畢業設計質量的提升。從學生就業來看，近兩屆畢業生到設計單位就職的明顯增多；信息反饋表明，這些畢業生在實際工作中明顯體現出適應期短、上手快的特點，得到了工作單位的認可。

[1]薛志成, 徐曉紅. 土木工程結構設計類課程體系優化設置及建設的研究[J]. 高等建筑教育, 2009, 18(5)∶ 97-101.

[2]江樹勇, 任正義, 趙立紅. 基于系統論的工程實踐教學體系設計研究[J]. 高教論壇, 2009(3)∶ 81-83.

[3]郇筱林, 戴素娟. 土木工程專業鋼結構課程設計質量監控體系的構建[J]. 高等建筑教育, 2015, 24(5)∶ 103-105.

[4]肖鵬, 李琮琦, 康愛紅. 基于系列化模式的土木工程專業課程設計教學改革[J]. 高等建筑教育, 2010, 19(5)∶ 128-131.

[5]李永梅, 孫國富, 董崢, 等. 結構電算在土木工程專業課程設計教學中的應用[J]. 高等建筑教育, 2010, 18(5)∶ 112-115.

[6]李曉麗, 袁朝慶, 張云峰, 等. 土木工程專業課程設計改革與實踐[J]. 中國冶金教育, 2010(1)∶ 56-58.

Reforming the Course Design and the Teaching of Structure System Courses based on Integrity

XUE Zhi-cheng1, PEI Qiang2, LI Chang-feng1, DU Wen-xue1, YANG Lei1
(1. Civil Engineering Department, Heilongjiang Science & Technology Institute, Harbin 150027,China; 2. The R&D Center of the Civil Engineering Technology, Dalian University, Dalian 116622, China)

In order to solve the problems of cultivating and teaching of the graduates in the course design of structure system courses of civil engineering, the goal system and the course design framework of structure system courses are constructed in civil engineering majors. Teaching renovation and applied measures of course design are discussed based on integrity. According to the method mentioned above, the engineering structural design ability is improved greatly, and helps graduates adapt to new work quickly.

designing course; ability to structure design; civil engineering; adaption time

TU-4

A

1008-2395(2015)06-0128-04

2015-09-21

黑龍江省教育科學―十二五”規劃課題（重點課題GBB1212055；規劃課題GBC1213115）；黑龍江科技大學教學改革項目(JY14-88)。

薛志成（1972-），男，教授，博士，研究方向：土木工程教育教學改革。