混凝土結(jié)構(gòu)基本原理教學(xué)研究

湯永凈　柳獻(xiàn)

摘要：結(jié)合高校混凝土結(jié)構(gòu)基本原理課程特點(diǎn)，文章闡述了課堂教學(xué)中的多樣性教學(xué)方法，重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)了90分鐘課堂教學(xué)的步驟。以“斜截面抗剪承載能力性能與計(jì)算”章節(jié)教學(xué)內(nèi)容為例，詳細(xì)敘述通過制定課堂教學(xué)計(jì)劃，保證課堂不同時(shí)段的教學(xué)效能，并明確指出，制定縝密、細(xì)致、科學(xué)的課堂教學(xué)計(jì)劃是課堂教學(xué)質(zhì)量的根本保證。

關(guān)鍵詞：混凝土結(jié)構(gòu)基本原理；課堂教學(xué)；教學(xué)計(jì)劃；多樣性教學(xué)方法

中圖分類號：TU37；G6420 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：10052909（2015）04005905

混凝土結(jié)構(gòu)基本原理作為土木工程專業(yè)中重要的專業(yè)必修基礎(chǔ)課程，其主要任務(wù)是培養(yǎng)學(xué)生掌握鋼筋及混凝土兩種材料所組成結(jié)構(gòu)構(gòu)件的基本力學(xué)性能，具備混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)能力，理解其與先修課程（如材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)）和平行課程（如鋼結(jié)構(gòu)）的關(guān)聯(lián)性，要求學(xué)生掌握鋼筋和混凝土兩種材料組成的混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件在承受軸向力、彎矩、剪力、扭矩以及共同作用時(shí)的截面設(shè)計(jì)和承載能力評估，掌握預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件在軸心拉力和彎矩作用下的承載能力計(jì)算和評估，掌握混凝土構(gòu)件裂縫寬度和撓度確定的基本原理和驗(yàn)算方法。為學(xué)習(xí)后續(xù)課程混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)打好基礎(chǔ)。圖1為與該課程相關(guān)的先期、平行和后期課程。

圖1 混凝土結(jié)構(gòu)基本原理的先期課程、平行課程及后續(xù)課程示意圖

我國高校土木工程專業(yè)的混凝土結(jié)構(gòu)基本原理與北美國家課程設(shè)置有所不同。筆者在美國田納西大學(xué)和加拿大麥吉爾大學(xué)做訪問學(xué)者期間跟班學(xué)習(xí)混凝土結(jié)構(gòu)課程，兩所大學(xué)土木工程專業(yè)的本科生在該門課程上的學(xué)時(shí)為每周3小時(shí)，共36學(xué)時(shí)，學(xué)習(xí)內(nèi)容包括基本原理和結(jié)構(gòu)[1]，課程緊密結(jié)合設(shè)計(jì)規(guī)范，授課教師更加注重實(shí)際應(yīng)用。而我國的教學(xué)將混凝土結(jié)構(gòu)基本原理和結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)分為兩門課程，在兩個學(xué)期完成，原理部分64學(xué)時(shí)，設(shè)計(jì)部分36學(xué)時(shí)，學(xué)生能更好地理解混凝土結(jié)構(gòu)的基本原理。

筆者以90分鐘課堂教學(xué)為例，結(jié)合同濟(jì)大學(xué)混凝土結(jié)構(gòu)課程教學(xué)實(shí)踐，闡述了多樣性教學(xué)的意義，揭示了教學(xué)計(jì)劃在課堂教學(xué)中的重要地位，反映了中國高校混凝土結(jié)構(gòu)課程教學(xué)特色。

一、 混凝土結(jié)構(gòu)基本原理教學(xué)特色

積極發(fā)揮課堂特色是提高教學(xué)質(zhì)量的有力舉措。筆者所在高校（同濟(jì)大學(xué)）以顧祥林教授為首的“混凝土結(jié)構(gòu)基本原理”教學(xué)團(tuán)隊(duì)在長期教學(xué)實(shí)踐活動中形成了自己的教學(xué)特色，這些特色包括立體化教材、國際化辦學(xué)、開放性以及自選式試驗(yàn)等。立體化教材是指采用教學(xué)團(tuán)隊(duì)編制的中文教材[2]、試驗(yàn)指導(dǎo)書和英文教材（即將出版），并集紙質(zhì)教材、多媒體電子教案、教學(xué)錄像、試驗(yàn)錄像、試件陳列室等多種表現(xiàn)形式于一體。土木工程專業(yè)國際化辦學(xué)指通過研究國際化模式并初步實(shí)踐，加強(qiáng)雙語教學(xué)和英文教材建設(shè)。開放性、自選性試驗(yàn)指專門配置了混凝土結(jié)構(gòu)教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺[3]，開放性、自選式教學(xué)試驗(yàn)貫穿整個理論教學(xué)過程。試驗(yàn)錄像在課程網(wǎng)站上，可隨時(shí)觀看學(xué)習(xí)。課堂是發(fā)揮和展示這些特色教學(xué)形式的平臺，根據(jù)教學(xué)大綱要求科學(xué)合理安排好課堂時(shí)間是提高教學(xué)效果的根本保證。同濟(jì)大學(xué)混凝土結(jié)構(gòu)基本原理課程先后被國家、上海市、學(xué)校評為精品課程。這些課堂特色的形成凝結(jié)了幾代人的不斷努力和探索實(shí)踐，是CDIO工程教育模式的具體表現(xiàn)[4]。

二、混凝土結(jié)構(gòu)基本原理教學(xué)方法的多樣性

課堂教學(xué)方法的多樣性有利于提高教學(xué)效果。多樣性的課堂教學(xué)方法分別在學(xué)習(xí)模式、雙語教學(xué)、考評方式、教研結(jié)合中充分體現(xiàn)。

引導(dǎo)學(xué)生采用先進(jìn)的學(xué)習(xí)模式。自主學(xué)習(xí)、研究性學(xué)習(xí)和實(shí)踐性學(xué)習(xí)是先進(jìn)的學(xué)習(xí)模式，課堂教學(xué)中通過回答開放性問題（包括概念型、知識型和資源型等三種類型），讓學(xué)生自己在思考和查閱資料中找到問題的答案，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力；根據(jù)個人興趣和專業(yè)需要安排學(xué)生選擇教學(xué)實(shí)驗(yàn)，接觸工程實(shí)際，提高解決實(shí)際問題的能力，初步掌握正確的思考和研究方法。

雙語教學(xué)和全英文教學(xué)。本課程開出完全用英語講課的平行班，供學(xué)生自由選課，以滿足學(xué)生的不同需求。隨著學(xué)生英文水平的提高和國際化要求，目前全英文教學(xué)取代了雙語教學(xué)。2014—2015年度選修人數(shù)占學(xué)生總數(shù)的10%。

考試方法改革。采取靈活的成績評定方式：理論考查占90%，實(shí)驗(yàn)報(bào)告占10%。采取激勵機(jī)制，將研究性學(xué)習(xí)和實(shí)踐性學(xué)習(xí)的考評作為附加成績。

教學(xué)團(tuán)隊(duì)的教師承擔(dān)多項(xiàng)國家級、省部級課題以及實(shí)踐應(yīng)用課題，課題中大多為混凝土結(jié)構(gòu)課題的試驗(yàn)研究項(xiàng)目。充分利用這種優(yōu)勢，積極引導(dǎo)學(xué)生參與課題研究，積極在各類課題科研試驗(yàn)項(xiàng)目中鍛煉學(xué)生實(shí)踐能力，強(qiáng)化感性認(rèn)識，加深課本理論的理解，認(rèn)清學(xué)科發(fā)展前沿。同時(shí)積極把國家標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范和規(guī)程的研究成果反映到課程教學(xué)中。由于《既有建筑物結(jié)構(gòu)檢測與評定標(biāo)準(zhǔn)》《裝配式混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》《纖維增強(qiáng)復(fù)合材料加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》等標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)程為本課程組教師參與編寫，授課教師根據(jù)編寫體會進(jìn)行深層次的講解，使學(xué)生及時(shí)掌握學(xué)科發(fā)展前沿和動態(tài)。此外，積極組織學(xué)生參加土木工程學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐訓(xùn)練計(jì)劃（SITP）項(xiàng)目。

三、 混凝土結(jié)構(gòu)基本原理課堂教學(xué)

混凝土課程具有內(nèi)容多，公式符號多，構(gòu)造規(guī)定多，工程實(shí)踐強(qiáng)等特點(diǎn)。該課程可分為承載能力和使用性能兩大部分。承載能力涵蓋正截面承載能力和斜截面承載能力。正截面承載力包括軸向力、彎矩，以及彎矩與軸力共同作用時(shí)的混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的截面承載力，斜截面承載力包括混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件承受剪力和扭矩時(shí)截面上的承載能力。使用性能作為課程的一個部分，簡單介紹混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的變形，包括裂縫寬度、受彎構(gòu)件撓度的計(jì)算方法。承載能力分析和使用性能課時(shí)比例為14∶1。結(jié)合試驗(yàn)研究，從加載到破壞全過程，提煉混凝土開裂、鋼筋屈服、混凝土壓碎等代表性的狀態(tài)，以力的不同類型作用下的承載能力分析方法分析其破壞機(jī)理。

縝密、細(xì)致、科學(xué)的課堂教學(xué)計(jì)劃是提高教學(xué)效果的關(guān)鍵。以混凝土結(jié)構(gòu)基本原理課程中“斜截面受剪承載力”教學(xué)環(huán)節(jié)為例，根據(jù)教學(xué)大綱制定科學(xué)合理的教學(xué)計(jì)劃，并對每一步教學(xué)分配合理的教學(xué)時(shí)間是提高課堂教學(xué)質(zhì)量的有效途徑。教學(xué)計(jì)劃中應(yīng)突出基本概念和原理，理論聯(lián)系實(shí)際，注重系統(tǒng)性、新穎性和趣味性。

（一） “斜截面抗剪承載能力性能與計(jì)算”章節(jié)教學(xué)內(nèi)容及要求

該章節(jié)教學(xué)內(nèi)容包括：（1）無腹筋梁的受剪性能；（2）有腹筋梁的受剪承載力計(jì)算；（3）保證斜截面受彎承載力計(jì)算的構(gòu)造要求。

該章節(jié)教學(xué)的基本要求：（1）熟悉無腹筋梁斜裂縫出現(xiàn)前后的應(yīng)力狀態(tài)；（2）掌握剪跨比的概念，無腹筋梁斜截面受剪的三種破壞形態(tài)以及腹筋對斜截面受剪破壞形態(tài)的影響；（3）熟練掌握矩形、T形和工字形等截面受彎構(gòu)件斜截面受剪承載力的計(jì)算模型、計(jì)算方法及限制條件；（4）掌握受彎構(gòu)件鋼筋的布置、梁內(nèi)縱筋的彎起、截?cái)嗉板^固等構(gòu)造要求。

（二）90分鐘課程教學(xué)計(jì)劃與實(shí)施

教學(xué)環(huán)節(jié)根據(jù)教學(xué)內(nèi)容的第（2）點(diǎn)和教學(xué)要求的第（3）條展開，在90分鐘的教學(xué)環(huán)節(jié)中，考慮特定時(shí)間內(nèi)圍繞教學(xué)目的劃分若干步驟完成知識點(diǎn)、重點(diǎn)及難點(diǎn)的復(fù)習(xí)、解釋和討論，在此過程中合理安排教師與學(xué)生互動時(shí)間（表1）。

步驟教學(xué)目的教學(xué)知識點(diǎn)重點(diǎn)及難點(diǎn)教生扮演角色時(shí)間分配

1鞏固平截面假定在受剪承載力分析中的不適，以及鞏固斜截面的基本假定正應(yīng)力與剪應(yīng)力的共同作用決定構(gòu)件的裂縫位置及走向斜裂縫的出現(xiàn) 學(xué)生討論為主5分鐘

2復(fù)習(xí)斜截面受剪承載力的實(shí)驗(yàn)研究復(fù)習(xí)剪跨比的概念，剪跨比對抗剪破壞模式的影響剪跨比作用的原因?qū)W生討論為主10分鐘

3復(fù)習(xí)無腹筋梁受剪承載力無腹筋梁承載力計(jì)算公式推導(dǎo)忽略不確定因素，

簡化計(jì)算模型 學(xué)生討論為主5分鐘

4有腹筋受剪承載力計(jì)算平面桁架模型基于有腹筋梁平面桁架模型的承載力計(jì)算公式推導(dǎo)桁架模型中的裂縫間混凝土簡化為桁架模型中的壓桿教師講解為主25分鐘

5有腹筋梁受剪承載力的半理論半經(jīng)驗(yàn)公式受剪承載力計(jì)算公式的組成及應(yīng)用上限和下限值的確定教師解釋為主25分鐘

6受剪承載力公式及應(yīng)用小結(jié)及作業(yè)布置剪跨比計(jì)算、臨界截面確定、箍筋面積計(jì)算和間距確定、最小配箍率和截面限制條件的驗(yàn)算等教師講解為主20分鐘

表1中的步驟1—3用于鞏固與復(fù)習(xí)，加深學(xué)生對剪跨比概念的理解，為后續(xù)的斜截面受剪承載力性能和計(jì)算作鋪墊。這3個步驟以學(xué)生討論為中心，共分配20分鐘時(shí)間。步驟4—6用于講解新的知識點(diǎn)，通過前3個步驟將學(xué)生的注意力集中于課堂教學(xué)之后，教師確認(rèn)大部分學(xué)生掌握了構(gòu)件斜截面抗剪的基本特征和關(guān)鍵參數(shù)時(shí)，以教師為主進(jìn)行步驟4—6的教學(xué)，根據(jù)內(nèi)容需分配70分鐘時(shí)間。

步驟1實(shí)施時(shí)，結(jié)合先期課程（材料力學(xué)）和該課程第二章的材料性能中的相關(guān)內(nèi)容，復(fù)習(xí)公式（1）中的正應(yīng)力和剪應(yīng)力產(chǎn)生的內(nèi)力，正應(yīng)力源于彎矩，而剪應(yīng)力源于剪力。

σtp，cp=σ2±σ24+τ2 （1）

裂縫的發(fā)展方向與τ/σ比值有關(guān)，與水平方向夾角為1/2arctan（2τ/σ）；τ/σ越大，裂縫發(fā)展方向越陡。

步驟2實(shí)施時(shí)，必然涉及剪跨比的概念，這時(shí)可引導(dǎo)學(xué)生深化剪跨比的概念，為什么剪跨比能夠決定構(gòu)件抗剪破壞的模式，可從裂縫發(fā)展與構(gòu)件長度方向的夾角大小判斷，裂縫發(fā)展方向與構(gòu)件長度方向的夾角越小，構(gòu)件的抗剪承載能力越低。而決定夾角大小的是τ/σ，剪應(yīng)力τ取決于剪力V的大小，而σ可由彎距M推算出來。這樣，σ/τ可以用彎距M與剪力V和截面有效高度h0乘積的比值，可以表示為

MVh0= VaVh0=ah0（2）

ah0稱為剪跨比λ。

如此，σ/τ∝MVh0，τ/σ與λ成反比。τ/σ越大，λ越小，受剪承載力越大。進(jìn)而，可以用剪跨比λ說明構(gòu)件抗剪破壞模式。

步驟3實(shí)施時(shí)，復(fù)習(xí)在剪壓破壞模式下，沿斜裂縫取隔離體，忽略斜裂縫截面上難以確定的縱向鋼筋的銷栓力和裂縫間的摩擦力，得出無腹筋梁的受剪承載力為

Vc=0.24-0.06σsρsfc0.5+0.24λfcσsρsfcbh0=αc'fcbh0=αcftbh0

（3）

步驟4實(shí)施時(shí)，重點(diǎn)說明桁架模型，箍筋作為桁架的拉桿，上下弦縱向鋼筋作為桁架的拉桿和壓桿，裂縫間混凝土作為桁架的斜壓桿。在桁架模型中學(xué)生往往對斜壓桿難以理解。構(gòu)件抗剪破壞時(shí)，斜裂縫間的混凝土受到上下縱向鋼筋的約束分析，斜裂縫間混凝土受壓，可以理解為斜壓桿。然后，講解縱向鋼筋的受力，再說明水平鋼筋的受力，最終得出有腹筋梁的受剪承載力為

Vu=nvhcorcotα=fyvAsvshcorcotα（4）

由公式（3）和（4）疊加，得出受剪承載力計(jì)算理論公式。

講解步驟（3）和（4）之后，學(xué)生基本上可以接受這樣一種思路：雖然斜截面受剪承載力性能與計(jì)算不符合平截面假定，但它仍然利用“實(shí)驗(yàn)—基本假定—計(jì)算模型—基本公式—適用條件—公式應(yīng)用”的線索，從中體現(xiàn)課程的系統(tǒng)性。

實(shí)施步驟5過程中，在講解為什么不用最大配箍率作為承載能力的上限時(shí)，利用實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果（圖2）解釋。從圖1可以看出，隨著配箍率的增大，即橫坐值的增加，縱坐標(biāo)將不再變化，這表明受剪承載力Vu 與構(gòu)件截面有效面積bh0的比值保持不變，因此受剪承載力受截面面積的控制或限制，解釋了受剪承載力上限值的確定方法。

圖2 受剪承載力/抗拉承載力比值與配箍率關(guān)系圖

為開拓學(xué)生解決問題思路，可從解析角度解釋。試驗(yàn)研究中表明，當(dāng)配箍率超過一定值后，則在箍筋屈服前，斜壓桿混凝土已壓壞，故取斜壓破壞作為受剪承載力的上限。而《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[5]是通過控制受剪截面的剪力設(shè)計(jì)值不大于斜壓破壞時(shí)的受剪承載力來防止由于配箍率過高而產(chǎn)生的斜壓破壞。學(xué)生對這一點(diǎn)往往難以理解，對從配箍率控制轉(zhuǎn)化為截面面積控制感到困惑。

其實(shí)，在疊加公式（3）和（4），得到受剪承載力計(jì)算理論公式（5）后，

Vu=0.7ftbh0+1.25fyvAsvsh0（5）

不妨定義最大配箍率ρsv=1.2ftfyv，并將該配箍率帶入公式（5），簡單變化后可得

Vu=0.25βcfcbh0（6）

如此變化，即可得到規(guī)范設(shè)置的依據(jù)。

在第6個步驟中，為了增強(qiáng)學(xué)生的工程概念，在公式應(yīng)用時(shí)，啟發(fā)學(xué)生思考作用在梁上的集中荷載的工程意義。通常情況下，學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)課獲取的經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為集中荷載是分配梁產(chǎn)生的或者是千斤頂給予的。通過啟發(fā)學(xué)生的思考，引導(dǎo)他們從實(shí)際結(jié)構(gòu)的主次梁考慮，解釋集中荷載的位置其實(shí)就是另一方向梁的支座位置，集中荷載大小即為另一方向梁的支座反力。往往在這個時(shí)刻，學(xué)生會恍然大悟，記憶深刻，產(chǎn)生良好的教學(xué)效果。接著，討論在集中荷載部位實(shí)際上應(yīng)如何布置箍筋，是配在次梁支座的兩側(cè)還是放在支座的中間，只要從受剪承載力的基本原理出發(fā)，學(xué)生能得出應(yīng)放在支座兩側(cè)的正確答案，因?yàn)橹ё幍膶?shí)際計(jì)算截面積遠(yuǎn)大于bh0。如此，不僅增強(qiáng)了學(xué)生對工程概念的理解也提高了學(xué)習(xí)興趣，體現(xiàn)了課程的新穎性和趣味性。

公式多、教材繁、考試難是多樣化教學(xué)方法實(shí)施前學(xué)生對混凝土結(jié)構(gòu)基本原理課程的普遍反映。多樣化教學(xué)的實(shí)施加強(qiáng)了混凝土結(jié)構(gòu)基本原理課堂教學(xué)的新穎性、趣味性、系統(tǒng)性，改變了學(xué)生被動學(xué)習(xí)的局面，提高了學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力。2014年，同濟(jì)大學(xué)通過網(wǎng)上評議調(diào)查，93%的學(xué)生反映課程教學(xué)方法靈活多樣，激發(fā)了學(xué)生的興趣和深度思考；97%的學(xué)生反映課程內(nèi)容豐富新穎，具有挑戰(zhàn)性；93%的學(xué)生反映多樣化教學(xué)效果很好。從2014—2015年度學(xué)生期終考試中構(gòu)件受剪承載力考題的抽查結(jié)果來看，90%以上的學(xué)生能掌握配箍率限界的概念，并能合理判斷受剪控制截面和熟練應(yīng)用計(jì)算公式進(jìn)行抗剪配筋設(shè)計(jì)。

四、結(jié)語

同濟(jì)大學(xué)混凝土結(jié)構(gòu)基本原理課堂教學(xué)實(shí)踐證明，通過多樣化的教學(xué)方法可培養(yǎng)和提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力，充分發(fā)揮90分鐘內(nèi)不同時(shí)段的教學(xué)效能是提高教學(xué)效果的重要途徑。因此，只有堅(jiān)持這些鮮明的教學(xué)特色，才能更好地保證和提高混凝土結(jié)構(gòu)基本原理課堂教學(xué)質(zhì)量。參考文獻(xiàn)：

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