大土木專業結構設計原理精品課程教材建設思考

常鴻飛　夏軍武　賈福萍　李富民　龍幫云　丁北斗

摘要：結構設計原理是土木工程專業的一門專業基礎核心課程，在課程體系中有著重要的作用。該課程旨在幫助學生形成基本的結構設計概念，培養其結構基本構件的設計計算能力。教材是課程建設的重要一環，在一定程度上決定了教學效果的好壞。結合教學實踐，對大土木專業結構設計原理課程及教材建設現狀進行分析，提出了精品教材的編寫建議，以期為土木工程專業基礎課程教材的建設提供參考。

關鍵詞：大土木專業；結構設計原理；精品教材

中圖分類號：G423.3；TU-4 文獻標志碼：A 文章編號：1005-2909（2016）05-0067-04

土木工程專業的人才培養模式很大程度決定了未來土木工程師的能力與素質。目前世界上大多數國家采取“通才”教育，即強調“土木工程專業寬口徑”的培養目標，在培養方案和課程設置上注重大土木平臺的構建[1-2]。在這樣的背景下，專業平臺課程的學習對學生知識體系的形成尤為重要。

結構設計原理課程作為土木工程專業的專業基礎課[3]，對幫助學生構建基本結構概念非常重要。近10年來，筆者所在的教學團隊針對該課程進行了一系列的實踐探索，先后承擔并完成多項課程建設與改革項目，該課程已榮獲“江蘇省精品課程”，團隊編著的《結構設計原理》教材[4]獲江蘇省精品教材和重點修訂教材等立項。

筆者基于教學團隊在課堂教學及教材修訂過程中的實踐，對《結構設計原理》精品教材建設進行探討，旨在為土木工程專業基礎課程教材建設提供參考。

一、現狀分析

結構設計原理是土木工程專業的基礎核心課程，主要培養學生掌握結構基本構件的設計計算能力，為結構整體設計奠定基礎。結構設計原理主要講授混凝土結構設計原理和鋼結構設計原理兩部分內容，課程具有基礎性強、學時長、知識體系復雜、實踐性強等特點。目前國內各高校均將該課程設置在第五學期，但開設方式各有不同，例如：清華大學將課程分為混凝土結構（1）和鋼結構（1）兩門課程，每門分別為3學分，合計96學時；同濟大學分為混凝土結構基本

原理和鋼結構基本原理，分別為4學分和2.5學分，合計111學時；東南大學將兩部分合并為工程結構基本原理，合計5學分80學時；中國礦業大學將鋼筋混凝土結構和鋼結構合并為結構設計原理課程，共80學時。

教材的編寫和選用與課程設置密切相關，教材的編寫質量對課程教學效果的影響也非常明顯[5-6]。目前對于《鋼筋混凝土設計原理》和《鋼結構設計原理》教材的建設，要么完全分離，要么簡單組合，在教材內容編排方面對知識體系的完整性和共通性考慮不足。有些教材過于偏重理論分析，與實際工程聯系不緊密；有些教材僅強調實例缺乏足夠的理論分析。在“大土木”的背景下，如何將土木工程中基本構件的設計原理融合為一整體，實現真正意義上的平臺課的搭建目標，并與后續專業課的學習有效搭接，成為精品教材建設需要思考和解決的問題。

二、教材編寫探討

基于上述現狀分析和實踐探索，筆者認為大土木專業結構設計原理精品課程教材的編寫應重視原理共通與材料差異并存，做到基本原理與工程應用并重，實現課堂學習與課外拓展并舉。

（一） 原理共通與材料差異并存

作為一門介紹專業基礎的課程，其教材應體現結構構件基本設計原理的共通性，同時也不應忽略這些基本原理因材料的不同而引起的差異。以圖1（a）所示純彎曲構件為例，如果是鋼筋混凝土梁圖1（b），其設計公式來源于試驗現象及理論推導的結合，講解中通常需要強調鋼筋與混凝土二者共同受力，給出如圖2所示的截面應力的變化圖，并有一系列基本假定作為前提才能獲得這些基本公式，在授課過程中必須強調試驗現象并有專門的試驗環節針對該內容做深化；而鋼梁圖1（c）的設計公式則源于材料力學的理論推導，其截面應力的變化如圖3所示。對比圖2與圖3，可見其差異明顯。

這種差異在軸壓柱、偏壓柱以及構件的連接方面也有所體現。如果無視這種差異，強行將兩部分內容簡單揉合，必然給學習者特別是初學者帶來很大的困惑，

造成概念混淆、理解混亂。為此，在教材的結構安排上，應將混凝土結構設計原理及鋼結構設計原理分篇編寫，既顯示出兩者之間在原理上的相通性，又體現了不同材料構件設計的區別。這樣有既利于學生理解學習，又方便教師講解。

（二）基本原理與工程應用并重

結構設計原理課程的特點應該是“始于理論，終于應用”，即立足于基礎理論的同時還要強調基本原理的應用方法，以使學生在掌握基本概念的基礎上，通過實例將原理應用于設計實踐，加深學生理解。

首先應妥善把握理論推導的尺度。對基本理論的涉及深度不宜過深，因為糾纏于基本理論往往會適得其反，造成學生疲于推導、演算，而忽略理論背后的“原理”。另外，理論推導枯燥乏味，勢必增加學生的學習負擔，削弱其學習興趣。教材中的理論應服務于基本原理。例如鋼結構軸心受壓構件的整體穩定設計中非常重要的整體穩定系數φ，它綜合體現了初彎曲、初偏心和焊接殘余應力對構件臨界應力的影響，其中講到初彎曲對軸心壓桿承載力的影響時，用圖4所示的壓桿進行理論分析，推導出軸心壓力接近臨界壓力時，其跨中撓度趨于無窮大的結論，表明構件失穩，就很好地體現了“原理”。

其次，應重點培養學生對基本原理的應用方法。教材中對每個知識點都應該有相應的例題可以參考，同時還應有綜合例題將相關知識點串聯，使學習者對知識點有系統整體把握。圖5為某鋼結構的主次梁體系，以此為工程背景，可以將其次梁、主梁、柱、支撐等基本構件的設計，以及主次梁、主梁與柱的連接設計分散于各個章節的例題中，既能各自獨立，又能形成整體結構，幫助學生構建由點及面的知識體系，應用效果非常好。當然，作為教材，課后還應配合一些習題幫助學生完成課外拓展訓練，使學生能及時將課程學習的內容進行具體應用。無論是例題還是習題，都要做到與實際工程緊密聯系，只有多聯系實際才能保證“原理”有個堅實的落腳點。

（三） 課堂學習與課外拓展并舉

土木工程學科的一個重要特點就是實踐性很強，任何一個理論都要經得住實踐的檢驗，而很多設計理論也都是源于實踐。因此，一方面應強調設計方法的實踐來源，在教材內容編排上可按照試驗研究—理論分析—設計方法—實例分析的順序進行，并適當配合現場試驗、動畫演示以及試驗錄像以加深學習者的印象。另一方面應注意激發學生自主動手的能力，比如在教材中加入自主設計試驗、模型制作等習題。這對培養學生的結構感覺非常重要，也可以豐富教學內容。圖6a為鋼結構連接部分的一道課后綜合作業題，包含了角焊縫受拉受彎、螺栓拉剪、螺栓拉彎等連接的驗算。學生對該圖的理解有困難，為了解決此問題，首先指導學生繪制了該連接的三維模型（圖6b），通過旋轉角度動態觀察輔助識圖，然后組織學生動手制作縮比模型（圖6c），通過親手操作組裝，學生對鋼結構的傳力路徑、連接方式及構造細節等有了更為深入的理解。這種實踐教學方法操作簡單，很好地實現了課堂學習與課外拓展的有效對接，實施效果良好。

結構設計的流程相對比較程序化，每種構件的設計都遵循一定的流程和規律，即材料參數確定、截面初選、基本設計公式選用、適用條件校核、復核等。為此，可以在每一章節設計方法闡述之后，附上對應內容的程序化流程圖（圖7），以有利于學生對設計過程的總體把握。同時，該部分內容也為學有余力的學生提供了很好的編程鍛煉機會，如圖8即為指導學生參照教材流程編制的VB小程序，界面簡單、功能齊全、效果良好。

由于篇幅有限，這些課外拓展內容無法在教材中充分展開，可以將其制作為電子資源庫，采用多媒體教材的形式對紙質教材進行適當補充。此外，還可將電子資源整合于精品課程網站，供學生瀏覽學習。

三、結語

結構設計原理是大土木專業一門非常重要的專業核心課程，其內容多、公式多、公式適用條件多，具有一定的難度。教材建設作為該課程的重要環節，對教學效果的影響較大。基于多年的課堂教學和教材建設實踐，筆者對大土木專業結構設計原理課程精品教材的編寫進行一些探討，以期為土木工程專業基礎課程教材的建設提供參考。

參考文獻：

[1] 陳以一.國際土木工程界對未來工程師教育的若干關注點[J].高等建筑教育，2006，15（2）：119-121.

[2] 徐禮華，傅旭東，彭華，等.土木工程專業復合型創新人才培養體系的構建與實踐[J].高等建筑教育，2016，25（1）：55-60.

[3] 徐明，宗周紅，張蓓，等.工程結構設計原理實驗課程教學改革[J].高等建筑教育，2015，24（5）：111-114.

[4] 夏軍武，賈福萍，李富民，等.結構設計原理[M].江蘇，徐州：中國礦業大學出版社，2009.

[5] 邵永健，勞裕華，劉凡，等.混凝土結構設計原理課程建設探討[J].高等建筑教育 ，2011，20（3）：69-71.

[6]白正仙，劉學春.面向卓越工程師培養計劃的本科鋼結構課程教學改革探討[J].教育教學論壇，2013（29）：36-38.