預(yù)應(yīng)力混凝土設(shè)計(jì)課程教學(xué)改革探究

吳 旻,趙 明

(安徽工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院,安徽 馬鞍山 243002)

預(yù)應(yīng)力混凝土設(shè)計(jì)是土木工程專業(yè)的一門寬口徑專業(yè)限選課程。其先修關(guān)聯(lián)課程主要有材料力學(xué)和混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理,而后續(xù)課程包括橋梁工程、多高層建筑設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì),在土木工程專業(yè)教學(xué)培養(yǎng)計(jì)劃中起著承上啟下的作用[1]。本課程開課時間為第六學(xué)期,學(xué)生對于所講解專業(yè)知識已經(jīng)有了部分了解,具有一定的專業(yè)背景。同時,本課程內(nèi)容會涉及到新技術(shù)和新材料,且規(guī)范和技術(shù)要求更新速度較快,教師如果完全照本宣科往往獲得不了較好的教學(xué)效果。我校土木工程專業(yè)已于2017年通過專業(yè)評估,后評估時期對專業(yè)課程的教學(xué)提出了持續(xù)改進(jìn)的新要求。筆者針對預(yù)應(yīng)力混凝土設(shè)計(jì)課程特點(diǎn),創(chuàng)新本課程的教學(xué)方法,使學(xué)生能夠積極主動參與到課程學(xué)習(xí)中,最終提高學(xué)生的工程綜合素質(zhì)。

一、課程教學(xué)特點(diǎn)

(一)課程內(nèi)容多、公式多、符號多,且與舊有知識體系聯(lián)系緊密

預(yù)應(yīng)力混凝土設(shè)計(jì)課程包括預(yù)應(yīng)力混凝土的概念、材料、施工和設(shè)計(jì)等多方面內(nèi)容,并且新工藝和新設(shè)計(jì)方法不斷涌現(xiàn),教學(xué)內(nèi)容較多,既有理論推導(dǎo),又有經(jīng)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)研究成果的應(yīng)用。部分章節(jié)的預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)計(jì)算公式多、符號多,內(nèi)容繁雜,有相當(dāng)一部分學(xué)生感覺理解起來較為困難。另一方面,本課程是學(xué)生在學(xué)習(xí)了材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)以及混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理等眾多專業(yè)基礎(chǔ)課和專業(yè)課后開設(shè)的課程,因此在教學(xué)內(nèi)容上,會與先前的課程內(nèi)容有交叉重復(fù)。而學(xué)生對于已學(xué)過的知識點(diǎn)存在一定的遺忘,導(dǎo)致學(xué)習(xí)新知識時感覺似曾相識卻又一知半解,解答問題時出現(xiàn)概念模糊的現(xiàn)象。

(二)理論性與實(shí)踐性并重

預(yù)應(yīng)力混凝土設(shè)計(jì)是一門理論性與實(shí)踐性并重的課程。如果僅僅照本宣科講解純理論知識,內(nèi)容相對空洞和抽象,學(xué)生掌握的知識較為生硬,不能夠靈活應(yīng)用,更不用說能夠針對性地解決工程實(shí)際問題。例如在橋梁類畢業(yè)設(shè)計(jì)中,學(xué)生往往只會套用公式和相似的設(shè)計(jì)方案,卻忽視了公式的適用條件,設(shè)計(jì)方案的創(chuàng)新性和靈活性不足。而對走上工作崗位的畢業(yè)生調(diào)查發(fā)現(xiàn),不少人對于預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的施工圖紙較為生疏,上手緩慢,工程實(shí)踐能力較弱。

(三)與行業(yè)聯(lián)系緊密,復(fù)雜工程問題較多

土木工程發(fā)展迅速,其行業(yè)規(guī)范平均每10年就要做一次大的調(diào)整和修訂,預(yù)應(yīng)力在土建行業(yè)中應(yīng)用較廣,涉及鐵路、公路、房建和給排水工程等多個專業(yè)領(lǐng)域,每個領(lǐng)域的規(guī)范對預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的側(cè)重點(diǎn)各不相同,且更新時間也存在差異[2]。另一方面,預(yù)應(yīng)力技術(shù)往往用于大跨徑、大空間結(jié)構(gòu),其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和計(jì)算過程較為繁瑣,一些內(nèi)容屬于復(fù)雜工程問題范疇,課程教學(xué)大綱的指標(biāo)點(diǎn)中,也有對復(fù)雜工程問題的分析能力和基本設(shè)計(jì)能力的要求。這就要求教師在講課時需要關(guān)注規(guī)范的修訂動態(tài),及時將最新規(guī)范的內(nèi)容添加到課程教學(xué)中,注重培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。

二、教學(xué)改革實(shí)踐

(一)精簡教學(xué)內(nèi)容,采用啟發(fā)式教學(xué)方法,注重新舊知識銜接

本課程開設(shè)在第六學(xué)期,學(xué)生經(jīng)過兩年半時間的學(xué)習(xí),已經(jīng)有一定的專業(yè)知識積累和自學(xué)能力,考慮到課程內(nèi)容多和學(xué)時相對少的矛盾,需要對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行一定的精簡,并對傳統(tǒng)的課堂教學(xué)形式做一定的調(diào)整。筆者按照教學(xué)大綱的要求,將全部課程分成16個專題,采用啟發(fā)式教學(xué)方法,在每次講課前首先提出問題,引導(dǎo)學(xué)生的思路,讓學(xué)生討論和思考解決方法,并結(jié)合必要的提示,最終將正確的結(jié)論總結(jié)推出。例如在講解預(yù)應(yīng)力概念時,首先要求學(xué)生回顧先前所學(xué)習(xí)的課程內(nèi)容,提出普通鋼筋混凝土構(gòu)件在大跨徑結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)哪些固有的弊端,讓學(xué)生分組討論和思考,使學(xué)生了解預(yù)應(yīng)力作為工程中的一門新技術(shù)其產(chǎn)生的背景,然后再介紹預(yù)應(yīng)力混凝土的優(yōu)越性,并得出其基本定義,最后再讓學(xué)生發(fā)散思考,舉出生活中應(yīng)用預(yù)應(yīng)力的實(shí)例。從實(shí)際效果來看,教師課堂講解時利用啟發(fā)式教學(xué)方法,不只是向?qū)W生灌輸具體知識,也是向他們講授分析和解決問題的方法,能夠調(diào)動學(xué)生的積極性,提高大學(xué)生判斷、分析、歸納、研究問題等各方面能力。

此外,本課程教學(xué)內(nèi)容會與先前的課程內(nèi)容有交叉重復(fù),需要教師作好已有知識和新內(nèi)容之間的區(qū)分和銜接,特別是與混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理內(nèi)容的區(qū)分。這就要求教師在課堂講解中能做到重復(fù)的講差別,繁瑣的講重點(diǎn),相似的講典型[3]。例如在講解預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件斜截面承載能力的計(jì)算時,其承載能力計(jì)算公式與普通鋼筋混凝土的計(jì)算公式相似,課程講解時首先復(fù)習(xí)回顧普通鋼筋混凝土的計(jì)算公式,接著介紹預(yù)應(yīng)力鋼筋的提高作用,再重點(diǎn)指出該提高作用如何在計(jì)算公式當(dāng)中反映出來,從而突出預(yù)應(yīng)力混凝土和普通鋼筋混凝土在面對同一問題計(jì)算上的差異。這樣使學(xué)生既鞏固了舊的知識,又合理銜接了新的知識。 (二)充分應(yīng)用各類現(xiàn)代化教學(xué)手段

針對學(xué)生識圖能力較弱,課程中通過CAD軟件,對一些預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)較為復(fù)雜處如下馬蹄處、T梁端部構(gòu)造等進(jìn)行詳細(xì)拆分講解,并要求學(xué)生能夠繪制出部分結(jié)構(gòu)的大樣圖。同時,穿插講解施工圖紙識圖要點(diǎn)。而對于預(yù)應(yīng)力施工工藝,其工序較為復(fù)雜,涉及的材料種類繁多,教材上介紹的也較為簡單,由于學(xué)生施工現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)不足,如果直接板書或靜態(tài)圖片講解學(xué)生難以理解,因此在專業(yè)課教學(xué)過程中,穿插采用錄像教學(xué)和三維動畫視頻方式,部分施工錄像來自教師參與的預(yù)應(yīng)力工程實(shí)踐項(xiàng)目以及往屆畢業(yè)生生產(chǎn)實(shí)習(xí)資料。動態(tài)視頻教學(xué)具有生動形象、畫面連續(xù)、內(nèi)容豐富等優(yōu)點(diǎn),能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情,且對于學(xué)生進(jìn)一步理解設(shè)計(jì)和計(jì)算的內(nèi)容也有一定的幫助。例如,按分項(xiàng)系數(shù)法計(jì)算后張法預(yù)應(yīng)力損失的知識點(diǎn),總共包括5大項(xiàng),內(nèi)容繁雜,采用傳統(tǒng)的教學(xué)方法分項(xiàng)講解,學(xué)生理解較為困難,往往學(xué)了后面忘了前面。因此,在對于這部分內(nèi)容講解時,首先插入后張法預(yù)應(yīng)力穿束和張拉施工的錄像,讓學(xué)生直觀了解預(yù)應(yīng)力鋼筋摩擦、錨具壓縮等各類損失產(chǎn)生的原因,再從設(shè)計(jì)角度出發(fā),探討不同因素引起預(yù)應(yīng)力損失的理論值計(jì)算模型,這樣使得學(xué)生能夠較好掌握該部分知識。

而對于預(yù)應(yīng)力常用材料,如講解各類形式的錨具,筆者將在實(shí)驗(yàn)室和工程實(shí)際項(xiàng)目中搜集到的各類錨具實(shí)體直接帶人課堂,讓學(xué)生互相傳遞觀看,同時結(jié)合PPT圖片進(jìn)行講解,分析各類錨具的優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍。這樣可以將各類錨具構(gòu)造直觀、生動地呈現(xiàn)在學(xué)生面前,加深學(xué)生對于錨具功能的理解。

此外,國際上新興的BIM(Building InformationModeling,建筑信息模型)技術(shù)已成為建設(shè)領(lǐng)域信息技術(shù)的研究和應(yīng)用熱點(diǎn),BIM的應(yīng)用價(jià)值已經(jīng)得到政府的高度關(guān)注和行業(yè)的普遍認(rèn)可[4]。我校已有較為完備的BIM模擬操作室,并成立了安徽省首個學(xué)生BIM社團(tuán)。本課程教學(xué)中也嘗試引人BIM技術(shù),對典型的后張法預(yù)應(yīng)力構(gòu)件進(jìn)行了初步可視化展示和施工模擬。

在制作多媒體課件時,努力做到與教學(xué)理論內(nèi)容相配合:如在概論講解中插人國內(nèi)或國際上比較著名的預(yù)應(yīng)力建筑或者橋梁結(jié)構(gòu),以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,而在具體講解課程知識點(diǎn)時,一些中小型工程案例往往更有說服力和針對性。同時,在一些理論公式推導(dǎo)以及疑難知識點(diǎn)的展開,傳統(tǒng)板書往往更有優(yōu)勢,因此應(yīng)注意現(xiàn)代化教學(xué)手段與傳統(tǒng)板書相結(jié)合。

(三)注重教學(xué)與規(guī)范相結(jié)合,初步培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力

預(yù)應(yīng)力混凝土課程很多內(nèi)容是對行業(yè)現(xiàn)行規(guī)范的解析和細(xì)化[5]。筆者在教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中過重地依賴于教材,只會做教材上的設(shè)計(jì)和習(xí)題,不夠重視規(guī)范,尤其不重視不同行業(yè)規(guī)范的比較,如土木工程房建方向的學(xué)生只關(guān)注住建部相關(guān)預(yù)應(yīng)力規(guī)范,對于公路橋梁預(yù)應(yīng)力規(guī)范不感興趣。結(jié)果對于后期畢業(yè)設(shè)計(jì)或生產(chǎn)實(shí)踐中一些條件復(fù)雜、需要綜合運(yùn)用所學(xué)的專業(yè)知識的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)往往無從下手。因此在教學(xué)過程中既要對預(yù)應(yīng)力混凝土基本原理和設(shè)計(jì)方法進(jìn)行重點(diǎn)講解,又要介紹相應(yīng)預(yù)應(yīng)力規(guī)范的條文,尤其要求學(xué)生注意不同規(guī)范對于同一設(shè)計(jì)問題的條文對比,這樣有利于學(xué)生更深刻理解預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)內(nèi)容。

對于學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力的培養(yǎng),主要從課上和課下兩個方面進(jìn)行改革。在課堂上,加強(qiáng)與學(xué)生的互動,在講解完理論知識后,引入相關(guān)工程事故實(shí)例,讓學(xué)生討論事故發(fā)生的原因和教訓(xùn),增加學(xué)生的思考時間,鼓勵學(xué)生主動發(fā)言。而課下,增加綜合性習(xí)題所占的比例。以往給學(xué)生布置的作業(yè),絕大多數(shù)均為驗(yàn)證類題目,即給出了構(gòu)件設(shè)計(jì)方案,讓學(xué)生驗(yàn)證設(shè)計(jì)是否合理、可靠。從反饋結(jié)果來看,學(xué)生的答案往往具有相似性,且存在抄襲現(xiàn)象。而綜合性題目要求學(xué)生進(jìn)行自主性設(shè)計(jì),即只給出跨徑、荷載參數(shù),讓學(xué)生獨(dú)立進(jìn)行預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)截面尺寸和構(gòu)件配筋的設(shè)計(jì)和計(jì)算,這樣杜絕了抄襲現(xiàn)象,提高了學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。

三、結(jié)語

預(yù)應(yīng)力混凝土設(shè)計(jì)是一門內(nèi)容多,理論性與實(shí)踐性并重,且與行業(yè)規(guī)范緊密聯(lián)系的專業(yè)課程,對于學(xué)生今后從事預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、施工和科研均有幫助。在教學(xué)工作中,針對本課程的特點(diǎn),參照土木專業(yè)評估的要求,采用啟發(fā)式教學(xué)手段和現(xiàn)代化教學(xué)方法,并注重教學(xué)內(nèi)容與現(xiàn)行規(guī)范相結(jié)合,以提高教學(xué)質(zhì)量。本課程近三年達(dá)成度計(jì)算結(jié)果為0.721、0.736和0.762,達(dá)成度逐年穩(wěn)步提升,使學(xué)生在理論知識、綜合應(yīng)用和工程意識等方面得到很好訓(xùn)練,取得了良好的教學(xué)效果。