基于CDIO工程教育模式的混凝土結構設計原理課程教學改革探索

朱街祿 宋軍偉 王露

摘 ?要 混凝土結構設計原理作為土木工程專業重要的專業基礎課，在該專業的課程設置中占據重要位置。隨著國外CDIO工程教育理念被引入我國以及我國新工科教育改革的深入，如何推進該課程的教學改革，成為各任課教師思考的問題。結合江西科技學院該課程教學改革，探討基于CDIO工程教育模式的混凝土結構設計原理課程教學改革。基于CDIO工程教育理念，介紹鋼筋混凝土適筋梁正截面破壞的實踐教學及該課程CDIO模式的保障措施。實踐證明，CDIO工程教育理念引入混凝土結構設計原理課程教學，激發了學生主動學習該專業基礎課的學習興趣，提高了教學質量。

關鍵詞 CDIO;混凝土結構設計原理;實踐教學;工程教育

中圖分類號：G642.0 ? ?文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2019）18-0074-03

Exploration on Teaching Reform of Concrete Structure Design Principle based on CDIO Engineering Education Model//ZHU Jielu， SONG Junwei， WANG Lu

Abstract Concrete Structure Design Principle is an important profe-ssional foundation course for civil engineering majors. It plays an important role in the curriculum of this major. With the introduction of foreign CDIO engineering education concepts into China and the deepening of new engineering education reform in China， how to promote the teaching of this course reform has become a question for

teachers of all classes. Based on the teaching reform of this course，

this paper discusses the teaching reform of the course of Concrete Structure Design Principle based on CDIO engineering education mode. Based on the CDIO engineering education concept， the prac-tical teaching of the normal section failure of reinforced concrete beams and the guarantee measures of the CDIO mode of the course are introduced. Practice has proved that the CDIO engineering edu-cation concept introduces the teaching of Concrete Structure Design Principle， which stimulates students to actively learn the interest in the basic course of the major and improve the quality of teaching.

Key words CDIO; concrete structure design principle; practical tea-ching; engineering education

1 引言

混凝土結構設計原理是土木工程專業的重要專業基礎課，在土木工程專業人才培養方案課程設置中具有重要的承上啟下作用。本課程對培養學生的工程素養及創新精神具有重要意義，同時為學生后續專業課程的學習、畢業設計的開展及畢業后從事結構設計、施工等工作奠定重要的專業基礎。CDIO工程教育模式是近十多年來國際工程教育先進的教育理念[1-2]，以培養學生個人能力、團隊協作能力及系統適應能力為目標。基于此，CDIO工程教育模式為混凝土結構設計原理課程實現以能力傳授為核心的教改模式提供了新的思路。

CDIO代表構思、設計、實施、運作（Conceive-Design-

Implement-Operate），這四個環節來源于工程項目的生命周期過程，涉及絕大部分工程師必要的專業活動[3-4]。美國麻省理工學院等四所大學組成的跨國研究經過四年的探索研究，創建了CDIO工程教育模式及以CDIO命名的國際合作組織。CDIO工程教育模式注重培養學生的工程實踐能力，體現了當今工程教育領域的國際共識[5-6]。

2 課程學習特點

混凝土結構設計原理作為土木工程專業的核心課程，在土木工程專業課程設置中占據著重要位置。該課程教學內容多，具有較強的綜合性，理論與實踐教學并重。學生通過本課程的學習，具有運用所學理論分析實際工程問題的能力，具有較強的查閱規范能力，為今后從事相關工作奠定一定的理論基礎[7]。該課程的學習還具有以下一些特點。

教學內容多，知識涉及面廣 ?該課程內容包括材料的基本性能、結構設計方法、拉壓彎剪扭等五種基本受力變形下構件的承載力計算，同時包括構件的裂縫計算、撓度計算等，課程基本概念多、公式多、符號多，且設計計算與構造規定并重。該課程是專業基礎學習與專業學習的重要銜接，學生對該課程相關知識的掌握程度對于后續專業課程的學習具有重要的意義。

半理論半經驗的計算模型[8] ?混凝土結構計算理論經歷了容許應力法、破損階段結構承載力、極限狀態設計法等，混凝土結構設計理論始終與工程實踐具有密切的聯系，課程中計算公式大部分是基于試驗研究，通過歸納總結或回歸分析得到的。大部分公式具有經驗總結或試驗回歸性質，通過一定系數修訂，無法通過理論分析進行解釋，課程中包含許多基于工程經驗的構造規定。所以該課程具有概念多、公式多、系數多等特點，且教學過程需結合《混凝土結構設計規范》《建筑結構荷載規范》等國家現行規范與圖集，給學生學習該課程帶來一定的難度。

課程具有極強的綜合性與實踐性 ?該課程是前導課程如結構力學、材料力學、土木工程材料等專業基礎課程的專業課，也是混凝土結構設計等專業課程的基礎課，在該課程的學習中要求能融會貫通運用所學知識解決工程問題。鋼筋與混凝土作為兩種性質完全不同的材料作為結構或構件，在進行力學分析或建立模型時，與結構力學的理想彈性材料有很大區別，在結構設計或計算中引入較多假定，實踐性較強，應注意引導學生了解我國混凝土結構設計方面的規范與技術準則。

解答的非唯一性 ?由于鋼筋與混凝土兩種材料的復雜性、設計理論的經驗性以及標準中對構造的相關規定，以致結構設計沒有唯一解，教材中給定的解答為最優解，無論是材料截面尺寸的確定，還是材料的選擇和配置，其設計結果都不是唯一，要求學生具有較為扎實的專業基礎知識。這就與學生多年學習中習慣的唯一解有很大不同，需要有一個適應和領悟過程。

3 基于CDIO理念的混凝土結構設計原理實踐教學體系建設

CDIO教育模式通過項目將課程知識有機結合起來，課程知識點圍繞項目設計這個核心。教師應在調研基礎上了解工程企業對混凝土結構設計原理知識和能力的需求，結合土木工程專業人才培養目標，選擇與今后從事工作相關或專業相關的案例項目，經過篩選整理為課堂教學的項目。如以鋼筋混凝土梁正截面承載力為例，介紹基于CDIO工程教育理念的混凝土結構設計原理教學模式，該教學模式涵蓋理論教學與試驗教學。由于正截面破壞包括適筋破壞、少筋破壞、超筋破壞等形式，靈活多變，可以較好地鍛煉學生的理論計算能力、試驗能力和發散思維，通過理論計算與試驗對比，較好地鞏固理論知識。

該實驗以小組的形式完成，每組10名成員左右，在理論教學學完該知識點后進行試驗。試驗完成后，學生需提交相關的理論計算書、實驗設計及分析報告、實驗總結。要求每組以PPT匯報方式對實驗完成情況及心得進行演示匯報，同時考核其文字表達能力及團隊協作能力。

項目的構思階段 ?在完成正截面承載力計算理論教學后即開展該項目，學生通過查閱文獻資料或網絡檢索等方式了解試驗原理、試驗方法、試驗步驟等試驗知識，少筋梁、適筋梁、超筋梁等試件，根據所學理論知識計算其正截面承載力。擬定實驗測試方法及步驟，征求教師意見，教師對承載力的計算、試驗的科學性等進行指導并提出相關意見，如應變片的粘貼布置、極限承載力的計算等。

項目的設計階段 ?通過項目構思后，學生對試驗項目進行詳細設計，若設計鋼筋混凝土適筋梁，則先通過計算理論確定其承載力。注明設備支持，靜力試驗臺座、反力架、支座及支墩、應變儀等，對試驗步驟進行設計，小組討論在試驗中應觀察的參數及可能出現的問題。

實施階段 ?按照上一階段設計的步驟進行試驗操作，記錄試驗數據，注意應變片的粘貼與荷載的記錄等，觀察梁的開裂、撓度等發展規律。對試驗數據進行記錄，如混凝土的開裂荷載、梁屈服荷載與破壞荷載，并將各荷載換算為彎矩。對理論承載力與試驗承載力進行分析對比，必要時可尋求指導教師的幫助。

運行階段 ?完成試驗后，各小組對試驗數據進行分析整理，撰寫試驗報告，對理論計算和試驗測得荷載的誤差進行分析，并討論所產生誤差的原因。總結試驗中的得失，將試驗的感悟和體會制作成PPT，每小組推選成員進行匯報，介紹試驗設計過程和小組內分工情況，并對試驗存在的問題進行分析評價。

4 混凝土結構設計原理課程CDIO模式的保障措施

采取多種教學方法 ?該課程的CDIO模式可采取多種教學方法。其中，項目的構思與設計、基本概念與基本原理的講解、小組討論與協作、自評與互評、知識的總結與歸納等環節涉及的教學除傳統的教師講授為主外，還可以采用演示法、討論法、試驗法等多種教學方法。

組建“雙師型”教師團隊 ?近十多年來，隨著高校的迅速擴招，很多高校新引入一批碩博士畢業的研究生進入教學崗位，他們理論功底扎實，實踐經驗欠缺。該課程部分內容如構造措施的講解，若教師具有一定的實踐經驗，則能提高授課質量，提升學生學習該課程的興趣。教師具有混凝土結構的設計及施工經驗后，能更好地服務教學。因此，教師應利用業余時間到施工現場、設計院等工程企業參加工程項目，提升實踐能力，將實踐與理論教學相結合。同時，教師還可積極參與執業資格考試，取得執業資格證書，成為具有較強實踐經驗的“雙師型”教師。

強化實踐教學 ?課堂教學與工程實踐存在一定的差異。該課程既要求學生掌握較為全面的專業知識，又要求能靈活運用所學知識解決工程問題，學生掌握理論知識后不代表能將所學知識靈活運用于工程項目。因此，加強實踐環節的教學顯得尤為重要。該課程的教學要求教師在授課過程中密切結合現行工程規范，運用所學知識分析工程案例，在深度和廣度方面拓寬教材的內容。還要重視課程設計，課程設計既可以對學生所學知識加以鞏固，還可鍛煉學生查閱資料和規范的能力，提高學生處理實際工程問題的能力。因此，課程設計是該課程教學中非常重要的環節，設計中務必做到一人一題，要求學生獨立運用知識解決工程問題。通過課程設計，還可讓學生鞏固教師尚未講授的知識，培養他們解決實際工程問題的能力。

5 教學改革效果

該課程通過CDIO教學模式改革后，使學生能較好地掌握課程大綱規定的基本知識點，加強對學生職業發展能力、職業道德與素養、溝通能力等方面能力的培養，取得較好的教學效果。實踐證明，將CDIO工程教育理念引入混凝土結構設計原理課程教學，能改善以往該課程教學中存在的部分問題，在一定程度上提高教學質量。該課程實施CDIO模式教學改革以來，激發了學生主動學習該專業基礎課的興趣，從一定程度上解決了為什么學混凝土結構設計原理、什么是混凝土結構設計原理、如何運用混凝土結構設計原理這三個一直困擾學生和主講教師的問題。

參考文獻

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