基于工程教育專業(yè)認證的《PKPM結(jié)構(gòu)軟件應用》課程教學研究

徐漢勇，雷 鳴，唐仁華

(長沙學院土木工程學院，湖南 長沙 410022)

自2017年開始，土木工程專業(yè)評估被納入全國工程教育認證的整體框架，標志著專業(yè)評估將嚴格按照工程教育認證的核心理念和評價標準進行.以學生為中心是工程教育認證的三大核心理念之一[1]，要求在各人才培養(yǎng)環(huán)節(jié)過程中，必須以學生的素質(zhì)能力為中心.以課程教學為例，所有教學內(nèi)容、教學方法和教學考核必須支撐該課程對應的能力目標.同時，社會需求度作為工程教育認證的五大評價標準之一[1]，指出課程體系設計和課程教學的確定應由企業(yè)或行業(yè)專家參與，而課程體系設計和課程教學都是緊緊圍繞學生的能力目標，表明課程對應能力目標的確定也應符合社會需求適應度的要求.

《PKPM結(jié)構(gòu)軟件應用》課程是土木工程專業(yè)建筑工程方向本科教育的一門重要的專業(yè)課，是以建筑工程為載體，結(jié)合學生已學的力學知識和工程結(jié)構(gòu)知識，運用PKPM結(jié)構(gòu)軟件建立結(jié)構(gòu)模型、計算并判斷結(jié)構(gòu)的力學行為，并繪制結(jié)構(gòu)施工圖.相比土木工程專業(yè)建筑工程方向其他專業(yè)課程，《PKPM結(jié)構(gòu)軟件應用》課程涉及更廣泛的理論知識，相關的課程主要包括《房屋建筑學》、《混凝土結(jié)構(gòu)設計原理》、《混凝土結(jié)構(gòu)設計》、《結(jié)構(gòu)力學》、《高層建筑結(jié)構(gòu)設計》、《建筑抗震設計》、《工程結(jié)構(gòu)荷載與可靠度設計原理》、《土力學》和《基礎工程》等，又涉及國家規(guī)范和圖集，如《混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》、《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》、《高層混凝土結(jié)構(gòu)技術規(guī)程》、《建筑地基基礎設計規(guī)范》、《建筑抗震設計規(guī)范》和《混凝土結(jié)構(gòu)施工圖平面整體表示方法制圖規(guī)則和構(gòu)造詳圖》等，且實踐性較強.因此，國內(nèi)一些教學研究者對該課程的教學進行了研究，韋正偉[2]結(jié)合相關國家規(guī)范，對利用PKPM結(jié)構(gòu)軟件里的SATWE子模塊進行內(nèi)力計算和配筋計算時相關各參數(shù)的含義與取值、以及計算完成后相關關鍵性指標參數(shù)的含義進行了分析，王娜[3]指出，由于該課程教學和工程項目緊密相關，提出了項目教學法，黃麗芬[4]對該課程的課前教學準備、課程教學和作業(yè)布置等進行了探討，指出課前教學教師應以學生角度進行備課、了解學生對課程的掌握程度，樂進發(fā)[5]提出了“四階段”的教學模式，即課程教學階段、PKPM輔助設計競賽階段、校外實習階段和畢業(yè)實習階段，通過豐富的實踐教學，提高教學質(zhì)量，魯麗君[6]指出了在PKPM結(jié)構(gòu)軟件的PMCAD子模塊、SATWE子模塊、JCCAD子模塊的教學環(huán)節(jié)中學生普遍容易出現(xiàn)的問題，如荷載輸入、參數(shù)取值等.前人豐富的研究成果對《PKPM結(jié)構(gòu)軟件應用》課程的教學提供了寶貴的參考價值，但主要從教學內(nèi)容、教學方法和教學存在的問題等方面開展研究，研究思路并未基于工程教育專業(yè)認證理念，因此，本文將基于工程教育專業(yè)認證的核心理念和評價標準，對《PKPM結(jié)構(gòu)軟件應用》課程教學的能力目標、主要教學內(nèi)容、教學實施和教學考核等方面開展研究.

1 基于社會需求度的結(jié)構(gòu)設計工程師能力要求

工程教育專業(yè)認證的社會需求度要求在確定課程體系和課程內(nèi)容時應進行社會調(diào)研，使之與行業(yè)需求的能力一致，而能力的確定勢必與學校定位和職業(yè)崗位相關.對于應用型大學，土木工程專業(yè)建筑工程方向畢業(yè)生的崗位主要為結(jié)構(gòu)設計工程師和工程一線管理工程師.因此，結(jié)合多位從事結(jié)構(gòu)設計十年以上、具備高級工程師職稱和國家一級注冊結(jié)構(gòu)工程師的結(jié)構(gòu)設計人員，對結(jié)構(gòu)設計工程師應具備的能力進行了調(diào)研.經(jīng)匯總，得出的能力要求如下：

(1)熟悉框架結(jié)構(gòu)、框-剪結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)、砌體結(jié)構(gòu)等各類結(jié)構(gòu)體系；

(2)熟悉獨立基礎、條形基礎、筏板基礎、樁基礎等各類基礎形式；

(3)熟悉各類結(jié)構(gòu)構(gòu)件的力學概念；

(4)熟悉常用結(jié)構(gòu)設計規(guī)范要求；

(5)能應用結(jié)構(gòu)設計軟件進行結(jié)構(gòu)建模；

(6)能對結(jié)構(gòu)設計軟件的計算結(jié)果進行分析判斷；

(7)能繪制結(jié)構(gòu)施工圖.

2 《PKPM結(jié)構(gòu)軟件應用》課程的能力目標

根據(jù)結(jié)構(gòu)工程師的能力要求，尤其是能力要求(4)～(8)條，并結(jié)合結(jié)構(gòu)設計人員的建議，確定了《PKPM結(jié)構(gòu)軟件應用》課程的能力目標，具體為：

(1)熟悉PKPM結(jié)構(gòu)軟件運行思路

(2)能運用結(jié)構(gòu)概念設計進行結(jié)構(gòu)的初步設計；

(3)能根據(jù)與建筑布置協(xié)調(diào)的原則對結(jié)構(gòu)主要受力構(gòu)件進行初步布置；

(4)能根據(jù)規(guī)范要求進行次要構(gòu)件初步布置；

(5)能根據(jù)規(guī)范給出的建議和構(gòu)件承載范圍對構(gòu)件截面尺寸進行初步確定；

(6)能利用PMPK結(jié)構(gòu)軟件對初步確定的結(jié)構(gòu)方案進行建模；

(7)能利用規(guī)范和相關理論課程知識確定PKPM結(jié)構(gòu)軟件中用于結(jié)構(gòu)計算的參數(shù)含義和取值；

(8)能利用規(guī)范和相關理論課程知識分析結(jié)構(gòu)力學響應；

(9)能利用國家圖集理解PKPM結(jié)構(gòu)軟件給出的構(gòu)件配筋圖；

(10)能利用規(guī)范和相關理論課程知識進行柱下獨立基礎設計.

3 《PKPM結(jié)構(gòu)軟件應用》課程主要教學內(nèi)容

根據(jù)《PKPM結(jié)構(gòu)軟件應用》課程能力目標，確定了該課程的主要教學內(nèi)容，具體如下：

根據(jù)課程能力目標(1)，先指出PKPM軟件的結(jié)構(gòu)模塊主要包括PMCAD模塊、SATWE模塊、TAT模塊、墻梁柱施工圖模塊和JCCAD模塊，接著指出各模塊的具體用途，在此基礎上，指出各模塊之間的相關性，即PKPM結(jié)構(gòu)軟件的總體思路.

根據(jù)課程能力目標(2)，并結(jié)合《高層建筑結(jié)構(gòu)設計》課程、《建筑抗震設計》課程和《建筑抗震設計規(guī)范》，指出在結(jié)構(gòu)概念設計時，應理解結(jié)構(gòu)平面不規(guī)則、豎向不規(guī)則和變形縫設置的具體內(nèi)涵及應用.

根據(jù)課程能力目標(3)和(4)，并結(jié)合《混凝土結(jié)構(gòu)設計》課程、《高層建筑結(jié)構(gòu)設計》課程和《混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》，指出在結(jié)構(gòu)布置時，應協(xié)調(diào)建筑施工圖進行布置、框架梁的布置應與框架柱形成水平雙向承重體系、間隔墻下應布置梁、當樓板面積較大時應布置次梁等內(nèi)容與應用.

根據(jù)課程能力目標(5)，并結(jié)合《高層建筑結(jié)構(gòu)設計》課程、《混凝土結(jié)構(gòu)設計》課程、《建筑抗震設計》課程、《混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》和《建筑抗震設計規(guī)范》，指出在初步確定豎向構(gòu)件截面尺寸時，應根據(jù)受荷范圍、層數(shù)和軸壓比限值進行確定，在確定水平構(gòu)件截面尺寸時，應根據(jù)跨度和規(guī)范給出的經(jīng)驗公式進行確定.

根據(jù)課程能力目標(6)，先結(jié)合《結(jié)構(gòu)力學》、《混凝土結(jié)構(gòu)設計》和《高層建筑結(jié)構(gòu)設計》等課程中關于“結(jié)構(gòu)計算簡圖”的概念和內(nèi)容，指出“利用PMCAD模塊建立結(jié)構(gòu)模型”的具體思路，接著指出PMCAD模塊各組成部分與該思路的具體對應關系，再指出PMCAD模塊各組成部分的具體操作.

根據(jù)課程能力目標(7)，指出“SATWE模塊或TAT模塊”中與設計參數(shù)最相關的選項為“分析和設計參數(shù)補充定義”，并結(jié)合相關課程具體講解該選項中各參數(shù)的物理意義、取值和應用，接著根據(jù)課程能力目標(8)，并結(jié)合《混凝土結(jié)構(gòu)設計》和《高層建筑結(jié)構(gòu)設計》等課程，指出“SATWE模塊或TAT模塊”中關于結(jié)構(gòu)力學響應的具體內(nèi)容，如軸壓比、梁是否超筋、周期比、位移比、撓度比、剪重比、剛重比校核等，并分析超限原因和解決措施.

根據(jù)課程能力目標(9)，先結(jié)合《混凝土結(jié)構(gòu)施工圖平面整體表示方法制圖規(guī)則和構(gòu)造詳圖》對梁平法施工圖、柱平法施工圖和剪力墻平法施工圖的制圖規(guī)則進行詳細講解.接著，講述利用墻梁柱模塊繪制墻梁柱施工圖的操作，并對各施工圖進行識讀.再結(jié)合《混凝土結(jié)構(gòu)設計原理》課程，指出鋼筋混凝土樓板的設計步驟、計算方法、驗算內(nèi)容和施工圖繪制要求，在此基礎上，講述如何利用PMCAD模塊中的“畫結(jié)構(gòu)平面圖”輸入鋼筋混凝土樓板設計時的各已知條件、如何選擇計算方法、如何查看驗算內(nèi)容和如何繪制板配筋圖.

根據(jù)課程能力目標(10)，先結(jié)合《基礎工程》課程和《建筑地基基礎設計規(guī)范》，指出柱下獨立基礎設計時應必須提供的已知條件和設計內(nèi)容.接著，講述如何利用JCCAD模塊確定各已知條件、如何查看設計結(jié)果和繪制基礎施工圖.

4 《PKPM結(jié)構(gòu)軟件應用》課程教學實施

由《PKPM結(jié)構(gòu)軟件應用》課程教學內(nèi)容可知，該課程涉及的理論知識多而廣、與工程相關性強、軟件操作性強，且在實際教學中，課時量常為24課時，致使教學內(nèi)容針對的工程類型有限.為能較好地提高教學質(zhì)量，在實際教學中針對不同的教學內(nèi)容采用以下不同的教學方法：

(1)知識歸納法：對于PKPM結(jié)構(gòu)軟件概述、結(jié)構(gòu)概念設計、結(jié)構(gòu)布置方案、構(gòu)件截面尺寸初步確定，以及與PKPM結(jié)構(gòu)軟件各模塊相關理論課程知識和規(guī)范規(guī)定的教學內(nèi)容，側(cè)重于理論知識的總結(jié)和整理，因此，采用知識歸納法，并以PPT和PDF形式進行教學.

(2)項目教學法：考慮到該課程理論知識是以服務于工程設計為目的，軟件操作的目的是將設計構(gòu)思通過軟件變成施工圖，因此，在結(jié)構(gòu)概念設計、結(jié)構(gòu)布置方案、構(gòu)件截面尺寸初步確定的教學內(nèi)容中，引入一個典型工程案例以及對應完整的建筑施工圖，應用之前采用知識歸納法講授的理論知識完成該工程的概念設計、結(jié)構(gòu)布置方案和構(gòu)件截面尺寸估算.同時，在軟件操作相關的教學內(nèi)容中，繼續(xù)以該典型工程為案例，應用之前采用知識歸納法講授的與PKPM結(jié)構(gòu)軟件各模塊相關理論課程知識和規(guī)范規(guī)定完成軟件操作.

(3)課堂教學互動法：考慮到該課程設計的知識面較廣，且各教學內(nèi)容對應著各具體能力目標，為提高教學質(zhì)量，在教學環(huán)節(jié)中，采用向?qū)W生提問題和學生向老師提問題形式的課堂教學互動法.

(4)學生實踐法：考慮到該課程目的之一是學生能熟練操作PKPM結(jié)構(gòu)軟件，具有很強的實踐性.因此，在教學環(huán)節(jié)中，尤其是與關鍵操作相關的教學內(nèi)容中，在完成了理論知識教學的基礎上，安排一定的時間進行上機操作.

(5)優(yōu)秀課程平臺互動法：考慮到課時有限，在課堂教學環(huán)節(jié)中，主要是以平屋頂?shù)目蚣芙Y(jié)構(gòu)作為工程案例，而在實際中，坡屋頂?shù)目蚣芙Y(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)、框架-剪力墻結(jié)構(gòu)等形式普遍得到應用.因此，為使學生能獲得更多的知識，充分利用優(yōu)秀課程平臺，制作相關錄像，并上傳到平臺，供學生學習.同時，在優(yōu)秀課程平臺的“問題討論”模塊，提出一些專業(yè)問題與學生進行討論.

5 《PKPM結(jié)構(gòu)軟件應用》課程考核

工程教育專業(yè)認證考核實際上能力考核，根據(jù)該要點，考慮到該課程不同教學內(nèi)容對應著具體的能力目標，因此，采用過程考核和期末考核兩種方式：

(1)過程考核：根據(jù)各課程能力目標，布置相應作業(yè)，根據(jù)作業(yè)情況，并結(jié)合課堂教學互動和優(yōu)秀課程平臺互動，對該能力進行總體考核，并分析存在的問題，根據(jù)持續(xù)改進理念，進行改進.

(2)期末考核：提供一套完整的建筑施工圖，采用上機考試的方式，要求學生利用PKPM結(jié)構(gòu)軟件遞交整個計算文件，該文件包含結(jié)構(gòu)布置方案、構(gòu)件截面尺寸、計算參數(shù)、計算結(jié)果文件、梁配筋施工圖、柱配筋施工圖、基礎平面布置圖、基礎施工圖和板配筋施工圖，必要時提供文本文件進行說明，成果涵蓋該課程的全部能力目標.

6 結(jié)論

工程教育專業(yè)認證本質(zhì)是能力考核，該理念貫穿各人才培養(yǎng)環(huán)節(jié)，尤其是課程教學.根據(jù)專業(yè)認證社會需求度的要求，對結(jié)構(gòu)設計工程師的能力要求進行了社會調(diào)查，在此基礎上確定了《PKPM結(jié)構(gòu)軟件應用》課程的具體能力目標，并以此確定了該課程的具體教學內(nèi)容.根據(jù)各教學內(nèi)容特點確定了相應的教學方法，最后根據(jù)各能力目標和工程教育專業(yè)認證的持續(xù)改進理念，確定了該課程的具體考核方式和考核內(nèi)容.