基于能力導向的荷載與結構設計方法課程改革

孫磊

摘 ?要：荷載與結構設計方法作為土木工程專業的必修基礎課程，具有涉及知識面廣、應用性強的特點以及承上啟下的功能。從該課程教學存在的問題出發，在教學模式以及考核評價體系等方面進行了初步的改革和實踐，旨在契合應用型人才培養需求，強化學生應用能力的培養，促進教學質量的提升。

關鍵詞：荷載與結構設計方法;應用能力;課程改革

中圖分類號：G642 ? ? ? 文獻標志碼：A ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2020）22-0129-04

Abstract： As a compulsory course of civil engineeringspecialty， load and structure design method course has the characteristics of wide range of knowledge， strong applicabilityand link function. In view of the problems existed in the teaching process of the course，this article primarily discussed the teaching reform and practice of the course in the model of teaching and curriculum assessment system in order to accommodate the needs of applied talent， and sharpen students'application ability and promote the teaching quality.

Keywords： Load and Structure Design Method; practica1 ability; curriculum reform

一、概述

在同濟大學對結構工程課程體系改革的基礎上，國家高等土木工程專業指導委員會于2000年正式將荷載與結構設計方法（或工程結構荷載與可靠度設計原理）列為土木工程專業必修基礎課程[1]。近十幾年來，眾多高校的土木工程專業都陸續在專業人才培養方案中設置了該課程，部分高校將課程性質逐漸由專業基礎課發展為專業核心課，學時也由最初的16個學時增加到現在的30個學時左右，各種教材也是層出不窮[2-4]。相較于課程性質、學時的改變以及教材的更新，其課程內容基本還是一成不變的以同濟大學為模板，內容上主要包括結構在服役期間可能承受的各種荷載和作用的計算和統計分析，結構設計的基本概念、結構可靠度原理以及滿足可靠度要求的設計方法等，由于該課程涉及了整個“大土木”工程的各類荷載以及結構設計思想方法，其重要性不言而喻[5-6]，但是，在學時普遍偏少的情況下，大多側重于概念、原理以及方法的理論講解，教學方法上多是以老師課堂機械式的灌輸為主，與工程實踐結合較少，不注重相關原理的具體應用，加之課程內容繁雜、枯燥、涉及面廣且規范性強，導致學生對該課程的理解率偏低，學習積極性和主動性普遍不高[7]。顯然，傳統的荷載與結構設計方法的教學模式已經無法適應社會經濟發展需要和滿足國家對應用型土木工程專業人才培養的要求，唯有通過不斷的改革創新和實踐才能最終實現應用型專業人才培養目標[8]。

通過對2012級和2013級土木工程專業荷載與結構設計方法課程的教學情況進行梳理，包括選用的教材、教學大綱及教案的編制、教學計劃的安排以及課程的考核情況等，主要存在以下幾個方面的問題：

1. 選用的教材質量較差，圖表的序號，部分例題的解答過程等存在許多錯誤，一些內容完全照搬老的規范或其他一些經典教材的內容，在個別章節的標題和內容順序上略作調整，比如將水壓力、凍脹力等內容由側壓力章節調整到其他作用章節中，教材中完全沒有體現一些最新的關于土木工程荷載計算分析以及結構設計方法的研究成果和案例。

2. 教學大綱和教案的編制完全是對教材的復制，任課老師僅憑個人經驗設定教學的目標和選擇教學的內容，所謂的難點和重點又太過籠統，完全獨立于整個人才培養的課程體系之外，沒有明確該課程究竟支撐哪一項或幾項畢業要求的達成和人才培養目標的實現。

3. 教學計劃的制定不合理且缺乏科學的依據，該課程共計32個課時，結果把超過三分之二的課時都用于荷載的計算及其作用分析方面，顯然無法保證結構設計方法相關內容的講解。此外在教學計劃的具體實施過程中還存在不嚴格執行任意調整的情況，把大量的時間耗費在一些細枝末節上面，遇到一些節假日或是學校運動會等不是想辦法補課而是進一步壓縮內容，這些顯然都會影響學生對該門課程的學習和掌握。

4. 通過一些聽課記錄以及學生反饋情況發現在教學過程中任課老師基本上是對照ppt課件滿堂灌，與學生可以說是零互動，習慣性的講解一些自己認為比較重要且熟悉的內容，選取的一些案例都是比較陳舊的且缺乏個人的理解和分析，對一些自己不熟悉的內容就輕描淡寫的帶過，甚至直接跟學生說考試不考所以不講，可以說是極不負責任的表現。

5. 關于課程考核，通過對試卷的分析可以看出，超過70%的試卷題目都是考查學生記憶力的，部分計算題還都是學生做過的課堂練習或課后作業，可以說毫無應用能力的體現，由于學生作業抄襲問題比較嚴重導致任課老師對學生作業的批改完全憑學生的字體的好壞和字數的多少，所謂的平時表現也僅憑任課老師的主觀判斷，缺乏支撐材料。可以說整個課程的評價基本上是流于形式，可是即便如此，卷面成績不及格率仍然高達近40%。

除了上述一系列顯性問題之外，荷載與結構設計方法課程還存在一些隱性問題，即影響一些后續課程教學開展。鑒于荷載與結構設計方法課程的重要性以及教學過程中面臨的上述諸多困境，作者對該課程進行了一系列的改革和實踐，取得了一定的成效。

二、自編教材并結合最新規范，合理安排學時

土木工程專業相關專業課程的一個顯著的特點是與專業規范和標準聯系緊密，因此，在專業課程的教學過程中不能僅僅依賴教材進行講解，必須要將最新的規范和標準融入教學過程中，荷載與結構設計方法這門專業基礎課程，用到的規范主要包括建筑結構可靠度設計統一標準、建筑結構荷載規范、公路橋涵設計通用規范、混凝土結構設計規范、公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范以及水工建筑物荷載設計規范等，涉及不同的專業方向。因此，需要針對不同的專業方向選擇對應的規范和標準。作者所在高校土木工程專業目前主要開設工業與民用建筑工程專業方向，荷載與結構設計方法課程的教學主要采用教材結合建筑結構荷載規范和建筑結構可靠度設計統一標準的方式進行。與專業規范和標準由國家和行業統一制定不同，專業教材則種類繁多，大多都是由部分重點高等院校的專家教授編寫，內容質量參差不齊，許多經典教材沒有及時對涉及到的相關專業規范和規程等進行更新，授課老師如果在講授相關內容時不加以注意則可能會誤導學生。在目前普遍缺乏與應用型專業人才培養相適應的應用型教材的情況下，結合之前教材的使用情況，從14級開始采用自編的教材，自編教材中的主要內容都是基于對現有經典教材內容的整理和歸納，對涉及到規范的內容全部采用最新的規范進行更新，此外，考慮到荷載與結構設計方法這門課程涉及到線性代數、概率論與數理統計、材料力學、結構力學以及土力學等先修課程，在自編教材中對每一章節會涉及到哪些先修課程的內容都進行了說明，并提供具體的案例。總之，自編教材就是要盡量符合應用型人才培養的需求，體現對學生實踐能力的培養。具體在課時安排上仍然采用之前的方式，安排1-16周，每周2個課時共計32個課時。具體授課內容安排如表1所示：

三、去繁從簡，重構教學內容

在“大土木”工程背景下，現有的《荷載與結構設計方法》的教材在內容上都是盡可能的顧及不同的專業方向，內容“全而不精”是當前教材的普通特點，也是導致教師（尤其是青年教師）在授課過程中對內容的難點和重點把握不準，加之缺乏案例的講解，從而照本宣科現象普遍，學生學習積極性低甚至厭學。針對這些現象，必須從教材內容的精簡和重構入手，首先重視課程緒論的內容，要融入一些真實的案例讓學生切實感受到該課程的重要性，例如臺風、地震等自然災害引發的建筑結構破壞等。其次，按照建筑工程專業方向安排荷載部分的授課內容，重點放在建筑結構及構件的自重（恒荷載）以及樓屋面的活荷載、雪荷載、風荷載以及基礎的土壓力的計算和取值（代表值和設計值）方面，同時要對荷載如何布置在建筑結構上做重點的講解，目前對荷載的講解大多都是介紹如何計算而忽略其如何布置，能夠將荷載合理的布置在結構上本身就是一種實踐能力的體現，重理論而輕實踐是導致許多同學在進行建筑結構計算尤其是運用BIM軟件進行結構計算時模型建好了卻不知道如何布置荷載的根源所在。最后，對于結構設計方法，重點關注結構抗力、結構可靠度以及概率極限狀態設計方法等內容，比如結構抗力主要精力放在建筑材料（如混凝土、鋼筋）強度設計值的取值上，即應用上，而不應過多的關注其是如何統計的，理論如何推導的，結構可靠度的計算和基于分項系數表達式的概率極限狀態設計方法亦是如此，在學生數學功底尤其是概率論與數理統計知識普遍不足的情況下，過分的理論講解（如來龍去脈、構成學派等等）只能適得其反，重點還是在于理論如何為實踐服務，就如大部分設計人員或施工人員只需要按照規范或標準進行建筑設計和施工，而不需要去深究規范里的一些經驗公式、相關系數是如何取得的一樣。

荷載與結構設計方法課程與其先修和后修課程在一些教學內容上還存在重疊的情況，比如其中的土的自重應力和側壓力部分實際上在先修的土力學課程中就已經進行了專門的講授，地震作用和概率極限狀態設計方法等內容則在后修的土木工程結構抗震課程和混凝土結構設計原理、鋼結構以及高層建筑結構設計等課程均有涉及。因此，對這些重疊的內容必須進行優化，涉及到先修的課程內容主要結合具體的工程實例以復習鞏固和實際應用為主，支撐后續課程學習的內容則應當從更加宏觀的方面入手，通過融入一些簡單的案例突出重要的概念、原理的理解以及方法的掌握。

四、革新教學模式

《荷載與結構設計方法》前后涉及如概率論與數理統計、靜動力學以及結構設計（混凝土、鋼結構、砌體結構）等諸多知識點，如何上好這門課程現已成為青年教師面臨的一項嚴峻挑戰。為此，許多學者對教學方法提出了不同的意見和建議[3，4，8]，摒棄傳統的以“老師”為中心，老師“教”為主的方式，改為以“學生”為中心，以學生“學”為主的教育方式是當前教學方式改革的共識。案例教學法以其工程真實性、多元啟發性和知識遷移性等方面的特點在土木工程相關專業課程教學過程中被廣泛采用[9]。從地方本科高校土木工程專業學生的學習特點及接受能力出發，結合建筑工程案例和實踐經驗以及以往的教學經驗，借助多媒體信息平臺，初步構建了基于建筑工程案例的荷載與結構設計方法課程教學模式。比如在講解側壓力時，首先展示上海蓮花河畔景苑建筑倒塌前的相關圖片，提供周邊環境、地質情況、基礎形式、施工過程以及天氣狀況等工程背景資料，再給出上海蓮花河畔景苑建筑倒塌后的現場圖片，讓學生分組討論和思考房屋為什么會倒塌，在學生探究的基礎上結合教師引導，將土的自重應力、側壓力、承載力以及預應力管樁水平承載力等知識點引入和回顧。最后層層剖析導致建筑倒塌的主要因素并提出對應的解決措施，培養學生全面思考問題和解決問題的能力;在講解建筑結構的恒載和活荷載時則結合學生上課所在的教室結構按照荷載傳遞路徑（樓屋面活荷載→板→梁或墻→柱或基礎）進行逐一講解。對于風荷載、地震作用以及其他作用的講解則注重與臺風、地震以及地基變形等引發的工程事故聯系起來，比如通過汶川地震中一些建筑結構破壞的圖片和視頻介紹結合學生的討論，加強學生對于地震作用的認識，在今后的結構設計中提高抗震設防的意識;通過房屋墻體表面不同類型的裂縫形式和擴展情況引出地基變形問題進而擴展到道路以及基坑等工程當中并引發學生思考如何控制地基的變形問題。目前關于結構設計方法，尤其是概率極限狀態設計方法的講解，主要還是結合規范和標準，對涉及到的混凝土結構設計規范、工程結構可靠度設計統一標準和建筑結構可靠度設計統一標準等進行必要的介紹并讓學生到圖書館借閱，結合簡單的工程實例重點訓練學生如何理解并使用規范和標準。

五、優化課程考核評價體系

在對荷載與結構設計方法課程教學內容以及教學模式改革的同時，也對課程的考核評價體系進行一定的優化，原則上還是按照“期末閉卷考試成績（70%）+平時成績（30%）”方式對學生該門課程的成績進行評定，但是在試卷的內容上以及平時成績的構成方面做了一定的調整，考試內容更加注重學生對知識理解、掌握和應用能力的考核，比如通過一個工程事故案例讓學生運用所學的知識解釋事故發生的原因并提出相應的解決方案。

平時成績的構成上，在平時點名和作業的基礎上增加自選考核項，包括課堂上針對某一具體工程案例的討論情況以及課后根據一套完整的建筑圖紙完成從荷載統計到最終荷載組合計算整個流程的大作業完成情況，從多個角度考查學生對該門課程的掌握程度。

六、結束語

荷載與結構設計方法課程的教學改革是整個土木工程專業教學改革的重要組成部分，是培養適應社會經濟發展以及國家需求的應用型土木工程專業的必然要求。本文從當前荷載與結構設計方法課程在教學過程中存在的問題出發，從教學內容、教學模式以及考核方式對該課程進行了初步的改革和實踐，取得了一定的成效，課程考試的卷面不及格率較以往有了明顯的降低，基本上維持在20%以下，后續混凝土結構設計、高層建筑結構課程設計以及畢業設計質量明顯提升，首次參加了第十三屆全國大學生結構設計競賽安徽分區賽暨第三屆安徽省大學生結構設計競賽，兩支隊伍分獲二等獎和三等獎、實現歷史性突破等，都進一步印證了實施荷載與結構設計方法課程改革所取得的成效。但隨著科技的不斷進步和社會的不斷發展，課程改革仍面臨諸多新的困難和挑戰，如何將當下盛行的BIM信息化技術、裝配式建筑以及大數據等融合到荷載與結構設計方法今后的教學改革過程中仍需要進一步的探索和實踐。

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