荷載與結構設計方法課程教學改革探討與研究

韓 祎，王 天，賈生海，戚樂磊

(1.甘肅農業大學 水利水電工程學院，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅省建筑設計研究院有限公司，甘肅 蘭州 730030)

荷載與結構設計方法課程是土木工程專業的一門專業基礎課程，是結構理論與概率理論、模糊數學、數理統計等相結合的一門新興學科，是土木工程專業的必修課程。該課程的教學主要目的是使學生熟悉工程結構中常見的各類荷載定義及其特點，掌握結構設計方法，理解并運用好《工程結構可靠度設計統一標準》及相應的設計規范體系，為今后工程結構的設計計算打下必要的基礎。然而這門課程的開設時間并不長，教學經驗亦不足[1]，雖然本課程為必修專業課，但由于學時較少又得不到學生的重視，筆者在實際教學過程中發現了諸多問題，為此，甘肅農業大學對荷載與結構設計方法課程進行了教學改革探討與研究，以激發學生的學習興趣，剖析該課程在教學中存在的問題，提出相對應的改進措施，以期為后續專業課程的學習及畢業設計中結構計算部分打下良好的基礎。

1 荷載與結構設計方法課程教學中存在的問題

荷載與結構設計方法課程自1998年設立以來，國內多所高校教學團隊對其進行了教學改革探討，袁敬等[2]對“新工科”背景下荷載與結構設計方法教學中存在的問題進行了總結，提出了適應于“新工科”的教學理念和教學模式；李長鳳等[3]對荷載與結構設計方法課程進行了信息化的教學模式改革，筆者在從教過程中亦發現了一些問題，總結如下。

1.1 學時少、內容多、系統性差、知識跨度大

荷載與結構設計方法課程作為土木工程專業的必修基礎課，該課程涵蓋了數學、力學及土木工程所有專業課程的荷載基本計算及原理知識[4]，是后續鋼筋混凝土結構設計原理、鋼結構設計原理、基礎工程、建筑結構抗震設計原理及高層結構設計等課程的先修基礎性課程。根據高等學校土木工程本科指導性專業規范規定，該課程的主要內容包含三個部分：一是工程結構承受的各種荷載的概念、類型及計算方法；二是結構可靠度理論；三是結構設計方法。并且教育部要求該課程按照大土木目標來安排教學內容,教學內容不僅要包括建筑結構、橋梁結構、水工建筑物結構荷載的介紹,還應包括對隧道、港口工程、海岸與海洋工程等荷載的介紹[5]，然而該課程開設時間是第四學期，只有16個學時，學時少、內容多，且各章節的知識點不連貫，學習內容零散繁瑣、枯燥無味，學生存在畏難、厭學情緒，加之處于第四學期的學生，對專業知識的理解尚淺，還處于懵懂階段，無法將該課程與其他專業課程較好地結合起來，教學活動開展困難，教學效果達不到預期目的。

1.2 配套教材內容滯后，教學內容與實際工程差異性大

由于土木工程專業性質，所有的課程需與規范、標準同步，但修訂后的新規范相配套的教材內容滯后，導致教學內容差異性較大[4]，學生在學習的過程中常會感到困惑，不能學以致用，無法利用課堂上所學的理論知識分析和解決工程實際中遇到的問題，對完成教學目標要求有一定的阻礙。例如，日前住房城鄉建設部關于發布國家標準《建筑結構可靠性設計統一標準》的公告：現批準《建筑結構可靠性設計統一標準》為國家標準，編號為GB50068-2018，自2019年4月1日起實施。《建筑結構可靠性設計統一標準GB-50068-2018》取消了以恒載起控制作用時分項系數取1.35的規定，恒荷載分項系數由1.2調整為1.3，活荷載分項系數由1.4調整為1.5，預應力作用分項系數1.3。新標準對相關系數進行了變動，但課堂上所講授內容并未提及分項系數變化后的內力組合計算和帶來的一系列影響，而一味提高分項系數能否實質性地提高結構安全，是否會導致施工單位偷工減料時更有底氣，鋼材需求增加是否會引起價格上漲等等。造價成本增加最終會由開發商轉接給購房者，而此項修改對造價的影響到底如何？對于高校土木工程專業的專任教師來講，我們所關心的是如何將這一調整帶來的改變及影響較全面地給土木工工程專業的本科生闡述清楚。

2 荷載與結構設計方法課程教學改革探討

為了消除學生的厭學情緒，激發學習興趣，改善課程教學中的諸多問題，提升教學效果，筆者對荷載與結構設計方法課程進行了教學改革探索與研究，提出了以下幾點改進措施。

2.1 構建多元混合式教學模式

目前，教師所采用的教學手段較多，有啟發式、對比式、案例式、互動式等[3]，但都屬于傳統教學手段，隨著計算機網絡的興起，近幾年來，信息技術快速發展，國家在《教育信息化十年發展規劃(2011年——2020年)》中已經指出，以教育信息化帶動教育現代化，注重信息技術與教育的全面深度融合[6]，所以微課、慕課、翻轉課堂等現代信息化教學手段如雨后春筍般進入高校課堂，實現了信息化技術與課程教學的有機結合，在信息化技術的大背景下，甘肅農業大學土木工程專業荷載與結構設計方法課程組對本課程進行了教學改革,探索與時代發展相適應的課程教學方法和手段,將網絡課程平臺、微課、翻轉課堂等結合起來,構建多元混合式教學模式[7]，具體探索途徑和實施方案如下所述。

2.1.1 提高教師應用信息化技術能力

目前，有關網絡教育教學的平臺很多，教師怎么樣去選擇適合自己課程性質和特點的教學模式以及如何利用信息化技術創建自己的課程，是當下的難點問題。鑒于此，甘肅農業大學聘請了對口支援學校清華大學混合課程教學團隊，通過線上培訓和線下面授的方式，對全校四分之三的教師進行了“混合教學與教師信息化教學能力提升”的培訓。培訓內容包括混合教學理念引領、混合課程的認知與設計以及混合課程建設，基于XMind8導學單的制作，錄屏軟件camtasia studio的使用，微視頻腳本設計，PPT課件優化技巧等，參加培訓的教師需完成自己所教授一門課程中一個學習單元的混合課程建設。通過該項教師教學能力提升的培訓，教師能充分利用信息化技術，針對自己的課程性質和特點，獨立建設混合教學課程。

2.1.2 線上線下共同學習，提高教學效果

在甘肅農業大學在線教育綜合平臺上，對荷載與結構設計方法這門課程進行混合教學建設。首先進行課程整體設計，按照課程性質對其進行學習單元的拆分，教師可添加調查問卷、討論區、學習反思及隨堂測試等教學活動環節，實現與學生的良好互動，改善傳統教學模式中老師唱獨角戲的問題，激發學生的學習興趣，培養其獨立思考的能力。例如，在講授溫度作用時，可通過線上教學平臺中創建的學習資源，觀看美國“9.11事件”，飛機撞擊大樓引發火災而發生倒塌的視頻，強調火災作用對人類造成的生命財產和經濟損失極其嚴重；講述地震作用時，可在討論區創建學生經歷5.12地震的話題；在講述地震波時，通過線上教學資源中的動畫，展示橫波、縱波、樂福波、瑞雷波的性質，幫助學生加深理解，并完成隨堂測試，積極挖掘學生的自主學習能力。

線上教學可進行學習評價，學習評價的維度和數據來源于三種：一是在線測試，二是課程作業，三是在線學習行為。在線學習行為包括在線時長、統計論壇、課程資源、學習筆記，教師按課程的性質設置相應的學習評價指標，荷載與結構設計方法課程總成績為線上成績(50%)+線下成績(50%)，其中線上學習評價指標為在線測試(10%)+課程作業(20%)+在線學習行為(20%)，線下成績為期末考試卷面成績，這樣設計學習評價指標，有效地避免了部分學生平時不學習、考前靠突擊的陋習，培養了學生良好的學習習慣。

采用混合教學手段，線下根據教學進度安排進行面授課程，線上根據教學大綱完善和鞏固重點、難點，學生可以通過網絡教學資源來豐富自己的專業知識，開闊視野，構建本課程各章節之間的聯系，擴充與本課程相關專業知識信息，做好與其他專業課程的銜接，又較好地實現了課堂互動環節，增進了師生之間的感情。

2.2 多引入工程案例，加強實踐訓練

荷載與結構設計方法作為一門工程技術類課程,教學中必須要安排一些與工程實際緊密結合的訓練環節,提升學生的工程實踐能力[8]，否則，影響其在工作崗位上對知識的應用能力及解決問題的創造能力。同時由于《建筑結構可靠性設計統一標準GB-50068-2018》的執行，導致教材內容滯后，而荷載統計與分析及內力組合直接會影響結構設計的安全性，為解決這一問題，同時將新標準調整后的計算方法和帶來的影響給學生講述清楚，筆者以內力組合為例，進行了以下研究工作：

為了將新舊標準的荷載效應組合值進行對比，首先應明確新舊標準中對荷載效應組合的規定。承載力極限狀態的荷載效應設計值分為荷載基本組合的效應設計值和荷載偶然組合的效應設計值，舊標準規定[9]：

(1)荷載基本組合的效應設計值：

①由可變荷載控制的組合荷載效應設計值：

Sd=∑1.2SGjk+1.4γL1SQ1k+∑γQiγLiφciSQik

②由永久荷載控制的組合荷載效應設計值：

Sd=∑1.35SGjk+∑1.4γLiφciSQik

③多遇烈度下的地震作用效應和其他荷載效應設計值：

S=1.2SGE+1.3SEhK+1.3SEvK+1.4φwSwk

(2)《建筑結構可靠性設計統一標準GB-50068-2018》，即新標準規定[10]：

①荷載基本組合的效應設計值

Sd=∑1.3SGjk+1.5γL1SQ1k+∑γQiγLiφciSQik

②多遇烈度下的地震作用效應和其他荷載效應設計值：

S=1.2SGE+1.3SEhK+1.3SEvK+1.4φwSwk

綜上所述，新標準取消了以恒載起控制作用的組合項，并對恒載及活載分項系數進行了修訂，但是沒有對考慮地震作用效應的荷載組合分項系數進行修訂，《高規》[11]中也明確指出，計算地震作用效應時，一般情況下重力荷載分項系數仍然取1.2，故當地震作用起控制作用時，新舊標準計算所得荷載效應內力組合值是相同的。

③案例對比分析

為了更清晰全面地闡述新標準荷載分項系數的調整對結構設計計算的影響，現設計了一棟教學樓，其建筑結構參數信息參考混凝土結構設計規范[12]、建筑抗震設計規范[13]等行業法規，利用盈建科建筑結構設計軟件，在確保其他設計條件不變的情況下，通過改變分項系數，分別計算了新、舊標準下內力組合值的大小，其工程概況如下：結構類型為鋼筋混凝土框架結構，抗震設防烈度為8度(0.20g)，場地類別為II類，設計地震分組為第二組。結構單層平面布置圖如圖1所示。圖2為取一榀框架計算結構內力的示意圖，圖中標注出了梁端的六個控制截面。

圖1 結構單層平面布置圖

圖2 一榀框架結構內力計算示意圖

無論新舊標準，內力設計值均為最不利組合，為了簡化計算本文選用的荷載組合方式包括：舊標準的荷載組合方式為1.2恒載+1.4活載、1.35恒載+0.98活載、1.2恒載+0.6活載+1.3地震、1.2恒載+0.6活載-1.3地震，取最不利組合為內力設計值；而新標準的荷載組合方式有1.3恒載+1.5活載、1.2恒載+0.6活載+1.3地震、1.2恒載+0.6活載-1.3地震，同樣取最不利組合為內力設計值。計算所得框架梁內力組合值如表1所示，框架梁端主要承受和傳遞彎矩及剪力，框架柱主要承受和傳遞彎矩、剪力及軸力，因為鋼筋混凝土框架結構底層柱為薄弱層，故取底層為典型算例進行比較。由表可知，新標準計算所得框架梁2、4、6截面的彎矩和剪力均大于舊標準計算結果，且彎矩設計值分別增大了48.8%、60.5%、55.6%，剪力設計值分別增大了22.0%、37.7%、23.2%；截面1、3、5的內力設計值新舊標準計算結果相同，這是因為1、3、5截面內力最不利組合是考慮了地震作用效應的組合項，該組合項荷載分項系數的新舊標準是一樣的。

表1 框架梁內力組合值

表2為新舊標準計算所得框架柱內力設計值的對比結果，可以看出，柱底所有截面內力設計值新舊標準的計算結果是完全相同的，這是因為在水平地震作用下，該截面的最不利組合是1.2恒載+0.6活載-1.3地震，該組合項的荷載分項系數并未進行修訂。

表2 框架柱內力組合值

④案例對比結論

通過對五層鋼筋混凝土框架結構在新、舊標準下最不利荷載組合值的計算，得出以下幾點結論：

a.新標準計算所得的內力值不小于舊標準所得計算結果，即分項系數的提高會使截面內力設計值增大；

b.當地震作用效應起控制作用時，新舊標準計算所得的內力設計值是相同的；

c.新標準修訂后的荷載組合項取消了以恒載起控制作用的分項系數1.35，使得荷載組合項數比舊標準少，因此減少了計算工作量，節約了計算成本。

采用案例法教學，可以將理論知識運用于實際工程中，激發了學生的學習興趣，調動了學習積極性，充分發揮了學生的自主能動性，加深了學生對知識點的理解，提升了學生的實踐能力，將該課程所學知識與其他專業課程的知識點交叉聯系，同時使得課堂也不再枯燥乏味，達到提升教學質量和教學效果的目的。

3 結語

針對荷載與結構設計方法課程在教學過程中存在的問題，筆者進行了該門課程的教學改革探索，充分利用信息化技術手段構建多元式混合教學模式，彌補了課程內容多學時少的缺點，實現了與學生的良好互動，培養了學生的學習興趣。在教學過程中適當增加案例教學，加深了學生對知識點的理解，提升了學生的實踐能力，但新型的教學改革是一條持久而又復雜的過程，還需在今后的教學過程中不斷總結經驗，不斷完善。