新工科背景下混凝土結構設計原理實踐教學改革探索

摘"要：實踐教學是專業教學的重要組成部分，是培養學生從基本理論運用到解決工程實際問題能力的關鍵環節。根據新工科背景下土木工程人才培養應滿足國家和社會發展的需求，本文對混凝土結構設計原理課程設計實踐教學進行探索，學生在缺乏工程實踐經驗的情況下，利用Excel計算軟件的數據比較和統計分析功能，通過線上線下相結合，讓學生在有限的時間內，得到較為合理的構件設計方案，為創新教學方法、提高實踐教學質量，為支撐新模式、新理念下土木工程專業實踐課教學提供參考。

關鍵詞：新工科；教學改革；課程設計；混凝土結構設計原理

中圖分類號：G642""文獻標識碼：A

Abstract：Practical"teaching"is"an"important"component"of"professional"teaching，which"is"a"key"to"cultivate"students'"ability"from"applying"basic"theories"to"solving"practical"engineering"problems.According"to"the"new"engineering"background，thenbsp;cultivation"of"civil"engineering"talents"should"meet"the"needs"of"the"development"of"the"country"andnbsp;society.In"this"paper，the"practical"teaching"of"the"course"design"of"Concrete"Structure"Design"Principle"is"explored.Under"the"absence"of"practical"experience"in"engineering，utilizing"the"data"comparison"and"statistical"analysis"functions"of"Excel"computing"software，through"the"combination"of"online"and"offline，students"can"get"a"more"reasonable"component"design"scheme"in"a"limited"time，which"provides"reference"for"innovating"teaching"methods，improving"the"quality"of"practical"teaching，supporting"the"practical"teaching"of"civil"engineering"specialty"under"new"modes"and"new"concepts.

Keywords：New"engineering；Teaching"reform；Course"Design；Concrete"Structure"Design"Principle

在新工科背景下土木工程專業應用技術型本科人才培養模式已進入了一個新階段，培養出適應新時代和新技術要求的卓越人才成為土木類專業教學改革的重點之一［1］。實踐教學是專業教學的重要組成部分，是培養學生實踐動手能力和創新精神的主要途徑。

“混凝土結構設計原理”是土木工程專業一門重要的專業基礎課，該課程主要介紹了鋼筋混凝土與預應力混凝土構件的構造、受力特點、破壞特征及構件設計計算的基本原理。該課程涉及的知識點多，與實踐結合緊密［2］。實踐課教學是將眾多理論知識應用于實踐，是學生從數學思維到工程思維轉化的關鍵環節。如何讓學生通過理論課的學習在掌握了基本原理和計算方法的基礎上，能正確進行混凝土構件的設計，并能提出多種設計方案，從而使學生具有解決工程實際問題的能力。

1"實踐教學存在的問題

混凝土結構設計原理實踐教學要求學生在一周內完成普通鋼筋混凝土簡支構件的設計，并完成截面構造圖及鋼筋布置圖的繪制。該課程設計主要存在以下問題。

1.1"設計方案多樣，計算量大，數據連續

每組設計條件相同，但設計方案各有不同。同一設計方案中，如果前面構件截面尺寸擬定得不合理，會導致后面的承載力、抗裂及撓度等驗算無法通過，需要修改截面尺寸，整個設計要重新計算。個別粗心的學生在某個環節計算錯誤，如不能及時發現，錯誤數據的連續計算必然會得出錯誤的設計結論。

1.2"時間緊、任務重，尋求最優方案困難

“混凝土結構設計原理”課程在土木工程專業本科學生的第五學期開設，在此之前學生尚未接觸過課程設計這一教學模式，個別學生對任務書給出的設計任務無從下手。該學期學生同時要完成其他課程的設計任務，部分學生為了能使設計方案一次通過驗算，往往采用大截面、多配筋的方案，雖然滿足了承載力、變形和裂縫寬度等規范要求，但是設計方案并不經濟。若要得到更好的方案需要重新修改截面尺寸或配筋方案，最優設計方案要經過反復試算實現。大部分學生雖然知道設計方案存在不足，卻沒有足夠時間去優化，只能留有遺憾。

1.3"課程設計輔導教師工作量大

學生為了防止設計方案不合理導致返工，設計過程中希望指導教師對自己擬定的截面尺寸或鋼筋布置等設計參數給出修改意見。如果指導教師將標準設計參數提供給學生，學生就缺乏了通過反復試算尋求最佳設計方案能力的訓練。部分學生為防止計算錯誤導致設計結果的不正確，會實時找指導教師核對計算數據，從而大大增加了指導教師的工作量。

1.4"成績評定存在小范圍的不公正現象

課程設計成果的成績評定雖然計入了平時答疑和階段性任務的完成情況，但最終設計計算書和圖紙占有70%的比例。有時存在考核成績不能公正反映學生學習真實水平的情況，主要原因是數據的錯誤不容易被發現，極個別拼湊、編造數據的文本不易辨別。

綜上分析，如何讓學生在有限的時間里獨立完成一份滿意的課程設計，如何在缺乏工程經驗的情況下，根據任務書給出的設計條件得出最優的設計方案，進而培養學生解決復雜工程問題的能力，為后續“橋梁工程”課程設計打好基礎，是該實踐課教學改革應該思考的問題。

2"選題設計探索

2.1"選題支撐土木工程專業教育認證標準的指標點

課程設計選題為普通鋼筋混凝土簡支梁的設計，通過此設計旨在培養學生的表達和創新能力，培養學生能以圖表等方式就土木工程專業的復雜工程問題與業界同行及社會公眾進行有效溝通和交流的能力。同時能夠運用工程科學原理，依據文獻、工程相關規范和技術標準分析土木工程專業工程問題的影響因素，對多種解決方案進行論證分析，獲得有效結論。提出復雜工程問題的解決方案，能夠對設計方案進行優化，具有整體意識和創新意識［3］。

2.2"各組設計條件相似卻不雷同，任務工作量應適中［4］

課程設計要達到實踐教學目的，學生具有解決工程設計問題的能力，在選題上采用多樣化，通過安全度等級、跨徑、截面類型、荷載等級等設計條件給予區分，如表1所示。每組2～3人，設計條件相同，但學生的設計方案不同，設計結果亦不同，方案有優劣。設計條件相似，讓能力稍差的學生通過自己努力、教師輔導和學生幫助也能完成設計任務。通過這一環節的訓練培養了學生的團隊合作精神和自主學習意識，以適應新工科背景下土木工程專業的新發展。

2.3"選題設計與工程實踐緊密結合，全面考查知識點

課程設計不只是數據的計算，更是對理論知識的綜合運用。該設計要求學生根據任務書給出的設計條件，通過查閱資料，初步擬定截面尺寸，并完成主梁最不利位置的內力組合計算，根據內力組合計算結果進行抗彎、抗剪鋼筋的設計，最終設計方案需滿足截面承載力要求，以及裂縫寬度及撓度驗算應符合規范規定。同時，按工程制圖規范繪制出截面構造圖及鋼筋布置圖。

3"Excel在混凝土結構設計原理實踐教學中的應用

將Excel軟件強大的建模計算功能融入課程設計教學中，解決實踐教學中存在的問題。Excel表格分為階段性任務數據統計表和最終設計成果統計表兩種形式。

3.1"階段性任務數據統計表格的應用

建立班級課程設計教學群，定期分為五個階段發布，分別為初步擬定截面尺寸階段、作用效應組合階段、正截面抗彎承載力計算階段、斜截面抗彎承載力計算階段、裂縫寬度及撓度驗算階段。給學生發布的在線數據統計表刪掉數據之間的計算功能，僅實現在線數據收集。表格內容為不同設計階段的計算數據統計，如截面尺寸擬定階段主要內容為橋跨、截面形式、翼板寬、翼板厚（邊緣、根部）、主梁高、梁肋寬；荷載組合階段主要內容為承載能力極限狀態和正常使用極限狀態跨中、1/4處、支點處的彎矩和剪力組合值，如表2所示。該表格的作用除了定期收集統計學生的設計計算數據，學生之間也可以通過在線表格中的數據對比，思考自己設計方案和計算數據的合理性，同時也能看到其他學生設計方案的最終結果，激發學生的學習興趣。

在線表格的數據收集限定了時間，從而非常有效地督促了一些學習不夠主動的學生的設計進度，也為能力稍差的學生提供了解決問題的思路。表格使雷同數據一目了然，杜絕課程設計中學生之間的抄襲現象。

3.2"設計成果數據統計表格的應用

該表格在學生完成設計任務后發布，設計成果經指導教師批閱后將學生的設計方案及最終數據發布于班級教學課程群。學生通過表格中數據對比（如表3所示），能很直觀地了解到自己的設計方案是否為最優方案，哪些是影響設計結果的決定性參數，從而進一步理解鞏固基礎理論，同時在沒有工程設計經驗的條件下，為學生后期優化設計方案提供依據，積累設計經驗。

3.3"應用效果

指導教師利用已編制的具有計算功能的Excel表，輸入學生的計算參數，能快速高效地檢查學生計算數據的合理性和正確性。對于驗算無法通過的截面應及時提出修改意見，對不正確的數據給予訂正，避免學生的無效返工，節省了時間。

通過表3中的數據可以看出第1組的三個方案中，第一個方案截面尺寸較小，雖然鋼筋面積比第二的方案大，但是最終撓度比第二個方案大。因此撓度與截面尺寸有關，截面越大，剛度越大，撓度越小。

第3組和第4組的設計方案，雖然前面都通過了承載力的驗算，但撓度不滿足規范要求。對于第3組的情況，指導教師可以在前期擬定截面尺寸階段給予指導，避免學生返工。從第4組的兩個設計方案的計算數據可以看出，兩個學生的橋跨、設計荷載、截面尺寸均相同，鋼筋的設計方案不同，選擇鋼筋直徑大的方案，梁的裂縫寬度和撓度都比較大，兩個設計方案設計結果對比后，讓學生再一次鞏固課程教學中講過的理論知識，即鋼筋直徑影響裂縫寬度這一計算理論。同時發現鋼筋的面積增加，并不能使撓度減小。顯然，第4組的第二個方案要優于第一個方案，如果要優化第一個方案，學生就要思考鋼筋設計時除了根據規范規定受力主鋼筋直徑應在12～32mm之間選取之外，還要考慮在保證鋼筋凈距及保護層厚度滿足要求的情況下，應盡量選擇直徑小的鋼筋。其他相關的基礎理論也可以通過相關表格中的數據很直觀地得到驗證。

結語

通過幾個學期的應用，該Excel表格提高了教師課程設計指導的效率，節省教師批閱課程設計的時間，同時該計算表格應用于理論課教學和批改作業中也取得了較好的成效。Excel計算軟件直觀的數據統計功能［5］，讓學生通過表格中的變量比較，對自己的設計方案不足之處有了更深的了解。加強了學生的主觀能動性，開拓了學生的思維，鞏固了基礎理論，培養了學生解決實際工程問題的能力。實踐課教學研究本著工程教育認證“學生中心、成果導向、持續改進”的理念，為提高混凝土結構設計原理實踐課教學提供參考。

參考文獻：

［1］曹海，方群莉，汪婷婷.新工科背景下混凝土結構課程實踐教學改革研究［J］.黃山學院學報，2021，23（3）：138140.

［2］喬慧云，陳譽.《混凝土結構設計原理》教學改革探索［J］.創新創業理論研究與實踐，2021（6）：3537.

［3］武鶴，楊揚，孫緒杰，等.工程教育認證背景下土木工程專業人才培養模式研究與實踐［J］.高等建筑教育，2019，28（1）：3540.

［4］秦世強，康俊濤.土木工程道橋方向混凝土結構設計原理課程設計教學改革探索［J］.教育教學論壇，2020（14）：158160.

［5］商懷帥，王濱，于德湖.Excel軟件在混凝土結構設計原理教學中的應用研究［J］.高等建筑教育，2014，23（2）：140143.

基金項目：西北民族大學教學改革項目（2021XJYBJG72）

作者簡介：馮英杰（1978—"），女，漢族，內蒙古赤峰人，碩士研究生，副教授，研究方向：橋梁工程教學與科研。