常鴻飛　夏軍武　賈福萍　李富民　龍幫云　丁北斗

摘要：結(jié)構(gòu)設(shè)計原理是土木工程專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)核心課程，在課程體系中有著重要的作用。該課程旨在幫助學(xué)生形成基本的結(jié)構(gòu)設(shè)計概念，培養(yǎng)其結(jié)構(gòu)基本構(gòu)件的設(shè)計計算能力。教材是課程建設(shè)的重要一環(huán)，在一定程度上決定了教學(xué)效果的好壞。結(jié)合教學(xué)實踐，對大土木專業(yè)結(jié)構(gòu)設(shè)計原理課程及教材建設(shè)現(xiàn)狀進行分析，提出了精品教材的編寫建議，以期為土木工程專業(yè)基礎(chǔ)課程教材的建設(shè)提供參考。

關(guān)鍵詞：大土木專業(yè)；結(jié)構(gòu)設(shè)計原理；精品教材

中圖分類號：G423.3；TU-4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1005-2909（2016）05-0067-04

土木工程專業(yè)的人才培養(yǎng)模式很大程度決定了未來土木工程師的能力與素質(zhì)。目前世界上大多數(shù)國家采取“通才”教育，即強調(diào)“土木工程專業(yè)寬口徑”的培養(yǎng)目標(biāo)，在培養(yǎng)方案和課程設(shè)置上注重大土木平臺的構(gòu)建[1-2]。在這樣的背景下，專業(yè)平臺課程的學(xué)習(xí)對學(xué)生知識體系的形成尤為重要。

結(jié)構(gòu)設(shè)計原理課程作為土木工程專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課[3]，對幫助學(xué)生構(gòu)建基本結(jié)構(gòu)概念非常重要。近10年來，筆者所在的教學(xué)團隊針對該課程進行了一系列的實踐探索，先后承擔(dān)并完成多項課程建設(shè)與改革項目，該課程已榮獲“江蘇省精品課程”，團隊編著的《結(jié)構(gòu)設(shè)計原理》教材[4]獲江蘇省精品教材和重點修訂教材等立項。

筆者基于教學(xué)團隊在課堂教學(xué)及教材修訂過程中的實踐，對《結(jié)構(gòu)設(shè)計原理》精品教材建設(shè)進行探討，旨在為土木工程專業(yè)基礎(chǔ)課程教材建設(shè)提供參考。

一、現(xiàn)狀分析

結(jié)構(gòu)設(shè)計原理是土木工程專業(yè)的基礎(chǔ)核心課程，主要培養(yǎng)學(xué)生掌握結(jié)構(gòu)基本構(gòu)件的設(shè)計計算能力，為結(jié)構(gòu)整體設(shè)計奠定基礎(chǔ)。結(jié)構(gòu)設(shè)計原理主要講授混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理和鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計原理兩部分內(nèi)容，課程具有基礎(chǔ)性強、學(xué)時長、知識體系復(fù)雜、實踐性強等特點。目前國內(nèi)各高校均將該課程設(shè)置在第五學(xué)期，但開設(shè)方式各有不同，例如：清華大學(xué)將課程分為混凝土結(jié)構(gòu)（1）和鋼結(jié)構(gòu)（1）兩門課程，每門分別為3學(xué)分，合計96學(xué)時；同濟大學(xué)分為混凝土結(jié)構(gòu)基本

原理和鋼結(jié)構(gòu)基本原理，分別為4學(xué)分和2.5學(xué)分，合計111學(xué)時；東南大學(xué)將兩部分合并為工程結(jié)構(gòu)基本原理，合計5學(xué)分80學(xué)時；中國礦業(yè)大學(xué)將鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)合并為結(jié)構(gòu)設(shè)計原理課程，共80學(xué)時。

教材的編寫和選用與課程設(shè)置密切相關(guān)，教材的編寫質(zhì)量對課程教學(xué)效果的影響也非常明顯[5-6]。目前對于《鋼筋混凝土設(shè)計原理》和《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計原理》教材的建設(shè)，要么完全分離，要么簡單組合，在教材內(nèi)容編排方面對知識體系的完整性和共通性考慮不足。有些教材過于偏重理論分析，與實際工程聯(lián)系不緊密；有些教材僅強調(diào)實例缺乏足夠的理論分析。在“大土木”的背景下，如何將土木工程中基本構(gòu)件的設(shè)計原理融合為一整體，實現(xiàn)真正意義上的平臺課的搭建目標(biāo)，并與后續(xù)專業(yè)課的學(xué)習(xí)有效搭接，成為精品教材建設(shè)需要思考和解決的問題。

二、教材編寫探討

基于上述現(xiàn)狀分析和實踐探索，筆者認(rèn)為大土木專業(yè)結(jié)構(gòu)設(shè)計原理精品課程教材的編寫應(yīng)重視原理共通與材料差異并存，做到基本原理與工程應(yīng)用并重，實現(xiàn)課堂學(xué)習(xí)與課外拓展并舉。

（一） 原理共通與材料差異并存

作為一門介紹專業(yè)基礎(chǔ)的課程，其教材應(yīng)體現(xiàn)結(jié)構(gòu)構(gòu)件基本設(shè)計原理的共通性，同時也不應(yīng)忽略這些基本原理因材料的不同而引起的差異。以圖1（a）所示純彎曲構(gòu)件為例，如果是鋼筋混凝土梁圖1（b），其設(shè)計公式來源于試驗現(xiàn)象及理論推導(dǎo)的結(jié)合，講解中通常需要強調(diào)鋼筋與混凝土二者共同受力，給出如圖2所示的截面應(yīng)力的變化圖，并有一系列基本假定作為前提才能獲得這些基本公式，在授課過程中必須強調(diào)試驗現(xiàn)象并有專門的試驗環(huán)節(jié)針對該內(nèi)容做深化；而鋼梁圖1（c）的設(shè)計公式則源于材料力學(xué)的理論推導(dǎo)，其截面應(yīng)力的變化如圖3所示。對比圖2與圖3，可見其差異明顯。

這種差異在軸壓柱、偏壓柱以及構(gòu)件的連接方面也有所體現(xiàn)。如果無視這種差異，強行將兩部分內(nèi)容簡單揉合，必然給學(xué)習(xí)者特別是初學(xué)者帶來很大的困惑，

造成概念混淆、理解混亂。為此，在教材的結(jié)構(gòu)安排上，應(yīng)將混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理及鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計原理分篇編寫，既顯示出兩者之間在原理上的相通性，又體現(xiàn)了不同材料構(gòu)件設(shè)計的區(qū)別。這樣有既利于學(xué)生理解學(xué)習(xí)，又方便教師講解。

（二）基本原理與工程應(yīng)用并重

結(jié)構(gòu)設(shè)計原理課程的特點應(yīng)該是“始于理論，終于應(yīng)用”，即立足于基礎(chǔ)理論的同時還要強調(diào)基本原理的應(yīng)用方法，以使學(xué)生在掌握基本概念的基礎(chǔ)上，通過實例將原理應(yīng)用于設(shè)計實踐，加深學(xué)生理解。

首先應(yīng)妥善把握理論推導(dǎo)的尺度。對基本理論的涉及深度不宜過深，因為糾纏于基本理論往往會適得其反，造成學(xué)生疲于推導(dǎo)、演算，而忽略理論背后的“原理”。另外，理論推導(dǎo)枯燥乏味，勢必增加學(xué)生的學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān)，削弱其學(xué)習(xí)興趣。教材中的理論應(yīng)服務(wù)于基本原理。例如鋼結(jié)構(gòu)軸心受壓構(gòu)件的整體穩(wěn)定設(shè)計中非常重要的整體穩(wěn)定系數(shù)φ，它綜合體現(xiàn)了初彎曲、初偏心和焊接殘余應(yīng)力對構(gòu)件臨界應(yīng)力的影響，其中講到初彎曲對軸心壓桿承載力的影響時，用圖4所示的壓桿進行理論分析，推導(dǎo)出軸心壓力接近臨界壓力時，其跨中撓度趨于無窮大的結(jié)論，表明構(gòu)件失穩(wěn)，就很好地體現(xiàn)了“原理”。

其次，應(yīng)重點培養(yǎng)學(xué)生對基本原理的應(yīng)用方法。教材中對每個知識點都應(yīng)該有相應(yīng)的例題可以參考，同時還應(yīng)有綜合例題將相關(guān)知識點串聯(lián)，使學(xué)習(xí)者對知識點有系統(tǒng)整體把握。圖5為某鋼結(jié)構(gòu)的主次梁體系，以此為工程背景，可以將其次梁、主梁、柱、支撐等基本構(gòu)件的設(shè)計，以及主次梁、主梁與柱的連接設(shè)計分散于各個章節(jié)的例題中，既能各自獨立，又能形成整體結(jié)構(gòu)，幫助學(xué)生構(gòu)建由點及面的知識體系，應(yīng)用效果非常好。當(dāng)然，作為教材，課后還應(yīng)配合一些習(xí)題幫助學(xué)生完成課外拓展訓(xùn)練，使學(xué)生能及時將課程學(xué)習(xí)的內(nèi)容進行具體應(yīng)用。無論是例題還是習(xí)題，都要做到與實際工程緊密聯(lián)系，只有多聯(lián)系實際才能保證“原理”有個堅實的落腳點。

（三） 課堂學(xué)習(xí)與課外拓展并舉

土木工程學(xué)科的一個重要特點就是實踐性很強，任何一個理論都要經(jīng)得住實踐的檢驗，而很多設(shè)計理論也都是源于實踐。因此，一方面應(yīng)強調(diào)設(shè)計方法的實踐來源，在教材內(nèi)容編排上可按照試驗研究—理論分析—設(shè)計方法—實例分析的順序進行，并適當(dāng)配合現(xiàn)場試驗、動畫演示以及試驗錄像以加深學(xué)習(xí)者的印象。另一方面應(yīng)注意激發(fā)學(xué)生自主動手的能力，比如在教材中加入自主設(shè)計試驗、模型制作等習(xí)題。這對培養(yǎng)學(xué)生的結(jié)構(gòu)感覺非常重要，也可以豐富教學(xué)內(nèi)容。圖6a為鋼結(jié)構(gòu)連接部分的一道課后綜合作業(yè)題，包含了角焊縫受拉受彎、螺栓拉剪、螺栓拉彎等連接的驗算。學(xué)生對該圖的理解有困難，為了解決此問題，首先指導(dǎo)學(xué)生繪制了該連接的三維模型（圖6b），通過旋轉(zhuǎn)角度動態(tài)觀察輔助識圖，然后組織學(xué)生動手制作縮比模型（圖6c），通過親手操作組裝，學(xué)生對鋼結(jié)構(gòu)的傳力路徑、連接方式及構(gòu)造細(xì)節(jié)等有了更為深入的理解。這種實踐教學(xué)方法操作簡單，很好地實現(xiàn)了課堂學(xué)習(xí)與課外拓展的有效對接，實施效果良好。

結(jié)構(gòu)設(shè)計的流程相對比較程序化，每種構(gòu)件的設(shè)計都遵循一定的流程和規(guī)律，即材料參數(shù)確定、截面初選、基本設(shè)計公式選用、適用條件校核、復(fù)核等。為此，可以在每一章節(jié)設(shè)計方法闡述之后，附上對應(yīng)內(nèi)容的程序化流程圖（圖7），以有利于學(xué)生對設(shè)計過程的總體把握。同時，該部分內(nèi)容也為學(xué)有余力的學(xué)生提供了很好的編程鍛煉機會，如圖8即為指導(dǎo)學(xué)生參照教材流程編制的VB小程序，界面簡單、功能齊全、效果良好。

由于篇幅有限，這些課外拓展內(nèi)容無法在教材中充分展開，可以將其制作為電子資源庫，采用多媒體教材的形式對紙質(zhì)教材進行適當(dāng)補充。此外，還可將電子資源整合于精品課程網(wǎng)站，供學(xué)生瀏覽學(xué)習(xí)。

三、結(jié)語

結(jié)構(gòu)設(shè)計原理是大土木專業(yè)一門非常重要的專業(yè)核心課程，其內(nèi)容多、公式多、公式適用條件多，具有一定的難度。教材建設(shè)作為該課程的重要環(huán)節(jié)，對教學(xué)效果的影響較大?；诙嗄甑恼n堂教學(xué)和教材建設(shè)實踐，筆者對大土木專業(yè)結(jié)構(gòu)設(shè)計原理課程精品教材的編寫進行一些探討，以期為土木工程專業(yè)基礎(chǔ)課程教材的建設(shè)提供參考。

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