徐啟智

摘? 要：工程結構設計原理是土木工程專業(yè)重要基礎課程，對于培養(yǎng)學生專業(yè)能力和科研素養(yǎng)影響重大。隨著現(xiàn)代土木工程新技術、新結構和新理念的發(fā)展，傳統(tǒng)工程結構設計原理既要與時俱進，也應面向未來。該文對傳統(tǒng)工程結構設計原理課程的內容進行分析和闡述，結合前沿技術發(fā)展提出工程結構設計原理課程的更新模式和探索方向，從課堂內容重構、實驗教學和考核體系三個維度對課程進行全面布局。以重大工程實例為契機，將現(xiàn)代土木新材料和新結構引入到課程教學中，向學生傳播領先的科研思想。重視實驗課程的訓練，對實驗教學不同階段變革實踐模式和考核方式，提高學生的積極性和主動性，全面培養(yǎng)基礎扎實、實踐性強、思想敏銳的復合型科技人才。

關鍵詞：工程結構設計原理；課程教學；實驗教學；新結構；新材料

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2024）05-0132-04

Abstract： The principles of engineering structural design， as an important fundamental theoretical course in civil engineering， have a crucial impact on the exercise of students' professional abilities and scientific research literacy. With the development of new technologies， structures， and concepts in the field of modern civil engineering， the course of engineering structural design principles should not only be based on the present contents， but also keep up with the times. This paper presents the analysis and elaborates on the content of traditional engineering structure design principles courses， and proposes an update mode and exploration direction for engineering structure design principles courses based on current technological development. The engineering structure design principles course is newly built from three aspects： class content reconstruction， course experimental teaching， and course assessment system. Taking typical major engineering projects as an opportunity， introducing the new materials and structures from modern civil engineering into traditional curriculum teaching， contributed to develop students with leading scientific research ideas. By emphasize the training of experimental process， changing the teaching mode and assessment system at different stages at prior to-， during-， and post-stageof the experiment， improves the students' enthusiasm and active participation， thereby comprehensively cultivating composite technology talents with solid foundation， strong practicality， and sharp thinking.

Keywords： Principles of Engineering Structural Design; course teaching; experimental teaching; new structures; new materials

近年來，我國社會經濟取得了突飛猛進的發(fā)展，工程建設規(guī)模不斷加大，有效化解了鋼鐵、水泥和能源等傳統(tǒng)產業(yè)的產能過剩問題，進一步推動了新材料、新技術、新工藝和新理論不斷涌現(xiàn)，促進了產業(yè)融合升級和工程建造的蓬勃發(fā)展[1-2]。建筑產業(yè)變革發(fā)展和升級換代對從業(yè)人員的設計、施工和建造等全產業(yè)鏈創(chuàng)新提出了更為迫切的需求，要求人才鏈、教育鏈、產業(yè)鏈和創(chuàng)新鏈緊密銜接。在新工科背景下，必須解決人才培養(yǎng)與行業(yè)需求之間的斷層問題，讓畢業(yè)生不斷適應未來產業(yè)技術需求，同時推動產業(yè)鏈的不斷延伸與擴展。因此，緊密結合當前高新技術和前沿理論發(fā)展趨勢，與時俱進，面向未來，探索可持續(xù)高質量并適應新階段新體系新理念的工程結構設計原理教學課程和人才培養(yǎng)模式迫在眉睫[3]。

工程結構設計原理是土木工程重要的專業(yè)基礎課之一，是一門兼具理論性、實驗性和經驗性的課程，本課程課堂教學以結構力學、材料力學和理論力學三大力學為基礎，將混凝土結構、鋼結構和砌體結構等基本原理和基本受力構件進行有機結合，形成通用化、綜合性強的課程[4]。本課程特點是基本概念多、公式復雜、與實際應用緊密結合、實踐性強等，需要具備較強的力學基礎和實踐能力。該課程基本包含了土木工程中基本受力構件的力學性能研究和計算理論，有助于學生深刻掌握構件設計的內涵和方法，為后續(xù)結構設計打下扎實的基礎。實驗教學是本課程的特色之一，通過實驗操作和現(xiàn)場觀察，不僅能夠加深學生對書本上基本原理、現(xiàn)象描述和參數(shù)推導過程的朔源性理解和認識，同時，對土木工程結構中常用構件的破壞模式及受力全過程的分析有更為直觀的認識。在使用不同的加載儀器、測量設備和分析軟件等過程中，全面鍛煉了學生的動手實踐能力，培養(yǎng)了學生對土木工程實驗的熱愛和興趣，在實踐中充分學習并提高解決問題的能力，延伸對本專業(yè)的深厚熱情和創(chuàng)新精神，逐步總結凝練出特色經驗。

隨著現(xiàn)階段新材料、新技術的蓬勃發(fā)展，高性能材料的深刻變革引起構件乃至結構的設計理論發(fā)生根本的改變，傳統(tǒng)的設計理論等可能不再適用于新結構和新技術，如何與時俱進地發(fā)展現(xiàn)有的工程結構設計理論框架，擴大學生的知識領域，激發(fā)學生的濃厚興趣，錘煉學生的創(chuàng)新思維，是新工科背景下不斷探索工程結構設計理論課程改革需直面解決的問題，具有重要的課程教育研究價值和發(fā)展未來新技術的實踐意義[5]。因此，本文以面向現(xiàn)在及未來工程結構設計理論發(fā)展及其應用需求為導向，探索工程結構設計原理課程教學改革與更新優(yōu)化，以適應新科技發(fā)展和新產業(yè)革命的需要。在廣泛調研和現(xiàn)有課程教學基礎上，擬從鋼結構、混凝土結構和組合結構三種現(xiàn)有的典型結構體系出發(fā)，結合近年發(fā)展的新材料技術，更新已有的課程教學內容，豐富課堂教學知識點，延伸出未來可能存在的前瞻性研究；充分發(fā)揮實驗教學的直觀感受及其對課堂知識有益補充的功能，挖掘最新工程案例的引領作用，啟迪學生的創(chuàng)新思維；積極發(fā)展已有的數(shù)值技術，突破課堂學習時間的有限性，培養(yǎng)不斷學習、終身學習的能力。同時，構建不同維度的學生能力考核機制，充分調動學生積極參與、廣泛參與、深度參與課程學習的全過程[6-7]。

一? 工程結構設計原理教學現(xiàn)狀分析

傳統(tǒng)的工程結構設計原理課程大體上主要按照鋼結構、混凝土結構和砌體結構等不同工程材料組成的結構體系進行細分，然后每種結構體系中按照不同構件的受力狀態(tài)加以區(qū)分。鋼結構部分主要包括鋼結構構件連接與計算、受彎鋼構件承載力及穩(wěn)定計算、軸心受力和拉彎、壓彎構件計算等教學內容。而混凝土結構部分主要包含鋼筋混凝土梁正截面受彎承載力、斜截面受剪承載力、混凝土柱承載力計算、裂縫和變形計算等。而砌體構件部分內容相對少一些，主要包括無筋砌體受壓構件和局部受壓等的計算等。本門課程的特點是基礎理論多、基本概念枯燥，學生難以維系持久的興趣，難以激發(fā)學生主動學習的行為。且目前課堂所應用的教學計劃與教學內容多基于以前的研究成果加以編撰，相對當前新科技的發(fā)展已比較陳舊滯后，不符合新形勢下工程結構設計理論課程應對大型復雜結構設計的挑戰(zhàn)和人才培養(yǎng)的創(chuàng)新需求[8-9]。

二? 工程結構設計原理課程教學的重構與創(chuàng)新

（一）? 工程結構設計原理已有課程內容更新與重構

以面向未來工程技術發(fā)展的新工科人才所需的核心能力與科研素質為切入點，全方位、系統(tǒng)性構建現(xiàn)代工程結構設計原理課程教學體系。傳統(tǒng)的工程結構設計理論課程所涉及的構件多以常用的普通混凝土和普通強度鋼材為主。近年來，隨著超高層建筑結構和大跨橋梁結構的不斷發(fā)展，高性能材料得以規(guī)?；瘧煤屯茝V，對于攻克復雜、非常規(guī)的工程技術瓶頸問題起到了至關重要的作用。相對于傳統(tǒng)的普通混凝土材料和鋼材，超高性能混凝土和高強鋼等先進工程材料正受到越來越多工程人員的青睞，既能提升已有結構的服役性能，同時對于未來結構性能的升級換代具有重要的引領作用，當前已逐步由節(jié)點、接縫等附屬部位逐漸轉向主梁等主承力構件而廣泛應用。在新的課程內容中，應在工程材料課程部分進一步增加超高性能混凝土和高強鋼材的材料性能新特點、新技術及其在現(xiàn)代土木工程結構中的應用場景，激發(fā)學生對于高性能新材料的興趣和研發(fā)新材料解決實際工程“卡脖子”問題的自信心和自豪感。在課堂教學中，可以南京長江五橋為工程案例，作為誕生于南京的600米雙主跨世界上第一座粗骨料超高性能混凝土橋面板-鋼組合梁斜拉橋，將該橋梁結構與普通斜拉橋結構進行對比，反映出該結構在突破傳統(tǒng)橋梁跨徑，實現(xiàn)結構輕量化和高性能的技術優(yōu)勢。接著深入分析結構性能需求如何反向演繹對材料性能的需求，從而創(chuàng)新性提出了這樣一種高抗壓、高抗裂和高耐久的超高性能混凝土材料。進一步地，為學生對比超高性能混凝土與普通混凝土在材料性能實驗設計與測量、材料破壞形態(tài)和本構關系曲線的差異，并針對強度、彈模和耐久性等指標在結構中不同應用部位作較為詳細的闡述，極大豐富已有課程的混凝土知識的內涵，拓寬學生對工程材料與結構性能之間相互匹配映射關系的認知邊界。進一步地，在混凝土梁受彎及受剪、裂縫和變形、混凝土柱受壓等計算理論方面，可進一步加入超高性能混凝土構件的計算理論對比?；谇笆鲫P于材料性能對比的知識講解，進一步將其引入混凝土構件的截面分析之中，同時根據(jù)歐洲規(guī)范、澳大利亞和美國規(guī)范中的材料本構關系、受彎、受剪及截面受壓承載力計算公式，對比與普通混凝土構件受力計算的差異，讓學生充分了解并探討此類新材料由于材性變化所引起的構件設計方法的差異和影響，從而將高新材料性能與構件設計緊密結合，掌握各類新型構件的承載力計算的一種具有普適性的思想方法，這對今后的深入科學研究大有裨益。

另一方面，除了量大面廣的混凝土結構外，鋼結構也是土木工程領域廣泛應用的一種結構體系。隨著制造工藝的不斷進步，高強鋼材的生產已日趨成熟，高性能鋼材開始逐步得以應用。高強鋼的名義屈服強度通常在420 MPa以上，因其卓越的強度和變形能力，在當前工程建設中呈現(xiàn)出較為明顯的優(yōu)勢：第一，因其強度高，可將構件制作的小而輕薄，可減輕構件及結構自重，從而降低運輸和吊裝成本；第二，減少焊縫體積，降低殘余應力、縮短工期；第三，節(jié)約鋼材本身用量，從而降低對鐵礦、焊材等的消耗，最終降低單位工程量的能源消耗和碳排放，符合國家“雙碳”戰(zhàn)略；第四，相比于普通鋼材，高強鋼具有更加良好的抗火、耐腐蝕和耐疲勞性能，用于主梁、纜索等主承力構件可適應高溫、潮濕、海洋等惡劣環(huán)境條件。當前的鋼結構部分課程內容仍多以數(shù)十年前傳統(tǒng)的普通鋼結構知識體系為框架，無法完全反映當前土木工程鋼結構發(fā)展的新形勢和新需求。因此，面向不同層次學習群體需要與時俱進地講授當前鋼結構的發(fā)展脈絡和前沿理論。在實際課堂教學中，可從傳統(tǒng)鋼結構所面臨的瓶頸問題入手，結合當前國內外著名的鋼結構工程實例（如澳大利亞悉尼的Latitude大廈）講述其運用高強鋼材料突破關鍵技術問題和結構性能優(yōu)勢，從而引入高強鋼這一研究對象。在材料性能章節(jié)對比高強鋼和普通鋼材在本構關系上的區(qū)別，尤其是屈服點和屈服平臺方面的差異。在鋼構件承載力計算及穩(wěn)定性計算方面，引入高強鋼的本構關系，分析截面應力-應變分布對構件承載力和穩(wěn)定性的計算的影響，對比與普通鋼材在連接構造、連接受力、承載力和穩(wěn)定性等方面的性能提升。結合高強鋼不同力學特征方面優(yōu)勢，側重向學生講解其在工程結構抗火、耐腐蝕、耐疲勞等方面的特色應用，提高學生對新材料提升結構性能方面的敏銳性和洞察力，逐步培養(yǎng)學生從被動接受知識到主動探索科研的創(chuàng)新思維，為面向土木工程未來發(fā)展培養(yǎng)基礎扎實、勇攀高峰的復合型人才。

另外，從工程結構設計原理的授課內容看，其以量大面廣的鋼構件和混凝土構件設計為主，這主要與土木工程不同結構類型的應用廣度和深度密切相關。從實際工程現(xiàn)應用的結構體系來看，除了鋼結構和混凝土構件外，鋼-混組合構件充分發(fā)揮混凝土高抗壓和鋼梁高抗拉性能，有效避免了混凝土開裂和鋼梁受壓失穩(wěn)等問題，既減輕了結構自重，同時具備優(yōu)異的經濟性，在大跨橋梁結構和超高層建筑中正得到廣泛的應用。作為在鋼結構和混凝土結構基礎上發(fā)展而來的一種新型構件，與兩種傳統(tǒng)構件的受力特征有著緊密的聯(lián)系。在工程結構設計原理課程中，建議增加組合結構截面設計這部分內容，既綜合了前面章節(jié)中鋼結構和混凝土結構的知識點，加深了認識，同時讓學生對這一結構體系的受力性能和截面應力分析有了初步的認識。在實際授課過程中，通過回顧前面鋼結構和混凝土構件的材料本構關系及截面應力分析，引出組合截面的計算理論，讓學生在鋼構件、混凝土構件和組合構件三種構件之中求同存異。同時可以對組合截面進行更為廣義的擴充，此種理念不僅適用于鋼-混組合截面，也適用于超高性能混凝土-普通混凝土組合、鋼-混-鋼組合等多種形式的組合截面，其在原理上是共通的。而且還要重點講解這些不同類型的截面在實際工程領域的創(chuàng)新應用。這樣承前啟后、多層次、多維度的講解，既有益于學生前后連貫地掌握傳統(tǒng)結構設計理論并延伸新結構知識體系，同時有利于學生在今后的科研和工作中適應不斷變化的創(chuàng)新需求。

（二）? 實驗教學、仿真實踐與課程教學深度結合

工程結構設計原理課程的實驗教學環(huán)節(jié)通常包括：鋼筋混凝土梁受彎性能實驗、鋼筋混凝土梁受剪性能實驗、鋼筋混凝土柱受壓性能實驗、鋼柱軸心受壓性能實驗及砌體受壓性能實驗等[10]。通常實驗課程環(huán)節(jié)均由實驗指導教師首先將實驗指導書及實驗報告發(fā)給學生，學生根據(jù)要求進行預習。然后在實驗現(xiàn)場由實驗指導教師進行實驗前詳解并展開巡回指導，由學生撰寫各自的實驗報告，最后交由老師進行批閱修改。這種傳統(tǒng)的實驗教學讓學生在實驗過程中掌握了實驗操作流程和實驗儀器用法，并對課堂所學的基礎理論知識加深了認識，取得了一定積極的效益。但也存在一些通用的弊端：一是學生的實驗準備不足，實驗報告抄襲現(xiàn)象嚴重；二是學生創(chuàng)新性不夠，實驗后缺乏對實驗過程的總結，無法完全發(fā)揮主觀能動性。因此，從基礎理論到實驗開展到實驗后總結無法做到全過程融會貫通，學生也無法進行有效的創(chuàng)新驅動思考。

針對上述問題，為積極響應國家發(fā)展新工科的倡議，應充分調動學生在實踐方面的主觀能動性，培養(yǎng)學生在實驗方面的動手能力和思考能力?，F(xiàn)代網絡課程信息廣泛傳播，數(shù)值仿真技術高度發(fā)達，在學生進入實驗室前，應對即將開展的實驗過程和實驗結果有充分的了解和判斷。可對參與實驗的學生進行分組，每個學生通過網絡實驗課程的學習，詳細了解實驗構件的典型破壞特征。在進入實驗室前，分批分組讓學生根據(jù)自己的實驗做PPT文件，并進行實地講解，提高學生主觀學習行為。為避免有些學生不經過思考只是單純盲從一部分人，缺乏主動參與意識，對每組的每個學生實驗構件設置不同的材料參數(shù)，對實驗構件進行理論計算與分析，并提前一周提交電子報告給指導老師，只有實驗加載過程和初步分析正確的學生才能進入實驗室開展實驗。實驗結束后，針對每組實驗，學生應進一步分析實驗結果與理論值產生偏差的原因，并提出對實驗結果進行修正的建議和方法。為培養(yǎng)不同層次學生的科研創(chuàng)新能力，給每組學生設置延伸內容，如為讓學生更加直面課堂教學中所講授的新材料技術發(fā)展對于土木工程結構性能的影響，可在傳統(tǒng)工程結構設計原理實驗教學中增加新材料構件的破壞實驗，例如超高性能混凝土梁受彎和高強鋼柱軸壓實驗等，讓學生對其有別于傳統(tǒng)構件的破壞模式有較為直觀的感受?，F(xiàn)階段大學生創(chuàng)新訓練計劃不斷完善，數(shù)值軟件的應用在本科階段亦逐漸普及，鼓勵學生在實驗完成后采用數(shù)值軟件進行建模，與實驗結果相互驗證和相互補充，進一步開展參數(shù)分析，克服實驗教學資源的短板，形成實驗結果和理論的再研究、再深化。

三? 優(yōu)化工程結構設計原理課程評價體系和考核指標

課程考核評價體系是引導和促進學生積極學習的指揮棒，工程結構設計原理課程傳統(tǒng)的考核方式采用課堂作業(yè)、考試成績和實驗成績相結合的方式，并且期末考試成績權重較大，導致很多學生重視課程內容的學習，而輕視實驗環(huán)節(jié)的技能培養(yǎng)，從而忽略了對土木工程新技術的掌握和對未來從事科研訓練的技能儲備。實際上，實驗環(huán)節(jié)的直觀感受和學習更有益于鞏固課堂課程教授的基礎理論，為扭轉學生“重課堂，輕實驗”的理念，從考核機制上進行精細化分類評價來解決這一根本問題（表1）。首先，基礎理論學習環(huán)節(jié)占整個課程成績比重的70%，而實驗教學環(huán)節(jié)則應占到課程總成績的30%。其中課程基礎理論學習環(huán)節(jié)包括課時作業(yè)、課堂互動和期末考試等部分，應分別占理論部分的10%、10%和80%，課堂互動重點對具有科研潛力和獨到見解的給予高分，鼓勵學生敢于創(chuàng)新，積極拓寬思維邊界，與現(xiàn)有的先進技術和科研思想相結合。這既是授業(yè)解惑同時也是向學生傳播先進的科研思想，使得不同層次的群體都能受益。而實驗教學環(huán)節(jié)，則主要包括實驗前的PPT匯報、實驗過程中的操作技能和實驗后的實驗報告總結、分析與拓展，每部分應分別占實驗教學成績的30%、30%和40%。尤其是對學生設置多樣化的選題，充分激發(fā)學生的實踐興趣，調動學生主動參與的積極性。通過選題的多樣性避免過度的抄襲，讓實踐能力和科研思維貫穿學生課程學習的全過程。

四? 結束語

工程結構設計原理是一門將結構設計基礎理論和結構實驗融為一體的綜合性課程，既要求學生掌握基礎理論知識，同時要求具備解決工程實際問題的能力。面向土木工程領域新材料和新技術等應用革新與發(fā)展，立足傳統(tǒng)工程結構設計理論課程教學內容，發(fā)展適應新形勢、新工科要求的現(xiàn)代土木工程結構設計課程體系乃大勢所趨。高性能材料技術是發(fā)展高性能結構的重要途徑，在普通鋼結構和混凝土結構中增加高性能混凝土和高強鋼結構，補充組合結構等課程內容，既鞏固和豐富了傳統(tǒng)工程結構的知識體系，同時開拓了學生思維，提高了學生的認知水平，啟發(fā)了學生的科研創(chuàng)新能力。實驗教學作為培養(yǎng)和提高學生科研能力的重要環(huán)節(jié)，應在現(xiàn)代工程結構設計原理課程中予以足夠的重視，通過實驗前設置不同構件參數(shù)，分組單獨預習匯報，避免可能的抄襲現(xiàn)象，提高學生的主觀能動性和參與性。在實驗過程中，學生主動參與實際操作，同時講解并回答問題，參與考核，積極提高學生的實踐能力。除了完成實驗報告外，借助數(shù)值軟件進行拓展性研究，使得基礎理論、實驗教學與科研創(chuàng)新深度融合，助力培養(yǎng)面向未來高新技術需求的知行合一、勇于創(chuàng)新的工程結構領軍人才。

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