摘"要：實(shí)踐教學(xué)是專業(yè)教學(xué)的重要組成部分，是培養(yǎng)學(xué)生從基本理論運(yùn)用到解決工程實(shí)際問題能力的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。根據(jù)新工科背景下土木工程人才培養(yǎng)應(yīng)滿足國家和社會發(fā)展的需求，本文對混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理課程設(shè)計實(shí)踐教學(xué)進(jìn)行探索，學(xué)生在缺乏工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的情況下，利用Excel計算軟件的數(shù)據(jù)比較和統(tǒng)計分析功能，通過線上線下相結(jié)合，讓學(xué)生在有限的時間內(nèi)，得到較為合理的構(gòu)件設(shè)計方案，為創(chuàng)新教學(xué)方法、提高實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量，為支撐新模式、新理念下土木工程專業(yè)實(shí)踐課教學(xué)提供參考。

關(guān)鍵詞：新工科；教學(xué)改革；課程設(shè)計；混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理

中圖分類號：G642""文獻(xiàn)標(biāo)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(yè)應(yīng)用技術(shù)型本科人才培養(yǎng)模式已進(jìn)入了一個新階段，培養(yǎng)出適應(yīng)新時代和新技術(shù)要求的卓越人才成為土木類專業(yè)教學(xué)改革的重點(diǎn)之一［1］。實(shí)踐教學(xué)是專業(yè)教學(xué)的重要組成部分，是培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐動手能力和創(chuàng)新精神的主要途徑。

“混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理”是土木工程專業(yè)一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，該課程主要介紹了鋼筋混凝土與預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的構(gòu)造、受力特點(diǎn)、破壞特征及構(gòu)件設(shè)計計算的基本原理。該課程涉及的知識點(diǎn)多，與實(shí)踐結(jié)合緊密［2］。實(shí)踐課教學(xué)是將眾多理論知識應(yīng)用于實(shí)踐，是學(xué)生從數(shù)學(xué)思維到工程思維轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。如何讓學(xué)生通過理論課的學(xué)習(xí)在掌握了基本原理和計算方法的基礎(chǔ)上，能正確進(jìn)行混凝土構(gòu)件的設(shè)計，并能提出多種設(shè)計方案，從而使學(xué)生具有解決工程實(shí)際問題的能力。

1"實(shí)踐教學(xué)存在的問題

混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理實(shí)踐教學(xué)要求學(xué)生在一周內(nèi)完成普通鋼筋混凝土簡支構(gòu)件的設(shè)計，并完成截面構(gòu)造圖及鋼筋布置圖的繪制。該課程設(shè)計主要存在以下問題。

1.1"設(shè)計方案多樣，計算量大，數(shù)據(jù)連續(xù)

每組設(shè)計條件相同，但設(shè)計方案各有不同。同一設(shè)計方案中，如果前面構(gòu)件截面尺寸擬定得不合理，會導(dǎo)致后面的承載力、抗裂及撓度等驗(yàn)算無法通過，需要修改截面尺寸，整個設(shè)計要重新計算。個別粗心的學(xué)生在某個環(huán)節(jié)計算錯誤，如不能及時發(fā)現(xiàn)，錯誤數(shù)據(jù)的連續(xù)計算必然會得出錯誤的設(shè)計結(jié)論。

1.2"時間緊、任務(wù)重，尋求最優(yōu)方案困難

“混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理”課程在土木工程專業(yè)本科學(xué)生的第五學(xué)期開設(shè)，在此之前學(xué)生尚未接觸過課程設(shè)計這一教學(xué)模式，個別學(xué)生對任務(wù)書給出的設(shè)計任務(wù)無從下手。該學(xué)期學(xué)生同時要完成其他課程的設(shè)計任務(wù)，部分學(xué)生為了能使設(shè)計方案一次通過驗(yàn)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(guī)范要求，但是設(shè)計方案并不經(jīng)濟(jì)。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(yōu)設(shè)計方案要經(jīng)過反復(fù)試算實(shí)現(xiàn)。大部分學(xué)生雖然知道設(shè)計方案存在不足，卻沒有足夠時間去優(yōu)化，只能留有遺憾。

1.3"課程設(shè)計輔導(dǎo)教師工作量大

學(xué)生為了防止設(shè)計方案不合理導(dǎo)致返工，設(shè)計過程中希望指導(dǎo)教師對自己擬定的截面尺寸或鋼筋布置等設(shè)計參數(shù)給出修改意見。如果指導(dǎo)教師將標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計參數(shù)提供給學(xué)生，學(xué)生就缺乏了通過反復(fù)試算尋求最佳設(shè)計方案能力的訓(xùn)練。部分學(xué)生為防止計算錯誤導(dǎo)致設(shè)計結(jié)果的不正確，會實(shí)時找指導(dǎo)教師核對計算數(shù)據(jù)，從而大大增加了指導(dǎo)教師的工作量。

1.4"成績評定存在小范圍的不公正現(xiàn)象

課程設(shè)計成果的成績評定雖然計入了平時答疑和階段性任務(wù)的完成情況，但最終設(shè)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(xué)生學(xué)習(xí)真實(shí)水平的情況，主要原因是數(shù)據(jù)的錯誤不容易被發(fā)現(xiàn)，極個別拼湊、編造數(shù)據(jù)的文本不易辨別。

綜上分析，如何讓學(xué)生在有限的時間里獨(dú)立完成一份滿意的課程設(shè)計，如何在缺乏工程經(jīng)驗(yàn)的情況下，根據(jù)任務(wù)書給出的設(shè)計條件得出最優(yōu)的設(shè)計方案，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力，為后續(xù)“橋梁工程”課程設(shè)計打好基礎(chǔ)，是該實(shí)踐課教學(xué)改革應(yīng)該思考的問題。

2"選題設(shè)計探索

2.1"選題支撐土木工程專業(yè)教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)的指標(biāo)點(diǎn)

課程設(shè)計選題為普通鋼筋混凝土簡支梁的設(shè)計，通過此設(shè)計旨在培養(yǎng)學(xué)生的表達(dá)和創(chuàng)新能力，培養(yǎng)學(xué)生能以圖表等方式就土木工程專業(yè)的復(fù)雜工程問題與業(yè)界同行及社會公眾進(jìn)行有效溝通和交流的能力。同時能夠運(yùn)用工程科學(xué)原理，依據(jù)文獻(xiàn)、工程相關(guān)規(guī)范和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)分析土木工程專業(yè)工程問題的影響因素，對多種解決方案進(jìn)行論證分析，獲得有效結(jié)論。提出復(fù)雜工程問題的解決方案，能夠?qū)υO(shè)計方案進(jìn)行優(yōu)化，具有整體意識和創(chuàng)新意識［3］。

2.2"各組設(shè)計條件相似卻不雷同，任務(wù)工作量應(yīng)適中［4］

課程設(shè)計要達(dá)到實(shí)踐教學(xué)目的，學(xué)生具有解決工程設(shè)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(shè)計條件給予區(qū)分，如表1所示。每組2～3人，設(shè)計條件相同，但學(xué)生的設(shè)計方案不同，設(shè)計結(jié)果亦不同，方案有優(yōu)劣。設(shè)計條件相似，讓能力稍差的學(xué)生通過自己努力、教師輔導(dǎo)和學(xué)生幫助也能完成設(shè)計任務(wù)。通過這一環(huán)節(jié)的訓(xùn)練培養(yǎng)了學(xué)生的團(tuán)隊合作精神和自主學(xué)習(xí)意識，以適應(yīng)新工科背景下土木工程專業(yè)的新發(fā)展。

2.3"選題設(shè)計與工程實(shí)踐緊密結(jié)合，全面考查知識點(diǎn)

課程設(shè)計不只是數(shù)據(jù)的計算，更是對理論知識的綜合運(yùn)用。該設(shè)計要求學(xué)生根據(jù)任務(wù)書給出的設(shè)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(nèi)力組合計算，根據(jù)內(nèi)力組合計算結(jié)果進(jìn)行抗彎、抗剪鋼筋的設(shè)計，最終設(shè)計方案需滿足截面承載力要求，以及裂縫寬度及撓度驗(yàn)算應(yīng)符合規(guī)范規(guī)定。同時，按工程制圖規(guī)范繪制出截面構(gòu)造圖及鋼筋布置圖。

3"Excel在混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用

將Excel軟件強(qiáng)大的建模計算功能融入課程設(shè)計教學(xué)中，解決實(shí)踐教學(xué)中存在的問題。Excel表格分為階段性任務(wù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計表和最終設(shè)計成果統(tǒng)計表兩種形式。

3.1"階段性任務(wù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計表格的應(yīng)用

建立班級課程設(shè)計教學(xué)群，定期分為五個階段發(fā)布，分別為初步擬定截面尺寸階段、作用效應(yīng)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(yàn)算階段。給學(xué)生發(fā)布的在線數(shù)據(jù)統(tǒng)計表刪掉數(shù)據(jù)之間的計算功能，僅實(shí)現(xiàn)在線數(shù)據(jù)收集。表格內(nèi)容為不同設(shè)計階段的計算數(shù)據(jù)統(tǒng)計，如截面尺寸擬定階段主要內(nèi)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(nèi)容為承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)跨中、1/4處、支點(diǎn)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(tǒng)計學(xué)生的設(shè)計計算數(shù)據(jù)，學(xué)生之間也可以通過在線表格中的數(shù)據(jù)對比，思考自己設(shè)計方案和計算數(shù)據(jù)的合理性，同時也能看到其他學(xué)生設(shè)計方案的最終結(jié)果，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

在線表格的數(shù)據(jù)收集限定了時間，從而非常有效地督促了一些學(xué)習(xí)不夠主動的學(xué)生的設(shè)計進(jìn)度，也為能力稍差的學(xué)生提供了解決問題的思路。表格使雷同數(shù)據(jù)一目了然，杜絕課程設(shè)計中學(xué)生之間的抄襲現(xiàn)象。

3.2"設(shè)計成果數(shù)據(jù)統(tǒng)計表格的應(yīng)用

該表格在學(xué)生完成設(shè)計任務(wù)后發(fā)布，設(shè)計成果經(jīng)指導(dǎo)教師批閱后將學(xué)生的設(shè)計方案及最終數(shù)據(jù)發(fā)布于班級教學(xué)課程群。學(xué)生通過表格中數(shù)據(jù)對比（如表3所示），能很直觀地了解到自己的設(shè)計方案是否為最優(yōu)方案，哪些是影響設(shè)計結(jié)果的決定性參數(shù)，從而進(jìn)一步理解鞏固基礎(chǔ)理論，同時在沒有工程設(shè)計經(jīng)驗(yàn)的條件下，為學(xué)生后期優(yōu)化設(shè)計方案提供依據(jù)，積累設(shè)計經(jīng)驗(yàn)。

3.3"應(yīng)用效果

指導(dǎo)教師利用已編制的具有計算功能的Excel表，輸入學(xué)生的計算參數(shù)，能快速高效地檢查學(xué)生計算數(shù)據(jù)的合理性和正確性。對于驗(yàn)算無法通過的截面應(yīng)及時提出修改意見，對不正確的數(shù)據(jù)給予訂正，避免學(xué)生的無效返工，節(jié)省了時間。

通過表3中的數(shù)據(jù)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(guān)，截面越大，剛度越大，撓度越小。

第3組和第4組的設(shè)計方案，雖然前面都通過了承載力的驗(yàn)算，但撓度不滿足規(guī)范要求。對于第3組的情況，指導(dǎo)教師可以在前期擬定截面尺寸階段給予指導(dǎo)，避免學(xué)生返工。從第4組的兩個設(shè)計方案的計算數(shù)據(jù)可以看出，兩個學(xué)生的橋跨、設(shè)計荷載、截面尺寸均相同，鋼筋的設(shè)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(shè)計方案設(shè)計結(jié)果對比后，讓學(xué)生再一次鞏固課程教學(xué)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(fā)現(xiàn)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(yōu)于第一個方案，如果要優(yōu)化第一個方案，學(xué)生就要思考鋼筋設(shè)計時除了根據(jù)規(guī)范規(guī)定受力主鋼筋直徑應(yīng)在12～32mm之間選取之外，還要考慮在保證鋼筋凈距及保護(hù)層厚度滿足要求的情況下，應(yīng)盡量選擇直徑小的鋼筋。其他相關(guān)的基礎(chǔ)理論也可以通過相關(guān)表格中的數(shù)據(jù)很直觀地得到驗(yàn)證。

結(jié)語

通過幾個學(xué)期的應(yīng)用，該Excel表格提高了教師課程設(shè)計指導(dǎo)的效率，節(jié)省教師批閱課程設(shè)計的時間，同時該計算表格應(yīng)用于理論課教學(xué)和批改作業(yè)中也取得了較好的成效。Excel計算軟件直觀的數(shù)據(jù)統(tǒng)計功能［5］，讓學(xué)生通過表格中的變量比較，對自己的設(shè)計方案不足之處有了更深的了解。加強(qiáng)了學(xué)生的主觀能動性，開拓了學(xué)生的思維，鞏固了基礎(chǔ)理論，培養(yǎng)了學(xué)生解決實(shí)際工程問題的能力。實(shí)踐課教學(xué)研究本著工程教育認(rèn)證“學(xué)生中心、成果導(dǎo)向、持續(xù)改進(jìn)”的理念，為提高混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理實(shí)踐課教學(xué)提供參考。

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基金項目：西北民族大學(xué)教學(xué)改革項目（2021XJYBJG72）

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