荷载与结构设计方法课程教学改革研究
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作者: 陈春红 封金财
摘 要: 本文作者对荷载与结构设计方法课的教学内容和教学现状进行分析后发现,该课程对前修课的要求与现有教学计划矛盾。为此,作者提出了从应用层面上对荷载与结构设计方法课程进行改革的新思路,认为应该取消该课程,各类荷载的计算由其他在内容上相关的课程解决,结构可靠度设计方法放在混凝土结构设计方法课讲解。在现行的教学计划下,作者还探讨了最大限度地提高该课程教学效果的方法,从而使学生较好地掌握这门课。
关键词: 荷载与结构设计方法课程 对策 教学方法改革
20世纪末教育部对土木工程专业进行了新的划分,原建筑工程专业、交通土建专业、地下工程专业及矿山建设专业合并为土木工程专业,其课程体系设置也作了相应调整,增设了荷载与结构设计方法这门专业基础课。但是,几年来在荷载与结构设计方法课程的教学过程中,我们发现该课程的设置存在一些问题,使其教学过程面临困难。为解决这些问题,我们作了相关的探讨和实践。
一、荷载与结构设计方法课的内容及要求
荷载与结构设计方法属于专业基础课程。教学内容主要可分为两部分[1-2]:第一部分是结构在使用年限内可能遇到的各种荷载及其相应的计算方法,包括重力引起的竖向荷载计算、侧压力计算、风荷载计算、地震荷载计算、其他作用计算等。这部分内容主要是各种荷载的作用机理和计算公式的推导以及计算作用在结构上产生的荷载效应,要求学生掌握各种荷载的计算方法。第二部分是介绍结构设计方法,包括荷载统计分析、抗力统计分析、结构可靠度分析及概率极限设计方法,要求学生掌握满足可靠度的结构设计方法。因此,该课程的学习效果对于学生掌握专业基础知识,深入学习后继专业课程具有重大影响[3]。但是第二部分内容不再涉及各类荷载的计算,因此这两部分内容在概念体系上不是充分相关的。
二、荷载与结构设计方法课面临的困难
要完成荷载与结构设计方法课的教学任务,我们先要分析该课程的前修课程有哪些[4]。
重力引起的竖向荷载计算包括结构自重荷载、土的自重荷载、雪荷载、车荷载、楼屋面活荷载及行人荷载。在结构自重荷载、雪荷载、楼屋面活荷载及行人荷载的计算中,往往要将这些荷载计算到不同构件层次上。为此,我们需要知道建筑物的构造方法、结构体系及力的传递路径,而这些知识有赖于房屋建筑学、各类结构设计与板壳力学的知识。
侧压力计算包括土的侧压力、水压力、波浪荷载、冻胀力等。土的侧压力是以土的材料性能和强度理论为基础,我们必须学习土力学和弹性力学才能很好地理解和掌握。水压力和波浪荷载计算需要以流体力学为基础。
风荷载计算需要知道空气流体的特性,以及结构的动力响应特性,需要流体力学和结构动力学的知识支撑。
地震荷载计算较难,涉及到地震基本知识、结构地震设防和结构的动力响应特性等,不先学习结构抗震工程和结构动力学是不可能做到的。
其他作用中的爆炸作用需要空气动力学课的知识,而本专业一般不开设该课,因此只能直接介绍爆炸作用的计算公式。预加力涉及到预应力知识,主要在混凝土结构设计原理和施工技术里讲解。
荷载的统计分析和结构抗力的统计分析涉及到概率与统计知识。
综上所述,荷载与结构设计方法的前修课程有概率与统计、房屋建筑学、结构力学、弹性力学、土力学、流体力学、结构抗震工程、结构动力学、混凝土结构设计原理和施工技术等课程,特别是概率与统计、土力学、结构动力学和建筑抗震工程。没有这些前修课程的支撑,要学好荷载与结构设计方法课中的第一部分内容犹如空中建楼,是不可能实现的。由于荷载与结构设计方法课是专业基础课,在教学计划中这些课程不可能全部安排在该课程之前,否则不利于教学活动的组织。混凝土结构设计原理、结构抗震工程和施工技术等课程一般安排在大学后期学习。
另外,荷载与结构设计方法课的很多内容与其他专业课程重复,如土的侧压力与土力学知识重复,地震作用与结构抗震工程内容重复,水压力与流体力学内容重复,等等。由于该课程学时有限,内容涉及面广,但又没有相关课程内容讲的深入,教师只能点到为止,不能深入其里,学生容易产生混淆和负迁移。我们在课堂教学过程和学生的问卷调查中均发现,学生在学习第一部分内容时新鲜感大打折扣;而第二部分内容理论性强,没有具体结构作为讲解载体,学习起来较为枯燥乏味。这就使得教学效果不理想,教学过程面临困难。
三、问题与对策
荷载与结构设计方法课对前修课的要求及其与现有教学计划的矛盾属于教学计划层面上的结构性矛盾,其根本解决思路应从结构调整上入手。我们在教学实践经验基础上,对这问题作了探讨,认为要解决这个问题,可以取消荷载与结构设计方法课,把该课程的教学内容拆分,再重组到相应的课程上讲解。
第一部分内容不再强调荷载的作用机理和计算公式的推导,致力于从应用层面上讲解各种荷载的计算。把与土有关的荷载在土力学课上讲解,与水有关的荷载在水力学课上讲解;地震作用在结构抗震工程上讲解;风荷载和爆炸作用可在流体力学课上讲解;雪荷载、结构自重荷载和楼屋面荷载相对比较简单,可以在混凝土结构设计大作业或课程设计中讲解;温度作用和变形作用可以在结构力学中讲解。如此一来,既能使学生学习各种荷载的计算方法,又能解决荷载与结构设计方法课这部分内容所面临的矛盾。
第二部分内容是结构设计方法,不再涉及各类荷载的具体计算,混凝土结构设计课程也涉及到结构设计方法。因此可以把两门课程的这部分内容结合起来,放在混凝土结构设计课程中讲解。把结构可靠度设计理论和结构设计方法应用到具体结构的设计上,从应用层面上来讲解,直观形象,学生感觉这部分内容学来即用,比单纯的理论学习效果要好。
把荷载与结构设计方法教学内容拆分重组,既可以保证教学计划的系统性,又可以避免教学内容上的重复。现在有不少学校在实践这种方法,如东南大学将荷载与结构设计方法和混凝土结构设计两门课程结合起来,统称为工程结构设计原理。
四、教学方法改革
在课程体系尚未执行,不能从教学计划上作调整时,为了提高教学效果,权宜之计是在教学方法方面进行改革。我们发现,在教学中若过于重视荷载的产生机理和计算公式的推导,很容易使学生陷入概念、符号、公式系数中,产生畏惧感,丧失信心、失去兴趣。因此教学方法改革很有必要。
1.创设启发式、讨论式教学氛围。
为调动学生学习的主动性,促使其养成勤于思考的习惯,教师在一开始就要形成问题情景,启发学生进行初步探索,激发学生的探究心理,调动学习积极性。我们采用课前、课中、课后提问,将问题情景贯穿教学全过程。在讲授教学内容前提出问题,学生大都能积极思考、预习,因为学生有思考和准备,所以回答问题很踊跃,自然形成了讨论式、师生互动的氛围。而课前提问即是将要进行课堂教学内容的关键、核心所在,所以教师是在引导学生积极思考、与自己同步思维,在回答问题的过程中使教学层层深入,最终解决问题。提出课后问题以帮助学生进一步理解、吸收所学知识。教师在精心创设的问题情景中,对每个问题都不是单向灌输,学生在回答问题的过程中也在体会学习的方法、解决问题的方法。
2.以工程实例为载体,授课方法以知识应用型为主。
教师在课程中,应积极引进案例、提出需要完成的任务,在授课中注重教学互动,并利用校内实训场进行现场模拟教学,特别是典型恶性事故的讲解、观察分析身边工程结构思考开放性问题、录像、大作业训练、课程设计、参观实习等,在整个教学过程的各个环节中多侧面、多角度将理论联系实际,帮助学生加深对理论知识的理解,增强工程意识,尽量缩短理论与实践之间的差距。在可能的环节中尽量让学生动手参与,使他们成为课堂上的主体[5]。这样的教学方式能够激发学生强烈的求知欲望,强化他们的创造性思维能力。
3.提供网络平台,为学生课外学习营造良好环境。
教师可以充分利用现代教学手段与方法,建立荷载与结构设计方法的课程网站,通过网络平台承载更多的信息,上传多媒体课件、工程图片、作业习题,对一些难点和重点进行知识延伸和链接,解决课程内容多、学生感性认识少、平面表达难度大的问题,教学课件与大量工程资料图片、录像结合,利用分析软件模拟工程结构工作状态与动画演示,等等,加大信息量,可以激发学生的学习兴趣,提高教学效果。
4.建立从“整体到局部”的教学模式。
长期以来荷载与结构设计方法遵循“从局部到整体”的教学模式,即由各种荷载计算到荷载组合,两部分内容相互割裂,缺乏联系,任何结构不可能只承受一种荷载,而总是同时有几种荷载作用在结构上。从单个荷载出发的教学模式,一开始就缺乏整体感,没考虑到学生能否自己完成把各种荷载组合成结构的受力状态,其结果是学生孤立地学习了一些荷载知识,却未建立起较清晰的整体结构荷载概念,不清楚基本工程结构在多种荷载作用下的工作性能、受力特点,更不清楚一个工程结构应承受和传递哪些荷载,以及为保证传递过程的完成而应采取的各种措施。教师在教学过程中,从整体结构出发展开教学,易于以工程应用为目的直接面向工程,实现理论与实践相结合,将工程实例贯穿教学始终,使学生充分理解其工程背景和目标。由于面对的是整体,考虑问题必须从整体出发,分析解决问题需考虑各种枝节问题,学生整体思维能力、整体结构概念及工程意识、综合分析及解决工程问题的能力能得到培养,思维品质会得到提升。
参考文献:
[1]柳炳康.荷载与结构设计方法[M].武汉:武汉理工大学出版社,2003.
[2]白国良,刘明.荷载与结构设计方法[M].北京:高等教育出版社,2003.
[3]张小刚,林小嵩.适应大土木要求的荷载与结构设计方法知识点讲解研究[J].高等建筑教育,2006,15,(4):74-78.
[4]刘运林,丁克伟,方高倪.土木工程应用型人才专业规范教学内容和知识体系探讨[J].高等建筑教育,2009,18,(5):61-65.
[5]何培玲.土木工程专业本科实践教学体系的构建[J].理工高教研究,2008,27,(1):127-129.
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