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新工科背景下混凝土结构设计原理实践教学改革探索

2025-01-19 97 上传者：管理员

摘要：实践教学是专业教学的重要组成部分，是培养学生从基本理论运用到解决工程实际问题能力的关键环节。根据新工科背景下土木工程人才培养应满足国家和社会发展的需求，本文对混凝土结构设计原理课程设计实践教学进行探索，学生在缺乏工程实践经验的情况下，利用Excel计算软件的数据比较和统计分析功能，通过线上线下相结合，让学生在有限的时间内，得到较为合理的构件设计方案，为创新教学方法、提高实践教学质量，为支撑新模式、新理念下土木工程专业实践课教学提供参考。

关键词：
人才培养
教学改革
新工科
混凝土结构设计原理
课程设计
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在新工科背景下土木工程专业应用技术型本科人才培养模式已进入了一个新阶段，培养出适应新时代和新技术要求的卓越人才成为土木类专业教学改革的重点之一[1]。实践教学是专业教学的重要组成部分，是培养学生实践动手能力和创新精神的主要途径。

“混凝土结构设计原理”是土木工程专业一门重要的专业基础课，该课程主要介绍了钢筋混凝土与预应力混凝土构件的构造、受力特点、破坏特征及构件设计计算的基本原理。该课程涉及的知识点多，与实践结合紧密[2]。实践课教学是将众多理论知识应用于实践，是学生从数学思维到工程思维转化的关键环节。如何让学生通过理论课的学习在掌握了基本原理和计算方法的基础上，能正确进行混凝土构件的设计，并能提出多种设计方案，从而使学生具有解决工程实际问题的能力。

1、实践教学存在的问题

混凝土结构设计原理实践教学要求学生在一周内完成普通钢筋混凝土简支构件的设计，并完成截面构造图及钢筋布置图的绘制。该课程设计主要存在以下问题。

1.1 设计方案多样，计算量大，数据连续

每组设计条件相同，但设计方案各有不同。同一设计方案中，如果前面构件截面尺寸拟定得不合理，会导致后面的承载力、抗裂及挠度等验算无法通过，需要修改截面尺寸，整个设计要重新计算。个别粗心的学生在某个环节计算错误，如不能及时发现，错误数据的连续计算必然会得出错误的设计结论。

1.2 时间紧、任务重，寻求最优方案困难

“混凝土结构设计原理”课程在土木工程专业本科学生的第五学期开设，在此之前学生尚未接触过课程设计这一教学模式，个别学生对任务书给出的设计任务无从下手。该学期学生同时要完成其他课程的设计任务，部分学生为了能使设计方案一次通过验算，往往采用大截面、多配筋的方案，虽然满足了承载力、变形和裂缝宽度等规范要求，但是设计方案并不经济。若要得到更好的方案需要重新修改截面尺寸或配筋方案，最优设计方案要经过反复试算实现。大部分学生虽然知道设计方案存在不足，却没有足够时间去优化，只能留有遗憾。

1.3 课程设计辅导教师工作量大

学生为了防止设计方案不合理导致返工，设计过程中希望指导教师对自己拟定的截面尺寸或钢筋布置等设计参数给出修改意见。如果指导教师将标准设计参数提供给学生，学生就缺乏了通过反复试算寻求最佳设计方案能力的训练。部分学生为防止计算错误导致设计结果的不正确，会实时找指导教师核对计算数据，从而大大增加了指导教师的工作量。

1.4 成绩评定存在小范围的不公正现象

课程设计成果的成绩评定虽然计入了平时答疑和阶段性任务的完成情况，但最终设计计算书和图纸占有70%的比例。有时存在考核成绩不能公正反映学生学习真实水平的情况，主要原因是数据的错误不容易被发现，极个别拼凑、编造数据的文本不易辨别。

综上分析，如何让学生在有限的时间里独立完成一份满意的课程设计，如何在缺乏工程经验的情况下，根据任务书给出的设计条件得出最优的设计方案，进而培养学生解决复杂工程问题的能力，为后续“桥梁工程”课程设计打好基础，是该实践课教学改革应该思考的问题。

2、选题设计探索

2.1 选题支撑土木工程专业教育认证标准的指标点

课程设计选题为普通钢筋混凝土简支梁的设计，通过此设计旨在培养学生的表达和创新能力，培养学生能以图表等方式就土木工程专业的复杂工程问题与业界同行及社会公众进行有效沟通和交流的能力。同时能够运用工程科学原理，依据文献、工程相关规范和技术标准分析土木工程专业工程问题的影响因素，对多种解决方案进行论证分析，获得有效结论。提出复杂工程问题的解决方案，能够对设计方案进行优化，具有整体意识和创新意识[3]。

2.2 各组设计条件相似却不雷同，任务工作量应适中[4]

课程设计要达到实践教学目的，学生具有解决工程设计问题的能力，在选题上采用多样化，通过安全度等级、跨径、截面类型、荷载等级等设计条件给予区分，如表1所示。每组2～3人，设计条件相同，但学生的设计方案不同，设计结果亦不同，方案有优劣。设计条件相似，让能力稍差的学生通过自己努力、教师辅导和学生帮助也能完成设计任务。通过这一环节的训练培养了学生的团队合作精神和自主学习意识，以适应新工科背景下土木工程专业的新发展。

2.3 选题设计与工程实践紧密结合，全面考查知识点

课程设计不只是数据的计算，更是对理论知识的综合运用。该设计要求学生根据任务书给出的设计条件，通过查阅资料，初步拟定截面尺寸，并完成主梁最不利位置的内力组合计算，根据内力组合计算结果进行抗弯、抗剪钢筋的设计，最终设计方案需满足截面承载力要求，以及裂缝宽度及挠度验算应符合规范规定。同时，按工程制图规范绘制出截面构造图及钢筋布置图。

表1普通钢筋混凝土简支梁设计参数

3、Excel在混凝土结构设计原理实践教学中的应用

将Excel软件强大的建模计算功能融入课程设计教学中，解决实践教学中存在的问题。Excel表格分为阶段性任务数据统计表和最终设计成果统计表两种形式。

3.1 阶段性任务数据统计表格的应用

建立班级课程设计教学群，定期分为五个阶段发布，分别为初步拟定截面尺寸阶段、作用效应组合阶段、正截面抗弯承载力计算阶段、斜截面抗弯承载力计算阶段、裂缝宽度及挠度验算阶段。给学生发布的在线数据统计表删掉数据之间的计算功能，仅实现在线数据收集。表格内容为不同设计阶段的计算数据统计，如截面尺寸拟定阶段主要内容为桥跨、截面形式、翼板宽、翼板厚(边缘、根部)、主梁高、梁肋宽；荷载组合阶段主要内容为承载能力极限状态和正常使用极限状态跨中、1/4处、支点处的弯矩和剪力组合值，如表2所示。该表格的作用除了定期收集统计学生的设计计算数据，学生之间也可以通过在线表格中的数据对比，思考自己设计方案和计算数据的合理性，同时也能看到其他学生设计方案的最终结果，激发学生的学习兴趣。

表2作用效应组合阶段数据表(表中仅示出部分数据)

在线表格的数据收集限定了时间，从而非常有效地督促了一些学习不够主动的学生的设计进度，也为能力稍差的学生提供了解决问题的思路。表格使雷同数据一目了然，杜绝课程设计中学生之间的抄袭现象。

3.2 设计成果数据统计表格的应用

该表格在学生完成设计任务后发布，设计成果经指导教师批阅后将学生的设计方案及最终数据发布于班级教学课程群。学生通过表格中数据对比(如表3所示),能很直观地了解到自己的设计方案是否为最优方案，哪些是影响设计结果的决定性参数，从而进一步理解巩固基础理论，同时在没有工程设计经验的条件下，为学生后期优化设计方案提供依据，积累设计经验。

3.3 应用效果

指导教师利用已编制的具有计算功能的Excel表，输入学生的计算参数，能快速高效地检查学生计算数据的合理性和正确性。对于验算无法通过的截面应及时提出修改意见，对不正确的数据给予订正，避免学生的无效返工，节省了时间。

表3不同设计方案计算结果表(单位：mm)

通过表3中的数据可以看出第1组的三个方案中，第一个方案截面尺寸较小，虽然钢筋面积比第二的方案大，但是最终挠度比第二个方案大。因此挠度与截面尺寸有关，截面越大，刚度越大，挠度越小。

第3组和第4组的设计方案，虽然前面都通过了承载力的验算，但挠度不满足规范要求。对于第3组的情况，指导教师可以在前期拟定截面尺寸阶段给予指导，避免学生返工。从第4组的两个设计方案的计算数据可以看出，两个学生的桥跨、设计荷载、截面尺寸均相同，钢筋的设计方案不同，选择钢筋直径大的方案，梁的裂缝宽度和挠度都比较大，两个设计方案设计结果对比后，让学生再一次巩固课程教学中讲过的理论知识，即钢筋直径影响裂缝宽度这一计算理论。同时发现钢筋的面积增加，并不能使挠度减小。显然，第4组的第二个方案要优于第一个方案，如果要优化第一个方案，学生就要思考钢筋设计时除了根据规范规定受力主钢筋直径应在12～32mm之间选取之外，还要考虑在保证钢筋净距及保护层厚度满足要求的情况下，应尽量选择直径小的钢筋。其他相关的基础理论也可以通过相关表格中的数据很直观地得到验证。

4、结语

通过几个学期的应用，该Excel表格提高了教师课程设计指导的效率，节省教师批阅课程设计的时间，同时该计算表格应用于理论课教学和批改作业中也取得了较好的成效。Excel计算软件直观的数据统计功能[5],让学生通过表格中的变量比较，对自己的设计方案不足之处有了更深的了解。加强了学生的主观能动性，开拓了学生的思维，巩固了基础理论，培养了学生解决实际工程问题的能力。实践课教学研究本着工程教育认证“学生中心、成果导向、持续改进”的理念，为提高混凝土结构设计原理实践课教学提供参考。

参考文献:

[1]曹海,方群莉,汪婷婷.新工科背景下混凝土结构课程实践教学改革研究[J].黄山学院学报,2021,23(3):138-140.

[2]乔慧云,陈誉.《混凝土结构设计原理》教学改革探索[J].创新创业理论研究与实践,2021(6):35-37.

[3]武鹤,杨扬,孙绪杰,等.工程教育认证背景下土木工程专业人才培养模式研究与实践[J].高等建筑教育,2019,28(1):35-40.

[4]秦世强,康俊涛.土木工程道桥方向混凝土结构设计原理课程设计教学改革探索[J].教育教学论坛,2020(14):158-160.

[5]商怀帅,王滨,于德湖.Excel软件在混凝土结构设计原理教学中的应用研究[J].高等建筑教育,2014,23(2):140-143.

基金资助:西北民族大学教学改革项目(2021XJYBJG-72);

文章来源:冯英杰,李海玉.新工科背景下混凝土结构设计原理实践教学改革探索[J].科技风,2025,(02):17-19.