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为了提高土木工程抗震课程的教学质量和教学效果,文章首先分析了土木工程抗震当前教学中存在的问题,然后从教学手段、教学内容、教学方式等方面介绍了课程教学改革措施。教学实践证明,通过对土木工程抗震课程进行教学改革,能够更好地促进教师提高教学水平,提高课堂教学效果。
关键词:
土木工程抗震;教学改革;教学实践;教学方法
地震是一种突发的自然灾害,是地球内部构造运动的结果。地球上每年发生的地震约500万次,其中有感地震约15万次,造成严重破坏的地震约20次。中国是一个多地震国家,地震发生的区域范围广、强度大。20世纪全世界发生过20多次7级以上的大地震,死亡100多万人。1920年中国海原8.5级地震死亡20万人;1976年中国唐山7.6级地震死亡24万人,16万人伤残,财产损失30亿元以上,名列20世纪世界地震史死亡人数之首;2008年中国汶川8.0级地震造成约7万人死亡,约37万人受伤,约1.8万人失踪,直接经济损失8452亿元,是以来破坏力最大的地震,也是继唐山大地震后伤亡最惨重的一次。为了减轻建筑的地震破坏,减轻人员伤亡,减少经济损失,将损失降低到最小程度,土木工程专业技术人员需要掌握有关抗震的知识,对结构进行抗震设计。
一、土木工程抗震课程教学中存在的问题
土木工程抗震是土木工程专业的一门重要专业课,土木工程专业学生学好这门课将会受益匪浅,但是现状却不令人满意。目前在本科教学中,该课程课时一般在40学时左右,课时相对较少,但该课程涉及到的内容又较多,主要涉及到结构动力学、混凝土结构抗震设计、砌体结构抗震设计、钢结构抗震设计、工业厂房抗震设计、桥梁工程抗震设计等。该课程一般安排在第六学期或第七学期,这一时期是学生忙于研究生考试复习和找工作阶段,一部分学生身在课堂但心在别处,往往心不在焉,学生学习该课程积极性不高。如何在有限的教学课时内完成教学任务,提高课堂教学效果,对教师来说是一大挑战。土木工程抗震课程教学改革的目的是在有限的课时内提高该课程的教学质量,增强学生对土木工程专业课程的兴趣,以培养既掌握专业所要求的知识和技能,又熟悉相关专业知识的较全面型人才[1]。
二、土木工程抗震课程教学改革采取的措施与实践
近年来,作者结合自身的教学实践,积极进行土木工程抗震课程教学改革,在教学手段、教学内容、教学方式等方面进行了一些有益的改革与实践,取得了良好的教学效果。
(一)上好绪论课,激发学生学习土木工程抗震的兴趣绪论课是土木工程抗震的开篇,作为教师来说应高度重视绪论课的教学。因为绪论课是学生了解土木工程抗震这门课的窗口。绪论课上得好不好对整个课程的教学成功与否至关重要。通过绪论课的学习,要让学生对土木工程抗震这门课有一个大致的了解,深刻理解学习这门课的目的是什么,为什么要学习这门课,这门课对土木工程专业学生来讲起多大的作用,使学生深切地感受到土木工程抗震这门课的重要性,使学生深刻认识到现在不学好土木工程抗震方面的知识,将来在实际工作中万一出现失误,有可能造成重大人员伤亡和财产损失,提高学生学习这门课程的自觉性、主动性和积极性。怎样才能上好绪论课呢?作者认为不妨采用多媒体条件下的案例教学法[2]。多媒体案例教学通过采用大量真实、典型的案例和大量的图片资料,使教学更加直观、形象。例如将汶川地震的相关资料引入课堂,“2008年5月12日14时28分04秒,在四川省阿坝藏族羌族自治州汶川县发生里氏8.0级地震,震源深度14公里,震中烈度11度,地震持续时间约为2分钟,地震造成69227人遇难,374643人受伤,17923人失踪,直接经济损失8452亿元。”通过上述资料,可以启发学生认真思考以下问题:(1)为什么这次地震称为汶川地震,引出“震中”这个概念;(2)里氏8.0级地震是怎么测定的,引出“里氏震级”概念和震级的测定方法;(3)从“震源深度14公里”可以引出“震源深度”这个概念,根据震源深度地震可以划分为哪些类型,汶川地震属于哪一个类型。在绪论中给学生讲述地震灾害时,可以通过多媒体将汶川地震造成的震害分类给学生显示出来。在给学生演示汶川地震所造成的灾害时,启发学生思考为什么会造成这样的破坏,通过这些破坏现象,我们能否从中发现一些地震破坏规律,在今后的设计中我们可以采取什么样的措施来减轻这些震害。
(二)多媒体与板书相结合,提高课堂教学效果在进行土木工程抗震课程教学中,尽可能采用多媒体与板书相结合的方式提高课堂教学效果。一方面采用多媒体教学具有形象、生动、直观、易于理解优点。土木工程抗震课中,一些内容适合采用多媒体教学,例如地震灾害(主要包括地表破坏、工程结构破坏、次生灾害、人员伤亡等),采用多媒体教学可以直观地把灾害显示给学生,学生从地震灾害图片中也更容易理解和掌握有关地震造成的破坏。当然,并不是任何问题都适合采用多媒体教学。土木工程抗震课中有些内容适合采用板书教学,比如给学生讲解振型分解反应谱法和底部剪力法算例时,采用板书教学更合适些。这样的算例采用板书教学可以给学生留有足够的时间思考、琢磨和消化,让学生更容易掌握振型分解反应谱法和底部剪力法的计算步骤,知道采用上述方法计算地震作用时需要哪些步骤。因此,对于该课程来说,最好的教学手段是多媒体与板书相结合,优势互补,提高课堂教学效果。此外,在土木工程抗震的课堂教学中,作者尝试采用双语教学[3]。将课堂上易于用英语表达清楚的内容做成英语课件,一些专业词汇用英语来表达。在近几年的双语教学实践活动中,作者发现采用双语授课在一定程度上能够帮助学生理解专业知识。但是采用双语教学也存在较大的难度,最大的难度在于没有合适的符合《建筑抗震设计规范》(GB50010-2010)的英语教材。
(三)调整教学内容,适应新的教学要求土木工程抗震教学内容可以分为“基础篇”和“应用篇”两部分[1]。基础篇是土木工程抗震基础知识,主要包括地震基础知识,土木工程抗震概念设计,场地、地基和基础,地震作用与结构抗震验算,结构隔震与消能减震等内容。在进行基础篇讲解时,应重点讲授基本概念和原理,注重基本概念和基本原理的讲解。土木工程抗震概念设计是根据地震灾害和工程经验等所形成的基本设计原则和设计思想,进行建筑和结构总体布置并确定细部构造的过程。抗震概念设计在整个土木工程抗震设计中占有重要位置,它贯穿于整个工程设计过程中,从一定意义上说,它比抗震计算更为重要,原因在于地震具有很强的不确定性、随机性等,想要精确进行抗震计算比较困难。要想使结构具有良好的抗震性能,很大程度上取决于良好的概念设计,有必要加强学生抗震概念设计的能力。应用篇是抗震设计原理在不同结构形式中的具体应用,主要包括混凝土结构房屋抗震设计、砌体结构房屋抗震设计、钢结构房屋抗震设计、单层工业厂房抗震设计、桥梁工程抗震设计等。该部分内容应根据不同的专业方向有重点地讲解其中的内容,做到因专业方向而异,根据不同的结构形式特点重点从抗震概念设计、抗震计算和抗震构造措施等方面进行讲解,拓宽学生的专业知识,使其学会灵活运用工程专业知识解决工程实际问题的能力。
(四)将最新科研成果融入课堂教学中在讲授土木工程抗震课程时,作者结合自身的科研工作专门抽出时间,给学生进行有关抗震的专题讲座,例如进行基于性能的抗震设计专题讲座、基础隔震设计专题讲座、振动控制专题讲座等,将最新的科研成果融入课堂教学中。进一步加强科研与教学的结合,及时将最新科研成果引入到课堂教学中,尽可能发挥科研对教学的支撑和反哺作用。
三、结语
土木工程抗震课程课时少,内容多,具有较强的综合性。作者通过对该课程在教学手段、教学内容、教学方式等方面的教学改革与实践,在一定程度上提高了课堂教学效果,在激发学生使命感的同时,增强了其主人翁意识。当然,课程教学改革永无止境,还有许多地方需要进一步完善,达到进一步提高课堂教学效果的目的。
参考文献:
[1]尚守平,封周权,李峥.“工程结构抗震”课程教学改革研究[J].建筑教育改革理论与实践,2006(8):221-224
[2]梁炯丰,易萍华,何春锋.多媒体条件下案例教学法在建筑抗震设计中的应用[J].高等建筑教育,2009,18(1):134-136
随着科学技术水平的进步和国民经济的发展,我国土木工程建筑事业日新月异,各类超高层建筑物、复杂大跨度桥梁等新型结构层出不穷,对土木工程专业毕业人才(包括建筑设计、结构设计、土木工程施工、工程监理等)的需求不断扩大。作为土木工程专业一门新兴的课程,相对于其他专业,工程监理专业起步较晚。我国从1988年开始试点推行工程监理制度,直至1997年通过《建筑法》以法律制度的形式做出规定,才使得工程监理在全国范围内进入全面推行阶段,在工程建设活动中逐步形成了业主、承包商和监理工程师相辅相成的格局,与工程监理制度相关的实践和理论也取得了长足的进步。土木工程监理是一门实践性很强的专业,它既要求任课教师对当前国家政策信息、施工现场状况以及企业的人才需求十分了解,又要求听课学生对土木工程施工、工程造价及结构设计等专业知识掌握牢固。因此,基于教材的传统课堂理论教学方法难以满足土木工程监理专业学习的需求。笔者有幸担任本校2012级建筑工程专业的该门课程的主讲教师,本文结合与其他兄弟院校的授课教师的讨论、课堂学生的课后交流以及相关企业的人才反馈,对《土木工程监理》课程教学方法改革进行了初步地探讨。
一、结合社会需求,重新构建专业课程体系
1.正确认识土木工程监理。尽管工程监理制度在我国推行已有近二十年的时间,但由于长期以来在经济体制上、工程认知上等方面的原因,目前的监理工作仍然以施工阶段的监理为主,加上传统工程项目管理模式的惯性影响,时常造成监理工程师在项目管理方面难以发挥全部的力量。现存的工程监理局面导致了土木工程工程专业学生对工程监理的片面认识,影响了学生选择和学习本课程的积极性,也在一定程度上影响了学生毕业后从事监理工作的热情。然而,随着科技水平和国民经济的不断发展,我国的基础设施建设近年来进展迅猛,不管是业主方、设计单位还是监理单位本身,对监理人员的需求都日益增长。因此,有必要在课堂教学过程中正确引导学生对土木工程监理的认识。在土木工程监理的绪论教学中,有必要对国外监理制度的历史和发展状况以及我国引入工程监理制度的原因以及目前的发展状况进行详细的介绍,重点阐述工程监理在我国建设工程项目管理工作的重要作用。深刻剖析监理工程师与业主和承包商之间的相互关系,强调监理工程师的公正、独立和自主性。从建设工程项目本身的固有特性出发,论述监理工程师的服务性和科学性,重点介绍?O理工程师应当具备的科学的工作态度和严谨的工作作风,并且能实事求是地开展监理工作。
2.合理安排专业课程体系。土木工程监理是一种高智能的科技服务活动,监理工程师不仅要掌握监理专业知识,还需具备与工程相关的经济和法律知识,才能有效地解决工程中常见的技术问题、组织和协调工程项目的开展和进行及完成工程合同的管理工作。为增加土木工程监理课堂教学的效果,应该对土木工程专业的课程体系进行合理安排。对于高校学生来说,确保在开设土木工程监理课程之前,应该完整地学习过一系列相关的专业课程,包括混凝土结构设计原理、钢结构设计原理、土木工程施工、土木工程概预算、工程项目管理和项目法规等。预先建立土木工程专业的基础知识和学习思路,才能增强学生在土木工程监理课程学习过程中的主观能动性。
3.科学使用课程教材。目前,市面上的土木工程监理教材大多内容陈旧,未能及时体现工程监理专业在我国基础设施建设领域的发展水平,且教材中各个章节中的内容联系不够紧密,与实践工程相关的案例较少,不利于土木工程监理的教学。笔者在对比了多套教材的情况下,选择了由中国水利水电出版社发行的普通高等教育“十二五”规划教材――《建设工程监理》,该教材紧密结合我国建设工程监理制度推行以来取得的成绩和积累的丰富工程监理经验,融合当代工程管理领域新的研究成果以及不断变化的趋势和要求,从适应我国建设工程监理事业和从业人员的教育发展的需求出发,全面系统地阐述了工程建设监理的基本理论,以及工程建设监理实施程序、工程建设监理目标控制的方法与手段。
二、丰富案例教学,真实模拟专业工作情境
1.案例选择。案例选择是为了实现特定的教学目的,达到一定的教学效果。案例选择时尽量做到统筹兼顾,好的案例既能完整地反应工程背景和工程问题、紧密结合课堂教学内容,又能启发学生对问题的思考、争论和进一步探索,使得学生在案例教学的过程中能够更加深刻地理解相应的专业理论知识,提高实践能力。笔者在讲述建设工程质量控制时,以2007年湖南省凤凰沱江大桥垮塌事件为案例,组织学生对该案例中的事故发生原因进行讨论,重点分析监理工程师的事故责任,较好地实现了建设工程质量控制的教学效果。
2.鼓励独立思考,重视双向交流。传统的课堂教学过程中,大多为教师讲解,学生听和练习,教师只负责告诉学生如何去做和解决问题,忽略了课堂教学内容在实践中的适用性问题,在一定程度上损害了学生的积极性和学习效果。在案例教学的过程中,教师应该不设置唯一标准答案,鼓励学生独立思考问题,并要求每一位学生以专业知识为背景就所选案例发表见解。同时,引导学生由注重知识转变为注重能力,根据学生对案例的不同理解补充新的教学内容,重视教师与学生之间的双向交流,增加学生在案例学习过程中的主观能动性。
3.总结归纳。在运用专业理论知识对案例进行分析讨论后,教师应对相关知识进行总结归纳,对学生提出的见解进行评论,并进行必要的补充,分析案例讨论中存在的不足和长处。在总结归纳过程中,重点揭示案例中蕴含的专业理论知识,并强化相应的教学重点,给参与学生予以鼓励,为日后的课堂案例教学做好铺垫。
三、加??校企合作,建立校外实习实训基地
1.1以教师为中心的传统教学模式使学生接受和消化知识产生困难在应用型本科院校,大部分学生基础薄弱,学习能力和自我的控制能力差。在传统教学模式中,工程力学课程教学更看重课程的系统性和完整性,对于数学和力学基础的要求较高,使得整个教学过程较为复杂,学生在学习工程力学课程时,产生畏难情绪,学习兴趣不浓,对知识的接受和消化存在困难。
1.2学习过程枯燥,学生缺乏学习兴趣由于工程力学课程所包含的理论力学部分和材料力学部分所涉及到的内容本身就具有抽象性和复杂性,也包含一些难以理解的内容。而且工程力学课程一般开设在第2、第3学期,这个阶段学生很少接触具体的工程问题,缺乏必要的感性认识,因此在学习中往往无法将理论与实际联系起来,出现似乎能听懂,但不知道怎么去用、用到何处的问题,这与学生所感兴趣的实际工程向去甚远,使得学生学习主动性不强,增加了学习难度。此外工程力学课程的概念多,理论性、逻辑性强。理论力学分析问题、解决问题的方法灵活多样;材料力学内容庞杂,实践性强。如果教师不采用适当的方式进行教学,则很难提高学生的学习兴趣。
1.3高校教师一职多能,教学过程无法形成有效的PDCA循环PDCA是英语单词Plan(计划)、Do(执行)、Check(检查)和Action(处理)的第一个字母,PDCA循环就是按照这样的顺序进行质量管理,并且循环不止地进行下去的科学程序。教学质量的提高和教学目标的完成,贯穿于整个教学过程。教学过程包括教学目标、教学内容、教学方法、教学手段、教学测量、教学评价等等。在教学过程中使用PDCA循环:P-确定教学目标;D-在教学过程中所采用的教学手段和方法;C-教学效果评价;A-对教学过程中存在的问题进行改正,确保教学目标的完成。教师是整个教学过程的组织者,每个部分的完成都离不开教师,但在整个教学过程中由于高校教师一职多能的特点,导致无法有效对教学过程进行组织,在PDCA循环中缺失环节,导致无法对教学质量进行有效控制,达不到预期效果。
2工程力学课程改革的研究
工程力学课程的定位,决定了课程的重要性,作为土木工程专业学生来说需要熟练掌握。所以针对所提出的问题,提出一些改革建议,以供参考。
2.1教学内容的改革工程力学课程是一门应用性较强的课程,是土木工程专业的核心基础课程之一,是连接高等数学、大学物理与结构力学、弹性力学、土力学、混凝土结构设计、钢结构设计、砌体结构设计等课程的桥梁,是土木工程专业学生教学由基础教育向工程实践教育的重要转折点,其在实践教学中的作用越来越明显,但是教学内容过分强调力学作为一门独立学科的系统性和完整性,而忽视力学作为应用学科的实用价值。工程力学的任务是学会如何对力学问题建模、如何将模糊的问题和想法用数学来描述,并培养提出、分析、设计以及解决科学和工程问题的能力。为了能够更好的培养学生分析和解决实际问题的能力,拓宽学生运用力学的方法解决实际的工程问题,应从教学内容上加以优化。一是重视基本概念、原理和方法的更新,增加新的教学内容,如工程力学领域的新技术、新进展、新概念、新实验以及国内外土木工程等领域的实际问题。二是为了使学生对力学课程产生兴趣,在绪论课程中应引入经典力学的发展史。目前,在教材编写中,由于“少而精”的要求,绪论中更多的是介绍课程的研究内容、研究任务、研究方法以及研究目的,而弱化了力学发展史的介绍。从古代墨子“力,形之所以奋也”到牛顿力学《自然哲学原理》的编写,再到哈密顿《一个动力学普遍方程》的发表,经典力学的发展经历的漫长的时间,期间出现了很多促使力学发展的科学家,如牛顿、麦克斯韦、达朗伯、拉格朗日、哈密顿等等。这些历史及历史人物的介绍,可以达到唤醒、激励、鼓舞学生的目的。三是强调概念性和实践性内容的重要性,适当减少计算性内容。工程力学具有基础性和应用性的特点,在教学内容安排中,一方面弱化理论推导过程,另一方面应适量增加一些具有实践性或趣味性的教学素材;例题中,应突出对实际问题的力学模型建立过程的描述,在课后习题中引入基于力学分析的工程实践的综合运用实例,以调动学生的学习积极性和培养学生用力学方法分析问题和解决问题的能力。
2.2教学方法的改革工程力学教学方法的改革,关键在于提高学生的学习兴趣。一方面可以通过制作精美的教学课件增加课堂的趣味性和直观性。现有的课件和通常意义上所说的板书并没有多大区别,只是将原来用在黑板上推导完成的公式,放到了多媒体课件中加以展示。这样的课件在教学过程中,达不到吸引学生的目的,自然无法引起学生的兴趣。考虑到在工程力学课程教学中会用到大量的力学简图和实验结论,如果可以将这些力学简图和试验项目(如在理论力学课程运动学篇中出现的连杆机构,材料力学课程中杆件的各种变形等等)用类似flas的直观方式表现出来,就可以丰富课件的内容,增加学生的兴趣。另一方面是引入课堂试验。力学课程中的基本原理都是建立在实验基础上,但目前力学的教学中,由于条件所限,工程力学课程中的实验部分主要集中在材料力学的一些验证试验中,如金属材料的拉伸压缩试验、梁的弯曲正应力试验、扭转试验等等。这些试验的开设,能在一定程度上提高学生的学习兴趣和动手能力,但要达到力学教学的目的,还有一定的距离。为了改变这一现状,可以借鉴一些国外大学经典力学的教学方法,在这些课程的教学中,教师在每堂课的教学中会会通过随堂实验的方式,验证本堂课所涉及到的相关内容和原理,尽管这些实验的结果大家都是非常熟悉的。此外还可以采用离开教室的现场教学。土木工程专业是应用性较强的一门学科,作为土木工程专业重要的基础课程,应该在在学期中,安排2-4个学时将教学从教室搬到现场,通过利用现场的工程实物,教会学生如何对实际工程问题模型化,并用所学的力学知识进行分析解答。
2.3教学模式的改革传统教学模式是以教师为中心的“填鸭式”教学,教师起主导作用。由于高校教师一职多能的特点,使得教学过程质量控制稍显不足。鉴于这种情况,应对传统教学模式加以改革,形成以学生为中心的教学模式。在这一过程中,应以班级为基础建立4-6人为一组的学习小组进行研讨式教学。研讨课教学是让学生参与教学,教学相长,师生互动,通过专题研讨使学生主动建构和拓展知识,培养学生的发散思维和创新能力。教师可以针对课程重难点问题,设置相关专题讨论课。教师通过引导,教师与学生,学生与学生间通过互动交流,对所学的知识进行拓展。也可以设置一些与学科前沿相关的内容及热点,学生通过课后查阅文献,以小组为单位,通过板书、图片、多媒体、实物模型等灵活的形式展示,并由教师与其他同学进行提问、讨论,最后教师进行总结和点评。此外,在作业形式中也应该改变传统以课后习题为主的作业模式,为了能够更好的培养学生的能力,提高学生的综合素质,可以布置一些研究型的题目,通过查阅文献,以论文的形式的完成。比如通过材料力学课程中梁的合理设计问题,可以提出钢筋混凝土梁的合理设计问题、钢梁的合理设计问题等等,然后将这些题目布置下去,让学生查阅资料,并完成相关论文。总之,要以这种教学形式改变传统的“填鸭式”教学,实现课堂教学从“以教师为中心”向“以学生为中心”的转变。
3结论和总结
关键词:建筑专业;建筑结构;授课;方法
中图分类号:G642.4 文献标志码:A 文章编号:1674-9324(2015)41-0274-02
建筑结构选型是建筑学专业的一门专业基础课,由土木工程学院开设。本课程安排的理论课时虽然不多,但结构问题直接关系到建筑物整体安全性与适用性,故该课程对建筑学专业的重要性显而易见。从建筑学专业课程总体特点来看,大部分专业课程具有侧重形象思维和空间想象力的特点,如建筑表达、素描、色彩、建筑历史、建筑设计原理等课程,这些课程力求培养学生对建筑外部轮廓的描绘、色彩的选取与搭配、健康审美观的培养、建筑内部空间组合的感知等专业素养;但限于课时及学生基础知识局限等原因,对于工程结构和工程力学等基础课的学习不如土木工程专业学生学得详细具体。但如果因为课时不多就不重视力学和结构知识的学习,将会导致学生设计出的建筑方案不具备安全性和可操作性。因此教师在给建筑学专业学生讲授结构选型时必须总结与摸索一套适合建筑学专业的教学思路与方法,而不能照搬以往给土木工程专业讲课的方式。本人在讲授这门课程时体会到,如何把上百课时的结构知识在短短二十几个课时准确、精炼而形象地表达出来,需要任课教师花费大量的精力反复研究。这里列举课程中的几个代表性知识点说明在讲解力学与结构知识点时应注意的地方:
例1 绪论里有一个知识点:选择能充分发挥材料性能的结构形式。这里详细探讨了为什么在实际工程中矩形截面构件会逐渐演化成工字型截面,从学习过的材料力学知识就可以发现原因:矩形截面受弯构件(梁)的截面弯曲应力分布图具有如下特征:截面上下两个边缘应力值最大,越靠近中性轴,应力值越小,中性轴位置处应力值为0。中性轴上下两侧的应力值符号发生变化,这是由于梁受弯后一侧纤维受压另一侧纤维自然受拉的缘故。对于建筑学专业学生,教师在讲授这个知识点时只需要介绍截面应力分布规律即可;但对于土木工程专业的学生,还要求掌握截面应力分布图及应力计算公式的理论推导过程。但光知道这个截面应力分布特征也还没有达到教学目标,我们要求建筑学专业学生在教师介绍了截面应力分布图特征后,要学会运用这个截面应力分布图特征来解释矩形截面梁进化到工字形截面梁的原因:那就是受弯构件截面边缘应力大,靠近中性层应力值小,所以只有靠近上下两个边缘处的材料充分发挥了作用,靠近中性层的材料未发挥作用。这样中间位置处的材料就可以减少到最低程度,而向两个边缘集中,这样矩形截面梁就进化成工字形截面梁。同理,承受均布荷载简支梁的弯矩图形状在材料力学里也有详细介绍,是一个二次抛物线,这说明一根平行弦桁架中有若干根杆件的内力值很小,材料性能自然没有得到充分发挥;根据这个认识,我们可以把一个平行弦桁架梁根据其弯矩图形状改为拱形桁架,使得桁架形状与弯矩图形状一致,以充分发挥桁架中每一根杆件的能力。到这里,对于建筑学专业的学生就已经完成学习目标了。但是针对土木工程专业的学生不仅要掌握这种定性分析,还要求掌握计算桁架中每根杆件的内力值。对于建筑学专业学生就不需要再讲授桁架内力的计算方法与解题过程,否则会加重学生的学习负担。
例2 第12章门式刚架结构的适用范围与受力特点。首先需要对承受均布荷载的刚架与排架弯矩图进行比较。对于土木工程专业的学生要求根据结构力学计算方法计算刚架内力并画出弯矩图。三铰刚架是静定结构可直接根据平衡条件计算,无铰刚架或两铰刚架均为超静定结构,需采用结构力学里的计算超静定结构的方法计算(力法、位移法)。尤其是计算超静定结构的过程相对较复杂;对于建筑学专业的学生来说,教学重点在于把弯矩图形态特征介绍给他们,然后通过比较二者弯矩图异同,根据每种刚架弯矩图特点介绍三种刚架的适用条件,就不要在讲解超静定刚架的计算方法上花过多的教学时间。具体陈述如下:
根据结构力学计算结果可以具体分析三种门式刚架:无铰门式刚架结构为三次超静定结构,刚度好,结构内力分布均匀;但由于柱脚与基础刚接,因此可以传递弯矩,柱底弯矩值较大,因此对基础与地基要求较高。由于基础承受弯矩、轴向压力、水平剪力复合作用,超静定次数较高,结构刚度较大,当地基发生不均匀沉降时,将在结构内产生附加内力,所以在地基条件较差时慎用。
两铰门式刚架的基础与柱脚铰接,为一次超静定结构,在竖向或水平荷载作用下,内部弯矩值比无铰门式刚架大。优点是刚架铰接柱基础不能传递弯矩,因此不承受弯矩作用,构造简单,省料省工;当基础有转角时对结构内力没有影响。但当两柱脚发生不均匀沉降时,将在结构内产生附加内力。
三铰门式刚架为静定结构,因此外界温差、地基的变形或基础不均匀沉降对结构内力没有影响。三铰与两铰门式刚架材料用量相差不多,但三铰刚架梁柱节点弯矩略大,刚度较差,不适合用于有桥式吊车的厂房,仅用于无吊车或小吨位吊车的厂房。钢筋混凝土三铰门式刚架跨度较大时,半榀三铰刚架悬臂太长导致吊装不便且吊装内力较大,故一般用于跨度较小或地基较差的情况。实际工程中大多采用三铰刚架和两铰刚架及由它们组成的多跨结构。
温度变化对静定三铰刚架没有影响,但在无铰刚架、两铰刚架这样的超静定结构中将产生附加内力。内力大小与结构刚度有关。刚度越大,内力越大。产生结构内力的温差主要有室内外温差和季节温差。室内外温差将使杆件两侧产生不同的热胀冷缩,从而产生内力。季节温差指刚架在施工时的温度与使用时的温差,也将使结构产生变形与内力。当产生支座位移时,同样将使超静定结构产生变形和内力。对于建筑学专业学生,利用力学原理对三种门式刚架进行简单的内力分析并强调其适用范围,教学深度可到此为止。但对于结构工程专业的学生掌握上述知识点还不够,还要求利用结构力学中的力法、位移法详细求解承受温差和沉降作用的超静定结构内力计算。解题过程分如下几步:确定力法(位移法)基本未知量、建立力法(位移法)基本体系、建立力法(位移法)基本方程、利用图乘法求基本方程组里的柔度系数(刚度系数)、利用图乘法求方程中自由项系数、求力法(位移法)基本未知量、求解结构内力。对于高次超静定问题还要求使用计算软件计算结构内力。
通过对建筑结构选型课程的两个具有代表性知识点进行分析,我们可总结出如下教学经验:涉及工程结构与力学方面的内容是建筑结构选型课程的教学难点,针对不同专业学生任课教师需要因材施教;对于土木工程专业的学生要求详细掌握结构计算方法并根据计算结果熟练做出结构内力图;对于建筑学专业则不用在结构计算与相关公式推导上花费过多的时间,而需要重点讲解最基本的力学原理,概括性地介绍结构受力特征(内力图形态等),引导与启发学生利用学过的基本力学与结构知识理解不同结构受力特征、解释工程现象,从而设计出安全、适用的建筑结构。作为本课程任课老师也需要注意:虽然理论课时压缩了,但不能把关键知识点也删减了。教师仍然要把在土木工程专业中花费几百个课时讲授的重点知识在几十个课时中完整地介绍给学生,只是未必每个知识点需要讲解得很深很细。所以这个教学原则也可以用一个简单的生活常识来表述:一杯水还是这么多,量并未减少,只是看我们是细细品味还是一口吞下。
参考文献:
[1]叶献国.建筑结构选型概论[M].武汉理工大学出版社,2013.
[2]包世华.结构力学 上[M].武汉理工大学出版社,2007.
[3]包世华,辛克贵.结构力学 下[M].武汉理工大学出版社,2007.
关键词:桥梁检测 教学方法 探索
中图分类号:G642 文献标识码:A 文章编号:1673-9795(2013)08(b)-0139-01
1 课程背景
近年来,为了迎合桥梁检测工作的需要,很多高校在土木工程(桥梁)专业中开设了桥梁检测课程。桥梁检测是一项新兴的专业技术,其属于土木工程(桥梁)、力学、数学、传感科学以及信号处理等多技术领域的交叉科学。桥梁检测工作的特点决定了桥梁检测课程的一个特点是既有很强的理论性,同时又具有很强的实践性。桥梁检测课程另一个显著特点是要求授课对象具有广泛的基础知识。桥梁检测课程的特点决定了该门课程通常在高年级的本科生和硕士研究生中开设。
桥梁检测是一门新兴的课程,可供参考的教材不多,并且在教学内容上有些知识点没有定论,而属于探索性的讲授内容。因此这门课程需要授课教师具有一定的教学技巧,使得学生能够在实践与理论,定论与探索中掌握专业知识,并能够启发学生在该领域中积极开展探索性的研究工作。
2 教学目标
桥梁检测是一门专业课程,有别于专业基础课。对于高年级的本科生而言,在理论与实践中,更加注重实践技能的培养。要求学生在初步了解基本原理的基础上,熟悉操作规程,掌握检测方法和检测仪器的使用方法,把所学的知识能够应用到桥梁结构检测中,在检测工作中能够完成实践性的工作。
对于硕士研究生而言,更加注重理论环节的培养。采用课堂讲解、室内实验与工程实践相结合的方法,使得学生掌握基本原理,能够根据自己掌握的理论知识对桥梁检测的实践性工作进行理论指导。通过教学充分引导学生在桥梁检测领域的科研兴趣,激发学生的科研潜力。
3 教学内容安排
桥梁是一个复杂的结构体系,其组成构件较多,这便决定了桥梁检测对象较为广泛。针对不同的构件检测的指标不同,需要检测的指标种类多,这决定了采用的检测仪器类型比较多。根据桥梁检测的这两个特点,针对不同的授课对象需要有选择性的对授课内容进行安排。
一般来说,桥梁的检测方法可分为外观调查、无损检测、静载试验和动载试验四大类。外观调查是借助于一些简单的仪器与目测相结合,对桥梁构件的外观情况进行描述。无损检测则是采用不同的仪器对不同类型构件的众多指标(绝大部分都是物理指标)进行检测。静载试验是在桥梁结构的特定部位施加静力荷载,测试控制截面的静力响应,分析出静力参数。动载试验则是对桥梁施加动力激励,测试特定截面的动力响应,分析出动力参数。桥梁检测的最终目标是根据检测出的参数和指标对桥梁整体或构件的使用性能进行评估。
对上述四类方法进行比较分析可知,外观调查和无损检测的实践性很强,其理论性相对来说要弱一些。静载试验和动载试验理论性很强,实践性与其理论性相比较而言要弱一些。在本人的教学过程中,根据检测方法和构件的划分,针对不同的授课对象对授课内容进行了安排。
高年级本科生的总学时为34学时,具体的安排为绪论1学时,测量仪器及测试技术4学时(其中实验2学时),外观调查2学时,上部结构无损检测10学时(其中实验4学时),钻孔灌注桩检测3学时(其中实验1学时),桥涵地基检测3学时(其中实验1学时),静载试验6学时(其中实验2学时),动载试验5学时(其中实验1学时)。
硕士研究生的总学时为24学时,具体的安排为绪论1学时,无损检测2学时,钻孔灌注桩检测1学时,静载试验10学时(其中实验2学时),动载试验10学时(其中实验2学时)。着重讲述静载试验和动载试验有关知识点的基本原理,对相关理论进行详细论述。要求掌握基本理论,能够对工程实践进行理论指导。
4 教学方法
无论是对本科生还是硕士研究生授课的过程中,都要做到理论联系实践,这一点从教学内容的安排中也可以得到相互的验证(每方面都开设了实验课程)。为了能够做到这一点,在课堂教学中需要充分采用多媒体手段,并且辅助大量的图片以及影像资料。同时,也需要充分利用实验环节作为课堂授课的补充和延展。实验室拥有的桥梁检测仪器数量是有限的,为了让每个学生都有机会亲自操作仪器,在实验课环节采取分组预约制。分组预约制的具体办法是在某一段时间内所有的实验课程同时开放,把学生分成4人一组,每一组学生可以根据自己的时间去预约某一个实验,预约完成后学生即可以进行相应的实验。
针对不同的授课对象,同一个知识点的授课内容各有侧重。比如,在讲述动载试验中的跳车试验时,在对本科生讲授该知识点时只是强调跳车激励类似于脉冲激励,跳车高度一般为15 cm,桥梁的自振频率采(测试到的桥梁频率)修正获得。而在对硕士研究生讲授该知识点时,则要让学生知道15 cm的跳车高度只是一个统计值。结合授课人自身的科研成果,在课堂上给学生建立单梁-车辆耦合振动模型,对跳车高度进行理论求解。桥梁的自振频率采用修正公式进行计算在很多情况下是不正确的,因为在建立该公式时并没有考虑车辆的振动特性,结合授课人发表的学术论文和科研成果对该公式进行深入剖析,给出考虑车辆动力特性情况下的自振频率与测试频率之间的联系。
对知识点进行深入剖析,培育学生的科研兴趣,激发学生的科研潜力。例如,在讲述索力测试知识点时,首先,给出索力的计算公式,然后列举实际工程中测试到的数据向学生形象的说明该公式对于长索的计算精度是可以接受的,而对于短索的测试精度则不能满足工程要求。接着对形成该公式的各种假定和影响条件进行剖析,找出导致该公式产生偏差的主要因素。阻尼器的存在是导致该公式产生误差的主要因素之一。最后,从不同角度对存在阻尼器的索力计算公式的建立过程进行理论上的尝试。在通过该知识点的学习后,学生应该知道该知识点是一个研究方向,并且了解到解决此问题的一些科研思路。
参考文献
[1] 张俊平.桥梁检测[M].人民交通出版社,2005.
关键词:高层建筑结构设计;教学内容;教学方法;教学手段
高层建筑结构设计课程的教学内容涉及混凝土结构、结构力学、结构抗震等知识的综合应用,作为培养从事土木工程设计、施工、预算、招投标工作的高级工程技术人才的土木工程专业,一般将高层建筑结构设计课程设置为一门专业限选课。土木工程专业毕业生的就业方向主要有结构设计、工程施工技术管理、预算和招投标等岗位,这些工作岗位都与高层建筑结构设计具有密切联系。土木工程结构设计岗位的主要工作内容已由多层建筑设计转变为高层建筑设计;从事土木工程施工管理工作,必须掌握高层建筑结构的识图与读图等知识,清楚高层建筑中哪些是主要受力构件,哪些是构造构件,在施工过程中遇到一些简单的高层事故应如何处理,等等,这些都有赖于该课程的学习;土木工程预算和招投标管理工作中大量的分析计算都要靠计算机来完成,要求工作人员要在看懂图纸(很多是高层建筑图纸)的基础上建立分析模型,做到不多算、不漏算,这也有赖于该课程的学习。工程专业开设该课程的意义由此可见。但是,由于种种因素的影响,目前该课程教学中还存在不少现实问题。鉴于此,本文拟从教学内容、教学模式、教学方法、教学过程等方面探讨高层建筑结构课程的教学改革问题,希望能为该课程教学质量的提高提供参考。
一、课程教学内容规划
随着我国经济的发展,土建行业对人才的要求特别是对学生工程素质的要求越来越高,企业欢迎的是具有完备知识结构又具备较强工程能力的人才。高层建筑结构设计课程涉及很多计算,教学内容十分丰富,但该课程的学时往往十分有限,因此,合理选择教学内容就显得尤为重要。该课程教学内容的选择应以应用型人才能力培养为目标,理论与实践并重,并注意兼顾不同学习基础的学生。土木工程专业一般将该课程安排在大学四年级第一学期,主要内容包括绪论、高层建筑结构的体系与布置、高层建筑结构的荷载和地震作用、高层建筑结构的计算分析和设计要求、框架结构设计、剪力墙结构设计、框架―剪力墙结构设计、高层建筑地下室和基础设计等,与先修课程混凝土结构、混凝土结构与砌体结构、基础工程、工程结构抗震等有紧密联系,也存在一定的内容重复现象。为了保持教学内容的系统性,教师处理与已开设课程重复的内容时,应做到“重复的内容讲差别,相似的内容讲典型,突出重点”[1]。例如:荷载计算部分的一些内容与混凝土结构课程的相关内容相似,按照相似的内容讲典型的原则,对该部分内容,教师应重点讲解高层建筑结构的风荷载计算(考虑风震系数),而活荷载计算可不考虑不利布置;框架结构设计部分的一些内容,与混凝土结构与砌体结构等课程的相关内容存在重复现象,按照重复的内容讲差别的原则,对该部分内容,教师应重点讲解在框架结构设计中如何调整位移比、周期比、轴压比、相邻层刚度比、层间位移角、层间受剪承载力比等高规参数;高层建筑结构基础设计部分的一些内容,与基础设计和基础工程课程存在内容重复现象,按照重复的内容讲差别的原则,教师可重点讲解高层建筑“筏板基础”“桩基+筏板”设计中的常见错误及其原因。
二、课程教学模式
在开设高层建筑结构设计课程时,学生已具备一定的专业技能,但综合能力还有待提高。采用多元化教学模式是近年来该课程教学的主要特点之一。根据高层建筑结构设计课程实践性和操作性强的特点,教师应以促进学生提高实践技能、掌握关键知识为主线,整合课程各个单元的教学内容开展任务驱动教学和项目导向教学,将“教、学、做”有机结合,着力体现应用性、实践性和开放性的课程理念。将“教、学、做”一体化的教学模式有机融入教学过程,有利于处理“懂”与“会”的关系,学生可以先懂后会,也可以先会后懂或边懂边会。此外,教师还可以把课堂搬进实验室、建筑设计院、工程施工现场等场所,广泛开展直观教学,实现课堂教学与实习实训的一体化,从而有效提升学生的综合能力。
三、课程教学方法与教学手段
高层建筑结构设计课程的教学环节分为课堂教学、PKPM软件应用、工程设计实践和考核[2]。以下从四个方面探讨该课程的教学改革。
(一)课堂教学
课堂教学应以讲解高层建筑结构设计的基本设计理论、抗震规范、高层混凝土结构技术规程等内容为主;要有明确的教学目标、有效的教学策略和具体的学习评价指标;要注重学生兴趣的培养和潜能的发掘与提升,广泛开展探究性学习和协作学习;要注意培养学生终身学习的观念,力促学生自主发展和可持续发展。在高层建筑结构设计课程教学中,还应做到课堂讲授、自学、讨论相结合,课内学习与课外学习相结合,理论学习与实践环节相结合[3]。第一,课堂讲授与自学相结合。教师在课堂教学中应重点讲授基本概念、基本原理和难点,并向学生指定课外自学的内容和思考题,以培养学生的自学能力,化解教学内容多而课时有限的矛盾。第二,开展课堂讨论,启发学生开展积极的思维活动[4]。大学生思想独立性强,思维灵活,喜欢独立思考问题。因此,在全班或小组内围绕一个问题开展讨论,让学生各抒己见,相互启发,有利于发挥学生学习的积极性和主动性,充分提高教学效果。如在高层结构选型内容的教学中,可让学生以某“高层设计采用哪种结构体系较合理”为题在班级范围内开展讨论,让学生在愉快的氛围下通过主动思考掌握高层结构体系的有关知识。就课堂讨论的方式来讲,教师可先提出问题,让学生在小组讨论的基础上,选出代表到黑板前陈述意见,这样既可活跃课堂气氛,提高教学效果,也可提高学生的表达能力。第三,课内学习与课外学习相结合。在每次课结束前,教师都应向学生明确课后的复习内容、预习内容及思考题。对于较抽象的教学内容,教师应组织学生开展课堂讨论或课外学习小组(宜以宿舍为单位)讨论。教师还可结合单元教学内容,组织开展以高层结构设计基本理论知识和常规应用为基础的小型竞赛活动,如PKPM建模大赛等,以锻炼提高学生的知识运用能力。第四,理论教学与实践教学相结合。笔者的调查表明,很多学生在学习过程中都感觉到“高层建筑混凝土结构技术规程”难以理解,难以联系具体工程实例;结构设计只是停留在单个构件上,不明确结构整体设计的思路。因此,教师在教学中应结合具体教学内容引入工程实例,通过对工程实例的详细讲解,使学生加深对理论知识的理解,提高应用能力。比如,对高层建筑常用的三种结构,即框架结构、剪力墙结构、框架―剪力墙结构,教师可借助实际工程项目,依次详细讲解抗侧力构件的布置、主要高规参数的控制、平面的布置、施工图的绘制,通过实例讲解使学生理清结构设计的整体思路,加深对规范条文的理解。需要说明的是,教师教学中选用的案例可以来自企业生产实践,也可来自教师指导学生完成的工程设计实践项目。教师指导学生进行工程设计实践(包括结构选择、结构建模、施工图绘制等),是提高高层建筑结构设计课程教学质量的有效手段。
(二)PKPM软件应用教学
PKPM软件应用教学的重点是理解和掌握高层建筑结构设计的基本过程,主要有以下三个教学步骤:(1)结构布置的讲解与练习。在此步骤中,要通过讲解和练习,使学生掌握运用PKPM软件建模的技巧,理解“抗规”关于结构平面和竖向布置的基本要求。结构平面布置要求平面形状简单、规则、对称、质心和刚心重合[5]30−31;结构竖向布置的要求主要是抗侧力构件沿竖向不突变等。(2)PKPM基本计算参数输入练习。在此步骤中,应要求学生按照相关要求,结合工程结构的实际情况输入PKPM相关参数,并理解基本风压、基本雪压、设计地震分组、抗震设防烈度、连梁刚度折减系数等参数的含义。(3)PKPM计算结果的分析判断和参数调整。在此步骤中,应指导学生通过对计算结果的分析,判断结构的周期比、位移比、剪重比、相邻层刚度比、轴压比、整体稳定是否满足要求,并对不满足要求的参数进行调整。
(三)工程设计实践教学
开展高层建筑结构设计课程实践教学,有利于学生强化工程概念和感性认识,激发学习主动性,提高创新能力。在工程设计实践教学中,教师可以组织学生分组参观调查当地已建高层建筑,了解其构型、结构体系、存在的施工问题等;可以让学生以小组为单位完成高层建筑的建模,如15层以下教学楼、办公楼、宾馆等框架结构的建模,20层以下住宅楼等剪力墙结构的建模,20层以下写字楼、公寓等框架―剪力墙结构的建模。
(四)课程考核
高层建筑结构设计课程的常规考核方法是笔试成绩与平时成绩相结合,但笔试成绩一般占总成绩的80%,这容易导致学生只重视理论而忽视实践,不利于学生应用能力的提高。该课程的考核应着重考核学生综合运用知识的能力,可采用笔试、上机操作、实践环节相结合的考核方式。其中,笔试成绩占总成绩的50%,试卷的制作可参考国家“注册结构工程师专业资格”考试;上机操作成绩占总成绩的20%,可以给定房屋建筑平面图和立面图,让学生在规定时间内运用PKPM软件完成满足结构设计规范要求的结构建模;实践环节成绩占总成绩的30%,内容包括考察报告的撰写情况、在分组建模实践教学中的表现等。
四、教学过程的组织
如前所述,在每次课结束前,教师都应向学生明确课后的复习内容、预习内容及思考题,其中预习的内容可以是参观现有高层建筑结构,调查了解其结构形式、结构设计、施工中存在的问题等,并形成文字。导入新课时,教师可用5分钟左右的时间了解学生的预习情况,并通过总结引出新课题。在讲授新课的过程中,教师应突出重点,把握难点,可按照理论讲授―例题解析―学生练习―归纳总结的步骤组织教学。如在讲解高层建筑的结构体系时,可先分述每种结构体系的概念,再举例分析典型的结构体系布置,然后让学生画出附近教学楼等高层建筑的结构,最后归纳总结常见建筑结构体系的选择。课堂讨论教学环节一般可采取学生自由发言与教师总结相结合的方式,而在安排有小组前期调研的情况下,应紧紧围绕小组代表的汇报发言开展现场提问。另外,教师在课堂教学中还应引导学生主动到建筑设计院、工作室参观实践,以实现学以致用,不断提高学生的实践应用能力。例如,为了提高应用型技术人才培养质量,黄淮学院在其大学生创新创业园设置了建筑设计院校内实践基地,为土木工程、建筑工程等专业学生的工程实践提供了良好的平台,教师引导学生到这里结合教学内容参观实践,无疑能够有效地促进学生实现所学理论知识的内化和实践应用能力的提升。
作者:邵莲芬 单位:黄淮学院
参考文献:
[1]牛海成,徐海宾.面向可持续发展的高层建筑结构设计课程教学改革探讨[J].高等建筑教育,2013(22):72―75.
[2]刘圆圆.浅谈《高层建筑设计》课程改革方案[J].城市建设理论研究:电子版,2014(36):8119―8120.
[3]孟丽岩,王涛,陈勇,等.高层建筑结构设计课程教学方法的改革与实践[J].黑龙江教育(理论与实践),2015(3):77―78.
1分组式学习法概述
分组式学习法是教师根据学生的性别、学习成绩、能力倾向、兴趣、背景等几个因素以及教学内容、学习方式等进行分组。分组时要注意组员构成的异同合理组合,尽量做到灵活掌握,合理分组。分组式学习关键是要确定好学习目标,让每个学生切实能够参与进来,目标不能太多,要适量且明确,不能太难,要切实可行。分组式学习的优点是打破传统集中授课模式,可以让每个学生都参与到任务中,更有利于知识的掌握。工程测量课程可以按照测量操作技能和知识分成几大模块,现在的学习过程中已经采用分组实习的做法,但是其施行的模式是教师课堂集中讲授后,安排实习课程,在实习场地再演示一遍仪器,然后由学生分散自行练习,这种模式下许多学生出现不敢动手、不甚了解的情况。本文的分组式学习方式则是改进原来的分组功能,将单纯的自行练习更改为讨论学习、确定实习方案以及验证设计是否可行、进一步改进方案的自主学习模式,这样能够让每个学生充满探索感,都有任务,更能够调动学生的学习积极性。
2分组式工程测量课程设计概述
2.1分组依据
根据班级大小将学生进行分组,人数建议为5~6人,便于开展实习工作。分组过程中要考虑到小组成员间的性别比例、性格、学习掌握状况、兴趣等,尽量保证其能够最大程度满足每个同学的学习要求。分组一旦确定,将选定组长一名,在分组式学习中负责协调、分配任务、保持与教师的流畅沟通,并且这种小组要一直保持到本门课程学习全部结束,不得中途随意拼凑或重组小组,以保证思维效果的连续性,便于总结经验,避免已出现过的错误。
2.2分组式课程设计思路
给学生讲解测量基础概念、测量基本原理、仪器构造与使用等基本知识,在此基础上布置任务,即让学生参考课本的前提下分组讨论如何进行相应内容的外业施测和进行数据处理。在接下来的课程中安排实习课,每个组按照讨论商定的设计方案进行测量实习,以验证本组的设计是否可行,如果可行方案是不是最佳,如果出现问题怎么解决。在此过程中教师要跟随学生,随时与学生保持沟通,为学生解答疑问。实习课堂最后,教师将全班的实习情况进行总结并给予点评,对出现的问题统一进行讲解与解答,尤其对好的方面要进行表扬。
3案例设计