新時代下“混凝土結(jié)構(gòu)設計原理”課程教學改革探索

摘

要：高校要實現(xiàn)新時代下“三型”人才的培養(yǎng)目標，需要加強課程建設。文章聚焦“混凝土結(jié)構(gòu)設計原理”課程教學改革，以把握行業(yè)能力為導向，培養(yǎng)學生工程師思維；引入“翻轉(zhuǎn)課堂”和仿真實驗平臺，提升理論學習和實驗教學效果，提高學生的學習興趣；采用多樣化作業(yè)、實驗設計、實踐成果和有限開卷四位一體的考核機制，加深學生對課程的理解和對知識的把握；借助校企平臺，提高學生的實踐能力，加深學生對理論知識的感性認識；提升專任教師思政教育能力，優(yōu)化課程教學內(nèi)容，將思政教育與專業(yè)知識的講授有機融合，提升學生的民族自豪感、職業(yè)道德與社會責任感，促進學生全面發(fā)展。文章結(jié)合教學經(jīng)歷，提出教學改革措施，介紹了“混凝土結(jié)構(gòu)設計原理”課程教學過程中的實踐和取得的教學效果。關鍵詞：混凝土結(jié)構(gòu)設計原理；工程師思維；混合式教學；多樣化作業(yè)；課程思政目前，我國處在向第二個百年奮斗目標邁進之際，建筑業(yè)朝著低碳綠色、信息化和智能化的方向發(fā)展，這對高素質(zhì)工程技術人才的要求日益提高。高校土木工程專業(yè)人才的培養(yǎng)應順應國家戰(zhàn)略需求和科學技術的發(fā)展趨勢，因此高等工程教育改革勢在必行。2018年，習近平總書記在全國教育大會上的重要講話中明確指出，高校要“著重培養(yǎng)創(chuàng)新型、復合型、應用型人才”，這也為我國高等教育的土木工程人才培養(yǎng)指明了方向?！盎炷两Y(jié)構(gòu)設計原理”作為土木工程專業(yè)的核心基礎課程，在土木工程人才培養(yǎng)中起著連接專業(yè)知識和實踐應用的功能，是土木類學生的必修課和主干課。據(jù)調(diào)查統(tǒng)計，有96.5%的學生認為“混凝土結(jié)構(gòu)設計原理”課程很重要，但同時又有87.8%的學生認為這門課程非常難[1]。課程難點表現(xiàn)為內(nèi)容多、涉及面廣、與工程實際聯(lián)系緊密和學生缺乏實踐等，這都會造成學生上課難聽懂，下課遺忘快的現(xiàn)象。因此，如何在有限課時內(nèi)（64課時，包含實驗課時）幫助學生迅速掌握混凝土基本原理，并提升運用基本原理解決實際工程問題的能力，是本門課程的重難點，也是該課程教學改革探索的出發(fā)點和落腳點。一、課程特點與教學現(xiàn)狀（一）課程特點本門課程具有內(nèi)容多、信息量大的特點，課程內(nèi)容涉及鋼筋混凝土構(gòu)件設計方法演變、材料力學性能、構(gòu)件性能計算（承載力、變形與耐久性）和預應力混凝土結(jié)構(gòu)設計等，具體表現(xiàn)為公式、圖表和規(guī)范條文繁多，且多為半經(jīng)驗半理論的計算公式。課程大綱安排上既有理論教學又有實驗操作，且兩者互為支持和驗證，與工程實踐緊密聯(lián)系，具有極強的工程屬性[2]?！盎炷两Y(jié)構(gòu)設計原理”課程的計算以數(shù)學、力學為基礎，但又不同于傳統(tǒng)數(shù)學、力學的嚴格推導，其在滿足設計要求的前提下，結(jié)果往往具有非唯一性，需要反復的迭代計算和調(diào)整，要想獲得較優(yōu)的結(jié)果往往需要一定的工程經(jīng)驗?？梢?，“混凝土結(jié)構(gòu)設計原理”課程涉及數(shù)學、力學、實驗、工程實踐等方面，且各學科又相互影響，極大增加了學生學習和教師施教的難度，其結(jié)果往往導致學生失去學習主動性和自主性。（二）教學現(xiàn)狀1.思維障礙?！盎炷两Y(jié)構(gòu)設計原理”課程與先修的基礎課程“高等數(shù)學”“概率論”“理論力學”“材力學”和“結(jié)構(gòu)力學”等的學習思維具有較大區(qū)別。這些先修課程具有嚴謹?shù)睦碚撏茖?，對應唯一、精確的答案，與學生從小養(yǎng)成的科學嚴謹?shù)乃季S習慣具有一致性[3-4]。而“混凝土結(jié)構(gòu)設計原理”是一門半經(jīng)驗半理論的課程，需要學生具有工程師思維[5]。所謂工程師思維，即能合理運用科學知識，系統(tǒng)化解決各種實際工程問題，其外延是指工程師解決實際問題時所運用的思考方式和方法，超越了純理論或技術領域的知識，還需要綜合性思維、系統(tǒng)性思維、經(jīng)濟性思維和風險管理思維等。工程師思維的核心在于化繁為簡。這種思維要求學生能在保證結(jié)構(gòu)安全的前提下將現(xiàn)實中復雜的結(jié)構(gòu)進行必要的簡化，包括平截面假定、荷載布置、數(shù)值取值以及邊界條件設置等，從而簡化為對應力學模型。這種簡化思維沒有嚴謹?shù)睦碚摽裳?，與學生一直以來接受的根深蒂固科學思維差別較大。思維障礙導致學生在學習這門課的過程中出現(xiàn)“難以理解和接受”“得新忘舊”等現(xiàn)象，無法形成系統(tǒng)化的知識結(jié)構(gòu)體系。2.授課方式單調(diào)。部分高校的“混凝土結(jié)構(gòu)設計原理”課程主要以教師講授為主，立足重點、難點，講求層層深入的講解，表現(xiàn)為單向的知識輸出[6]。這種教學方式的優(yōu)點在于教學進度可控，但缺點也十分明顯，師生之間缺乏交流互動，學生主動學習的熱情不足，逐漸失去學習樂趣[7]。相比課堂理論教學，實驗課程設置一直處于從屬地位。該實驗屬于課內(nèi)實驗，僅4～8課時，其中內(nèi)容包括混凝土梁正截面抗彎、抗剪破壞，還包括實驗的準備（制備、養(yǎng)護、粘貼應變等）、測試（加載、結(jié)果記錄等）等工作[8]。根據(jù)以往實踐統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，學生往往選擇其中一個實驗項目，且由于實驗課時少，也只能把其中某個實驗項目匆匆過一遍，這種現(xiàn)象嚴重違背了設置實驗的初衷，也無法反哺課堂教學，從而極大制約了“混凝土結(jié)構(gòu)設計原理”課程教學效果的提升。3.考核方式單一。國內(nèi)大部分高校的“混凝土結(jié)構(gòu)設計原理”對學生的考核還是以期末閉卷筆試為主。由于公式、符號和理論知識多等原因，學生把重點放在如何記住這些知識上。在此情況下，教師往往通過降低閉卷考試的深度與廣度來對學生進行考核，但這種降低考試難度的做法不利于土木工程專業(yè)人才的培養(yǎng)[9]。為了改善這種情況，也有一些高校采用開卷筆試，但其也帶來了許多弊端。一方面，開卷筆試給部分學生造成在平時學習中不用下苦功夫，復習時也不用認真總結(jié)備考的錯覺，使其在考試中將一切都寄托于當場查閱教材。另一方面，開卷筆試試卷難度往往比閉卷難度要高。對比發(fā)現(xiàn)，開卷筆試導致學生掌握知識的能力變差，成績也會偏低。在閉卷與開卷筆試之間，教師也陷入了兩難的境地。4.工程實踐不足。隨著經(jīng)濟和技術的飛速發(fā)展，社會對土木工程領域的“三型”人才需求越來越大，要求也越來越高。而現(xiàn)實情況卻是，符合社會要求的人才短缺，同時也出現(xiàn)了土木工程專業(yè)畢業(yè)生就業(yè)困難的現(xiàn)象。這種矛盾的根源在于人才的培養(yǎng)忽略了社會的需求，脫離了工程實際?！盎炷两Y(jié)構(gòu)設計原理”課程具有工程性強的特點，幾乎每一章的內(nèi)容都對應實際工程中的一類構(gòu)件。而其教材國內(nèi)絕大多數(shù)高校，對教師文憑要求越來越高，大多數(shù)教師具有博士學位[4]。面對科研、教學等考核指標，高校教師也難有時間去工地實踐，導致其缺乏實踐經(jīng)驗。同時，當今復雜工程（超高層建筑、大跨度體育館、過江隧道和預制拼裝等）層出不窮，一方面考驗著現(xiàn)有的規(guī)范和傳統(tǒng)施工技術能力，另一方面不斷涌現(xiàn)出的新計算方法、工藝和技術給土木工程專業(yè)人才的培養(yǎng)帶來了挑戰(zhàn)。5.課程思政建設薄弱。習近平總書記在全國高校思想政治工作會議上指出：“要用好課堂教學這個主渠道，思想政治理論課要堅持在改進中加強，提升思想政治教育親和力和針對性，滿足學生成長發(fā)展需求和期待，其他各門課都要守好一段渠、種好責任田，使各類課程與思想政治理論課同向同行，形成協(xié)同效應?！边@就要求思想政治教育不僅僅是專任思政課教師、輔導員和班主任的事情，而且與專業(yè)課教師也息息相關[10]。絕大多數(shù)專任教師都是專業(yè)出身，具有較高的專業(yè)理論知識，但缺乏有效的思政教學能力、方法和有效路徑。二、教學改革措施針對教學現(xiàn)狀，本文從轉(zhuǎn)變思維方式、改革教學方式、完善評價機制、加強工程實踐和提升課程思政教學能力等五方面開展“混凝土結(jié)構(gòu)設計原理”課程教學改革探索，并在浙江理工大學2019級和2020級土木工程專業(yè)展開了相應的實踐工作。課程教學改革的思維導圖如圖1。（一）轉(zhuǎn)變思維方式首先，專任教師認識到轉(zhuǎn)變思維的重要性，將工程師思維貫穿“混凝土結(jié)構(gòu)設計原理”課程教學全過程。工程師思維體現(xiàn)在構(gòu)件設計時，以解決問題為導向，不再一味追求計算精度，而是在滿足構(gòu)件安全性、適用性和耐久性的前提下，允許舍棄一定精度，獲得近似、簡潔結(jié)果的計算方法。例如，在計算受彎構(gòu)件正截面承載力時，受壓區(qū)混凝土的實際應力圖為拋物線和直線的組合，計算涉及微積分，計算過程復雜，采用“工程師思維”化繁為簡，將實際應力圖用等效的矩形應力圖形替代，引入了兩個與混凝土強度相關的系數(shù)和，實現(xiàn)力的大小和作用位置的等效；在計算偏心受壓構(gòu)件時，大小偏壓判斷的本質(zhì)是判斷受壓區(qū)的高度，難以進行直接判斷，需要進行迭代分析，通過引入已知標準物體與待測構(gòu)件進行比較，初步判別大小偏心，極大簡化計算步驟，這種方法在解決實際問題時更加實用。其次，工程師思維不是一朝一夕就能養(yǎng)成的，教師需注重循序漸進引導學生轉(zhuǎn)變思維，引導他們用工程師思維去分析問題、解決問題。例如，在介紹基本混凝土構(gòu)件的承載力時，先啟發(fā)學生對構(gòu)件的破壞模式進行思考，通過提問的方式讓學生去搜索自己已學習的土木工程材料、三大力學等知識，進而尋找到對應的力學模型。最后，學生應學會自主轉(zhuǎn)變思維方式。教師通過設計實驗作業(yè)等方式讓學生用工程師思維去解決問題。（二）改革教學方式首先，改變傳統(tǒng)課堂單向輸出的教學模式，融入翻轉(zhuǎn)課堂，建立以學生為主導、教師為引導的教學模式。利用“釘釘”“學習通”等平臺將提前上傳的相關學習要點、短視頻、課件、案例等資料推送給學生，充分利用碎片化時間，發(fā)揮學生課前預習和課后復習鞏固的作用，真正做到“我的學習我做主”。課堂上根據(jù)學生對問題的回答，了解學生對知識的掌握情況，有利于教師掌握學生學習程度，及時調(diào)整學習進度。通過隨機分組，針對重難點開展討論，形成共同意見并進行小組匯報。其次，利用混凝土模擬仿真實驗平臺，創(chuàng)新線上線下實驗新模式[11-12]。混凝土模擬仿真實驗平臺克服了傳統(tǒng)混凝土結(jié)構(gòu)教學實驗對課時、場地、實驗條件等存在特殊要求的困難，學生將虛擬的混凝土原料及鋼筋制作成鋼筋混凝土構(gòu)件，并在平臺上進行相關力學性能的虛擬測試，在線給出不同的破壞模式和性能指標。學生通過在線演示可以清楚了解混凝土構(gòu)件破壞全過程，極大提升了課堂理論學習的興趣和效果。最后，發(fā)揮學生設計物理實驗的自主性，引導學生對理論知識進行實踐應用。專任教師通過編制小程序，課堂上自動分組和隨機分配設計參數(shù)。根據(jù)設計參數(shù)，學生設計配比，自行制備混凝土構(gòu)件，進行混凝土性能測試，提高學生動手能力和理論聯(lián)系實際的能力。同時利用混凝土模擬仿真實驗平臺設計線上實驗，對比物理實驗與模擬仿真結(jié)果，促使學生了解理論、模擬、實際的區(qū)別與聯(lián)系，激發(fā)了學有余力的學生的探索興趣。（三）完善多維的評價機制改變傳統(tǒng)的以閉卷考試為主要考核方式的評價機制，建立包含多樣化作業(yè)、實驗設計成果、實踐成果、期末有限開卷等方式的多維度評價機制。創(chuàng)新多樣化作業(yè)形式，構(gòu)建習題、自編小程序、自制小模型等作業(yè)形式。實驗設計成果的評價既可以是對模擬仿真實驗的結(jié)果評判，也可以是對實驗室實驗操作的評判。鼓勵學生參與工程實踐，將工程實踐活動納入考核評價指標體系，這既能讓學生把已學的理論知識運用于實際工程，也能提高學生參與工程實踐的積極性。有限開卷（一紙開卷）既能把學生從繁瑣的概念和死記硬背的公式中解放出來，又能讓學生把更多的時間用于對所學內(nèi)容進行總結(jié)和歸納。課程學習不再僅僅以考試為目的，做到了教、學、用、考的協(xié)調(diào)一體，減輕學習壓力，提升學習興趣，讓學生真正去理解課本知識，達到滿足行業(yè)發(fā)展要求和提高教學質(zhì)量的目的。（四）加強工程實踐利用校企互動交流機制，借助于校企互動平臺，加強學生與企業(yè)互動。為此，浙江理工大學建筑工程學院先后與數(shù)十家施工、設計、檢測企業(yè)建立實踐基地和校企合作平臺。通過推送企業(yè)簡介，學生根據(jù)個人意愿，自主申請參觀企業(yè)項目，提高學生對相關工程的感性認識。建立學生互評機制，促進相互學習，同時將總結(jié)報告納入評分機制。通過工程實踐，學生將理論知識與實際工程相結(jié)合，將所學的理論知識用于解決實際問題，實踐也將反哺對教材知識的理解與深化。（五）提升課程思政教學能力與水平一方面，提升專任教師的思政素養(yǎng)。按照“教育者先受教育原則”，專任教師應具有較高的“思政課程”教學能力，但是專任教師通常并非思政專業(yè)出身，對“思政課程”與專業(yè)教學資源的整合能力較弱。通過建立集體思政教研機制，匯聚土木專業(yè)教師，邀請思政專業(yè)教師進行思維碰撞與交流，豐富思政素材，提升課程思政教學設計能力[13]。另一方面，結(jié)合“混凝土結(jié)構(gòu)設計原理”課程特點開展思政教育，充分挖掘價值引領、家國情懷、道德培育和精神塑造，將思政教育與專業(yè)知識的講授進行有機融合，做到“課程思政”[14]。優(yōu)化課程教學內(nèi)容，將思政元素融入專業(yè)知識，重點突出我國重大工程、工程災害與事故、土木領域科學