基于CDIO工程教育模式的混凝土结构设计原理课程教学改革探索

    朱街禄 宋军伟 王露

    摘 ?要 混凝土结构设计原理作为土木工程专业重要的专业基础课，在该专业的课程设置中占据重要位置。随着国外CDIO工程教育理念被引入我国以及我国新工科教育改革的深入，如何推进该课程的教学改革，成为各任课教师思考的问题。结合江西科技学院该课程教学改革，探讨基于CDIO工程教育模式的混凝土结构设计原理课程教学改革。基于CDIO工程教育理念，介绍钢筋混凝土适筋梁正截面破坏的实践教学及该课程CDIO模式的保障措施。实践证明，CDIO工程教育理念引入混凝土结构设计原理课程教学，激发了学生主动学习该专业基础课的学习兴趣，提高了教学质量。

    关键词 CDIO;混凝土结构设计原理;实践教学;工程教育

    中图分类号：G642.0 ? ?文献标识码：B

    文章编号：1671-489X（2019）18-0074-03

    Exploration on Teaching Reform of Concrete Structure Design Principle based on CDIO Engineering Education Model//ZHU Jielu， SONG Junwei， WANG Lu

    Abstract Concrete Structure Design Principle is an important profe-ssional foundation course for civil engineering majors. It plays an important role in the curriculum of this major. With the introduction of foreign CDIO engineering education concepts into China and the deepening of new engineering education reform in China， how to promote the teaching of this course reform has become a question for

    teachers of all classes. Based on the teaching reform of this course，

    this paper discusses the teaching reform of the course of Concrete Structure Design Principle based on CDIO engineering education mode. Based on the CDIO engineering education concept， the prac-tical teaching of the normal section failure of reinforced concrete beams and the guarantee measures of the CDIO mode of the course are introduced. Practice has proved that the CDIO engineering edu-cation concept introduces the teaching of Concrete Structure Design Principle， which stimulates students to actively learn the interest in the basic course of the major and improve the quality of teaching.

    Key words CDIO; concrete structure design principle; practical tea-ching; engineering education

    1 引言

    混凝土结构设计原理是土木工程专业的重要专业基础课，在土木工程专业人才培养方案课程设置中具有重要的承上启下作用。本课程对培养学生的工程素养及创新精神具有重要意义，同时为学生后续专业课程的学习、毕业设计的开展及毕业后从事结构设计、施工等工作奠定重要的专业基础。CDIO工程教育模式是近十多年来国际工程教育先进的教育理念[1-2]，以培养学生个人能力、团队协作能力及系统适应能力为目标。基于此，CDIO工程教育模式为混凝土结构设计原理课程实现以能力传授为核心的教改模式提供了新的思路。

    CDIO代表构思、设计、实施、运作（Conceive-Design-

    Implement-Operate），这四个环节来源于工程项目的生命周期过程，涉及绝大部分工程师必要的专业活动[3-4]。美国麻省理工学院等四所大学组成的跨国研究经过四年的探索研究，创建了CDIO工程教育模式及以CDIO命名的国际合作组织。CDIO工程教育模式注重培养学生的工程实践能力，體现了当今工程教育领域的国际共识[5-6]。

    2 课程学习特点

    混凝土结构设计原理作为土木工程专业的核心课程，在土木工程专业课程设置中占据着重要位置。该课程教学内容多，具有较强的综合性，理论与实践教学并重。学生通过本课程的学习，具有运用所学理论分析实际工程问题的能力，具有较强的查阅规范能力，为今后从事相关工作奠定一定的理论基础[7]。该课程的学习还具有以下一些特点。

    教学内容多，知识涉及面广 ?该课程内容包括材料的基本性能、结构设计方法、拉压弯剪扭等五种基本受力变形下构件的承载力计算，同时包括构件的裂缝计算、挠度计算等，课程基本概念多、公式多、符号多，且设计计算与构造规定并重。该课程是专业基础学习与专业学习的重要衔接，学生对该课程相关知识的掌握程度对于后续专业课程的学习具有重要的意义。

    半理论半经验的计算模型[8] ?混凝土结构计算理论经历了容许应力法、破损阶段结构承载力、極限状态设计法等，混凝土结构设计理论始终与工程实践具有密切的联系，课程中计算公式大部分是基于试验研究，通过归纳总结或回归分析得到的。大部分公式具有经验总结或试验回归性质，通过一定系数修订，无法通过理论分析进行解释，课程中包含许多基于工程经验的构造规定。所以该课程具有概念多、公式多、系数多等特点，且教学过程需结合《混凝土结构设计规范》《建筑结构荷载规范》等国家现行规范与图集，给学生学习该课程带来一定的难度。

    课程具有极强的综合性与实践性 ?该课程是前导课程如结构力学、材料力学、土木工程材料等专业基础课程的专业课，也是混凝土结构设计等专业课程的基础课，在该课程的学习中要求能融会贯通运用所学知识解决工程问题。钢筋与混凝土作为两种性质完全不同的材料作为结构或构件，在进行力学分析或建立模型时，与结构力学的理想弹性材料有很大区别，在结构设计或计算中引入较多假定，实践性较强，应注意引导学生了解我国混凝土结构设计方面的规范与技术准则。

    解答的非唯一性 ?由于钢筋与混凝土两种材料的复杂性、设计理论的经验性以及标准中对构造的相关规定，以致结构设计没有唯一解，教材中给定的解答为最优解，无论是材料截面尺寸的确定，还是材料的选择和配置，其设计结果都不是唯一，要求学生具有较为扎实的专业基础知识。这就与学生多年学习中习惯的唯一解有很大不同，需要有一个适应和领悟过程。

    3 基于CDIO理念的混凝土结构设计原理实践教学体系建设

    CDIO教育模式通过项目将课程知识有机结合起来，课程知识点围绕项目设计这个核心。教师应在调研基础上了解工程企业对混凝土结构设计原理知识和能力的需求，结合土木工程专业人才培养目标，选择与今后从事工作相关或专业相关的案例项目，经过筛选整理为课堂教学的项目。如以钢筋混凝土梁正截面承载力为例，介绍基于CDIO工程教育理念的混凝土结构设计原理教学模式，该教学模式涵盖理论教学与试验教学。由于正截面破坏包括适筋破坏、少筋破坏、超筋破坏等形式，灵活多变，可以较好地锻炼学生的理论计算能力、试验能力和发散思维，通过理论计算与试验对比，较好地巩固理论知识。

    该实验以小组的形式完成，每组10名成员左右，在理论教学学完该知识点后进行试验。试验完成后，学生需提交相关的理论计算书、实验设计及分析报告、实验总结。要求每组以PPT汇报方式对实验完成情况及心得进行演示汇报，同时考核其文字表达能力及团队协作能力。

    项目的构思阶段 ?在完成正截面承载力计算理论教学后即开展该项目，学生通过查阅文献资料或网络检索等方式了解试验原理、试验方法、试验步骤等试验知识，少筋梁、适筋梁、超筋梁等试件，根据所学理论知识计算其正截面承载力。拟定实验测试方法及步骤，征求教师意见，教师对承载力的计算、试验的科学性等进行指导并提出相关意见，如应变片的粘贴布置、极限承载力的计算等。

    项目的设计阶段 ?通过项目构思后，学生对试验项目进行详细设计，若设计钢筋混凝土适筋梁，则先通过计算理论确定其承载力。注明设备支持，静力试验台座、反力架、支座及支墩、应变仪等，对试验步骤进行设计，小组讨论在试验中应观察的参数及可能出现的问题。

    实施阶段 ?按照上一阶段设计的步骤进行试验操作，记录试验数据，注意应变片的粘贴与荷载的记录等，观察梁的开裂、挠度等发展规律。对试验数据进行记录，如混凝土的开裂荷载、梁屈服荷载与破坏荷载，并将各荷载换算为弯矩。对理论承载力与试验承载力进行分析对比，必要时可寻求指导教师的帮助。

    运行阶段 ?完成试验后，各小组对试验数据进行分析整理，撰写试验报告，对理论计算和试验测得荷载的误差进行分析，并讨论所产生误差的原因。总结试验中的得失，将试验的感悟和体会制作成PPT，每小组推选成员进行汇报，介绍试验设计过程和小组内分工情况，并对试验存在的问题进行分析评价。

    4 混凝土结构设计原理课程CDIO模式的保障措施

    采取多种教学方法 ?该课程的CDIO模式可采取多种教学方法。其中，项目的构思与设计、基本概念与基本原理的讲解、小组讨论与协作、自评与互评、知识的总结与归纳等环节涉及的教学除传统的教师讲授为主外，还可以采用演示法、讨论法、试验法等多种教学方法。

    组建“双师型”教师团队 ?近十多年来，随着高校的迅速扩招，很多高校新引入一批硕博士毕业的研究生进入教学岗位，他们理论功底扎实，实践经验欠缺。该课程部分内容如构造措施的讲解，若教师具有一定的实践经验，则能提高授课质量，提升学生学习该课程的兴趣。教师具有混凝土结构的设计及施工经验后，能更好地服务教学。因此，教师应利用业余时间到施工现场、设计院等工程企业参加工程项目，提升实践能力，将实践与理论教学相结合。同时，教师还可积极参与执业资格考试，取得执业资格证书，成为具有较强实践经验的“双师型”教师。

    强化实践教学 ?课堂教学与工程实践存在一定的差异。该课程既要求学生掌握较为全面的专业知识，又要求能灵活运用所学知识解决工程问题，学生掌握理论知识后不代表能将所学知识灵活运用于工程项目。因此，加强实践环节的教学显得尤为重要。该课程的教学要求教师在授课过程中密切结合现行工程规范，运用所学知识分析工程案例，在深度和广度方面拓宽教材的内容。还要重视课程设计，课程设计既可以对学生所学知识加以巩固，还可锻炼学生查阅资料和规范的能力，提高学生处理实际工程问题的能力。因此，课程设计是该课程教学中非常重要的环节，设计中务必做到一人一题，要求学生独立运用知识解决工程问题。通过课程设计，还可让学生巩固教师尚未讲授的知识，培养他们解决实际工程问题的能力。

    5 教学改革效果

    该课程通过CDIO教学模式改革后，使学生能较好地掌握课程大纲规定的基本知识点，加强对学生职业发展能力、职业道德与素养、沟通能力等方面能力的培养，取得较好的教学效果。实践证明，将CDIO工程教育理念引入混凝土结构设计原理课程教学，能改善以往该课程教学中存在的部分问题，在一定程度上提高教学质量。该课程实施CDIO模式教学改革以来，激发了学生主动学习该专业基础课的兴趣，从一定程度上解决了为什么学混凝土结构设计原理、什么是混凝土结构设计原理、如何运用混凝土结构设计原理这三个一直困扰学生和主讲教师的问题。

    参考文献

    [1]顾佩华，包能胜，康全礼，等.CDIO在中国（上）[J].高等工程教育研究，2012（3）：24-40.

    [2]顾佩华，包能胜，康全礼，等.CDIO在中国（下）[J].高等工程教育研究，2012（5）：34-45.

    [3]张茂雨，等.应用技术型本科高校土木工程专业SCCIM-CDIO人才培养模式探索[J].中国大学教学，2016（12）：52-55.

    [4]钟晨，王颖.基于CDIO模式下应用型本科土木工程人才培养方案探索[J].教育教学论坛，2018（5）：159-160.

    [5]乔克，孙海燕，袁军，等.CDIO模式下创新型土木工程人才培养研究[J].高等建筑教育，2014（1）：26-29.

    [6]顾佩华，等.从CDIO到EIP-CDIO：汕头大学工程教育与人才培养模式探索[J].高等工程教育研究，2008（1）：12-20.

    [7]刘建平，贾致荣，师郡，等.基于CDIO理念立体化教学模式探讨：以混凝土结构系列课程为例[J].高等建筑教育，2011，20（5）：83-87.

    [8]葛振义，王婉晨，赵东拂.在联系中把握《混凝土结构设计原理》课程的学习与拓展[J].东南大学学报：哲学社会科学版，2012，14（S2）：158-159.