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關鍵詞:注冊工程師制度;地基處理;教學
中圖分類號:G64 文獻標識碼:A
收錄日期:2012年12月13日
《地基處理》是石家莊經濟學院土木工程專業本科巖土工程方向的一門專業課,本門課程主要結合地基處理技術新規范和工程實際,詳盡地介紹土木工程領域中各種常用的和最新的地基處理技術的加固機理、設計計算方法、施工工藝和質量檢測方法。通過學習這門課,使學生掌握地基處理的基本理論,了解這門學科或技術最新的發展動態,分析存在問題的原因,掌握地基處理方案的選擇和評價,培養學生從事這方面工作的認識與實踐能力。隨著我國土木建設的發展,地基處理新材料、新方法不斷涌現,地基處理技術必將在土木工程建設中起到重要作用。
《地基處理》課程實踐性非常強,甚至可以認為是“實踐領先于理論”的課程。目前的傳統地基處理教學模式對本門課程教學效果并不理想,分析其原因,主要是理論與實踐的嚴重脫節。目前國家開始實行注冊工程師執業制度,注冊工程師考試非常注重考生分析解決實際工程問題的能力,這也正反映出國家對應用型人才的需求。作為土木工程專業課教師,如何結合我國注冊工程師執業制度,改進專業課程教學,為本專業學生今后的工作創造條件,培養出具有創新能力的應用型人才,是我們急需解決的問題。
一、本門課程教學現狀
目前的教學仍采用傳統的教學模式,即以教學大綱為中心,完全依賴并局限于紙質教材的“照本宣科”的完全灌輸式教學模式,學生在這樣的教學過程中缺乏主動學習的熱情,缺乏生動的實際工程情境,所以一貫以來都是依靠死記硬背去應付考試,教學效果較差,從試卷上可以反映出學生生搬硬套,對靈活一些的題型得分率很低。這很顯然違背了素質教育的要求,違背了培養具有創新能力的應用型人才的要求。這樣的教學方式已經很不適應于這種實踐性很強的課程教學,從而造成了教與學的雙重被動。因此,探索新的適用于本門課程的教學模式是當務之急的事情。本文針對目前地基處理教學過程中的問題,從教學方法、教學內容和考核方式三個方面進行了有意義的探索。
二、教學內容的改變
目前,我們使用的教材更新較慢,不能反映最新的一些地基處理技術,重理論輕實踐,工程實例較少,與注冊土木工程師考試的要求有一定的距離。工程建設中地基處理主要依據的是地基處理規范,因此規范的每次調整也需要教學內容的更新,并且要適當的吸收一些前沿的理論和最新的研究成果進入課堂,豐富教學內容,突出課程的時代特征,使基礎理論,技術與實踐相結合。地基處理課程學時有限,因此需要在教學中對教學內容進行優化組合,并階段性地進行總結歸納。例如,在眾多的地基處理方法中,有一些地基處理完后形成的是復合地基,那么講完這些方法后,應該對復合地基理論做一個全面的總結。有些處理方法屬于柔性樁法,有些屬于半剛性樁法,對它們的設計方法也要進行歸納總結,例如可以對每一類樁型總結出各自的設計流程圖表等,這樣使得課程更加有條理、更加清晰,加深學生對方法的理解。
三、教學方法的改變
由于地基處理是一門實踐性非常強的科目,也是注冊土木工程師專業考試中的一個主要考試科目,考試中主要包括基本理論的考查和會用基本理論進行案例分析。因此,教師在進行某一章內容教學之前,預先給學生一個具體的題目或者案例,將學生置于一定的問題情境中,使學生明確通過該部分內容的學習能掌握的知識和解決的實際問題,激發學生的學習動機和學習熱情。在教學過程中,將教材上提供的知識密切地與問題案例聯系,使學生在學習過程中了解應該如何逐步分析問題、解決問題,并最終應用知識完成案例所布置的任務。
在地基處理課程教學中可以比較多地使用這種案例法。例如,在講授強夯法時,首先可以由強夯法應用于工程中的第一個實例切入。本工程表層為新近填筑的厚度約為9m的碎石填土,其下為12m厚的疏松砂質粉土。擬在上面修建8層住宅樓小區,為了加固地基,首先在其上堆土5m,堆載時間3個月后,地基僅固結沉降200mm,仍然不能滿足要求,后用強夯法錘重80kN,落距10m,僅夯擊一遍,整個場地的平均沉降量為500mm。建造的樓房竣工后,其平沉降量僅為13mm。通過本實例的開場切入,大大提高了學生學習的興趣,同時還使學生認識到不同的地基土類別,不同的工程都有最適合本工程的地基處理方法,對于地基處理方法的選取一定要具體問題具體分析,切不可照搬。
案例內容、工程實例的選擇對于最終的教學效果是至關重要的。問題太難,學生理解不了,學習動機反而會降低,問題太容易又達不到培養人才的目的。因此,在選擇案例時,要盡可能從實際工程出發,從學生感興趣的項目出發,選擇難度中等偏上的案例實施教學,方可收到良好的教學效果。
在教學過程中,對于一些新的地基處理技術,可以選取其中1~2兩種,收集其影像資源,在課堂上播放,拓寬學生的視野和激發學生的創新意識。
四、考核方法的改變
土木工程具有實踐性強的特點,如何在專業考試中體現這一特點,加強學生實際應用能力的考核,是值得認真探討的問題。注冊土木工程師考試主要從事土木相關專業的設計工作,在設計中應以國家制定的相應設計規范為依據,應能熟練應用設計規范及其他的計算手冊完成設計任務。針對這一特點,在注冊土木工程師專業考試中,采用開卷考試的形式,允許考生攜帶包括各類工程設計規范在內正式出版的所有參考書籍。開卷考試對考生提出了更高的要求,考生必須熟練掌握考試內容,快速查閱相應設計規范。我們可以借鑒土木工程師的考試形式,采用兩階段考試:第一階段為閉卷,主要考核學生對基礎理論知識的掌握,我們希望學生掌握基礎知識,在將來的工作中有更大的潛力;第二階段為開卷,主要考核學生的實際工程應用能力,當學生完成第一階段閉卷考題后,交上考卷,就可以拿到第二階段的開卷題,開卷題中要求學生正確、熟練地應用規范、教材等輔助材料完成地基處理的簡單設計,開卷考試形式與土木工程師考試中的題目相似。這種考試更注重能力考核,不局限在要求死記硬背的內容上,試題選擇的原則要能夠充分體現素質教育要求的知識,突出學生能力的訓練和考核。
主要參考文獻:
一、獨立學院基礎力學課程建設和教材編寫定位
課程建設和教材編寫定位應符合學院的培養目標。獨立學院的培養目標是服務地方、服務基層,培養為地方經濟服務的應用型人才。一般而言,課程內容設置和教材內容改革應該針對學院的培養目標,保證夠用、適用、好用。力學課程對于工科學生,特別是土木工程專業的學生,是很重要的專業基礎課程。土木工程專業的學生在大學期間學習的力學課程有理論力學、材料力學、結構力學、流體力學、土力學、彈性力學等。基礎力學課程則包括理論力學和材料力學課程。因此,文章的討論主要針對理論力學和材料力學這兩門基礎力學的課程內容改革和教材編寫定位進行討論。理論力學[2]和材料力學[3]是土木工程專業學生必修的基礎力學課程,通過課程的學習,構筑工程技術力學知識基礎,建立物體運動與受力狀態的關系,掌握質點、質點系和剛體的平衡,機械運動及動力學問題的基本規律及其研究方法,使學生明確桿件強度、剛度和穩定性問題的基本概念,掌握構件的基本變形及其應力應變的求解方法。通過力學課程的學習,使學生掌握相應的理論知識,并具有比較熟練的力學計算能力,培養學生的力學素質和定性、定量分析能力,以及分析解決某些實際工程問題中的力學問題能力。通過力學實驗課程,掌握測定金屬材料性質的基本知識、基本技能和基本方法,了解實驗應力的基本概念并初步掌握驗證材料力學理論公式的方法,培養學生初步的實驗能力,為學生學習相關專業課程及進行結構設計奠定良好基礎。通過力學課程的學習,為一系列后續專業課程,如鋼筋混凝土結構、鋼結構、建筑施工等課程打下必要的基礎,也可為學生在今后工作中解決所碰到的力學問題提供理論依據。因此,獨立學院的學生,必須掌握基礎力學的基本知識和基本概念。2010年,土木工程專業指導委員會就土木工程專業中各知識點的需求和各個知識點的學時建議,頒布了《高等學校土木工程本科指導性專業規范》[4],對力學系列課程知識點的需求提出了指導性的意見。但是,該規范所給出的只是對本科院校土木工程專業所需知識點的最低需求,并沒有明確各類高校的最低知識點的理論深度及其應用要求。遵照規范建議,結合獨立學院的教學實際,基礎力學課程建設和教材建設的定位應為“緊扣最新規范,體現區域特色,強調工程實踐,服務人才培養”。在課程建設和教材建設中,教學內容的設置和教材內容的改革都應該符合規范中對各門課程的基本要求,緊密結合獨立學院應用型人才培養目標,理論上高于高職學院,實踐上強于重點本科母體學校。力學課程教學內容和教材內容應在保證理論知識體系的基礎上,加入力學知識在實際中應用的工程實例,以便學生在掌握力學理論課程的同時,了解力學在工程中的實際應用,同時培養學生應用力學知識和原理解決工程實際中的力學問題的能力,以使學生在今后專業課程學習和工作中,力學知識夠用,并且會用。在教學內容設置和教材內容的改革中,還應該加入最新科技發展的新知識,以培養學生的創新能力。
二、基礎力學課程內容和教材編寫內容選取
按照《高等學校土木工程本科指導性專業規范》[3]中對力學系列課程知識點的需求,筆者認為獨立學院基礎力學課程內容和教材內容的設置應該滿足規范中的最低要求,各知識點有所側重,并在各知識點的理論介紹后,加入大量力學在工程中的應用實例。由于具體的各個知識點在《高等學校土木工程本科指導性專業規范》[3]中已經列出,筆者只討論基礎力學課程各個知識點理論的基本講解深度和工程實際問題在基礎力學教學中的應用。在理論力學課程中,靜力學部分應為課程的重點,理論上由淺入深、循序漸進,課程設置在講解力學基本原理和基本概念之后,由平面力系到空間力系進行分析,理論上重視力學基本原理和基本概念、力系的簡化和平衡理論。在平面力系的簡化和平衡分析中,加入預制板、梁、柱子等預制構件吊裝時的吊點位置,起重機的傾覆穩定性問題,腳手架的靜力平衡問題,以及多跨梁、剛架、桁架等多種結構的平衡問題,約束反力的求解等工程實際力學分析問題。這部分需要學生透徹掌握相關理論,熟悉各種結構,包括物體系統的約束反力分析和計算,以便為后續的材料力學課程和結構力學課程學習奠定一定的基礎。材料力學課程重點為5種基本變形概念,內力和變形分析,強度、剛度和壓桿穩定理論。要求學生熟練掌握基本變形和內力的分析與求解,在此基礎上,再針對理論力學課程中所涉及的相同工程問題,討論起吊構件的內力和變形條件,構件截面上的最大彎矩最小時,相應的變形最小,考慮吊裝時構件的材料特征,以便安全起吊。在討論壓桿穩定問題時,結合起重機械如塔機的桿件穩定性問題分析,討論塔機在達到其自由高度繼續向上頂升接高時,如何增強其穩定系數保持起重能力,避免失穩,以及塔機構件的壓桿穩定等工程實際問題。在講解內力和變形的基本概念后,加入多跨梁、剛架、桁架等具體工程問題的內力和變形分析。在講解強度理論后,分析上述工程實例的強度問題。所有這些實際工程問題以例題和習題的形式加入教材中,使學生在學習理論的同時,學會理論知識在工程中的應用。由于現代科技的發展和對結構抵御地震、風災能力的重視,理論力學的運動學和動力學部分的基本內容的掌握也是必須的。即使獨立學院學生今后主要從事工程一線的工作,也會在建筑機械的使用中碰到建筑機械的力學問題;因此,運動學和動力學部分的教學內容和教材內容,保留《高等學校土木工程本科指導性專業規范》[4]中對這部分知識點的最低要求,針對學生特點,在復合運動速度和加速度合成定理的推導中,采用物理意義更為明確、直觀的幾何法進行推導,與985、211大學在這門課程教學中采用解析法推導相區別,避免了復雜的數學推導。在動力學中,重點為三大普適定理及其綜合應用,以及達朗貝爾原理的掌握。隨著經濟和科技水平的迅猛發展,土木工程建設也迎來了發展的好時期和好機遇,結構形式越來越復雜,施工方法和技術也越加先進。北京奧運場館、浦東國際機場、上海金茂大廈、國家大劇院、深圳帝王大廈,美國的亞特蘭大索穹頂、英國的千年穹頂和石油大廈、澳大利亞的天空穹頂等建筑,無一不體現結構的復雜性和施工的難度。結構每一階段的施工過程,都伴隨著邊界約束的變化、構件的增刪、溫度的變化以及預應力結構的預應力動態施加等變化。施工中的滑輪力學和拆撐時的力學分析問題,都需要現場工程師去面對。因此,在基礎力學的基本理論和實際工程應用學習的基礎上,加入滑輪力學、施工過程的時變力學、施工過程中的應力應變監測等最新施工力學分析成果的介紹,有助于培養學生的創新能力和今后處理實際工程中復雜問題的能力。
很多學生認為《鋼結構》課程不太好學,涉及眾多力學概念、材料和施工工藝等諸多因素。興趣是最好的老師,作者認為引導學生學好《鋼結構》課程的關鍵是激發起學生的學習興趣。傳統的教學方法是從理論到理論,最后結合實際講述應用,這種做法過分強調理論的完整性,對優秀學生比較適應。隨著高等教育的大眾化,這種教學方法的缺點逐漸暴露出來,部分學生在學習基礎理論部分時因產生畏難情緒,喪失了學習興趣,而在后面的設計應用部分由于沒有一定的理論支撐,不知道如何做起。所以,對《鋼結構》的教學進行改革,目的就是引導學生從被動地接受知識轉化為主動自覺地學習知識,著重培養學生獨立思考、分析問題和解決問題的能力。在課程教學中,作者盡量將理論與實踐相結合,將工程中的實際問題反映到課堂上,讓學生有親臨其境的感受。例如,將鋼結構工程中的工程事故,用圖片和動畫形式展示給學生,對學生的心理產生很大的影響,讓他們清楚今天所學或許就在明天的工程中出現,使學生感受到課程的實用性,由“要我學”變為“我要學”。在講解理論時注意假設的合理性介紹和理論知識的連慣性,講完理論之后還要回到工程中去,用所講授的理論再討論前面提出的問題。實踐證明,一般學生都會樂意接受這種教學方式,也比較有興趣學習。另外,作者在每次授課結束時,對本次的教學內容進行簡單總結之外,常常給出幾個核心的、需要解決的實際問題,讓學生課下思考,為下一次上課埋下伏筆,同時給學生思考空間,指導學生針對性的預習。由于學時的限制和采用引導的方式組織教學,作者發現存在學時緊張的問題。
為了解決學時不足并提高教學的深度和廣度,我們和其他學校一樣,通過采用幻燈、多媒體教學軟件等手段,充分利用學校現有的多媒體教學設備,增加課堂教學信息量,運用計算機的文字、圖片、動畫等效果,使教學更加形象生動、重點突出,吸引學生注意力,以獲得良好的教學效果和適應當前專業課程教學改革。為此,作者在參考其他高校《鋼結構》課程多媒體教學課件的基礎上,自編了一些質量較好的課件供教學時使用。由于自己制作的課件對所使用的工程資料背景如:地理位置、結構形式、技術特點、使用用途、工程造價等比較熟悉,所以使用起來比較順手和方便。例如,鋼結構各種連接形式的受力情況、穩定問題一直是學生學習鋼結構的重點和難點。以前教師需要在黑板上畫很多圖幫助學生理解,為此占用了不少課堂時間,教師在黑板上費力地講授,學生仍常常還不能聽懂。引入多媒體教學后,將學校附近的相關實物用數碼相機拍下來展示,或者充分利用計算機動畫技術等,一方面可以使教學內容更加具體、形象生動,吸引學生注意力,另一方面還將大大節約教師上課時板書的時間,用同樣的教學時間向學生傳遞更多的信息,從而獲得良好的教學效果。例如,鋼梁的設計涉及大量的加勁肋設計,但教師在黑板上僅能畫出平面圖和斷面圖,學生往往不能想象其空間的結構形式,對教師所講內容不能很好理解。但利用多媒體技術將整個空間結構清晰的展現在學生面前,教師的講解就輕松很多。需要說明,采用多媒體授課,增加了課堂的信息量,需要學生對所授課程預習;所以作者在第一節授課時便提醒學生,在每一次上課前都需要根據教師布置的問題預習下一節課所講授的內容,只有做到預習,聽課才有針對性,才能更深入的理解講授內容。
2適應新規范和新形式,不斷調整教學內容
隨著工程建設的迅猛發展,鋼結構的設計理論和設計方法也取得了很大的進步。這要求教師在上課時,需要根據當前的發展適時調整教學內容。特別是新的鋼材國家標準頒布后,鋼結構設計規范也進行了修訂,在2003年頒布的《鋼結構設計規范》的基礎上,又計劃出版新的《鋼結構設計規范》(2014),即將頒布的規范對2003版的規范進行了一些重要的修訂。由于教材總是滯后于規范的修訂進度,所以課堂上在講授以前規范規定的基礎上,也結合教學內容介紹最新規范的修訂情況,讓學生對新規范有一些大概的了解,有利于學生今后工作時應用。另外,作者在教學中常常對現行規范的內容及其鋼結構設計規范的歷史演變,做一個縱向的梳理,著重介紹規范的變遷在設計理念、設計思路和設計方法上的不同。在重點介紹我國規范的基礎上,簡要介紹一點國外(如美國、英國、德國等)的相關規范,以使學生更全面地掌握鋼結構知識以及動態進展。由于鋼結構領域發展速度快,知識更新周期相對較短,教材出版的速度難以跟上學科的發展速度。因此,教師需要時刻關注鋼結構領域研究的最新發展,并根據新材料、新技術的發展適時更新教學內容,合理組織和處理教學內容,及時將本學科研究的最新成果介紹給學生,樹立對職業的強烈責任感。例如,以前較少介紹鋼結構大跨度的屋蓋結構形式,現在隨著多媒體技術的應用,可以比較系統而簡潔地介紹相關內容,例如:梁式大跨結構、框架結構、拱式結構、鋼管結構、空間網架(周邊支承網架、點支承網架、周邊支承與點支承混合網架、三邊支承或兩邊支承網架)等,以開闊學生的視野;過去屋面材料大多采用石棉瓦、瓦楞鐵皮等,而現在大量使用大型屋面板、壓型鋼板、壓型鋁合金板等,而這些內容在教材中所占比重太少,無法滿足教學和實際工作的需要。所以我們在課堂教學和課程設計時,及時添加了與工程實際密切相關的內容,以利于學生今后在工程實際中靈活應用。對于一些工程中比較重要,而課堂內無法講授的內容,可給出文獻出處或互聯網地址,讓學生檢索相關知識,提高學生獲取知識的能力。
3適當利用計算機軟件組織教學,適應社會發展的時代要求
在建筑行業,計算機建筑工程的造價已全面滲透到各類活動之中。無論是設計,或者是施工圖繪制和建筑工程的造價與管理,計算機的應用都已普及到各類建筑市場的主體中。這要求土木工程專業的畢業生必須具有熟練利用計算機進行結構計算和繪圖的能力。同時,隨著經濟、科技的發展,建筑結構的形式越來越復雜,用于鋼結構設計的軟件也越來越多,例如:3D3S,PKPM,STS,Xsteel,CuteSer,SparCHSteel等等。各種軟件都有其自身的特點,各自的適用性及技術條件,并與相應的結構設計規范及結構形式密切相關。因此,在《鋼結構》課程教學中,教師可先對常見的鋼結構專業軟件進行了解,熟悉其特點和使用方法,利用專業軟件對鋼結構進行初步設計,然后給學生有針對性地介紹常用軟件的使用方法及技術條件、應用技巧,使學生能獨立應用專業軟件完成某些作業題的計算和簡單鋼結構的計算、設計和繪圖等。作者認為專業軟件的應用與學生今后的工作能力密切相關,教師不僅需要把鋼結構的基礎理論講清楚,而且應將專業軟件的應用提高到實際操作的高度來要求,這對學生今后的成長很有益處。另外,《鋼結構》課堂教學中,經常出現比較復雜的計算,關系式和變量較多,作者在教學中采用MAPLE數學軟件,直接在課堂上演算各類例題,非常直觀和簡單,讓學生感受到真實的計算過程,而不是直接取自教材中的計算結果,這樣有時還能發現教材中出現的一些計算問題。由于應用軟件完成計算過程,所需時間很少,可以解決常規教學中例題演算占用課堂時間太多的問題,讓教師和學生把注意力集中到問題本身及解決的思路和邏輯上來,提高了學生應用數學專業軟件解決問題的能力。
4結合課程教學和課程設計,培養學生的工程意識和動手能力
結合我國“大土木”專業和高校擴招及生源相對減少,怎樣在大眾化教育背景和教學學時減少的情況下,既為學生打好堅實的基礎知識,又為學生畢業以后的工作做適當的準備?作者認為鋼結構課程設計是綜合應用專業基礎知識和培養動手能力的關鍵性實踐環節。鋼結構課程設計,不僅需要學生深刻理解、鞏固掌握所學的基礎理論,而且要求學生對所學知識能融會貫通,使學生得到工程設計能力的初步培養和訓練,提高動手能力,縮短與實際工作之間的距離。因此安排好課程設計是至關重要的。作者在布置課程設計時,從培養學生的工程意識和動手能力出發,要求真題真做,加強設計的過程監督和考察。教師大量增加輔導學生的時間,及時解決學生設計中出現的問題,同時也防止學生相互抄襲、拷貝,加強了師生友誼,將“以學生為中心”落實到實際的教學工作之中。在鋼結構課程教學和課程設計中,作者有針對性地加強學生以下幾個方面能力的培養。
(1)工程意識和分析工程問題的能力對于土木工程專業的學生,教師應注意引導和培養他們的工程意識。應讓學生知道:土木工程專業的學生需具有更高的責任意識和奉獻精神,因為今后的工作成果與人民群眾的生命和財產安全息息相關,來不得半點虛假,據此激發學生的學習主動性。在《鋼結構》課程教學中,無論基礎理論或施工工藝,都應該考慮到工程的具體實際情況,在應用時均應因時因地而改變,提高學生分析問題、解決問題的能力。
(2)實驗和動手的能力鋼結構的理論相對混凝土,具有更嚴謹的理論和方法,但實驗手段也是非常重要的一個方面。在課程教學中,根據學校的實驗設備和能力,我們在原材料有關項目的檢測實驗和焊接工藝評定試驗之外,主要做了焊縫無損檢測試驗、鋼網架節點承載力試驗和鋼結構防火涂料性能試驗等。通過實驗,讓學生切實體會到鋼結構的特性,了解其優點和缺點,加深其印象,為今后的專業設計打下基礎。
(3)讀圖和繪圖的能力由于鋼結構中的連接比較復雜,需要較強的空間想象能力,所以也是培養學生空間想象能力的好素材。土木工程師不僅要能夠讀圖,通過圖紙了解設計者的設計思想、設計理念和設計意圖,而且要能夠繪圖,通過圖紙來清楚表達自己的設計思想、設計理念和設計意圖。一般要求學生在繪圖時圖紙布置合理、繪圖比例協調、圖面表達簡潔清楚,手繪圖紙,每個同學均不相同,切實提高學生讀圖和繪圖能力。
目前,中國建筑業正處于世界建筑業發展趨勢中的“大規模新建階段”和“新建與維修加固并重階段”。為揭示工程結構的潛在危險,避免事故的發生,需對既有工程結構的作用效應、結構抗力及其可靠性進行檢測、鑒定與評價,對不符合國家設計相關規范、規程、標準最低要求的結構,給出維修及加固建議,通過結構補強措施 使其達到預期的功能要求。截至2013年,全國既有建筑物面積總計近500億m2,有30%~50%的建筑物將出現安全性降低的情況或進入功能衰退期,工程結構檢測鑒定與加固問題越來越受到關注,解決工程結構超期服役已成為必須重視和亟待解決的問題。因此,高校土木工程專業應加強學生相關基礎理論知識的教學和實踐能力的培養,引導他們利用所學知識解決實際工程問題。
一、工程結構檢測鑒定?c加固課程特點及課程教學存在問題
(一)課程本身具有的特點
工程結構檢測鑒定與加固課程是一門理論性和實踐性都很強的課程,通常是土木工程專業必修或選修的專業課。該課程內容分為檢測、鑒定與加固三部分,涉及概率論與數理統計、材料力學、結構力學、混凝土結構、砌體結構、地基基礎工程、土木工程實驗和建筑施工等諸多領域,內容龐雜[1]。檢測強調實踐環節,要求掌握常用儀器、設備的使用方法,學會對檢測數據的整理分析和成果的計算;鑒定強調熟練掌握鑒定標準的主要條文,包括評定等級的方法、依據等;加固設計理論及計算很復雜,需要注意的問題主要有:要結合相關規范掌握荷載及其作用的計算方法和組合方法,正確選用結構計算模型,采用可行而簡單的計算分析方法。
(二)課程教學存在的問題
工程結構鑒定檢測與加固課程的主要教學目標是讓學生綜合能力得到提高。但就目前學生在課堂上的整體表現和學習效果來看,并不令人滿意,究其原因,主要表現在以下幾方面。
一是該課程課時一般在40課時左右,但教學內容繁多,如何調節兩者之間的矛盾顯得尤為重要。
二是該課程涉及內容較多,要求學生有一定的先修課程基礎。但由于課程之間的連貫性不夠緊密,學生對已修課程知識掌握得不夠牢固,以致影響聽課效果,使學生失去學習興趣。
三是該課程的實踐性很強,對尚未接觸實際工程項目的學生而言,部分學習內容顯得相對抽象,理解起來比較困難,比如回彈儀的檢測原理及正確操作等。
四是該課程教學一般安排在大三或大四,這一時期學生忙于研究生考試復習或找工作,課堂上學生往往心不在焉,很難集中精力聽課,以致教學效果不理想。
二、工程結構檢測鑒定與加固課程教學改革方向及相關措施
(一)課程教學改革的方向
當前教學過程中面臨的問題是,在規定的課時內,既要按要求完成教學任務,又要讓學生真正學到知識,激發學生內在的求知欲,以達到提高教學質量和教學效果的目的。為此,該課程的教改方向應定位在對土木工程專業學生綜合能力的培養,而不僅僅局限于相關規程、標準、規范的講授。
(二)課程教學改革的相關措施
一門課程教學質量的好壞與教學內容、課程教學體系及教學方法等有著重要的關系,教學技術的應用也很關鍵[2]。根據該課程特點,以及目前課程教學現狀和問題,主要從以下幾方面進行改革:
1.重視教材建設
教材是課程教學理念、教學內容、教學要求,甚至教學模式的載體,在教學過程中起著引導教學方向、保證教學質量的基礎性作用[3]。若教材選用不當,既不能滿足現行教學需求,也不符合土木工程專業教學要求,教師教學工作的難度也會加大。
青島理工大學苗吉軍教授主編的“十三五”規劃教材《工程結構檢測鑒定與加固》(大連理工大學出版社,2015年)。該教材結合國家和行業的最新規范,重點闡述了砌體結構,混凝土結構,鋼結構,橋梁結構的檢測、鑒定與加固的基本原理,并對結構動力檢測及長期健康檢測的現狀和發展進行了介紹。該教材著重培養學生綜合應用已學的專業課程(如混凝土結構基本原理、鋼結構基本原理、工程結構抗震、建筑結構試驗等)知識解決實際工程問題的能力,試圖通過工程問題的解決,來提高學生的力學分析能力和結構常識的應用能力,這是該教材明顯區別于其他同類教材的一個主要亮點。該教材力圖將土木工程專業高年級學生所學的專業基礎課及專業課,如工程結構荷載與結構設計方法、混凝土結構基本原理、工程結構抗震等,通過不同的案例分析,將其中涉及到的專業知識點有機串聯起來,使學生明白如何利用所學專業知識來解決實際工程問題,讓學生明白什么是工程結構中的科學問題,什么是工程結構中的工程問題。即通過一種邏輯分析能力的培養,來提高學生作為未來工程師的素養,這是該教材的核心創新點所在,也是該教材獨創性和專業性的體現。
2.注重實踐教學,提高綜合能力
工程結構檢測鑒定與加固課程有著很強的實踐性,從目前學生就業調查所反饋的信息可以看出,畢業生的工程實踐能力較弱,不能有效地用所學知識解決實際工程問題,不適應用人單位要求,因此很有必要在鍛煉學生邏輯思維能力的同時培養其實踐動手能力,重視理論聯系實際,不斷提高學生的工程師素養。如不同于傳統實驗模式的“信息黑匣子”試驗模式。對混凝土梁正截面抗彎和斜截面抗剪的典型破壞形態,傳統的實驗模式為學生自己動手設計制作構件,然后進行實驗,整理報告。而“信息黑箱子”實驗模式即中心實驗室制作構件并編號,這些編號隱藏了構件截面特性和破壞特征,由學生隨機挑選一個構件,中心提供回彈儀、鋼筋掃描儀等相關檢測設備,讓學生在教師的指導下通過檢測設備獲得構件的幾何信息及材料信息等,諸如混凝土等級、鋼筋截面積、構件跨度等;然后由學生綜合應用所學的結構力學、混凝土結構原理等專業知識,求出該構件預期破壞形式以及承載力設計值和極限值;最后通過實驗研究再現其破壞特征,驗證其理論值。這樣做就是通過實驗研究和理論分析相結合的辦法讓學生將“黑箱子”搞清楚,引導學生在實驗過程中自主思考,培養動手解決問題的能力和創新能力,以及團結協作精神和科研素養。此外,促進科研與教學之間的互動,及時把科研成果轉化為教學內容,重點實驗室、研究基地等向學生開放,支持本科生參與科研活動,鼓勵他們早進課題,早進實驗室,早進團隊。
3.組建“雙師型”專兼職教師團隊,提高教學水平
為提高青年教師的教學水平和科研能力,應拓展教學研討和教學經驗交流的方式,做好教學工作的傳、幫、帶,以培養高素質專業教師隊伍。筆者所在學院與同濟大學土木工程學院合作,開展青年教師培訓計劃。每學期推薦2-3名青年骨干教師赴同濟大學,以聽課、助教、助研的方式進行學習,為期3年,截至目前,學院已派出6名教師進修學習。
學院依托土木工程結構鑒定加固研究所和臨沂市既有土木工程檢測有限公司,開展卓有成效的對外工程服務,5年內完成檢測、鑒定與加固項目150余項,遍及費縣、日照、棗莊、臨沂、煙臺等地,在魯南地區享有較高聲譽。該工作的開展不僅使教師開闊了視野,積累更多的實踐經驗,也有效促進教師專業綜合素質的提高(圖1)。
關鍵詞:裝配式建筑,建筑安全,教學改革,教學效果
中國是世界人口第一大國,建筑需求量巨大。什么樣的建筑形式可以以最便捷,最高效,最環保的方式呈現出來,這種建筑就具有市場,具有優勢,裝配式建筑就是這種建筑。2016年國務院了《關于大力發展裝配式建筑的指導意見》,為裝配式建筑的發展指明了方向。建筑企業迅速做出方向調整,大力發展裝配式建筑。建設面積由2016年的1億m2猛增到2018年年末的2.9億m2[1,2]。在這樣的大環境下,我國本科院校應將裝配式建筑技術融入到教學中,使相關的教學課程和現代產業相融合,培養具有高素質的專業性人才。
1建筑安全課程現狀
1.1教材建設相對滯后。建筑安全課程主要在土木工程、工程管理、安全工程等少數專業中開設,選用此類教材的人數較少。出于發行量的考慮,市面上針對建筑安全的教材不多。教材在內容上有一定的滯后,較少體現新規范、新工藝、新材料、新技術、新方法等,如裝配式建筑安全管理與技術要點。1.2教學大綱缺乏針對性。作為應用型的本科院校,人才培養方案及課程教學大綱應能體現該專業實踐技能和動手能力的培養,強調應用性、針對性、實用性,倘若專業人才培養目標定位不夠準確、缺乏特色,這勢必難以制定出對本專業具有針對性的建筑安全教學大綱,直接影響到建筑安全課程的教學效果。1.3跨度大、綜合性強,課時數有限。建筑安全課程跨度大、綜合性強。建筑安全課程與“房屋建筑學”“建筑材料”“土木工程施工”等課程息息相關,是這些課程的后續課程,內容涉及面廣、綜合性強。開設建筑安全課程之前,學生一般要先經過這些課程的學習。倘若開設的這些課程課時少(如工程管理專業和安全工程專業),將直接影響著建筑安全課程的教學質量。皖江工學院安全工程專業建筑安全課程共32學時,土木工程專業建筑安全課程才24學時,課時數有限、內容多,涉及面廣,又要注重培養學生的實踐能力和動手能力,加大了該門課程的教學難度。1.4課程實踐性強。建筑安全管理與技術來源于工程,又服務于工程,是對廣泛工程實踐經驗的總結。通過長期的總結和匯編,形成了相應的規范和規程,并隨最新的研究成果與工程實踐經驗不斷進行更新。可見,該課程實踐性很強。
2傳統建筑項目與裝配式建筑項目安全管理的區別
傳統建筑項目是在當地組建項目部,通過現場搭架、支模澆筑混凝土等實現的建設項目,裝配式建筑項目是采用工廠預制的部件和構件(如墻體、板、陽臺、屋面、樓梯)等現場拼接的形式建設工程。裝配式建筑與傳統建筑相比,雖然不需要太多的設備和工人,沒有大量的高空作業,但是從施工安全管理方面來講,管理空間有所加大,不僅要管理施工現場,還要管控預制構件廠家;管理時間也有所前移,在分解預制部件和構件階段就要參與管理;管理的內容也不少,不僅需要管理本單位施工人員、外來施工人員、參觀者,還要管理施工機械設備。施工機械最大的差異在于塔吊,預制構件塊重體積大,預制構件所用塔吊起重量要比傳統施工所用塔吊起重量大得多,塔吊的基礎相應增大,塔吊布置的位置選擇性減少,塔吊所用鋼絲繩,掛鉤要求高。可見,裝配式建筑項目的安全管理也馬虎不得,在裝配式建筑工程施工的過程中,也存在大量的安全風險(如鋼絲繩斷裂,塔吊傾斜),可能影響到建筑工程的穩定性和安全性,威脅著施工人員的人身安全,因此,需要進行體系化的安全管理,確保建筑工程的安全和穩定。
3課程教學改革要點
3.1教學大綱的改革。教學大綱是教學的指導性文件,是教材選擇,授課安排,成績考核,教學檢查及課程評估的依據。教學大綱應依據學科的知識系統與有關先行課、后繼課之間的聯系,確定各章、節的知識要點、重點和難點,并能反映出本學科的新成就和學科發展的方向。教學大綱不僅是授課大綱,還是指導和培養學生能力的綱要。因此,應根據行業發展動態及時進行改革。裝配式建筑是我國建設業發展的必然趨勢,為建筑業帶來新氣象的同時,也使土木工程專業、工程管理專業、2021全工程專業的教學面臨新的洗牌和重構。為了培養與現代產業相融合,具有高素質的建筑安全專業人才,應首先進行市場調研,了解崗位需求。根據崗位需求修訂專業培養方案,準確定位人才培養目標[3],再根據專業培養方案制定出相應的課程教學大綱。針對當前建筑業發展趨勢,建筑安全課程教學大綱中應增設裝配式建筑所涉及到的安全管理和安全技術的知識要點、重點和難點。此外,建筑安全課程教學大綱還應體現裝配式建筑實踐能力和動手能力的培養,強調應用性、實用性。制定具有針對性的建筑安全課程教學大綱是該課程教學及其改革的關鍵。3.2結合教材進行教學內容的改革。教材是教學的主要工具,是教學內容的載體,對學生的學習十分重要。但是由于建筑安全課程教材出版的局限性,教師僅依靠教材進行授課很難使學生掌握當前建筑安全的知識要點,難于達到把知識要點由點到線再提高到面的程度。在教學過程中,不能僅依賴于教材,要根據教學大綱要求和最新規范更新教學內容,適當對教材教學內容進行選擇性的增刪,不把教材當做指揮棒,牢記教材只是教學的工具。要讓學生掌握當前建筑安全的知識要點,又能融會貫通,不僅需要結合教材改革教學內容,還需要充分發揮教師作為教學組織者、引導者、促進者的作用,合理安排好課堂教學內容。為了能夠培養出更好地為建筑業服務的建筑安全技術人才,教師首先自己要深入建筑行業,了解建筑業的發展趨勢,目前市場上存在的建造方式及其工藝,安全管理與技術的知識要點、重點和難點,對書本上未有的內容進行適當的補充,使教學有所依。例如,在建筑安全教學過程中,首先利用BIM等[4]現代技術簡短展示裝配式構件工廠化生產、裝配式建筑的施工,使學生更加直觀地了解裝配式建筑的施工工藝及重點難點,了解裝配式建筑需新增的PC模具工、PC套筒灌漿工、PC構件裝配工等工種,為講解裝配式建筑安全管理和安全技術的知識要點、重點和難點打下良好的基礎。3.3教學方式的改革。建筑安全課程本來就跨度大、實踐性強,而裝配式建筑又是新發展起來的一種建筑,在有限課時的基礎上增加裝配式建筑安全知識,毫無疑問地增大了建筑安全課程的教學難度。為了提高其教學效率和教學效果,應根據建筑安全課程內容及其特點,不斷改進傳統教學方式,采用多元化的教學手段[5]。應用啟發式、研討式、互動式和案例式等教學方法,借助多種媒體,利用學習通或建筑云等平臺進行教學。這些教學方法、手段、平臺可以使課程內容更加生動、豐富,從而使學生比較全面、深刻的掌握建筑安全相關安全知識。與傳統的教學方式相比,這些教學方法、手段、平臺促使每一位學生積極參與課堂教學,激發了學生學習建筑安全的熱情。比如對于安全工程基本原理、安全管理知識、安全法規等敘述性內容除了采用PPT課件進行講解,還可以組織安全知識競答,提高課堂的活躍度,調動學生的積極性,加深學生對安全基礎知識的印象。對于鋼筋切割,吊裝作業、預制構件堆放等安全知識點,如果僅憑教師用語言來描述,比較枯燥,難于激發同學們的興趣,同學們也難于接受,采用BIM和flash的形式將整個過程演示出來,將變得非常生動直觀且易于接受。對于高處墜落、物體打擊、起重傷害等知識的講解,可采用情景教學法,讓學生深入其中體驗,從而幫助學生理解教材,有條件的情況下,可以進行VR教學,給學生提供“身臨其境”般體驗,從而讓他們沉浸其中,讓學生感受在建筑行業里進行安全管理的必要性,使教學變得更加有趣。對于腳手架、模板的組成,腳手架、模板的荷載傳遞路線及各種基本構件的受力等內容,可采用多媒體課件動態模擬表達或者播放教學演示錄像,形象生動地理解該部分內容,既可獲得良好的教學效果,又可節約授課學時。對教學內容中的滅火器、電動設備等的類型、組成與構造也可結合實物案例作現場講解,通過現場參觀實物并講解可以使學生更直接地掌握該部分內容。3.4增加實踐性教學環節。要激發學生學習建筑安全這門課的熱情,就不能僅將學習局限在課堂范圍內,而應該將其置于更為廣闊的實踐活動中去[6,7]。首先,在可能的情況下,聯系就近的傳統建筑工地和裝配式建筑工地,利用課余時間帶領學生去現場參觀,這有利于他們更好地理解傳統建筑施工工藝與裝配式建筑施工工藝、安全管理及安全技術等知識,甚至可以讓學生參與實際工程的安全管理制度和技術措施的制定[7],而不是只停留在對書本上建筑安全知識的認識。
4教學改革的實踐
4.1理論聯系實際教學法。皖江工學院建筑安全教師在全國各地收集了大量工程案例,并進行了分類整理和說明,在教學過程中應用,使教學理論聯系實際,通過鮮活的實例將書本上枯燥的知識生動化,增強學生的感性認識,激發學生的學習興趣,幫助學生更好地理解有關知識的含義。在講解高處作業時,結合實際建筑工程部位,講解哪些地方是臨邊作業,哪些地方是洞口作業,哪些地方是懸空作業。在講解起重傷害時,結合吊裝作業實例,舉例說明哪些事故是屬于起重傷害事故,哪些事故雖然與起重吊裝有關,但不屬于起重傷害,方便學生進行區分。在講解裝配式構件的臨時支撐要點時,引入裝配式墻體安裝的案例,重點強調墻體預制件斜撐埋件位置,墻體臨時斜支撐角度的要求等。4.2利用學習通平臺進行教學和管理。利用網絡平臺教學是一種便捷而又高效的教學模式,越來越受到教師和學生的歡迎。皖江學院某專業2019年—2020年第二學期開展了建筑安全課程的網絡教學,教師利用網絡平臺創建建筑安全課程的教學空間,進行課程建設、教學視頻錄制、教學資源上傳以及課程教學管理。對于教學內容的發放,教師設置了闖關模式,讓線上上課變得有趣。學生利用移動端如手機、平板電腦等在線瀏覽儲存的建筑安全課程學習資源進行實時回放,加深了印象。在教與學的過程中學習通實現了學習互動全過程的數據記錄分析,方便老師了解每個學生某個章節的學習情況,統計所有學生的平時成績(權重設置可包括視頻學習、簽到、作業等),見表1,統計效率非常高。可見,采用學習通等平臺進行的線上教學是線下教學的良好補充。但是網絡教學也存在缺陷,對學生是否認真上課不能實時監控,對學生是否獨立作業無法監督,這些都還有待進一步解決。所以,線上教學和線下教學要有機結合,才能取得更好的教學效果。
5結語
當前我國正在大力發展裝配式建筑,在這種趨勢下建筑安全課程教育必須立足于市場重新進行建筑安全知識體系的構建,進行教學內容的改革,適當補充裝配式建筑安全管理與技術的相關內容,并進行教學方式的改革,提高建筑安全課程的教學效率和教學效果。除此之外,通過和企業深度合作,將學習置于更為廣闊的實踐活動中去,拓展學生的工程能力,提高學生學習的積極性。皖江工學院建筑安全教師通過理論聯系實際,利用學習通平臺進行建筑安全課程部分內容教學,取得了良好的教學效果。
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