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淺析土木工程專(zhuān)業(yè)畢業(yè)設計教學(xué)環(huán)節的改革與實(shí)踐
摘要：文章針對土木工程專(zhuān)業(yè)畢業(yè)設計中存在的突出問(wèn)題，圍繞提高教學(xué)質(zhì)量、培養學(xué)生工程實(shí)踐能力這條主線(xiàn)，對這一重要環(huán)節在教學(xué)手段、教學(xué)方法和教學(xué)內容上提出了一系列的改革和實(shí)踐措施。
畢業(yè)設計是土木工程專(zhuān)業(yè)教學(xué)計戈Ⅱ的重要組成部分，是培養學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際能力的主要途徑，是在教師指導下，學(xué)生綜合運用所學(xué)知識進(jìn)行工程設計的實(shí)際訓練，是評價(jià)和進(jìn)一步培養學(xué)生獨立工作能力的重要階段，抓住這個(gè)階段的教與學(xué)將使學(xué)生獲得新的知識，增長(cháng)新的才干，提高分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，為今后從事土木工程工作打下良好的基礎。
一、土木工程專(zhuān)業(yè)畢業(yè)設計中存在的突出問(wèn)題
(一)學(xué)生對工程設計缺乏整體性概念，面對一個(gè)實(shí)際工程不知如何下手究其原因主要是，在畢業(yè)設計前，由于教學(xué)多以課堂教學(xué)為主，學(xué)生的學(xué)習比較分散、對土木工程專(zhuān)業(yè)的工程問(wèn)題多以點(diǎn)狀形態(tài)記憶，對其全貌缺乏整體性認識。比如：對學(xué)生在課程學(xué)習階段的要求多是單獨地計算一塊板、一根梁、一根柱、一個(gè)基礎的內力及配筋，而荷載、截面、受力形式等前提條件都是已知的，學(xué)生只需根據已知求答案就行了。而實(shí)際工程的結構設計卻遠不是這樣。首先要根據結構安全性、適用性、耐久性的要求，并考慮經(jīng)濟合理、技術(shù)先進(jìn)的原則，涉及結構選型、結構布置、荷載傳力途徑、計算簡(jiǎn)圖、內力分析、內力組合、截面設計、構造要求及施工條件、經(jīng)濟效益等諸多問(wèn)題，其解往往是多元的，計算可能要反復修正迭代，要進(jìn)行綜合分析、比較，才能做出合理選擇。因此，怎樣把學(xué)生點(diǎn)狀的知識連成線(xiàn)、形成面，進(jìn)而有機地把點(diǎn)、線(xiàn)、面聯(lián)系起來(lái)，使學(xué)生對工程設計建立較為完整的概念，是畢業(yè)設計階段面臨的一個(gè)基本任務(wù)。
(二)指導教師對學(xué)生綜合解決工程問(wèn)題能力的訓練不足目前，畢業(yè)設計在內容上通常是學(xué)生按規定的結構形式和要求完成結構計算、構件設計、圖紙繪制等，這占了訓練過(guò)程的主要時(shí)間。對工程項目的全過(guò)程，從方案比較的前期工作到施工可行性分析、實(shí)際經(jīng)濟指標考核等后期環(huán)節等都重視不夠，對于相關(guān)工程的配合了解甚少。故必須在畢業(yè)設計中加大運用已學(xué)的知識處理實(shí)際工程能力的培養，在教學(xué)過(guò)程中，融結構、 施工、項目管理、工程概預算的知識為一體，為學(xué)生營(yíng)造一個(gè)融會(huì )貫通的綜合知識系統，將書(shū)本知識轉化為解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力。
(三)結構計算電算與手算比例失調針對北京工業(yè)大學(xué)土木工程專(zhuān)業(yè)的畢業(yè)設計來(lái)說(shuō)，存在兩種傾向：一是到設計院做畢業(yè)設計的大部分學(xué)生只作電算;二是在學(xué)校做畢業(yè)設計的學(xué)生只作手算。前者會(huì )導致部分學(xué)生忽視基本技能的訓練，結構概念不清，盲目相信電算結果;然而電腦不是萬(wàn)能的，電腦是聽(tīng)人腦指揮的。
后者一來(lái)使得畢業(yè)設計工作覆蓋面過(guò)小、內容不完整、深度不足，設計水平不高，實(shí)際工作所需要的技能未得到培養和掌握;二來(lái)導致學(xué)生畢業(yè)后到設計院先從零學(xué)PKPM系列或TBSA等結構電算軟件，一些學(xué)生雖然畢業(yè)成績(jì)較好，但實(shí)際動(dòng)手能力欠缺，到了用人單位，面對許多具體工作不能馬上進(jìn)入角色，需花費較長(cháng)時(shí)間才能勝任。
二、畢業(yè)設計教學(xué)改革的目標、方向畢業(yè)設計是一個(gè)綜合性很強的實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節，以培養學(xué)生的實(shí)際工程能力為主。故提出土木工程專(zhuān)業(yè)畢業(yè)設計具體的教學(xué)改革目標：應注重加強對學(xué)生方案能力、評價(jià)能力、建模能力、工程運算能力、工程設計能力和工程表達能力的培養。
(1)方案能力是針對不同建筑形式要求，作出合理的結構承重骨架方案的能力。結構方案必須傳力明確，計算簡(jiǎn)圖明晰，且應嚴格符合設計規范的要求。確定結構方案需要綜合考慮建筑功能、經(jīng)濟適用、便于施工等因素。結構方案的合理與否對結構的安全性、經(jīng)濟性和實(shí)用性都非常重要。方案階段，是一個(gè)創(chuàng )造過(guò)程，要求學(xué)生構思可能達到預期設計目標的各種方案，提出問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題。
(2)評價(jià)能力是根據建筑方案，進(jìn)行結構方案設計、比較，確定經(jīng)濟合理的結構方案，分析各自的優(yōu)劣，調整完善整個(gè)建筑、結構方案;能從經(jīng)濟、技術(shù)、開(kāi)發(fā)、施工等方面對工程項目設計進(jìn)行評價(jià)。
(3)建模能力是能根據結構的型式、受力特點(diǎn)或試驗現象，建立合理的力學(xué)分析模型或計算模型，確定結構計算單元、計算簡(jiǎn)圖。
(4)工程運算能力是在結構方案確定的前提下，根據計算模型或計算簡(jiǎn)圖，計算荷載、求解內力、以及進(jìn)行內力組合，對結構構件進(jìn)行準確計算的能力。
(5)工程設計能力即在結構計算的基礎上，滿(mǎn)足結構構造要求，對結構構件進(jìn)行經(jīng)濟合理設計的能力。
(6)工程表達能力即繪制標準的結構施工圖和規范的結構計算書(shū)的能力。
三、畢業(yè)設計教學(xué)改革的途徑畢業(yè)設計的教學(xué)改革應圍繞著(zhù)提高教學(xué)質(zhì)量、培養學(xué)生工程實(shí)踐能力這一主題，從選題、教學(xué)手段、教學(xué)方法和教學(xué)內容等方面著(zhù)手。
(一)科學(xué)選題是保證畢業(yè)設計教學(xué)質(zhì)量的前提條件設計題目是設計的關(guān)鍵，題目決定了設計的內容，但應注意以下問(wèn)題：
1.設計題目力求工程化。畢業(yè)設計的題目應在滿(mǎn)足教學(xué)基本要求以及專(zhuān)業(yè)培養目標的前提下，以面向工程實(shí)際、促進(jìn)社會(huì )需要與畢業(yè)設計的有機結合為指導方針，盡可能結合實(shí)際工程項目來(lái)選題，最好采用真題真作的設計方式，使學(xué)生直接參與工程實(shí)際。若條件受限，起碼也應采用真題假做，讓學(xué)生最大限度地接觸實(shí)際工程。
2.設計題目應有一定的廣度、深度和多方案實(shí)現的可能性。應注意到，土木工程專(zhuān)業(yè)在畢業(yè)設計中采用計算機輔助設計、繪圖越來(lái)越普遍，但畢業(yè)設計的總學(xué)時(shí)并未減少，故在選題的空間上及難度上要遠大于原來(lái)的畢業(yè)設計，強調對結構概念和原理的更深層次的理解;而且必須提出與選題一致的設計內容和要求(如方案優(yōu)化、復雜平面的處理、手算與電算的對比計算等)，使學(xué)生能在設計的過(guò)程中綜合運用所學(xué)的基礎知識和專(zhuān)業(yè)知識，能在規定的時(shí)間內得到充分的鍛煉。同時(shí)，設計題目應有較大的自由度，具有用多種方案實(shí)現的可能性，以發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng )造性，并通過(guò)方案比較，培養學(xué)生分析問(wèn)題的能力。如對樓蓋的設計，則不要限定采用現澆樓蓋(不要限定采用單向樓板或雙向樓板)，還是裝配式樓蓋或裝配整體式樓蓋，也不要限制樓面面層的做法，以及梁板所采用的混凝土等級和鋼筋等級等，應讓學(xué)生自己運用土木工程概預算知識，通過(guò)方案經(jīng)濟性比較后確定。
3.設計題目既要有一定的約束性，又要有一定的彈性，便于開(kāi)展分層次教學(xué)。設計題目應受基本計算原理、規范、資源、環(huán)境、經(jīng)濟指標、技術(shù)條件、工程地質(zhì)條件等約束，對一些實(shí)際工程遇到而課本未能述及的問(wèn)題不回避，鍛煉學(xué)生在具體約束條件下，選擇最優(yōu)方案的能力。同時(shí)，除基本要求外，應加入一些選做內容，采用分層次教學(xué)法，即教師根據每個(gè)學(xué)生的能力給予不同層次、深度的指導，給優(yōu)秀學(xué)生創(chuàng )新能力培養提供條件，為部分學(xué)生的個(gè)性發(fā)展留有余地。
如隔震技術(shù)雖已納入《建筑抗震設計規范》(GB5001 1—2001)，但教材往往滯后于規范，現絕大多數本科生教材《建筑抗震設計原理》中還沒(méi)有反映隔震結構設計的內容。因此，要將隔震結構作為土木工程專(zhuān)業(yè)學(xué)生的畢業(yè)設計題目需要進(jìn)行認真的前期準備工作。
(二)利用現代化教學(xué)手段，改革傳統的教學(xué)方法，是提高畢業(yè)設計教學(xué)質(zhì)量的必要手段應借助現代化教學(xué)手段，將多媒體技術(shù)廣泛地應用于畢業(yè)設計;根據學(xué)生主體原則，改革傳統的教學(xué)方法，采用“學(xué)導式”教學(xué)方法，積極推廣多種行之有效的教學(xué)方法組織教學(xué)，切實(shí)做到因材施教，充分調動(dòng)學(xué)生的積極性。不僅要引導學(xué)生應用已學(xué)知識來(lái)解決問(wèn)題、熟悉解決問(wèn)題的過(guò)程，還要引導學(xué)生發(fā)現問(wèn)題、提出問(wèn)題、分析問(wèn)題，要善于教給學(xué)生一種思考問(wèn)題的方法。
1.針對學(xué)生不善于確定結構方案和根據結構受力特點(diǎn)建立合理的力學(xué)分析模型，故將典型結構的結構體系、結構布置等制作成多媒體課件，積極推行討論式、啟發(fā)式、提問(wèn)式、發(fā)現式等教學(xué)方法，引導學(xué)生構思可能達到預期設計目標的各種方案、提出解決問(wèn)題的辦法，鼓勵學(xué)生創(chuàng )新;并采用對比式方法，比較各種方案的優(yōu)劣;最后，采用歸納式和步進(jìn)式方法，對各種結構方案作以總結，易加強對學(xué)生結構體系、結構布置、結構方案、設計分析等能力的培養。
2.針對部分學(xué)生重計算、輕構造的弱點(diǎn)，采用案例分析法，選取典型工程事故、工程實(shí)例進(jìn)行解剖、分析，更好地將理論知識與構造措施相結合的教學(xué)方法。通過(guò)對工程事故、工程實(shí)例進(jìn)行剖析，一可以變換分析問(wèn)題的角度，二可對教材內容給予擴寬、深化或修正，三可以增強學(xué)生的職業(yè)責任感、激發(fā)學(xué)習興趣，且印象特別深刻。
3.針對絕大多數教材，包括畢業(yè)設計參考書(shū)中出現的圖例或結構施工圖都是示意圖、無(wú)標準的結構施工圖的缺陷，采用形象式、報告式、串解式等教學(xué)方法，通過(guò)講解和演示，向學(xué)生展現真實(shí)的結構施工圖，使學(xué)生能看懂較復雜建筑的結構施工圖，對學(xué)生畫(huà)結構施工圖有正確的引導。
(三)抓住設計主線(xiàn)，優(yōu)化教學(xué)過(guò)程，是保證畢業(yè)設計教學(xué)質(zhì)量的必要條件為保證畢業(yè)設計的質(zhì)量，在畢業(yè)設計教學(xué)中，指導教師應對畢業(yè)設計整個(gè)過(guò)程中每一個(gè)環(huán)節進(jìn)行控制性規劃，抓住“方案設計(結構選型_+結構體系結構組成_+結構布置)_+結構計算(計算單元_+計算簡(jiǎn)圖_+荷載計算_+內力分析_+內力組合_+構件設計)_+構造處理一施工圖繪制”這條主線(xiàn)組織教學(xué)內容，設計進(jìn)度安排則應精確到周、甚至半周，采用周布置任務(wù)、周檢查的方法，有效地控制了設計進(jìn)度，克服了畢業(yè)設計中經(jīng)常出現的先松后緊的問(wèn)題。
(四)補充新的教學(xué)內容，縮短書(shū)本知識與就業(yè)的差距，是畢業(yè)設計教學(xué)改革的重要措施畢業(yè)設計的教學(xué)內容不僅要培養學(xué)生工程設計的綜合能力，還要結合學(xué)生就業(yè)和市場(chǎng)需要，及時(shí)補充教材上沒(méi)有的教學(xué)內容。如：
1.不僅僅局限于結構分析與計算，而且要培養學(xué)生獨立查找和使用相關(guān)設計規范、設計手冊、規程、技術(shù)資料與圖集等專(zhuān)業(yè)資料的能力;培養學(xué)生熟練應用一些實(shí)用設計法(如查表法)，如鋼筋混凝土構件不需作裂縫寬度驗算的最大鋼筋直徑圖表、工程中常用的不作撓度驗算的梁板截面最小高度圖表等。
2.加強工程設計軟件和有限元計算分析軟件的應用，使計算機輔助技術(shù)廣泛地應用于畢業(yè)設計;注重結構電算與手算相結合環(huán)節的建設。應讓學(xué)生深刻認識到，設計人應作計算機的主人而不是計算機的奴隸，重復勞動(dòng)可以交給計算機去做，創(chuàng )造性勞動(dòng)必須自己來(lái)完成。應采取電算、手算相結合，電算和手算結果應互相復核、比較的方法，增強學(xué)生對設計中的有關(guān)荷載組合、內力組合、抗震驗算、構造要求等的認識。另外，還應讓學(xué)生知道絕大多數計算機輔助系列商業(yè)軟件均具有一定的局限性或適用條件，且無(wú)法分析諸如國家大劇院、北京天文館新館等那些型體復雜的結構，故應熟悉某個(gè)國內外通用的有限元計算分析軟件。筆者在指導學(xué)生畢業(yè)設計時(shí)，除指導學(xué)生運用PKPM等電算軟件(教學(xué)版)外，還采取以下一些有效辦法來(lái)進(jìn)行分段較核。如對豎向荷載的計算，遇到不等跨或荷載不均勻的計算簡(jiǎn)圖，無(wú)法查表求得內力，若層數多或跨數多，采用分層法或彎矩二次分配法手算工作量大且容易出錯，故建議學(xué)生采用ANSYS或SAP有限元分析軟件進(jìn)行內力計算。對繁瑣的內力組合工作，讓學(xué)生應用EXCEL制表功能，既快又準。對梁、柱構件設計，建議學(xué)生用教材上的流程圖自編程序進(jìn)行計算。為使學(xué)生少走彎路、避免學(xué)習新軟件時(shí)無(wú)從下手，隨畢業(yè)設計的進(jìn)度，定期向學(xué)生傳授、現場(chǎng)演示上述軟件的功能、應用及基本建模、分析及后處理過(guò)程。需注意的是，由于學(xué)生是初學(xué)者，為保證軟件或程序使用正確，必須要求學(xué)生與教材上正確的計算結果進(jìn)行對比分析。
3.加強繪制結構施工圖、編制結構計算書(shū)的指導。圖紙是工程師的語(yǔ)言，結合實(shí)際結構施工圖的要求，必須加強與工程實(shí)際結合緊密的計算機繪圖AutoCAD應用。將自己多年來(lái)使用Au—toCAD繪圖的經(jīng)驗傳授給學(xué)生，如從實(shí)例引入AutoCAD的制圖單位、比例、線(xiàn)型樣式、寬度等概念以增加學(xué)生的感性認識;通過(guò)繪“軸線(xiàn)” 引入帶屬性的塊;展示自定義的菜單，講解菜單開(kāi)發(fā)技術(shù)等。在圖紙內容完整性和正確性的基礎上，培養學(xué)生圖面的表達和繪圖的技能，掌握施工圖的習慣表示方法，繪圖是否符合現行的制圖標準，布圖是否合理等，在細部上真正達到施工圖的要求。在輔導學(xué)生時(shí)讓學(xué)生自己發(fā)現問(wèn)題。同時(shí)，還要培養學(xué)生編制內容全面的計算書(shū)，闡明設計方案、設計依據、計算方法、技術(shù)措施等，包括目錄、設計說(shuō)明、計算過(guò)程及專(zhuān)業(yè)術(shù)語(yǔ)等都要規范化。
4.加強土木工程規范與法規的教育。熟悉現行的土木工程規范與法規，是學(xué)生畢業(yè)后從事土木工程設計、施工、監理或管理等的基礎。許多教材或參考書(shū)雖對規范的條文加以解釋或用例題示范，但都不足以代替規范原文，學(xué)生在畢業(yè)設計階段，應養成從規范或標準中找設計依據的習慣，應重視閱讀規范原文和有關(guān)的條文說(shuō)明，防止以訛傳訛。學(xué)生對待規范的正確態(tài)度，應該是遵守而不是突破。
筆者針對畢業(yè)設計中存在的突出問(wèn)題，圍繞著(zhù)提高教學(xué)質(zhì)量、培養學(xué)生工程實(shí)踐能力的主題，經(jīng)過(guò)幾年的教學(xué)實(shí)踐，在土木工程畢業(yè)設計教學(xué)方面進(jìn)行了一系列初步的改革和實(shí)踐，收到了較好的效果，但在如何不斷深化其改革上，如教師應針對PKPM系列結構程序，制作出PM—CAD、Satwe等結構程序的CAI教學(xué)系統;亟待建立一個(gè)按專(zhuān)業(yè)評估要求的畢業(yè)設計評價(jià)指標體系和評價(jià)標準等，尚須做進(jìn)一步的研究。
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