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淺析土木工程專業(yè)畢業(yè)設計教學環(huán)節(jié)的改革與實踐
摘要：文章針對土木工程專業(yè)畢業(yè)設計中存在的突出問題，圍繞提高教學質量、培養(yǎng)學生工程實踐能力這條主線，對這一重要環(huán)節(jié)在教學手段、教學方法和教學內容上提出了一系列的改革和實踐措施。
畢業(yè)設計是土木工程專業(yè)教學計戈Ⅱ的重要組成部分，是培養(yǎng)學生理論聯(lián)系實際能力的主要途徑，是在教師指導下，學生綜合運用所學知識進行工程設計的實際訓練，是評價和進一步培養(yǎng)學生獨立工作能力的重要階段，抓住這個階段的教與學將使學生獲得新的知識，增長新的才干，提高分析問題和解決問題的能力，為今后從事土木工程工作打下良好的基礎。
一、土木工程專業(yè)畢業(yè)設計中存在的突出問題
(一)學生對工程設計缺乏整體性概念，面對一個實際工程不知如何下手究其原因主要是，在畢業(yè)設計前，由于教學多以課堂教學為主，學生的學習比較分散、對土木工程專業(yè)的工程問題多以點狀形態(tài)記憶，對其全貌缺乏整體性認識。比如：對學生在課程學習階段的要求多是單獨地計算一塊板、一根梁、一根柱、一個基礎的內力及配筋，而荷載、截面、受力形式等前提條件都是已知的，學生只需根據(jù)已知求答案就行了。而實際工程的結構設計卻遠不是這樣。首先要根據(jù)結構安全性、適用性、耐久性的要求，并考慮經濟合理、技術先進的原則，涉及結構選型、結構布置、荷載傳力途徑、計算簡圖、內力分析、內力組合、截面設計、構造要求及施工條件、經濟效益等諸多問題，其解往往是多元的，計算可能要反復修正迭代，要進行綜合分析、比較，才能做出合理選擇。因此，怎樣把學生點狀的知識連成線、形成面，進而有機地把點、線、面聯(lián)系起來，使學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基本任務。
(二)指導教師對學生綜合解決工程問題能力的訓練不足目前，畢業(yè)設計在內容上通常是學生按規(guī)定的結構形式和要求完成結構計算、構件設計、圖紙繪制等，這占了訓練過程的主要時間。對工程項目的全過程，從方案比較的前期工作到施工可行性分析、實際經濟指標考核等后期環(huán)節(jié)等都重視不夠，對于相關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的知識處理實際工程能力的培養(yǎng)，在教學過程中，融結構、 施工、項目管理、工程概預算的知識為一體，為學生營造一個融會貫通的綜合知識系統(tǒng)，將書本知識轉化為解決實際工程問題的能力。
(三)結構計算電算與手算比例失調針對北京工業(yè)大學土木工程專業(yè)的畢業(yè)設計來說，存在兩種傾向：一是到設計院做畢業(yè)設計的大部分學生只作電算;二是在學校做畢業(yè)設計的學生只作手算。前者會導致部分學生忽視基本技能的訓練，結構概念不清，盲目相信電算結果;然而電腦不是萬能的，電腦是聽人腦指揮的。
后者一來使得畢業(yè)設計工作覆蓋面過小、內容不完整、深度不足，設計水平不高，實際工作所需要的技能未得到培養(yǎng)和掌握;二來導致學生畢業(yè)后到設計院先從零學PKPM系列或TBSA等結構電算軟件，一些學生雖然畢業(yè)成績較好，但實際動手能力欠缺，到了用人單位，面對許多具體工作不能馬上進入角色，需花費較長時間才能勝任。
二、畢業(yè)設計教學改革的目標、方向畢業(yè)設計是一個綜合性很強的實踐性教學環(huán)節(jié)，以培養(yǎng)學生的實際工程能力為主。故提出土木工程專業(yè)畢業(yè)設計具體的教學改革目標：應注重加強對學生方案能力、評價能力、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(yǎng)。
(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，計算簡圖明晰，且應嚴格符合設計規(guī)范的要求。確定結構方案需要綜合考慮建筑功能、經濟適用、便于施工等因素。結構方案的合理與否對結構的安全性、經濟性和實用性都非常重要。方案階段，是一個創(chuàng)造過程，要求學生構思可能達到預期設計目標的各種方案，提出問題、分析問題、解決問題。
(2)評價能力是根據(jù)建筑方案，進行結構方案設計、比較，確定經濟合理的結構方案，分析各自的優(yōu)劣，調整完善整個建筑、結構方案;能從經濟、技術、開發(fā)、施工等方面對工程項目設計進行評價。
(3)建模能力是能根據(jù)結構的型式、受力特點或試驗現(xiàn)象，建立合理的力學分析模型或計算模型，確定結構計算單元、計算簡圖。
(4)工程運算能力是在結構方案確定的前提下，根據(jù)計算模型或計算簡圖，計算荷載、求解內力、以及進行內力組合，對結構構件進行準確計算的能力。
(5)工程設計能力即在結構計算的基礎上，滿足結構構造要求，對結構構件進行經濟合理設計的能力。
(6)工程表達能力即繪制標準的結構施工圖和規(guī)范的結構計算書的能力。
三、畢業(yè)設計教學改革的途徑畢業(yè)設計的教學改革應圍繞著提高教學質量、培養(yǎng)學生工程實踐能力這一主題，從選題、教學手段、教學方法和教學內容等方面著手。
(一)科學選題是保證畢業(yè)設計教學質量的前提條件設計題目是設計的關鍵，題目決定了設計的內容，但應注意以下問題：
1.設計題目力求工程化。畢業(yè)設計的題目應在滿足教學基本要求以及專業(yè)培養(yǎng)目標的前提下，以面向工程實際、促進社會需要與畢業(yè)設計的有機結合為指導方針，盡可能結合實際工程項目來選題，最好采用真題真作的設計方式，使學生直接參與工程實際。若條件受限，起碼也應采用真題假做，讓學生最大限度地接觸實際工程。
2.設計題目應有一定的廣度、深度和多方案實現(xiàn)的可能性。應注意到，土木工程專業(yè)在畢業(yè)設計中采用計算機輔助設計、繪圖越來越普遍，但畢業(yè)設計的總學時并未減少，故在選題的空間上及難度上要遠大于原來的畢業(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)，使學生能在設計的過程中綜合運用所學的基礎知識和專業(yè)知識，能在規(guī)定的時間內得到充分的鍛煉。同時，設計題目應有較大的自由度，具有用多種方案實現(xiàn)的可能性，以發(fā)揮學生的創(chuàng)造性，并通過方案比較，培養(yǎng)學生分析問題的能力。如對樓蓋的設計，則不要限定采用現(xiàn)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，應讓學生自己運用土木工程概預算知識，通過方案經濟性比較后確定。
3.設計題目既要有一定的約束性，又要有一定的彈性，便于開展分層次教學。設計題目應受基本計算原理、規(guī)范、資源、環(huán)境、經濟指標、技術條件、工程地質條件等約束，對一些實際工程遇到而課本未能述及的問題不回避，鍛煉學生在具體約束條件下，選擇最優(yōu)方案的能力。同時，除基本要求外，應加入一些選做內容，采用分層次教學法，即教師根據(jù)每個學生的能力給予不同層次、深度的指導，給優(yōu)秀學生創(chuàng)新能力培養(yǎng)提供條件，為部分學生的個性發(fā)展留有余地。
如隔震技術雖已納入《建筑抗震設計規(guī)范》(GB5001 1—2001)，但教材往往滯后于規(guī)范，現(xiàn)絕大多數(shù)本科生教材《建筑抗震設計原理》中還沒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業(yè)學生的畢業(yè)設計題目需要進行認真的前期準備工作。
(二)利用現(xiàn)代化教學手段，改革傳統(tǒng)的教學方法，是提高畢業(yè)設計教學質量的必要手段應借助現(xiàn)代化教學手段，將多媒體技術廣泛地應用于畢業(yè)設計;根據(jù)學生主體原則，改革傳統(tǒng)的教學方法，采用“學導式”教學方法，積極推廣多種行之有效的教學方法組織教學，切實做到因材施教，充分調動學生的積極性。不僅要引導學生應用已學知識來解決問題、熟悉解決問題的過程，還要引導學生發(fā)現(xiàn)問題、提出問題、分析問題，要善于教給學生一種思考問題的方法。
1.針對學生不善于確定結構方案和根據(jù)結構受力特點建立合理的力學分析模型，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、提問式、發(fā)現(xiàn)式等教學方法，引導學生構思可能達到預期設計目標的各種方案、提出解決問題的辦法，鼓勵學生創(chuàng)新;并采用對比式方法，比較各種方案的優(yōu)劣;最后，采用歸納式和步進式方法，對各種結構方案作以總結，易加強對學生結構體系、結構布置、結構方案、設計分析等能力的培養(yǎng)。
2.針對部分學生重計算、輕構造的弱點，采用案例分析法，選取典型工程事故、工程實例進行解剖、分析，更好地將理論知識與構造措施相結合的教學方法。通過對工程事故、工程實例進行剖析，一可以變換分析問題的角度，二可對教材內容給予擴寬、深化或修正，三可以增強學生的職業(yè)責任感、激發(fā)學習興趣，且印象特別深刻。
3.針對絕大多數(shù)教材，包括畢業(yè)設計參考書中出現(xiàn)的圖例或結構施工圖都是示意圖、無標準的結構施工圖的缺陷，采用形象式、報告式、串解式等教學方法，通過講解和演示，向學生展現(xiàn)真實的結構施工圖，使學生能看懂較復雜建筑的結構施工圖，對學生畫結構施工圖有正確的引導。
(三)抓住設計主線，優(yōu)化教學過程，是保證畢業(yè)設計教學質量的必要條件為保證畢業(yè)設計的質量，在畢業(yè)設計教學中，指導教師應對畢業(yè)設計整個過程中每一個環(huán)節(jié)進行控制性規(guī)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”這條主線組織教學內容，設計進度安排則應精確到周、甚至半周，采用周布置任務、周檢查的方法，有效地控制了設計進度，克服了畢業(yè)設計中經常出現(xiàn)的先松后緊的問題。
(四)補充新的教學內容，縮短書本知識與就業(yè)的差距，是畢業(yè)設計教學改革的重要措施畢業(yè)設計的教學內容不僅要培養(yǎng)學生工程設計的綜合能力，還要結合學生就業(yè)和市場需要，及時補充教材上沒有的教學內容。如：
1.不僅僅局限于結構分析與計算，而且要培養(yǎng)學生獨立查找和使用相關設計規(guī)范、設計手冊、規(guī)程、技術資料與圖集等專業(yè)資料的能力;培養(yǎng)學生熟練應用一些實用設計法(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(jié)的建設。應讓學生深刻認識到，設計人應作計算機的主人而不是計算機的奴隸，重復勞動可以交給計算機去做，創(chuàng)造性勞動必須自己來完成。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，增強學生對設計中的有關荷載組合、內力組合、抗震驗算、構造要求等的認識。另外，還應讓學生知道絕大多數(shù)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，故應熟悉某個國內外通用的有限元計算分析軟件。筆者在指導學生畢業(yè)設計時，除指導學生運用PKPM等電算軟件(教學版)外，還采取以下一些有效辦法來進行分段較核。如對豎向荷載的計算，遇到不等跨或荷載不均勻的計算簡圖，無法查表求得內力，若層數(shù)多或跨數(shù)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，故建議學生采用ANSYS或SAP有限元分析軟件進行內力計算。對繁瑣的內力組合工作，讓學生應用EXCEL制表功能，既快又準。對梁、柱構件設計，建議學生用教材上的流程圖自編程序進行計算。為使學生少走彎路、避免學習新軟件時無從下手，隨畢業(yè)設計的進度，定期向學生傳授、現(xiàn)場演示上述軟件的功能、應用及基本建模、分析及后處理過程。需注意的是，由于學生是初學者，為保證軟件或程序使用正確，必須要求學生與教材上正確的計算結果進行對比分析。
3.加強繪制結構施工圖、編制結構計算書的指導。圖紙是工程師的語言，結合實際結構施工圖的要求，必須加強與工程實際結合緊密的計算機繪圖AutoCAD應用。將自己多年來使用Au—toCAD繪圖的經驗傳授給學生，如從實例引入AutoCAD的制圖單位、比例、線型樣式、寬度等概念以增加學生的感性認識;通過繪“軸線” 引入帶屬性的塊;展示自定義的菜單，講解菜單開發(fā)技術等。在圖紙內容完整性和正確性的基礎上，培養(yǎng)學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(xiàn)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。在輔導學生時讓學生自己發(fā)現(xiàn)問題。同時，還要培養(yǎng)學生編制內容全面的計算書，闡明設計方案、設計依據(jù)、計算方法、技術措施等，包括目錄、設計說明、計算過程及專業(yè)術語等都要規(guī)范化。
4.加強土木工程規(guī)范與法規(guī)的教育。熟悉現(xiàn)行的土木工程規(guī)范與法規(guī)，是學生畢業(yè)后從事土木工程設計、施工、監(jiān)理或管理等的基礎。許多教材或參考書雖對規(guī)范的條文加以解釋或用例題示范，但都不足以代替規(guī)范原文，學生在畢業(yè)設計階段，應養(yǎng)成從規(guī)范或標準中找設計依據(jù)的習慣，應重視閱讀規(guī)范原文和有關的條文說明，防止以訛傳訛。學生對待規(guī)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題，圍繞著提高教學質量、培養(yǎng)學生工程實踐能力的主題，經過幾年的教學實踐，在土木工程畢業(yè)設計教學方面進行了一系列初步的改革和實踐，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教學系統(tǒng);亟待建立一個按專業(yè)評估要求的畢業(yè)設計評價指標體系和評價標準等，尚須做進一步的研究。
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