陳 卓,黃享茍
(湖北職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑技術(shù)學(xué)院,湖北 孝感 432000)
建筑工程技術(shù)專(zhuān)業(yè)課程體系是由公共素質(zhì)教育課程和專(zhuān)業(yè)課程構(gòu)成的一個(gè)有機(jī)的整體,公共課和專(zhuān)業(yè)課相輔相成,如何有效地實(shí)施素質(zhì)教育系統(tǒng)工程,是一個(gè)值得大家重視的問(wèn)題.在專(zhuān)業(yè)課圍繞人才培養(yǎng)目標(biāo)深化改革的同時(shí),公共課改革應(yīng)該更多地思考如何服務(wù)于專(zhuān)業(yè)課,如何向?qū)I(yè)課滲透.下面重點(diǎn)就高職建筑工程技術(shù)專(zhuān)業(yè)數(shù)學(xué)課改革進(jìn)行分析.
高職建筑工程技術(shù)專(zhuān)業(yè)屬于工科專(zhuān)業(yè),數(shù)學(xué)是重要的文化基礎(chǔ)課程,在其專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課和專(zhuān)業(yè)核心課程如《建筑力學(xué)與結(jié)構(gòu)》、《建筑施工技術(shù)》、《建筑工程計(jì)量與計(jì)價(jià)》等課程中,很多原理的理解、公式的推導(dǎo)及應(yīng)用都和數(shù)學(xué)有著緊密的聯(lián)系.
當(dāng)前,建筑工程技術(shù)專(zhuān)業(yè)一般都將數(shù)學(xué)作為重要的基礎(chǔ)課程來(lái)看,課時(shí)量不少,但實(shí)際的教學(xué)效果不理想,經(jīng)分析數(shù)學(xué)課程教學(xué)主要存在以下幾個(gè)問(wèn)題:一是在傳統(tǒng)的專(zhuān)業(yè)教學(xué)計(jì)劃中,數(shù)學(xué)課往往開(kāi)設(shè)于專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課和專(zhuān)業(yè)課程之先,教學(xué)計(jì)劃的制定人和數(shù)學(xué)課任課教師視數(shù)學(xué)為公共課,很少考慮如何與專(zhuān)業(yè)內(nèi)容結(jié)合;二是大部分?jǐn)?shù)學(xué)老師對(duì)建筑工程技術(shù)專(zhuān)業(yè)不熟悉,與專(zhuān)業(yè)課老師缺乏交流,因而其教學(xué)內(nèi)容很難結(jié)合專(zhuān)業(yè)實(shí)際;三是入校學(xué)生基礎(chǔ)參差不齊,部分學(xué)生數(shù)學(xué)基礎(chǔ)非常薄弱,筆者所在的湖北職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑技術(shù)學(xué)院新生調(diào)查報(bào)告顯示,2011級(jí)471名學(xué)生中,高考數(shù)學(xué)平均分75分,最低15分,最高131分,均方差σ=21.47,高職院校所面對(duì)學(xué)生的這種巨大的個(gè)性差異,將會(huì)是常態(tài).面對(duì)這樣基礎(chǔ)差異大的學(xué)生,采取整齊劃一的課程開(kāi)設(shè)方式開(kāi)設(shè)數(shù)學(xué)課程,必然是一部分學(xué)生吃不飽,另一部分學(xué)生接受不了,產(chǎn)生嚴(yán)重的挫敗感而失去學(xué)習(xí)的動(dòng)力[1]13;四是在傳統(tǒng)的課程開(kāi)設(shè)方式和教學(xué)模式下,相當(dāng)一部分學(xué)生感覺(jué)學(xué)習(xí)很枯燥,一部分學(xué)生產(chǎn)生畏難情緒甚至放棄數(shù)學(xué)課程的學(xué)習(xí),部分學(xué)生在學(xué)習(xí)專(zhuān)業(yè)課程時(shí)起初都帶著較濃厚的興趣,但由于數(shù)學(xué)基礎(chǔ)差而在一定程度上影響了專(zhuān)業(yè)知識(shí)的掌握和理解,以致在某一個(gè)部位卡殼之后,對(duì)整門(mén)專(zhuān)業(yè)課學(xué)習(xí)也喪失了信心,而學(xué)生往往認(rèn)識(shí)不到問(wèn)題的癥結(jié)在哪里,他們?cè)趯W(xué)數(shù)學(xué)時(shí)認(rèn)識(shí)不到數(shù)學(xué)的重要性,認(rèn)識(shí)不到數(shù)學(xué)基礎(chǔ)對(duì)專(zhuān)業(yè)課的影響.
綜合以上分析,其中最主要的問(wèn)題就是數(shù)學(xué)課教學(xué)內(nèi)容脫離專(zhuān)業(yè)和學(xué)生數(shù)學(xué)基礎(chǔ)普遍較差的實(shí)際情況.
要解決上述問(wèn)題,建筑工程技術(shù)專(zhuān)業(yè)數(shù)學(xué)教學(xué)改革勢(shì)在必行,這項(xiàng)改革最核心的問(wèn)題是高職建筑工程技術(shù)專(zhuān)業(yè)數(shù)學(xué)教學(xué)內(nèi)容的改革,即數(shù)學(xué)課程如何與專(zhuān)業(yè)緊密結(jié)合,向?qū)I(yè)滲透,數(shù)學(xué)課的教學(xué)怎樣服務(wù)于學(xué)生專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課和專(zhuān)業(yè)核心課程的學(xué)習(xí),怎樣才能幫助學(xué)生解決實(shí)際工作中的一些難題.以下從幾門(mén)有代表性的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程和專(zhuān)業(yè)核心課程中對(duì)數(shù)學(xué)應(yīng)用的典型示例,說(shuō)明數(shù)學(xué)課和專(zhuān)業(yè)課之間的關(guān)系.
《建筑力學(xué)與結(jié)構(gòu)》是高職建筑工程技術(shù)專(zhuān)業(yè)的一門(mén)重要的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程,學(xué)生后續(xù)專(zhuān)業(yè)核心課程如建筑施工技術(shù)、工程事故分析,包括建筑結(jié)構(gòu)規(guī)范的要求等,都建立在《建筑力學(xué)與結(jié)構(gòu)》的分析和計(jì)算的基礎(chǔ)之上,《建筑力學(xué)與結(jié)構(gòu)》課程對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的工程素質(zhì)起著重要的作用,學(xué)好《建筑力學(xué)與結(jié)構(gòu)》會(huì)使學(xué)生受用終身.然而,因其理論性較強(qiáng),其中大量的公式和理論推導(dǎo)往往讓學(xué)生望而生畏,那么,如果數(shù)學(xué)課能夠滲透到力學(xué)課程中來(lái),解決學(xué)生力學(xué)分析和計(jì)算的一些問(wèn)題,就能助學(xué)生一臂之力.
高職《建筑力學(xué)與結(jié)構(gòu)》中的主要內(nèi)容有:平面及空間力系、內(nèi)力及內(nèi)力圖、應(yīng)力和變形、強(qiáng)度和剛度計(jì)算、軸心壓桿的穩(wěn)定性計(jì)算、靜定結(jié)構(gòu)的位移計(jì)算、鋼筋混凝土梁柱樓蓋和樓梯等結(jié)構(gòu)計(jì)算、常用結(jié)構(gòu)體系的結(jié)構(gòu)計(jì)算等.其中合力投影定理就要用到數(shù)學(xué)矢量分析和平面幾何知識(shí),在桿件截面的幾何參數(shù)中要用到微積分知識(shí),結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法中概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法中隨機(jī)變量的分析和處理、結(jié)構(gòu)的可靠度、失效概率、可靠指標(biāo)分析都要用到數(shù)學(xué)知識(shí),特別是平面彎曲梁的內(nèi)力圖(剪力圖和彎矩圖),其中梁的分布荷載集度、剪力和彎矩三者之間的微分關(guān)系是本課程的核心內(nèi)容,學(xué)生如果能從數(shù)學(xué)的角度理解清楚,那么本課程的學(xué)習(xí)將不再困難,如果數(shù)學(xué)課教學(xué)能融入到這部分力學(xué)分析中,將對(duì)學(xué)生的《建筑力學(xué)與結(jié)構(gòu)》學(xué)習(xí)起到很大的幫助作用.
推導(dǎo)示例:分布荷載集度、剪力和彎矩三者之間的微分關(guān)系
如圖1(a)所示,從梁上橫坐標(biāo)x處取一微段dx.因?yàn)槭俏⒍危云渖系姆植己奢d(橫力)可視為均布荷載,則微段的受力圖如圖1(b)所示,其右側(cè)的dQ(x)及dM(x)是剪力及彎矩的微小增量.微段應(yīng)處于平衡狀態(tài),于是有
(1)~(3)式就是平面彎曲梁的分布荷載集度q(x)、剪力Q(x)和彎矩M(x)三者之間的微分關(guān)系,即在梁的任意橫截面處,剪力是彎矩對(duì)坐標(biāo)x的導(dǎo)數(shù);分布荷載集度是剪力對(duì)x的導(dǎo)數(shù),是彎矩對(duì)x的二階導(dǎo)數(shù).也就是說(shuō),彎矩圖上某點(diǎn)處切線的斜率,等于該橫截面剪力的大?。患袅D上某點(diǎn)處切線的斜率,等于該橫截面處分布荷載集度的大小.應(yīng)注意:(1)~(3)式是在這種符號(hào)規(guī)定下得到的,剪力、彎矩的正負(fù)規(guī)定同前;分布荷載以向上為正.
圖1 梁荷載分布及微段受力圖
從表1中可看出下列特點(diǎn):
a.當(dāng)某段梁上無(wú)分布荷載,即q(x)=0時(shí)剪力圖為水平直線,彎矩圖為斜直線.
b.當(dāng)某段梁上有均布荷載,即q(x)為常數(shù)時(shí),剪力圖為斜直線,彎矩圖為二次拋物線.
c.當(dāng)某段梁上有按一次函數(shù)分布的荷載時(shí),剪力圖為二次拋物線,彎矩圖為三次拋物線.荷載圖上的0點(diǎn),對(duì)應(yīng)著剪力圖二次拋物線的頂點(diǎn),對(duì)應(yīng)著彎矩圖三次拋物線的拐點(diǎn).
利用q、Q和M 三者之間微分關(guān)系,不必寫(xiě)出方程,直接由荷載圖就可為梁段的Q圖和M 圖定性.因此它能使求內(nèi)力圖得到簡(jiǎn)化,同時(shí)能對(duì)已作出的Q圖和M 圖分段作校核[2]85-87.
表1 荷載圖、剪力圖和彎矩圖三者之間的微分關(guān)系
《建筑施工技術(shù)》是高職建筑工程技術(shù)專(zhuān)業(yè)實(shí)踐性很強(qiáng)的核心課程,其中很多內(nèi)容要用到數(shù)學(xué)推導(dǎo)和數(shù)學(xué)計(jì)算.
推導(dǎo)示例:結(jié)構(gòu)施工圖中所指鋼筋長(zhǎng)度是鋼筋外邊緣至外邊緣之間的長(zhǎng)度,即外包尺寸,這是施工中度量鋼筋長(zhǎng)度的基本依據(jù).鋼筋加工前按直線下料,經(jīng)彎曲后,外邊緣伸長(zhǎng),內(nèi)邊緣縮短,而中心線不變.這樣,鋼筋彎曲后的外包尺寸和中心線長(zhǎng)度之間存在一個(gè)差值,稱(chēng)為“量度差值”.在計(jì)算下料長(zhǎng)度時(shí)必須加以扣除.否則勢(shì)必形成下料太長(zhǎng),造成浪費(fèi);或彎曲成型后鋼筋尺寸大于要求造成保護(hù)層不夠;甚至鋼筋尺寸大于模板尺寸而造成返工.因此,鋼筋下料長(zhǎng)度應(yīng)為各段外包尺寸之和減去各彎曲處的量度差值,再加上端部彎鉤的增加值.
鋼筋彎曲處的量度差值與鋼筋彎心直徑及彎曲角度有關(guān).90°彎曲時(shí)按施工規(guī)范有兩種情況,即Ⅰ級(jí)鋼筋其彎心直徑D=2.5d0,Ⅱ級(jí)鋼筋彎心直徑D=4d0,如圖2所示,其每個(gè)90°彎曲的量度差值為:
當(dāng)彎心直徑D=2.5d0代入上式,得量度差值為1.75d0;當(dāng)D=4d0時(shí),量度差值為2.07d0.為了計(jì)算方便,兩者都近似取2d0.
同理,45°彎曲時(shí),量度差為0.5d0;60°彎曲時(shí)量度差為0.85d0;135°彎曲時(shí)量度差為2.5d0.
鋼筋彎鉤增加長(zhǎng)度,根據(jù)規(guī)范規(guī)定,Ⅰ級(jí)鋼筋兩端應(yīng)做180°彎鉤,其彎心直徑D=2.5d0,平直部分長(zhǎng)度為3d0,如圖3所示.
圖2 鋼筋彎曲90°尺寸圖
圖3 鋼筋彎曲180°尺寸圖
量度方法以外包尺寸度量,其每個(gè)彎鉤增加長(zhǎng)度為:
上述推導(dǎo)用到的數(shù)學(xué)知識(shí)并不復(fù)雜,但要求學(xué)生必須弄明白,這個(gè)計(jì)算方法和結(jié)果在學(xué)生的工作中自始至終要用到.
《建筑工程計(jì)量與計(jì)價(jià)》是高職建筑工程技術(shù)專(zhuān)業(yè)核心課程,其中工程量計(jì)算又是其中的核心內(nèi)容,從樁基工程到裝飾工程,由于工程的千變?nèi)f化,會(huì)遇到各種各樣形體的長(zhǎng)度、面積和體積的計(jì)算,這些計(jì)算看起來(lái)不是很高深的數(shù)學(xué)內(nèi)容,但很多奇形怪狀的圖形,其長(zhǎng)度、面積和體積計(jì)算公式不是日常生活中所常見(jiàn)的,有些公式查數(shù)學(xué)手冊(cè)和造價(jià)師手冊(cè)都不常見(jiàn),有些計(jì)算內(nèi)容教材上沒(méi)有,而實(shí)際工作中很常見(jiàn),當(dāng)教學(xué)中使用真實(shí)的施工藍(lán)圖“真題真做”時(shí),遇到此種情況,往往需要本課程專(zhuān)業(yè)教師花很大力氣幫學(xué)生解決數(shù)學(xué)問(wèn)題,如果數(shù)學(xué)課能與專(zhuān)業(yè)很好地融合,在數(shù)學(xué)課中專(zhuān)門(mén)用一定的學(xué)時(shí)來(lái)講工程計(jì)量中可能用到而日常生活中又不常用的各種計(jì)算公式,對(duì)本課課教學(xué)以及學(xué)生以后的工作會(huì)有很大的幫助.如混凝土現(xiàn)場(chǎng)灌注樁擴(kuò)大頭、鋼筋籠的螺旋箍筋工程量的計(jì)算,目前高職教材上并沒(méi)有此內(nèi)容,但實(shí)際工作中非常常見(jiàn),當(dāng)學(xué)生剛開(kāi)始工作遇到此類(lèi)問(wèn)題時(shí),如果沒(méi)有師傅指點(diǎn)學(xué)生會(huì)很犯難;再如房屋設(shè)計(jì)局部有弧形部位或弧形陽(yáng)臺(tái),如果圖紙上面只標(biāo)注了拱高和弦長(zhǎng),而沒(méi)有標(biāo)注弧段所對(duì)應(yīng)的圓心角,那么從混凝土工程量計(jì)算,到樓地面、屋面、天棚、內(nèi)外墻面裝飾工程量計(jì)算都要用不常見(jiàn)的數(shù)學(xué)公式解決問(wèn)題,有些甚至是近視公式;還有一些房屋的有曲面造型的挑檐,設(shè)計(jì)采用混凝土現(xiàn)澆,其混凝土工程量和裝飾工程量計(jì)算需要通過(guò)數(shù)學(xué)分析、加輔助線來(lái)推算出工程量計(jì)算所需要的尺寸等等.
圖4是某工程混凝土現(xiàn)場(chǎng)灌注樁底部及鋼筋籠示意圖,其底部球缺體(俗稱(chēng)鍋底)體積及鋼筋籠中的螺旋形箍筋長(zhǎng)度工程量計(jì)算要用到不常見(jiàn)的計(jì)算公式:
底端球缺體體積:V=(π×1/6)h4[(3/4))].式中h4:底部球缺體高度鋼筋籠中螺旋箍筋長(zhǎng)度計(jì)算:每米長(zhǎng)鋼筋籠螺旋箍筋長(zhǎng)度
以上一些計(jì)算公式學(xué)生平時(shí)不常用,而在某些手冊(cè)上都不一定能查到,需要老師幫助解決問(wèn)題.
又如圖5所示的某屋面挑檐,詳圖顯示挑檐為弧形現(xiàn)澆鋼筋混凝土,其模板、鋼筋、混凝土、屋面防水、挑檐底部粉刷等工程量都要計(jì)算相應(yīng)的弧長(zhǎng).
圖4 某工程混凝土樁底部及鋼筋籠示意圖
圖5 某工程屋面挑檐詳圖
學(xué)生開(kāi)始時(shí)拿著此圖束手無(wú)策,在教學(xué)過(guò)程中,需要老師引導(dǎo)學(xué)生添輔助線(圖中虛線),先通過(guò)圖中尺寸計(jì)算出直角三角形斜邊即那段弧線所對(duì)應(yīng)的弦長(zhǎng),有了弦長(zhǎng)和半徑(R=300)即可利用三角關(guān)系求出所對(duì)應(yīng)的圓心角,有了半徑和圓心角,弧長(zhǎng)就可以準(zhǔn)確計(jì)算了.諸如此類(lèi)的例子還有很多,由于篇幅的原因,不再一一列舉,如果數(shù)學(xué)課里有一個(gè)模塊專(zhuān)門(mén)講此類(lèi)問(wèn)題,學(xué)生會(huì)很感興趣,最重要的是能幫學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題.
建筑工程技術(shù)專(zhuān)業(yè)數(shù)學(xué)課程改革,服務(wù)于專(zhuān)業(yè),向?qū)I(yè)滲透至關(guān)重要,為解決高職建筑工程技術(shù)專(zhuān)業(yè)數(shù)學(xué)課教學(xué)所存在的問(wèn)題,必須改革教學(xué)內(nèi)容和課程開(kāi)設(shè)方式,即根據(jù)專(zhuān)業(yè)特點(diǎn)和實(shí)際工作的需要以及學(xué)生的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)情況,在編寫(xiě)數(shù)學(xué)教學(xué)大綱中融入專(zhuān)業(yè)應(yīng)用數(shù)學(xué)的內(nèi)容,與專(zhuān)業(yè)教學(xué)同步,運(yùn)用多種教學(xué)手段,針對(duì)不同層次的學(xué)生,分層教學(xué)并采取不同的考核評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),以滿(mǎn)足不同數(shù)學(xué)基礎(chǔ)的學(xué)生需要.
第一,改革傳統(tǒng)的課程開(kāi)設(shè)方式.讓數(shù)學(xué)課跟著專(zhuān)業(yè)課走,以項(xiàng)目為載體,采取穿插式教學(xué),讓學(xué)生即學(xué)即用;課程考核實(shí)行學(xué)分制,每個(gè)項(xiàng)目根據(jù)其重要程度及在數(shù)學(xué)課中所占比重賦予一定的權(quán)重,每完成一個(gè)項(xiàng)目即進(jìn)行考核計(jì)分,所有項(xiàng)目完成后匯總數(shù)學(xué)課總成績(jī).
第二,加強(qiáng)數(shù)學(xué)教師的專(zhuān)業(yè)素養(yǎng).要?jiǎng)?chuàng)造條件,讓數(shù)學(xué)老師熟悉建筑類(lèi)專(zhuān)業(yè),熟悉建筑行業(yè),數(shù)學(xué)老師應(yīng)參與專(zhuān)業(yè)教研活動(dòng),和專(zhuān)業(yè)老師多交流,熟悉專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)方案、教學(xué)計(jì)劃,熟悉專(zhuān)業(yè)課的基本內(nèi)容,理解建筑行業(yè)基本知識(shí),以加強(qiáng)數(shù)學(xué)教學(xué)的針對(duì)性,也可以嘗試讓專(zhuān)業(yè)老師上數(shù)學(xué)課.
第三,在應(yīng)用中進(jìn)行數(shù)學(xué)教學(xué).教學(xué)過(guò)程中可以結(jié)合專(zhuān)業(yè)內(nèi)容將一些實(shí)際工作中應(yīng)用數(shù)學(xué)解決問(wèn)題的實(shí)例,制作成多媒體課件,豐富課堂表現(xiàn)手段;也可以結(jié)合建筑實(shí)物直接進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)教學(xué),如上所述樁基工程、鋼筋彎鉤長(zhǎng)度增加值等;還可以根據(jù)教學(xué)內(nèi)容,利用學(xué)生所熟悉的生活環(huán)境,引導(dǎo)學(xué)生去分析身邊建筑物,如屋面挑檐、異形門(mén)窗、弧形墻面和樓地面等,讓學(xué)生分析如果要計(jì)算工程量,將要用到哪些數(shù)學(xué)公式,如何應(yīng)用這些公式,讓學(xué)生身臨其境,激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣,啟發(fā)學(xué)生的思維,培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題解決問(wèn)題的能力.
第四,實(shí)施分層教學(xué).對(duì)部分?jǐn)?shù)學(xué)基礎(chǔ)比較差的學(xué)生,結(jié)合專(zhuān)業(yè)的需要,進(jìn)行一定量的基礎(chǔ)數(shù)學(xué)補(bǔ)習(xí),使其能滿(mǎn)足專(zhuān)業(yè)課學(xué)習(xí)的基本要求;對(duì)數(shù)學(xué)比較優(yōu)秀的學(xué)生,采取選修的方式,進(jìn)行系統(tǒng)的數(shù)學(xué)教學(xué),對(duì)這類(lèi)學(xué)生要著重培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維能力和分析問(wèn)題的能力,以滿(mǎn)足其進(jìn)一步深造如專(zhuān)升本及更高層次學(xué)習(xí)的需要.
總之,數(shù)學(xué)課必須從教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行深入改革,向?qū)I(yè)課滲透,只有與專(zhuān)業(yè)課有機(jī)結(jié)合,幫助學(xué)生加強(qiáng)對(duì)專(zhuān)業(yè)知識(shí)的理解,提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,解決學(xué)生實(shí)際工作中的難題,才能產(chǎn)生良好的教學(xué)效果.高職數(shù)學(xué)服務(wù)于專(zhuān)業(yè)的改革之路還很漫長(zhǎng),需要廣大同仁不斷探索,在探索中不斷改進(jìn),不斷完善.
[1]閔建杰.實(shí)施項(xiàng)目學(xué)分制 補(bǔ)齊高職素質(zhì)教育短板[J].青島職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),2012(4).
[2]胡興國(guó),張流芳.建筑力學(xué):第2版[M].武漢:武漢理工大學(xué)出版社,2004.
[3]廖代廣.土木工程施工技術(shù):第2版[M].武漢:武漢理工大學(xué)出版社,2002.