商懷帥等

摘要：

混凝土結構設計原理是高等院校土木工程專業(yè)最重要的課程之一。根據(jù)工程應用型本科院校的教學特點和實際情況，以混凝土結構設計原理課程中大、小偏壓構件為例，將Excel軟件強大的建模計算功能融入土木工程專業(yè)混凝土結構設計原理課程教學，并對課程教學改革進行了探索。該應用加深了學生對偏壓構件的認識，激發(fā)了學生學習混凝土結構設計原理課程的興趣，收到了良好的課堂教學效果，也為將來畢業(yè)設計以及工作中方便、熟練應用Excel軟件奠定了基礎。

關鍵詞：Excel軟件；土木工程；混凝土結構設計原理；教學改革；教學效果

中圖分類號：G64242 文獻標志碼：A 文章編號：

10052909（2014）02014004

鋼筋混凝土結構是土木工程領域應用廣泛的結構形式之一，對于土木工程專業(yè)本科生而言，混凝土結構設計原理是必修的一門重要專業(yè)課，該課程主要包括設計原理和結構設計兩部分內(nèi)容[1-3]。由于本科教育中該課程所具有舉足輕

重的地位，深入研究這門課程的教學方法和技巧，對任課教師而言

非常重要。該課程主要研究典型構件如梁、板和柱等構件的一些力學性能、設計方法、構造要求和破壞特征等，作為授課教師如何通過講解，讓學生深刻理解計算理論和設計方法；如何在教學中激發(fā)學生的學習興趣，并提高解決實際工程問題的能力是在教學過程中需要特別關注的兩個問題。

作為通用辦公系統(tǒng)Office的組件之一，Excel[4-5]因為具有強大的的數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計分析功能，已成為目前普及率非常高的辦公軟件之一。目前，在混凝土結構設計過程中，結構計算以及驗算是必不可少的重要環(huán)節(jié)，雖然結構整體受力分析已采用專業(yè)軟件（如PKPM等）來完成，但是局部構件的受力分析、構件截面設計及校核、其他相關的復核及計算采用手工計算還是必不可少。此外，混凝土結構的計算公式多，且公式繁瑣，純粹采用手工計算不僅費時費力而且出錯率較高，借助于Excel軟件進行參數(shù)化的計算，可有效提高工作效率。

基于此，筆者以混凝土結構設計原理中大偏壓、小偏壓構件的設計為例，闡述了Excel軟件在教學中的應用，通過課堂效果觀察，該方法可以有效提高學生的興趣、強化學生的理解能力，調(diào)動學生的學習興趣，發(fā)揮學生的主觀能動性。

一、 混凝土結構設計原理課程的特點

混凝土結構或構件一般由鋼筋和混凝土兩種材料組成，由于混凝土的非均勻、非連續(xù)和非彈性，導致材料力學的公式不能直接應用于鋼筋混凝土構件的承載力計算。這就使得該課程具有以下特點：一是，混凝土結構設計原理中構件承載力的計算方法是建立在試驗研究基礎上，并以理論分析為依據(jù)， 注重科學試驗和工程實踐的重要性，涉及內(nèi)容較多，既有承載力的計算、變形和裂縫寬度的驗算， 又有規(guī)范條文以及構造要求。二是，設計結果的多種可能。最終設計結果除了滿足承載力要求外，還需綜合考慮施工方便，造價低等多項指標，因此，設計中有多種可供選擇的方案，最終的設計結果也不唯一。

二、“教”與“學”中存在的問題

一是，教師在“教”的過程

中，主要依據(jù)教學大綱的要求進行授課，而教學大綱重視基本知識點的掌握，因此其設置的問題、條件及結論之間有著必然聯(lián)系，也就是條件一定的情況下，結論唯一[6-7]。這雖然在一定程度上鍛煉了學生的邏輯思維能力，培養(yǎng)了良好

的思考習慣以及規(guī)范化的解題思路，但對創(chuàng)新思維的培養(yǎng)有所欠缺，最終導致學生創(chuàng)新能力不強，理論聯(lián)系實際能力不強，也就是所謂的不能“學以致用”。

二是，學生在“學”的過程中，不能很好地掌握課程的主要內(nèi)容，或者雖然掌握了課程主要內(nèi)容，在考試中能取得高分，但是不能將所學知識用于實際工程問題的解決，知識遷移能力差，實踐能力和創(chuàng)新精神薄弱。

三、“教”與“學”中存在的問題原因分析

教師在“教”的過程中完全依據(jù)教學大綱的方法不利于創(chuàng)新思維的培養(yǎng)，造成學生不能將所學理論與實際工程聯(lián)系起來。既有的完全依據(jù)教學大綱的教學方式導致學生學習熱情不高，學習方法僵化，學生普遍認為即使不好好聽講，課后看看課本也能通過考試。因此多數(shù)學生要么不聽講，要么只聽重要知識點和結論。這種有選擇的聽課習慣，導致學生不知道如何運用所學去分析實際問題。

四、混凝土結構設計原理教學中Excel的應用

某鋼筋混凝土偏心受壓柱，截面尺寸為b=300 mm，h=400 mm，混凝土保護層厚度為c=20 mm。柱承受豎向壓力設計值為N=310 kN，考慮二階彎矩后的彎矩值為M=168.187 kN·m，混凝土強度等級為C30，縱筋采用HRB400級鋼筋，已知截面受壓區(qū)已配有2[XC商.tif；%60%60]18（A′s=509mm2）的鋼筋，求受拉鋼筋As？

圖1給出了將案例中的基本內(nèi)容輸入到excel表格后的效果，通過Excel的計算功能可以將偏壓柱的有效高度、初始偏心距、附加偏心距、計算偏心距、縱向鋼筋合力點至截面邊緣距離以及軸力到受拉鋼筋合力點的距離等數(shù)據(jù)求出，進而可以根據(jù)《混凝土結構設計規(guī)范》GB50010-2010[8]或者《混凝土結構設計原理》[3]中的要求，先按大偏壓計算截面抵抗距系數(shù)αs，然后根據(jù)αs求出相對受壓區(qū)高度ξ，通過判斷相對受壓區(qū)高度ξ與界限相對受壓區(qū)高度ξb間的相對大小，判定是按大偏壓還是按小偏壓進行計算，最終求出受拉區(qū)鋼筋。

以上為案例的解題過程，講解到此，達到了教學大綱的教學要求

，但失去了用Excel進行講解的必要。我們要在完成上述“教”的基礎上進一步挖掘該案例的深層次知識，進而將混凝土柱的大偏壓、小偏壓講解透徹。

例如，將軸向壓力N由310 kN調(diào)整到400 kN，同時將考慮二階彎矩后的彎矩值M由168.187 kN·m調(diào)整到217.015kN·m，目的是確保偏壓柱的偏心距e0=543 mm不變。上述改動后，Excel可以直接將截面抵抗距系數(shù)αs（αs=0.414）及相對受壓區(qū)高度ξ（ξ=0.5861）求出，此時經(jīng)過自動判斷為小偏壓柱，可以把小偏壓受拉區(qū)鋼筋應力σs（αs=273.009）以及受拉區(qū)鋼筋面積As（As=2521 mm2）自動求出。如圖2所示。

通過兩個數(shù)據(jù)的變化將一個大偏壓柱變?yōu)樾∑珘褐?，讓學生對大偏壓、小偏壓有了更進一步認識，但是這還遠遠不夠；此時，教師可引導學生思考，如可以提問：如何將現(xiàn)在的受壓柱的小偏壓受力狀態(tài)再次轉(zhuǎn)化為大偏壓。如：降低相對受壓區(qū)高度ξ是不是可以變化受壓柱的受力狀態(tài)？哪些因素能降低相對受壓區(qū)高度ξ的數(shù)值？然后可以對某些數(shù)據(jù)（如混凝土強度、截面尺寸等）作一些改動，如將混凝土強度等級由C30（fc=14.3 N/mm2）改為C35（fc=16.7 N/mm2），再計算結果，此時又由小偏壓轉(zhuǎn)為大偏壓，受拉區(qū)鋼筋面積As=1708 mm2，如圖3所示。

圖3〓更改混凝土強度后的計算結果

通過對受壓柱的受力狀態(tài)進行講解，讓學生真正體會到鋼筋混凝土構件設計的真諦——所有構件的設計結果不唯一，滿足承載力要求的設計方案有很多種，對于某一根受壓柱，其受力狀態(tài)也不是唯一的，會在大偏壓、小偏壓間轉(zhuǎn)換，也就是讓學生意識到了“條件一定，而結論不唯一”。

基于上述分析，將Excel軟件應用于混凝土結構設計原理課程教學， 可以在注重“雙基”教育的同時，加強對學生開放性、創(chuàng)造性思維能力的培養(yǎng)，加強對學生知識遷移能力的培養(yǎng)，加強對學生實踐能力、創(chuàng)新精神的培養(yǎng)。

因此， Excel應用于混凝土結構設計原理課程教學不是一種簡單的解題模式訓練，而是分析問題、 解決問題能力的培養(yǎng)，是創(chuàng)新意識及能力的培養(yǎng)。

五、結語

將Excel軟件應用于混凝土結構設計原理課程教學，調(diào)動了學生在“學”中的主觀能動性，強調(diào)了知識的整體性，使得基本知識的講授和解題策略的非常規(guī)性，在“教”與“學”中既共存又互補，有利于培養(yǎng)學生的思維能力、科學素養(yǎng)、實踐能力，開拓學生的創(chuàng)新思維， 對于提高混凝土結構設計原理課程教學質(zhì)量起到了積極的推動作用。

參考文獻：

[1] 張學文， 蔡健.混凝土結構課程考試的改革與實踐[J].河海大學學報：哲學社會科學版， 2002， 4 （1）：167-169.

[2] 季靜， 陳慶軍， 蔡健等.學生研究計劃與混凝土結構課程的教學改革[J].廣州大學學報， 2006， 5（2）：60-61.

[3] 梁興文， 史慶軒.混凝土結構設計原理[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2011.

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[5] 杜茂康， 劉宴兵， 袁浩，等.Excel與數(shù)據(jù)處理[M].北京：電子工業(yè)出版社， 2005.

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[8] 國家標準.（GB50010-2010）混凝土結構設計規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社， 2011

通過兩個數(shù)據(jù)的變化將一個大偏壓柱變?yōu)樾∑珘褐?，讓學生對大偏壓、小偏壓有了更進一步認識，但是這還遠遠不夠；此時，教師可引導學生思考，如可以提問：如何將現(xiàn)在的受壓柱的小偏壓受力狀態(tài)再次轉(zhuǎn)化為大偏壓。如：降低相對受壓區(qū)高度ξ是不是可以變化受壓柱的受力狀態(tài)？哪些因素能降低相對受壓區(qū)高度ξ的數(shù)值？然后可以對某些數(shù)據(jù)（如混凝土強度、截面尺寸等）作一些改動，如將混凝土強度等級由C30（fc=14.3 N/mm2）改為C35（fc=16.7 N/mm2），再計算結果，此時又由小偏壓轉(zhuǎn)為大偏壓，受拉區(qū)鋼筋面積As=1708 mm2，如圖3所示。

圖3〓更改混凝土強度后的計算結果

通過對受壓柱的受力狀態(tài)進行講解，讓學生真正體會到鋼筋混凝土構件設計的真諦——所有構件的設計結果不唯一，滿足承載力要求的設計方案有很多種，對于某一根受壓柱，其受力狀態(tài)也不是唯一的，會在大偏壓、小偏壓間轉(zhuǎn)換，也就是讓學生意識到了“條件一定，而結論不唯一”。

基于上述分析，將Excel軟件應用于混凝土結構設計原理課程教學， 可以在注重“雙基”教育的同時，加強對學生開放性、創(chuàng)造性思維能力的培養(yǎng)，加強對學生知識遷移能力的培養(yǎng)，加強對學生實踐能力、創(chuàng)新精神的培養(yǎng)。

因此， Excel應用于混凝土結構設計原理課程教學不是一種簡單的解題模式訓練，而是分析問題、 解決問題能力的培養(yǎng)，是創(chuàng)新意識及能力的培養(yǎng)。

五、結語

將Excel軟件應用于混凝土結構設計原理課程教學，調(diào)動了學生在“學”中的主觀能動性，強調(diào)了知識的整體性，使得基本知識的講授和解題策略的非常規(guī)性，在“教”與“學”中既共存又互補，有利于培養(yǎng)學生的思維能力、科學素養(yǎng)、實踐能力，開拓學生的創(chuàng)新思維， 對于提高混凝土結構設計原理課程教學質(zhì)量起到了積極的推動作用。

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通過兩個數(shù)據(jù)的變化將一個大偏壓柱變?yōu)樾∑珘褐?，讓學生對大偏壓、小偏壓有了更進一步認識，但是這還遠遠不夠；此時，教師可引導學生思考，如可以提問：如何將現(xiàn)在的受壓柱的小偏壓受力狀態(tài)再次轉(zhuǎn)化為大偏壓。如：降低相對受壓區(qū)高度ξ是不是可以變化受壓柱的受力狀態(tài)？哪些因素能降低相對受壓區(qū)高度ξ的數(shù)值？然后可以對某些數(shù)據(jù)（如混凝土強度、截面尺寸等）作一些改動，如將混凝土強度等級由C30（fc=14.3 N/mm2）改為C35（fc=16.7 N/mm2），再計算結果，此時又由小偏壓轉(zhuǎn)為大偏壓，受拉區(qū)鋼筋面積As=1708 mm2，如圖3所示。

圖3〓更改混凝土強度后的計算結果

通過對受壓柱的受力狀態(tài)進行講解，讓學生真正體會到鋼筋混凝土構件設計的真諦——所有構件的設計結果不唯一，滿足承載力要求的設計方案有很多種，對于某一根受壓柱，其受力狀態(tài)也不是唯一的，會在大偏壓、小偏壓間轉(zhuǎn)換，也就是讓學生意識到了“條件一定，而結論不唯一”。

基于上述分析，將Excel軟件應用于混凝土結構設計原理課程教學， 可以在注重“雙基”教育的同時，加強對學生開放性、創(chuàng)造性思維能力的培養(yǎng)，加強對學生知識遷移能力的培養(yǎng)，加強對學生實踐能力、創(chuàng)新精神的培養(yǎng)。

因此， Excel應用于混凝土結構設計原理課程教學不是一種簡單的解題模式訓練，而是分析問題、 解決問題能力的培養(yǎng)，是創(chuàng)新意識及能力的培養(yǎng)。

五、結語

將Excel軟件應用于混凝土結構設計原理課程教學，調(diào)動了學生在“學”中的主觀能動性，強調(diào)了知識的整體性，使得基本知識的講授和解題策略的非常規(guī)性，在“教”與“學”中既共存又互補，有利于培養(yǎng)學生的思維能力、科學素養(yǎng)、實踐能力，開拓學生的創(chuàng)新思維， 對于提高混凝土結構設計原理課程教學質(zhì)量起到了積極的推動作用。

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