淺析土木工程專業畢業設計教學環節的改革與實踐
摘要：文章針對土木工程專業畢業設計中存在的突出問題，圍繞提高教學質量、培養學生工程實踐能力這條主線，對這一重要環節在教學手段、教學方法和教學內容上提出了一系列的改革和實踐措施。
畢業設計是土木工程專業教學計戈Ⅱ的重要組成部分，是培養學生理論聯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、土木工程專業畢業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、對土木工程專業的工程問題多以點狀形態記憶，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、面聯系起來，使學生對工程設計建立較為完整的概念，是畢業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，畢業設計在內容上通常是學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節等都重視不夠，對于相關工程的配合了解甚少。故必須在畢業設計中加大運用已學的知識處理實際工程能力的培養，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，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大學土木工程專業的畢業設計來說，存在兩種傾向：一是到設計院做畢業設計的大部分學生只作電算;二是在學校做畢業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和掌握;二來導致學生畢業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、畢業設計教學改革的目標、方向畢業設計是一個綜合性很強的實踐性教學環節，以培養學生的實際工程能力為主。故提出土木工程專業畢業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。
(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，分析各自的優劣，調整完善整個建筑、結構方案;能從經濟、技術、開發、施工等方面對工程項目設計進行評價。
(3)建模能力是能根據結構的型式、受力特點或試驗現象，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范的結構計算書的能力。
三、畢業設計教學改革的途徑畢業設計的教學改革應圍繞著提高教學質量、培養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。畢業設計的題目應在滿足教學基本要求以及專業培養目標的前提下，以面向工程實際、促進社會需要與畢業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、深度和多方案實現的可能性。應注意到，土木工程專業在畢業設計中采用計算機輔助設計、繪圖越來越普遍，但畢業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知識，能在規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的可能性，以發揮學生的創造性，并通過方案比較，培養學生分析問題的能力。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、規范、資源、環境、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，即教師根據每個學生的能力給予不同層次、深度的指導，給優秀學生創新能力培養提供條件，為部分學生的個性發展留有余地。
如隔震技術雖已納入《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學生的畢業設計題目需要進行認真的前期準備工作。
(二)利用現代化教學手段，改革傳統的教學方法，是提高畢業設計教學質量的必要手段應借助現代化教學手段，將多媒體技術廣泛地應用于畢業設計;根據學生主體原則，改革傳統的教學方法，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，還要引導學生發現問題、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、啟發式、提問式、發現式等教學方法，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，鼓勵學生創新;并采用對比式方法，比較各種方案的優劣;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。
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責任感、激發學習興趣，且印象特別深刻。
3.針對絕大多數教材，包括畢業設計參考書中出現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，優化教學過程，是保證畢業設計教學質量的必要條件為保證畢業設計的質量，在畢業設計教學中，指導教師應對畢業設計整個過程中每一個環節進行控制性規劃，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，克服了畢業設計中經常出現的先松后緊的問題。
(四)補充新的教學內容，縮短書本知識與就業的差距，是畢業設計教學改革的重要措施畢業設計的教學內容不僅要培養學生工程設計的綜合能力，還要結合學生就業和市場需要，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，而且要培養學生獨立查找和使用相關設計規范、設計手冊、規程、技術資料與圖集等專業資料的能力;培養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設計;注重結構電算與手算相結合環節的建設。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計算機輔助系列商業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，隨畢業設計的進度，定期向學生傳授、現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，講解菜單開發技術等。在圖紙內容完整性和正確性的基礎上，培養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現問題。同時，還要培養學生編制內容全面的計算書，闡明設計方案、設計依據、計算方法、技術措施等，包括目錄、設計說明、計算過程及專業術語等都要規范化。
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，是學生畢業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，學生在畢業設計階段，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的條文說明，防止以訛傳訛。學生對待規范的正確態度，應該是遵守而不是突破。
筆者針對畢業設計中存在的突出問題，圍繞著提高教學質量、培養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;亟待建立一個按專業評估要求的畢業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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