“混凝土结构基本原理”教学实验方法探讨

［摘 要］ “混凝土结构基本原理”是土木工程专业本科生的专业必修课，为了让学生更好地掌握这门概念抽象、实践性强的专业课程，教学实验的有效执行非常关键。因受教学设备等条件的限制，传统的教学实验中学生以旁站参观等低参与的方式完成教学过程，教学效果较差。为了提升实践效果，对传统的教学实验方法进行了改革，设计了适合学生进行实践的设备，整合了进行教学实验的资源，增加了教学实验项目，让教学实验的执行成为一个安全有序、可操作性强的过程，吸引学生从被动参与教学实验转变为主动进入实验室参与实践项目，激发学生主动学习的兴趣，提升实践教学效果，为推动本科生教学实验的发展做出贡献。

［关键词］ 混凝土结构基本原理；实验教学方法；教学改革；教学效果

［基金项目］ 2022年度同济大学第十七期实验教学改革专项基金“混凝土梁受扭教学实验方法改进”（0200104541）

［作者简介］ 袁苗苗（1984—），女，山东邹平人，硕士，同济大学土木工程学院工程师，主要从事结构实验和实验教学研究；任祥香（1988—），女，山东淄博人，博士，同济大学土木工程学院工程师（通信作者），主要从事结构实验技术与结构隔震技术研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2024）36-0126-04 ［收稿日期］ 2023-08-14

“混凝土结构基本原理”是土木工程专业学习中连接专业课和基础课的桥梁，通过本门课程学习，学生可掌握钢筋混凝土结构构件的基本力学性能、计算分析方法和构造措施，获得在结构设计和性能评估两方面解决实际工程问题的能力，为后续专业设计课程的学习打下理论基础，是非常重要的一门专业基础课。因本门课程很多理论建立在实验研究的基础上，在学习过程中设置教学实验课程，让学生在实践过程中理论联系实际，积累感性认识，对本课程的学习非常有益［1］。

从理论教学需求出发，“混凝土结构基本原理”教学实验应开展四项教学实验项目，包括钢筋混凝土梁正截面受弯、斜截面受剪、纯扭性能实验和柱偏心受压性能实验。受教学设备等资源的限制，该课程教学实验的执行仍处于相对薄弱的环节。在开展教学实验的高校中，大部分只开展了钢筋混凝土梁正截面受弯性能实验，部分开展了梁斜截面受剪和柱偏心受压性能实验，极少数开展了梁纯扭性能实验［2-7］。在实践过程中，部分高校以观摩性教学方式为主，学生通过观看教学实验视频、旁站参观实验演示过程等方式学习，动手实践机会少，实践教学效果较差。

根据课程专业特点，遵循同济大学土木工程学院以学生为主体的实验教学方针，在实验教学和理论教学和谐统一，理论知识学习、实践能力培养和创新精神并重培养的实验教学理念指导下［8］，开展了“混凝土结构基本原理”教学实验改革。通过引进现代化教学方法，设计并配置性能良好的教学设备，扩展教学实验项目，完善实践教学全过程，创建完整的实践教学体系，建设形成了具备四个类型11个实验小项的全面化、综合性、开放性、自主型的教学实验项目，通过实践，取得了良好的教学效果。

一、实验项目简介

（一）教学内容

“混凝土结构基本原理”教学实验是土木工程专业本科生典型的实践课程，通过教学实验认识混凝土结构构件的破坏全过程，掌握混凝土弯、剪、扭和受压基本受力性能的实验方法，加深对课堂教学内容的理解，培养学生的认知和动手能力。教学实验为8学时，包括2学时的实践通识课和6学时的自主实践课。

实践通识课主要为自主实践课做准备，主要从试件制作过程、实验设备、试件破坏现象等方面入手，让学生对实践项目有初步的了解，激发学生自主实践的兴趣，鼓励学生进入实验室动手实践。自主实践课6学时分两次进行，学生从11个实验小项中选择2个实验项目进行自主实践。11个实验小项包括：钢筋混凝土少筋、适筋、超筋梁正截面受弯破坏实验，钢筋混凝土梁斜截面斜压、剪压、斜拉受剪破坏实验，钢筋混凝土梁少筋、适筋、超筋纯扭破坏实验，钢筋混凝土柱大偏心受压和小偏心受压破坏实验。

（二）试件介绍

本教学实验的亮点之一是试件种类齐全，共设计了10种不同的混凝土试件。按照破坏类型，受弯破坏为少筋梁、适筋梁和超筋梁三种试件，受剪破坏为斜压、剪压和斜拉受剪破坏梁三种试件，纯扭破坏为少筋梁、适筋梁和超筋梁三种试件，偏心受压破坏柱试件为一种，共计十种试件。

受弯、受剪和纯扭破坏试件的截面均设计为矩形，截面尺寸为100 mm×150 mm，长度为1 400 mm；偏心受压破坏柱的截面尺寸为200 mm×200 mm，总长度为1 300 mm，有效长度为700 mm，两端对称设置牛腿，截面尺寸200 mm×400 mm。为方便观察和描述试件的破坏现象，试件养护结束后在试件表面刷白，并绘制50 mm×50 mm的网格。

（三）实验系统

本教学实验的亮点之二是教学实验系统完善、齐备。部分高校的教学实验系统与科研实验系统共用，设备的实验能力与教学实验需求不相符或实验时间受限；部分高校缺少某些仪器设备，导致如混凝土梁纯扭等教学实验项目不能开展。为全面高质量开展“混凝土结构基本原理”教学实验，设计新型的加载设施、购置符合实验需求的千斤顶和传感器、定制便于学生操作的手动泵等，建设成四套满足不同实验要求的教学用实验系统。

1.受弯、受剪破坏实验系统。钢筋混凝土梁正截面受弯破坏和斜截面受剪破坏实验所用实验系统基本相同，主要包含：（1）支承和反力系统：实验台座、龙门架和钢支座等组成，龙门架和支座均放置于标准实验台座上，龙门架与标准实验台座通过地锚螺栓连接，为试件提供反力，钢支座为试件提供支撑。（2）加载系统：千斤顶、油管和手动泵，千斤顶通过连接螺栓倒挂于龙门架的横梁上，按压手动泵、千斤顶顶升可实现试件荷载施加。（3）测量系统：荷载传感器、位移传感器和应变片，分别用于测量试件的荷载、挠度和钢筋应变。（4）数据采集系统：数据采集仪、数据采集软件和电脑，可实现试件所有被测物理量的同步实时采集和保存。（5）其他：分配梁和铰支座等，通过分配梁和铰支座的位置调整，可实现受弯破坏试件的三分点加载和受剪破坏试件不同剪跨比的加载要求。

2.纯扭破坏实验系统。纯扭破坏实验系统是“混凝土结构基本原理”教学实验改革的创新点，为了增设钢筋混凝土纯扭构件性能教学实验项目，全方面开展混凝土构件性能教学实验，同济大学自主研发了一套适用于学生教学实践的矩形截面混凝土梁纯扭实验装置［9］。

纯扭破坏实验系统的主要组成部分和创新点是加载部分，主要有钢立柱、水平扭转钢臂、加载千斤顶沿对角线对称布置。矩形截面混凝土试件可在该系统中实现纯扭加载，设备组装简单、操作安全方便，可实现学生自主实践操作。测量系统和数据采集系统与受弯、受剪破坏系统基本相同，可满足受扭破坏试件荷载、扭转角和应变的测量需求。

3.偏心受压破坏实验系统。钢筋混凝土柱偏心受压破坏实验在压力实验机上进行，通过移动安装于试件上下端的铰支座的位置，实现试件受压偏心距的调整，从而实现柱试件大、小偏心受压破坏实验。测量系统和数据采集系统与上面三套系统基本相同，可实现竖向压力、竖向压缩变形、侧向弯曲变形和应变的测量。

（四）教学软件

教学实验中的梁受弯、受剪、纯扭破坏和柱偏心受压破坏是建筑结构实验中比较常见的静力实验项目。但对大多数第一次进入实验室进行实践操作的学生来讲，该实践项目综合性较强，从试件、实验设备到实验环境均是新鲜的，为了让学生在有限的学时内认识试件、了解各仪器设备的基本功能和使用方法，可分工协作完成一次全过程加载实验。在教学实践之前，通过教学资料学习必要的实践知识非常重要。

本教学实验的亮点之三是建设了一套针对性较强的实验教学软件，主要包括试件和实验设备介绍、试件全过程加载视频、实验虚拟操作等板块。教学软件的使用，使学生对要进行的实践操作有一个初步和感性的了解，对仪器由完全陌生到见到可以认识甚至会使用，对即将进行的实践项目提出问题或想法，激发了学生进行实践操作的兴趣，缩短了学生进入实验室后进行实践操作前的准备时间，有效提升了实践课的效率。同时，教学软件与实践课程的虚实结合，极大地提升了教学实验的授课效率，丰富了实验教学的层次，增强了学生的创新实践意识［10］。

（五）实验方法

“混凝土结构基本原理”教学实验中钢筋混凝土梁受弯、受剪、纯扭破坏和柱偏压破坏均属于构件单调加载静力实验，为得到试件的开裂荷载、观察试件随荷载的破坏现象、得到试件的破坏荷载等，采用前期分级加载、后期连续加载的加载制度，实验方法参照《建筑结构试验》执行［11］。

二、实践教学过程

（一）教学实验项目安排

每年约有150名学生在静力实验室进行“混凝土结构基本原理”教学实验，3～5人一个小组，每名学生均能实际参与不少于两个实验小项的教学需求，实验室每年制作80件试件。各类型实验安排数量如图1所示，梁受弯、受剪、纯扭破坏、柱偏压破坏四个大项的试件数量相同，受弯和纯扭实验中适筋梁稍多，受剪实验中剪压破坏试件稍多。

（二）教学实践

教学实验过程如图2所示，每次教学实践课均同时开展四个不同破坏类型的教学实验项目。进行第一次实践课时，有4个小组分别进行混凝土梁受弯、受剪、纯扭破坏和柱偏压破坏实验，每小组约3～5名学生，分别进行数据采集、荷载施加和实验现象观察三部分工作。实践中学生分工协作、相互协调，保证各部分工作有序进行，直至完成全过程实验。进行第二次实践课程时，不同小组之间相互调换，保证每名学生均可进行破坏类型不同的两次实验。在第二次实践课全过程实验结束后，带领学生对试件不同的破坏现象进行对比分析，比如：实验现象是否与理论课程相符、破坏原因如何用理论知识去解释等，提升实践教学课程效果。

完成两次实践课程后，在讨论分析和总结的基础上，完成实验报告，并提出对该教学实践项目的建议和意见。实验研究报告的撰写是对实践教学过程全面总结并将实践与理论融合的过程，为提升实践报告的撰写效果，对报告的主要内容做出要求，包含且不局限于实验目的和内容、实验方法、实验过程描述、实验结果处理、思考和扩展等。

（三）实践效果

“混凝土结构基本原理”教学实验自扩充实验项目、形成完整的实验教学体系后，经过几个学期的实践，已取得了良好的教学反馈。

进入实验室的每名学生均有充分的实践体验，对混凝土结构构件不同加载方法对应的破坏全过程均有形象全面的认识，加深了对“混凝土结构基本原理”课堂教学内容的理解，提升了教学效果。同时，通过教学实验，学生掌握了建筑结构构件静力实验的基本实验方法，大幅提升了学生的认知和动手能力。

此外，有些学生在实验过程中，就实践体验提出了对该教学实验项目的意见和建议，如少数学生期望能够参与试件设计和制作，部分学生希望可以在裂缝描绘过程中有比放大镜和裂缝宽度测试仪更好的观测方法等，此部分意见和建议是该课程教改以后努力的方向。

结语

通过一系列的教学改革和实践，将“混凝土结构基本原理”教学实验建设成为一门项目齐全的综合性实践课程，教学试件数量多、种类全，教学设备完善、可操作性强，教学资源虚实结合、内容丰富，满足学生自主性、沉浸式体验各教学实践项目的需求，全面提升了“混凝土结构基本原理”教学实践效果，为进一步建设综合性、多层次、创新性的实验教学模式打下基础。

“混凝土结构基本原理”教学实验的高质量开展，为培养既具备扎实的专业知识，又具有较强实践能力的卓越工程师做出贡献。同时，对学生进行科学研究继续深造起到很好的引导作用。

参考文献

［1］顾祥林.混凝土结构基本原理［M］.2版.上海：同济大学出版社，2011：1-12.

［2］顾祥林，林峰，黄永嘉，等.“混凝土结构基本原理”本科教学实验平台建设［J］.实验室研究与探索，2009，28（2）：37-40.

［3］韩源彬，王宗纲，金同乐，等.“混凝土结构”自主型实验教学［J］.结构工程师，2011，27（S1）：226-230.