学科交叉在“水工钢筋混凝土结构学”教学中的应用

摘要：分析了“水工钢筋混凝土结构”课程的基本特点及学科交叉的内涵与重要性，指出了本课程与概率论、材料力学、建筑材料等诸多学科与课程之间的交叉关系，结合实例分析，指出了利用学科交叉来服务于本课程教学的方法与过程及应注意的主要事项。

关键词：水工钢筋混凝土结构学；学科交叉；材料力学

作者简介：吴海军（1975-），男，陕西武功人，重庆交通大学土木建筑学院，副教授；陆萍（1975-），女，江苏东海人，重庆交通大学土木建筑学院，讲师。（重庆 400074）

基金项目：本文系“基于三大能力提升的交通土建类专业人才培养体系创新与实践”项目的研究成果。

中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）13-0116-02

一、学科交叉的含义及本课程的特点

现代社会是一个信息社会，知识陈旧的周期逐渐缩短，学科之间的相互交叉、相互渗透越来越频繁，重专业基础教育、拓宽专业口径已成为大势所趋。随着学科间交流频繁，打破学科间原有的条块分割，促进学科间的交叉和融合，已成为学术领域发展的普遍趋势和特征，也是增强学术创新的生长点和重要途径。学科交又是现代科学发展的必经之路，学科之间只有相互融会贯通，才能使知识活学活用、有所创新。事实上，不同课程和学科之间彼此并不孤立，它们之间没有不可逾越的鸿沟，只有在重视专业教育的同时，拓宽专业口径，才能使自己所学到的知识得到拓展和升华。

“水工钢筋混凝土结构”是港航工程及水利水电工程专业中最为重要的技术基础课程。通过课程的学习和课程设计的练习，学生掌握水工钢筋混凝土基本原理和基本构件的设计计算方法，掌握结构的基本概念，为后续专业技术课程的学习和从事水工结构设计、施工和管理工作奠定坚实的基础。本课程是学生最早接触的实践性较强的一门专业基础课，它担负着向专业课过渡的任务。

以往的教学实践中，教师对本课程与其他课程与学科的交叉和交流重视不足，本文将主要从学科交叉的角度探讨“水工钢筋混凝土结构”课程与其他课程及学科的交叉关系，分析其教学方法与策略。

二、课程与其课程与学科的交叉

从学科之间关系的角度，各学科和课程之间的交叉学科可以分为“内部”交叉、“近距离”交叉、“远距离”交叉和学科的“界”交叉等。

1.与概率论的交叉

本课程与高等数学中的分支——概率论有非常密切的关系，概率论是研究随机现象数量规律的数学分支。它通过研究事件发生的概率来衡量事件发生的量度。

以概率理论为基础的结构极限状态设计方法从10余年前开始在水工、公路行业、建筑行业的规范编制、相关教材编写及工程实践中广泛使用。作为本课程重点和难点之一的水工混凝土结构设计原理的讲解中就需要大量用到概率论的原理和方法，涉及的概念和知识包括可靠性、极限状态设计方法、可靠度指标、材料强度设计值、保证率、失效概率、可靠概率、荷载的标准值、代表值、设计值等诸多问题。在很大程度上，是否能够掌握基于概率论原理的这些知识决定了学生能否掌握本课程主要难点的关键和精髓。

在讲解时要充分利用各种材料、各种荷载的分布特性、分布规律及其影响，使学生认识到结构设计的方方面面、各个参数等均是具有一定随机性、变异性的量值，据此设计出来的结构也将是具有一定安全性分布规律的结构，完全可靠的结构物是不存在的，因此结构设计追求安全性和经济性之间的合理平衡。在满足预定的安全度的情况下，结构可以有多种可行的方案。结构设计者的主要责任之一就是从多种可行方案中寻求较合理的设计方案。

2.与材料力学的交叉

本课程与材料力学的交叉属于学科交叉中的“近距离”交叉的范畴。本课程是研究由混凝土和钢筋两种材料组合的复合材料的力学性能和受力原理，各种构件的受力特点直接受这些材料本构关系的影响。而材料力学是研究单一、匀质、连续、弹性材料受力分析的课程，本课程与经典材料力学有密切的关联。由于材料特性不同，本课程无法直接使用材料力学的多数公式。但是，材料力学的研究方法、思考问题的角度、解决问题的思路却在本课程中得到了广泛的应用。讲解和学习时千万不能将两门课程割裂，学生需要学会利用材料力学的原理和积累，因此本课程也被称为“钢筋混凝土材料的材料力学”。在讲解诸如计算公式的建立、实验现象的分析、应力计算、变形计算等关键内容时，需要明确分析本课程与材料力学的异同之处及存在差异的原因。只有通过对两门课程做透彻的比较分析，才能够从本质上把握本课程受力分析的本质特点。同时明显提高本课程的学习效果及学习效率，也使学生能够深刻体会先学课程的特点及其重要性，可以纠正一些学生存在的材料力学不重要或者没有用的错误认识。

3.与“建筑材料”的交叉

作为以讲解钢筋混凝土材料受力性能为主的课程，本课程中有关材料物理特性及力学性能的内容与“建筑材料”相关内容有一定的关系。要通过与建筑材料中混凝土、钢筋相关内容的比较，明确本课程更加关注这两种材料在不同受力阶段的力学（主要是强度和变形）表现、二者共同作用的性能，而不太关注材料的化学成分、内部构成等。但是，要通过建筑材料中的有关知识，了解如何改善混凝土徐变、收缩作用的措施。还有，在本课程涉及的较为复杂的材料强度讲解方面，要借助建筑材料试验中关于材料有侧限、无侧限强度等原理，说明结构实际受力条件下材料实际的强度表现规律及其机理。真正实现了不同学科之间交叉所应具有的互相沟通、互相促进、互相融会贯通的优点。与建筑材料的合理交叉、互相促进是教授钢筋混凝土基本受力特点、受力机理、破坏准则的重要环节。本课程与材料力学的交叉也属于学科交叉中的“近距离”交叉的范畴。

4.与“结构力学”的交叉

“结构力学”作为研究杆件及结构内力分配及变形计算为主的课程，是本课程研究和讨论问题的基础。本课程主要讲解截面的承载力及计算设计，构件配筋设计与构造。结构力学中关于结构内力分布的知识，能够有助于学生把握本课程关于构件验算截面选取、构件构造配筋原则等较难理解的问题，也直接关联本课程的重点内容。

5.与“工程制图”的交叉

本课程要求掌握的一种重要工程技能是按照设计计算的结果及构造要求进行工程施工图绘制，教材中也有大量的钢筋构造图出现。“工程制图”形成的制图规则和习惯有利于学生理解和掌握课程的构造要求，是学好本课程结构计算及布筋设计的重要工具。此外，各种钢筋图的形成实际上综合考虑了结构受力、构造要求、施工方便等问题，工程图的最终确定必须同时兼顾这些要求。另一方面，通过绘制工程图的训练，让学生理解工程图尺寸标注、钢筋构造细节、材料种类选择等问题，逐渐培养和建立起同时考虑受力、材料、施工等多方面要求的工程思维。

6.与哲学的交叉

本课程学习中涉及的非常多的结论和认识可以从中国传统哲学思想的角度进行解释，这种交叉学科讲解有利于学生建立起合理的工程思维及思考方式。例如适筋梁、超筋梁、最大配筋率、最小配筋率等重要概念和结构设计的构造要求都在一定程度上体现了中国哲学的“中庸”、“以柔克刚”、“过犹不及”等重要思想，在类似诸多教学环节中都可以应用中国哲学的思想来解释本课程中的工程知识。实际上，工程结构性能的变化的确是一个量变积累发展到质变的不断变化的过程，也符合哲学中“矛盾论”的观点。尽管与哲学的交叉已经属于“界”交叉的范畴，但是工科与文科、自然科学与社会科学之间本来就不是完全分离的，二者存在着互相促进、互相交融的关系，完全符合学科交叉的本质含义。

三、应用学科交叉的注意事项

从本课程教学实践应用情况来看，要在本课程教学中应用学科交叉教学法来达到理想的效果，应注意以下事项：

第一，最重要的一点是从思想上纠正各学科、各课程泾渭分明的学习现状，作为教师尤其要树立知识无界限的思维习惯。

第二，要充分认识学科交叉是学术思想的交融，是交叉思维方式的综合、系统辩证思维的体现。自然界现象复杂、多样，仅从一种视角研究事物，必然具有很大的局限性，不可能揭示其本质。惟有从多视角采取交叉思维的方式进行跨学科研究，才可能形成正确、完整的认识。

第三，在每次备课时应多注意本堂课中可能发生的与其他科目交叉的现象，讲解阐述时要把握好专业性与形象性之间的“度”，既要准确、专业，又要尽可能生动形象，便于学生理解和把握。

第四，在习题和考试中出现具有代表性的科目交叉题目时，教师可以利用机会仔细剖析题目，适当衍生，做到以一道典型题目为例，解决一批题目。

参考文献：

[1]河海大学，等.水工钢筋混凝土结构学[M].第4版.北京：中国水利水电出版社，2009.

[2]叶见曙.结构设计原理[M].北京：人民交通出版社，2005.

[3]刘大超，黄维蓉，刘山源.本科建筑材料实验课开放式教学探索[J].重庆交通大学学报（社会科学版），2010，（4）：103-105.

[4]赵志舟，许锡宾，周世良.基于“卓越工程师”培养的港航专业教学改革思考[J].重庆交通大学学报（社会科学版），2012，（4）：107-110.

[5]杜卫，陈恒.学科交叉：应用型本科院校学科建设的战略选择[J].高等工程教育研究，2012，（1）：127-131.

（责任编辑：刘辉）