土木工程專業(yè)Capstone課程教學(xué)初探

雷能忠+黃蕾+周建輝+鐘瑜隆

摘要：Capstone課程是國際工程教育認(rèn)證規(guī)范要求的重要必修課，目前受到國際工程教育界的廣泛重視。文章以武夷學(xué)院土木工程專業(yè)為例，介紹了大學(xué)四年教育中從低年級(jí)到高年級(jí)完整的Capstone課程體系，并結(jié)合正在進(jìn)行的國際工程教育認(rèn)證，按照國際工程教育認(rèn)證規(guī)范要求，將土木工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)改造為Capstone課程，從開課模式、課程成績(jī)?cè)u(píng)量方法、課程教學(xué)效果檢視等方面開展Capstone課程教學(xué)初步探索，為培養(yǎng)土木工程專業(yè)國際化應(yīng)用型人才提供教學(xué)參考。

關(guān)鍵詞：土木工程專業(yè)； Capstone課程；課程教學(xué)

中圖分類號(hào)：G642.0；TU 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1005-2909（2017）03-0073-05

Capstone課程，即整合性實(shí)作課程，或頂點(diǎn)課程，是指大學(xué)高年級(jí)學(xué)生在教師指導(dǎo)下，應(yīng)用所學(xué)專業(yè)課程知識(shí)，解決復(fù)雜且整合性工程設(shè)計(jì)問題的教學(xué)過程[1-4]。這里的復(fù)雜且整合性工程設(shè)計(jì)問題一般具有以下特點(diǎn)：需要大學(xué)多門課程知識(shí)才可以解決的問題；問題本身是多面向的，或在技術(shù)、專業(yè)方面存在相互沖突；是一個(gè)實(shí)際的工程設(shè)計(jì)問題，沒有現(xiàn)成的解決辦法；需創(chuàng)新應(yīng)用專業(yè)基本理論和技術(shù)實(shí)務(wù)上最新成果才可以解決的問題；需考慮現(xiàn)實(shí)環(huán)境多方面的約束，如人力、資金、設(shè)備、材料、信息等；問題本身可能對(duì)社會(huì)及環(huán)境有廣泛而深遠(yuǎn)的影響；教學(xué)過程能夠覆蓋多項(xiàng)專業(yè)核心能力培養(yǎng)。

Capstone課程目前已經(jīng)得到國際工程教育界的廣泛重視，在國際工程教育認(rèn)證的眾多版本規(guī)范中都明確提出將Capstone課程作為本科工程教育的重要必修課[5-7]。美國ABET的前身是1932年在紐約創(chuàng)辦的工程師專業(yè)發(fā)展理事會(huì)（ECPD），最初由美國土木工程師協(xié)會(huì)、美國機(jī)械工程師協(xié)會(huì)和美國電氣工程師協(xié)會(huì)等7個(gè)協(xié)會(huì)組成，現(xiàn)已發(fā)展成為由30個(gè)專業(yè)和技術(shù)性協(xié)會(huì)組成的聯(lián)盟。ABET作為一個(gè)非官方的中介性、非營利認(rèn)證機(jī)構(gòu)，其專業(yè)認(rèn)證的權(quán)威性得到了美國教育部（USDE）和美國高等教育委員會(huì)（CHEA）的雙重認(rèn)可。ABET目前主要在工程、技術(shù)、計(jì)算機(jī)科學(xué)以及應(yīng)用科學(xué)等4大學(xué)科領(lǐng)域開展專業(yè)認(rèn)證。在ABET頒布的最新工程專業(yè)認(rèn)證規(guī)范中，要求每個(gè)參與認(rèn)證的工程專業(yè)必須向?qū)W生提供整合性設(shè)計(jì)課程的教學(xué)實(shí)踐[8-10]。國際上其他隸屬于Washington Accord， Seoul Accord， Sydney Accords3個(gè)著名工程教育認(rèn)證組織的工程教育認(rèn)證機(jī)構(gòu)，如中國臺(tái)灣的IEET、加拿大的CEAB、韓國的ABEEK、澳洲的EA等都有此規(guī)定要求[11-12]。工程教育中開設(shè)必修Capstone課程，已經(jīng)成為國際工程教育界的發(fā)展趨勢(shì)。

在具體開課模式上，無論是Stanford、Berkeley、MIT等國際著名高校，還是IEET認(rèn)證過的中國臺(tái)灣高校，都規(guī)定Capstone課程教育中，學(xué)生必須分組執(zhí)行教學(xué)計(jì)劃，而非個(gè)人執(zhí)行計(jì)劃，專業(yè)要制定統(tǒng)一的執(zhí)行規(guī)則，課程內(nèi)容要對(duì)應(yīng)人才培養(yǎng)方案中多數(shù)核心能力。

到目前為止，中國高等教育對(duì)頂點(diǎn)課程的關(guān)注還很少，學(xué)術(shù)性的介紹和研究也不多見。據(jù)粗略考察，在教育部頒布的文件中，只有2003年頒布的《全國普通高等學(xué)校體育教育本科專業(yè)課程方案》對(duì)頂點(diǎn)課程有所提及，并將其定義為“為畢業(yè)班開設(shè)的綜合四年所學(xué)知識(shí)的課程”。但是關(guān)于課程開設(shè)的內(nèi)容、形式、時(shí)數(shù)則沒有詳細(xì)的規(guī)定。

與此相似，在中國土木工程本科教育中，Capstone課程也難覓蹤跡。一些類似的設(shè)計(jì)課程，如土木工程畢業(yè)設(shè)計(jì)、核心課程的課程設(shè)計(jì)等，從教學(xué)組織模式、課程評(píng)量方法，以及課程對(duì)實(shí)現(xiàn)教育目標(biāo)和專業(yè)核心能力的檢視方面來看，這些課程還不能算是真正的Capstone課程，很多方面還存在較大差距。

武夷學(xué)院土木工程專業(yè)2015-2016學(xué)年開始被福建省教育廳批準(zhǔn)為首批接受“臺(tái)灣中華工程教育學(xué)會(huì)”（IEET）國際工程教育認(rèn)證的14個(gè)試點(diǎn)專業(yè)之一。武夷學(xué)院土木工程專業(yè)按照國際工程教育認(rèn)證規(guī)范要求，將土木工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)改造為Capstone課程，并從開課模式、課程成績(jī)?cè)u(píng)量方法、課程教學(xué)效果檢視等方面開展了Capstone課程教學(xué)初步探索。2016年9月12-13日，國家工程教育認(rèn)證專家進(jìn)入武夷學(xué)院土木工程專業(yè)實(shí)地訪評(píng)，通過查閱Capstone課程教學(xué)檔案、現(xiàn)場(chǎng)考核學(xué)生等，對(duì)Capstone課程教學(xué)效果給予了充分肯定。本文擬對(duì)武夷學(xué)院土木工程專業(yè)Capstone課程教學(xué)進(jìn)行詳細(xì)介紹，以期為推動(dòng)國內(nèi)土木工程專業(yè)本科教育與國際工程教育接軌，提高國際工程教育認(rèn)證實(shí)效，促進(jìn)新建本科高校向應(yīng)用型轉(zhuǎn)型發(fā)展和培養(yǎng)國際化應(yīng)用型高級(jí)人才提供教學(xué)參考。

一、Capstone課程體系的建立

Capstone課程不是一個(gè)單一課程，而是一個(gè)系統(tǒng)的課程體系。這是因?yàn)?，要完成Capstone課程任務(wù)，通過課程教學(xué)取得實(shí)效，學(xué)生核心能力得到培養(yǎng)，必須與其他先修課程形成一個(gè)完整的課程體系。在充分論證基礎(chǔ)上，依托產(chǎn)業(yè)界專家，對(duì)課程進(jìn)行改造，從人才培養(yǎng)方案中挑選若干實(shí)踐課程，建立從Cornerstone（基石）課程到Capstone課程的一整套從低年級(jí)到高年級(jí)遞進(jìn)式整合性實(shí)作課程體系（見圖1）。

Capstone課程體系的第一層是Cornerstone課程，即基石課程，面向大學(xué)一二年級(jí)學(xué)生開設(shè)，對(duì)土木工程專業(yè)學(xué)生有數(shù)學(xué)建模競(jìng)賽、CAD制圖、計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)等基礎(chǔ)類設(shè)計(jì)競(jìng)賽，這是學(xué)生利用已掌握的少數(shù)核心能力解決模擬工程問題的初步體驗(yàn)。

第二層次是銜接課程，針對(duì)大學(xué)二三年級(jí)學(xué)生開設(shè)。包括土力學(xué)與基礎(chǔ)工程課程設(shè)計(jì)、混凝土結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì)、施工組織設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)、深基坑與邊坡工程課程設(shè)計(jì)、隧道工程課程設(shè)計(jì)、鋼結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì)等單科設(shè)計(jì)類課程，以及每年一度的省級(jí)、國家級(jí)大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽和建筑信息模型（BIM）設(shè)計(jì)大賽。第二層次的課程為大二和大三學(xué)生提供了整合一部分專業(yè)核心能力解決教師設(shè)計(jì)出的工程問題的機(jī)會(huì)，是Capstone課程與Cornerstone課程的銜接橋梁。這些課程中的專業(yè)課程設(shè)計(jì)常常是個(gè)人完成課程計(jì)劃，而結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽、BIM設(shè)計(jì)大賽則是小組合作完成，旨在使學(xué)生團(tuán)隊(duì)合作能力得到初步訓(xùn)練。

第三層次是Capstone課程，武夷學(xué)院土木工程專業(yè)稱為土木工程設(shè)計(jì)實(shí)務(wù)課程，針對(duì)大學(xué)四年級(jí)學(xué)生開設(shè)。表1是Capstone課程綱要。從表1可以看出，Capstone課程教學(xué)以解決復(fù)雜且整合性工程問題為主要教學(xué)過程，涵蓋土木工程專業(yè)全部核心能力的訓(xùn)練，通過Capstone課程教學(xué)，使學(xué)生專業(yè)核心能力得到進(jìn)一步鞏固。

二、Capstone課程教學(xué)初探

（一） 按照國際工程教育認(rèn)證規(guī)范要求，改造“畢業(yè)設(shè)計(jì)”為Capstone課程

在中國高等教育設(shè)置Capstone課程有兩條可能的路徑：一是在課程設(shè)置中直接增加Capstone課程，強(qiáng)化學(xué)生的知識(shí)整合和階段過渡。但是這要增加總學(xué)分，增加學(xué)生負(fù)擔(dān)。二是對(duì)本科教育中傳統(tǒng)的畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）、核心專業(yè)課程的課程設(shè)計(jì)等進(jìn)行改造，達(dá)到Capstone課程標(biāo)準(zhǔn)。

武夷學(xué)院土木工程專業(yè)課程規(guī)劃中包括整合工程設(shè)計(jì)能力的專題實(shí)作課程，即Capstone課程，是通過對(duì)原有畢業(yè)設(shè)計(jì)課程的改造實(shí)現(xiàn)的。該課程為必修課程，6個(gè)學(xué)分，分別在大學(xué)四年級(jí)的第一學(xué)期和第二學(xué)期開設(shè)，其中第一學(xué)期5學(xué)分，第二學(xué)期1學(xué)分，合計(jì)6學(xué)分。因大四第二學(xué)期中途安排畢業(yè)實(shí)習(xí)，所以Capstone課程是結(jié)合畢業(yè)實(shí)習(xí)一起進(jìn)行的。

按照國際工程教育認(rèn)證規(guī)范要求，對(duì)原有畢業(yè)設(shè)計(jì)課程進(jìn)行系統(tǒng)改造，以達(dá)到Capstone課程標(biāo)準(zhǔn)，具體做法是：

第一，土木工程專業(yè)的畢業(yè)設(shè)計(jì)采取分組進(jìn)行，每組學(xué)生一般為3人，最多不超過4人，學(xué)生根據(jù)學(xué)習(xí)興趣自由組隊(duì)。每組完成一個(gè)工程設(shè)計(jì)實(shí)務(wù)課題，課題類型圍繞專業(yè)方向設(shè)置，一般有房屋建筑工程設(shè)計(jì)、巖土工程設(shè)計(jì)、道路橋梁工程設(shè)計(jì)等。設(shè)計(jì)過程中強(qiáng)調(diào)組內(nèi)學(xué)生的團(tuán)結(jié)協(xié)作，提倡跨小組的合作。工程設(shè)計(jì)題目主要來自于生產(chǎn)實(shí)踐。

第二，為涵蓋大部分土木工程專業(yè)人才培養(yǎng)方案中的專業(yè)核心能力訓(xùn)練，擴(kuò)展Capstone課程內(nèi)容，Capstone課程主要內(nèi)容有：制定工作計(jì)劃、深入實(shí)際調(diào)查研究和收集資料、中外文獻(xiàn)閱讀、現(xiàn)場(chǎng)勘查、勘探與取樣、建筑設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算、施工圖設(shè)計(jì)、施工組織設(shè)計(jì)、工程概預(yù)算、工程環(huán)境影響與倫理分析等。

第三，改造課程成績(jī)?cè)u(píng)量機(jī)制。為避免出現(xiàn)不同指導(dǎo)教師對(duì)課程成績(jī)?cè)u(píng)定的偏差，規(guī)定Capstone課程的成績(jī)由三個(gè)部分組成，分別是指導(dǎo)教師評(píng)量成績(jī)（占總分的50%）、兩位評(píng)閱教師對(duì)Capstone課程報(bào)告書的評(píng)閱成績(jī)（取平均分，占總分的20%）和Capstone課程匯報(bào)答辯成績(jī)（由答辯小組依據(jù)匯報(bào)答辯情況評(píng)定，占總分的30%）。

第四，為每一個(gè)課題小組安排一名

業(yè)界專家，參與課題指導(dǎo)和成績(jī)?cè)u(píng)定。業(yè)界專家參與Capstone課程教學(xué)的優(yōu)點(diǎn)是：一是為課題直接來源于工程實(shí)踐提供便捷途徑，業(yè)界專家承擔(dān)的工程項(xiàng)目就是最好的Capstone課題；二是為學(xué)生與產(chǎn)業(yè)界零距離接觸提供機(jī)會(huì)，學(xué)生可以通過實(shí)習(xí)直接參與業(yè)界專家的工程項(xiàng)目；三是提高了Capstone課程成績(jī)?cè)u(píng)定結(jié)果與業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的一致性程度。

（二）創(chuàng)新Capstone課程開課模式

國內(nèi)土木工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)教學(xué)形式基本上是教師出題，每個(gè)學(xué)生在教學(xué)計(jì)劃規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成設(shè)計(jì)，一人一題。這種開課模式存在的主要問題：一是假題很多，大部分的設(shè)計(jì)題目都是教師虛構(gòu)的，如某某賓館設(shè)計(jì)、某某中學(xué)教學(xué)樓設(shè)計(jì)，每年的題目基本一樣。二是學(xué)生做也是假做，雖然按照一些行業(yè)規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)，但是無論是房屋建筑工程、巖土工程還是道路橋梁工程的設(shè)計(jì)，都僅僅涉及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)或施工組織設(shè)計(jì)等很少的一部分內(nèi)容，與實(shí)際工程設(shè)計(jì)要求相差甚遠(yuǎn)，解決的問題不能算是整合性復(fù)雜的工程設(shè)計(jì)問題，課題涵蓋核心能力少，學(xué)生不能得到系統(tǒng)的土木工程設(shè)計(jì)訓(xùn)練。三是一人一題，不能通過畢業(yè)設(shè)計(jì)教學(xué)過程為學(xué)生提供團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力訓(xùn)練，不符合國際工程教育認(rèn)證規(guī)范要求，而且要在有限時(shí)間內(nèi)完成一個(gè)完整的工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)，顯然是不切實(shí)際的，只是對(duì)畢業(yè)設(shè)計(jì)的一再簡(jiǎn)化，教學(xué)效果不理想。

以業(yè)界專家正在承擔(dān)的實(shí)際工程項(xiàng)目作為Capstone課題，這種真題訓(xùn)練是提高畢業(yè)設(shè)計(jì)效果、鍛煉學(xué)生專業(yè)核心能力的最好途徑。真題還需要真做，以一個(gè)實(shí)際的邊坡防護(hù)工程設(shè)計(jì)為例，課題任務(wù)應(yīng)當(dāng)包括現(xiàn)場(chǎng)勘查、勘探與取樣、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試、室內(nèi)測(cè)試、防護(hù)工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工圖設(shè)計(jì)、施工組織設(shè)計(jì)、工程概預(yù)算、工程環(huán)境影響評(píng)價(jià)與工程倫理分析等。雖然任務(wù)較多，因?yàn)槭切〗M合作完成，學(xué)生個(gè)人的負(fù)擔(dān)會(huì)減輕很多。

課題指導(dǎo)應(yīng)分階段進(jìn)行，在不同階段，針對(duì)課題任務(wù)的重點(diǎn)不同，有針對(duì)性地開展設(shè)計(jì)指導(dǎo)。注重引入業(yè)界專家擔(dān)任課題指導(dǎo)教師，圍繞工程設(shè)計(jì)中的一些關(guān)鍵實(shí)務(wù)技術(shù)，開設(shè)專題講座，提供體驗(yàn)產(chǎn)業(yè)界的機(jī)會(huì)，向?qū)W生傳授業(yè)界流行的設(shè)計(jì)理念與方法，使課題設(shè)計(jì)成果更加符合業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)，而不至于“院校味”太濃厚，脫離實(shí)際。

（三）探索Capstone課程教學(xué)成效檢視辦法

準(zhǔn)確評(píng)估Capstone課程教學(xué)效果是十分重要的，有助于課程教學(xué)效果的持續(xù)改善。依照課題分組、分階段進(jìn)行的Capstone課程教學(xué)，與一般基礎(chǔ)課、專業(yè)課的教學(xué)模式存在明顯不同，Capstone課程教學(xué)效果評(píng)價(jià)也不能僅僅依靠課程成績(jī)來完成。問卷調(diào)查方法是一個(gè)很好的補(bǔ)充。

Capstone課程教學(xué)目的之一是培養(yǎng)學(xué)生專業(yè)核心能力。為檢視學(xué)生專業(yè)核心能力的培養(yǎng)效果，設(shè)置學(xué)生專業(yè)核心能力問卷調(diào)查表（見表2），針對(duì)每一項(xiàng)專業(yè)核心能力對(duì)學(xué)生進(jìn)行調(diào)研，按照非常滿意、滿意、一般、不滿意、非常不滿意5個(gè)等級(jí)打分。通過該表的統(tǒng)計(jì)分析，得到學(xué)生核心能力的達(dá)成度，檢視Capstone課程教學(xué)效果。

團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力是Capstone課程教學(xué)效果的重要保障，也是國際工程教育認(rèn)證專家十分重視的觀察點(diǎn)。Capstone課程教學(xué)的溝通主要有課題組學(xué)生之間的溝通、學(xué)生與指導(dǎo)教師之間的溝通、學(xué)生現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研過程中與業(yè)界之間的溝通等。溝通能力在很大程度上影響到Capstone課程的執(zhí)行效果，必須十分重視學(xué)生溝通能力的培養(yǎng)?？梢栽O(shè)計(jì)Capstone課程執(zhí)行中學(xué)生團(tuán)隊(duì)協(xié)作問卷調(diào)查表（見表3）。該表由課題指導(dǎo)教師完成，針對(duì)每一位學(xué)生在課題執(zhí)行中的團(tuán)隊(duì)協(xié)作表現(xiàn)，按照非常滿意、滿意、一般、不滿意、非常不滿意5個(gè)等級(jí)打分。通過該表的統(tǒng)計(jì)分析，可以得到學(xué)生在Capstone課程教學(xué)過程中團(tuán)隊(duì)合作能力情況。

三、結(jié)語

與土木工程專業(yè)以往的畢業(yè)設(shè)計(jì)相比較，Capstone課程在開課形式上要求學(xué)生按照小組進(jìn)行，分組教學(xué)，為學(xué)生提供團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力訓(xùn)練的機(jī)會(huì)。強(qiáng)調(diào)業(yè)界專家參與教學(xué)實(shí)踐，確保課程教學(xué)與產(chǎn)業(yè)界零距離接觸。課程內(nèi)容要涵蓋絕大部分土木工程專業(yè)核心能力的訓(xùn)練，不能簡(jiǎn)化課題任務(wù)。

Capstone課程作為大學(xué)四年的總體課程，在工程教育中具有重要地位。如何使課程體系、課程教學(xué)模式、課程評(píng)量方法、課程教學(xué)效果評(píng)估等更加符合國際工程教育認(rèn)證的一般規(guī)范要求，國內(nèi)應(yīng)用型本科高校土木工程專業(yè)還面臨許多問題需要深入探索。

要積極開展Capstone課程體系的教育學(xué)理論研究，利用高等教育基本原理與高等教育歷史分析方法，論證Capstone課程體系在土木工程專業(yè)人才培養(yǎng)中的必要性和重要意義，建立Capstone課程體系教育理論，指導(dǎo)Capstone課程體系的創(chuàng)新教育實(shí)踐。

根據(jù)服務(wù)地方產(chǎn)業(yè)發(fā)展需要，在不斷調(diào)整人才培養(yǎng)方案的基礎(chǔ)上，建立符合人才培養(yǎng)質(zhì)量要求，貫穿整個(gè)大學(xué)四年教育的Capstone課程體系。配套開展Capstone課程教學(xué)模式改革，改進(jìn)課程評(píng)價(jià)機(jī)制，提高課程教學(xué)效果。

業(yè)界專家的積極參與教學(xué)實(shí)踐是Capstone課程教學(xué)的關(guān)鍵，沒有業(yè)界專家的參與，Capstone課程不可能很好地實(shí)現(xiàn)與產(chǎn)業(yè)界零距離的接觸。要確保課題任務(wù)來自于產(chǎn)業(yè)實(shí)踐，課題解決辦法符合業(yè)界規(guī)范，課程教學(xué)效果的評(píng)估與國際工程教育要求保持一致。

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