CDIO工程教育模式下的《工程結(jié)構(gòu)》課程教學(xué)改革*

李京軍 牛建剛

（內(nèi)蒙古科技大學(xué)土木工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010）

《工程結(jié)構(gòu)》課程是工程管理專業(yè)和工程造價(jià)專業(yè)的學(xué)科基礎(chǔ)與專業(yè)必修課程之一，培養(yǎng)學(xué)生直接用于房屋建造、工程管理、工程造價(jià)、工程監(jiān)理、建筑設(shè)計(jì)等崗位工作中所必需的結(jié)構(gòu)分析能力，掌握房屋結(jié)構(gòu)構(gòu)件的基本計(jì)算原理和初步設(shè)計(jì)方法，是理論性及工程實(shí)踐性較強(qiáng)的一門土木工程專業(yè)課程。但在實(shí)際授課及教學(xué)過(guò)程中，授課教師往往只重視對(duì)理論知識(shí)的講解，而忽視工程實(shí)踐環(huán)節(jié)[1]。CDIO工程教育理念為《工程結(jié)構(gòu)》課程實(shí)現(xiàn)兼顧理論性及工程實(shí)踐性為目標(biāo)的教改模式提供了新的思路。CDIO工程教育理念是由美國(guó)麻省理工麻省理工學(xué)院和瑞典的幾所高校于20世紀(jì)90年代末發(fā)起，以培養(yǎng)國(guó)際化工程師為目標(biāo)，并重理論知識(shí)的掌握與工程實(shí)踐運(yùn)用，能夠有效解決理論知識(shí)與實(shí)踐技能學(xué)習(xí)之間的失衡問(wèn)題，是構(gòu)思(Conceive)、設(shè)計(jì)(Design)、實(shí)現(xiàn)(Implement)、運(yùn)行(Operate)英文單詞首字母的縮寫。我國(guó)于2005引入該工程教育理念，其經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，已對(duì)我國(guó)工程教育的各個(gè)方面產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響[2]，并初步完成從引進(jìn)模仿到本土化、特色化的轉(zhuǎn)變[3]。CDIO工程教育理念被廣泛應(yīng)用于具體課程中的教學(xué)設(shè)計(jì)改革，并被證實(shí)該教育理論在課程中的運(yùn)用能夠增加課堂靈活性，可以培養(yǎng)學(xué)生主動(dòng)思考的能力和解決工程中的實(shí)際問(wèn)題的能力，這對(duì)于工程人才的培養(yǎng)大有裨益[4,5]。

1 《工程結(jié)構(gòu)》課程教學(xué)現(xiàn)狀

《工程結(jié)構(gòu)》課程以建筑力學(xué)、結(jié)構(gòu)制圖及建筑工程材料等先修課程為基礎(chǔ)，內(nèi)容涵蓋混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)、砌體結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)抗震等這幾門專業(yè)課程的核心要點(diǎn)，課程內(nèi)容理論性和實(shí)踐性較強(qiáng)，特別強(qiáng)調(diào)對(duì)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際理念的培養(yǎng)[6]。

1.1 課程體系建設(shè)

對(duì)部分高校來(lái)說(shuō)，工程管理及工程造價(jià)專業(yè)課程及教學(xué)體系因開(kāi)課或辦學(xué)年限較短，教學(xué)經(jīng)驗(yàn)欠缺，不能根據(jù)專業(yè)培養(yǎng)要求內(nèi)容統(tǒng)籌計(jì)劃與安排，教學(xué)方法有待進(jìn)一步完善[7]。此外，部分高校力學(xué)基礎(chǔ)課與該門課同步開(kāi)設(shè)，學(xué)生力學(xué)知識(shí)儲(chǔ)備匱乏，對(duì)該課程中的結(jié)構(gòu)概念模糊不清。

1.2 課程教學(xué)及學(xué)習(xí)觀念

各院校對(duì)工程管理及工程造價(jià)的專業(yè)定位和課程設(shè)置存在差異，劃歸學(xué)科不同，部分院校將其歸類到經(jīng)濟(jì)或管理學(xué)科?！豆こ探Y(jié)構(gòu)》課程教學(xué)內(nèi)容多、課時(shí)少，再加上部分授課教師對(duì)實(shí)際工程問(wèn)題理解不到位，對(duì)課程教學(xué)內(nèi)容盲目刪減，導(dǎo)致學(xué)生在思想上對(duì)該課程的重要性缺少認(rèn)知。

《工程結(jié)構(gòu)》課程邏輯性強(qiáng)，知識(shí)體系抽象，掛科率較高。部分首次接觸該門專業(yè)課的學(xué)生，在還沒(méi)開(kāi)始進(jìn)行深入學(xué)習(xí)時(shí)，就已形成“課程難，易掛科”的觀念，甚至從思想上直接放棄。除此之外，部分高校工程管理及工程造價(jià)專業(yè)文、理科兼招，許多文科生數(shù)學(xué)及力學(xué)基礎(chǔ)薄弱，且由于已對(duì)該課程的學(xué)習(xí)產(chǎn)生畏難情緒，這更加劇了師生之間的教學(xué)矛盾。

1.3 理論知識(shí)儲(chǔ)備

筆者通過(guò)近幾年的授課發(fā)現(xiàn)，工程管理及工程造價(jià)學(xué)生普遍對(duì)力學(xué)知識(shí)掌握不全面，導(dǎo)致學(xué)生對(duì)《工程結(jié)構(gòu)》課程中涉及的力學(xué)問(wèn)題力不從心。此外，近幾年相關(guān)規(guī)范進(jìn)行了修正，而《工程結(jié)構(gòu)》教學(xué)資源更新滯后。每個(gè)學(xué)校的專業(yè)定位、教學(xué)水準(zhǔn)、側(cè)重點(diǎn)不同，任課教師往往依據(jù)自己的理解側(cè)重混凝土結(jié)構(gòu)和砌體結(jié)構(gòu)的講授，而對(duì)鋼結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)抗震內(nèi)容講授較淺，導(dǎo)致學(xué)生所學(xué)知識(shí)體系不完整。

1.4 實(shí)踐教學(xué)

縱觀全國(guó)各高校來(lái)說(shuō)，對(duì)于實(shí)踐教學(xué)方面的實(shí)行程度參差不齊，部分高校甚至并未設(shè)置與課程相關(guān)的課程設(shè)計(jì)，也沒(méi)有其他形式的實(shí)踐實(shí)習(xí)環(huán)節(jié)。這就使得學(xué)生難以將抽象且復(fù)雜的課本知識(shí)與理論實(shí)踐相結(jié)合。

2 基于CDIO工程理念的《工程結(jié)構(gòu)》課程教學(xué)改革

2.1 教學(xué)目標(biāo)設(shè)置

針對(duì)《工程結(jié)構(gòu)》課程設(shè)置5個(gè)教學(xué)目標(biāo)。教學(xué)目標(biāo)1：掌握工程結(jié)構(gòu)的基本計(jì)算原理和工程結(jié)構(gòu)材料的力學(xué)性能，在實(shí)際工程中所遇到的各種問(wèn)題，能夠使用在學(xué)校所學(xué)的知識(shí)去進(jìn)行獨(dú)立解決。教學(xué)目標(biāo)2：掌握鋼筋混凝土受彎、受剪、受扭、受壓和受拉構(gòu)件承載力計(jì)算方法，能夠運(yùn)用結(jié)構(gòu)原理等理論知識(shí)分析工程問(wèn)題。教學(xué)目標(biāo)3：掌握鋼筋混凝土樓蓋結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法以及樓蓋的配筋構(gòu)造，能夠?qū)ν聊竟こ痰膹?fù)雜問(wèn)題進(jìn)行識(shí)別和分析，解決復(fù)雜工程管理方面的問(wèn)題。教學(xué)目標(biāo)4：了解砌體結(jié)構(gòu)的基本概念以及構(gòu)造措施，理解預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的概念、分類、施工方法、預(yù)應(yīng)力損失等，能夠運(yùn)用力學(xué)和結(jié)構(gòu)原理等基本理論分析工程中的一般性結(jié)構(gòu)問(wèn)題。教學(xué)目標(biāo)5：理解工程結(jié)構(gòu)的整體設(shè)計(jì)思想，了解單層工業(yè)廠房結(jié)構(gòu)、空間結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)抗震、裝配式結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思想，能夠創(chuàng)新設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)模型，對(duì)模型實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行分析總結(jié)，提煉出工程結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)思路。

2.2 教學(xué)內(nèi)容改革

《工程結(jié)構(gòu)》課程教學(xué)內(nèi)容繁雜，課程中涉及的力學(xué)概念及力學(xué)公式多。因此，在授課過(guò)程中優(yōu)化課程內(nèi)容的主次尤為重要。在授課過(guò)程中首先要抓住課程主要內(nèi)容，同時(shí)應(yīng)梳理知識(shí)主線，如砌體結(jié)構(gòu)的主要內(nèi)容是砌體和砂漿強(qiáng)度承載力驗(yàn)算；鋼結(jié)構(gòu)主要是鋼構(gòu)件的連接以及穩(wěn)定性分析；結(jié)構(gòu)抗震主要是抗震設(shè)防目標(biāo)和抗震措施。再通過(guò)典型構(gòu)件的受力狀態(tài)進(jìn)行理論闡述、例題分析、工程實(shí)例展示，這樣學(xué)生更容易接受和理順知識(shí)點(diǎn)，增強(qiáng)實(shí)踐技能。

2.3 實(shí)踐內(nèi)容創(chuàng)新

以框架結(jié)構(gòu)振動(dòng)臺(tái)加載試驗(yàn)為例進(jìn)行實(shí)踐內(nèi)容創(chuàng)新。課程教學(xué)實(shí)施流程及課程任務(wù)形式及要求分別見(jiàn)圖1、圖2。

圖1 教學(xué)實(shí)施流程

圖2 課程任務(wù)形式及要求

按照?qǐng)D1所示教學(xué)實(shí)施流程，將學(xué)生制作的框架模型在模擬振動(dòng)臺(tái)加載，通過(guò)改變地震波輸入、裁剪桿件等步驟，讓學(xué)生身臨其境地感受地震發(fā)生時(shí)結(jié)構(gòu)的受力表現(xiàn)。實(shí)踐后的總結(jié)分析和匯報(bào)研討，使學(xué)生掌握了結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的思想與方法，理解了桿件逐步失效后結(jié)構(gòu)受力機(jī)制的變化，記住了抗震控制指標(biāo)和相應(yīng)構(gòu)造措施，從實(shí)踐中獲得抗震設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。通過(guò)讓學(xué)生進(jìn)行設(shè)計(jì)體驗(yàn)分享，教師逐一點(diǎn)評(píng)，結(jié)合加載實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象講解工程結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)思想，使學(xué)生掌握的抗震設(shè)計(jì)思想更加系統(tǒng)化、專業(yè)化。該實(shí)踐內(nèi)容創(chuàng)新的思路能夠激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、鍛煉學(xué)生動(dòng)手能力，加強(qiáng)協(xié)作能力，與CDIO工程教育理念契合。

2.4 教學(xué)方法改革

針對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)模式下學(xué)生對(duì)課程興趣度不高和學(xué)習(xí)主動(dòng)性不強(qiáng)的情況，提出“激發(fā)潛能，自主學(xué)習(xí)；內(nèi)外結(jié)合，全面提升”的教學(xué)理念，并圍繞課外教學(xué)平臺(tái)建設(shè)、課堂教學(xué)模式創(chuàng)新及形成性考核體系建立等方面進(jìn)行課程建設(shè)與改革，具體建設(shè)內(nèi)容及改革成效如下：

a.開(kāi)發(fā)課外教學(xué)平臺(tái)，督促學(xué)生做好課下自主學(xué)習(xí)

多途徑創(chuàng)造學(xué)生自主學(xué)習(xí)平臺(tái)，將課程視頻、實(shí)驗(yàn)錄像、互動(dòng)式仿真動(dòng)畫(huà)、工程結(jié)構(gòu)圖片、課件、習(xí)題庫(kù)等大量輔助教學(xué)資源上傳到課程教學(xué)網(wǎng)站上，為學(xué)生提供了一個(gè)開(kāi)放式學(xué)習(xí)環(huán)境，通過(guò)督促學(xué)生做好課下學(xué)習(xí)工作，使學(xué)生的主動(dòng)學(xué)習(xí)能力加強(qiáng)。引進(jìn)了裝配式建筑虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和抗震虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，讓學(xué)生通過(guò)實(shí)訓(xùn)來(lái)接觸前沿的科研實(shí)驗(yàn)。教學(xué)過(guò)程中不斷補(bǔ)充新東西，收集課程知識(shí)兩萬(wàn)多條并形成微信知識(shí)庫(kù)，擴(kuò)充了專業(yè)信息量。創(chuàng)建了微信公眾號(hào)，設(shè)置知識(shí)問(wèn)答、作業(yè)展示、課程活動(dòng)三個(gè)板塊，使師生的課程互動(dòng)變得更加便捷。

b.精心設(shè)計(jì)教學(xué)效果，提升教學(xué)效果

①深挖課前工作，開(kāi)課前實(shí)施“我身邊的工程結(jié)構(gòu)”活動(dòng)，使學(xué)生提前進(jìn)入課程情境。調(diào)整課程內(nèi)容，革除部分偏、難理論介紹，使新的課程架構(gòu)更具有通用性，更有利于學(xué)生專業(yè)基礎(chǔ)的拓寬和綜合素質(zhì)的提高。

②課堂授課過(guò)程中，實(shí)行按位置簽到制，節(jié)約了課堂教學(xué)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的管理，學(xué)習(xí)風(fēng)氣得以加強(qiáng)。精心策劃和實(shí)施教學(xué)過(guò)程，使課程重點(diǎn)和難點(diǎn)相互銜接、自然過(guò)渡，使講授的知識(shí)內(nèi)容順序與人腦生理健康的興奮節(jié)奏相吻合。

③采用問(wèn)題導(dǎo)向法授課，將教學(xué)內(nèi)容提煉為問(wèn)題，讓學(xué)生帶著問(wèn)題去思考和學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)和思考的好習(xí)慣。通過(guò)一課一布置的方式，提高大家對(duì)知識(shí)模塊的總結(jié)能力，使學(xué)生在查閱資料和課外習(xí)題演練過(guò)程中對(duì)所學(xué)內(nèi)容有了全新的認(rèn)識(shí)。實(shí)施探究式教育，如開(kāi)展“風(fēng)對(duì)結(jié)構(gòu)的影響”專題研討，要求學(xué)生查閱文獻(xiàn)后用PPT匯報(bào)，使學(xué)生在對(duì)土木工程抗風(fēng)設(shè)計(jì)的深入思考中，加深對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論的理解。

④為培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)，通過(guò)模型制作的方法，針對(duì)空間結(jié)構(gòu)開(kāi)展了學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)。學(xué)生利用分散的壓桿和連續(xù)的拉繩設(shè)計(jì)出張拉集成“索穹頂”結(jié)構(gòu)，以拉繩施加預(yù)應(yīng)力使體系成型。在制作過(guò)程中，學(xué)生對(duì)預(yù)應(yīng)力張拉過(guò)程中的各種損失有了深刻體會(huì)，對(duì)后續(xù)理論課程的學(xué)習(xí)大有益處。

⑤采用體驗(yàn)式互動(dòng)教學(xué)法，將學(xué)生制作的框架模型在模擬振動(dòng)臺(tái)加載，通過(guò)改變地震波輸入、裁剪桿件等步驟，讓學(xué)生身臨其境地感受地震發(fā)生時(shí)結(jié)構(gòu)的受力表現(xiàn)。實(shí)踐后的總結(jié)分析和匯報(bào)研討，使學(xué)生掌握了結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的思想與方法，理解了桿件逐步失效后結(jié)構(gòu)受力機(jī)制的變化，記住了抗震控制指標(biāo)和相應(yīng)構(gòu)造措施。而編寫設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)、經(jīng)驗(yàn)總結(jié)、答辯研討等一系列任務(wù)，使學(xué)生的學(xué)、研、算、講、辯等多方面的能力得以提升。

c.加強(qiáng)過(guò)程管理，構(gòu)建形成性課程考核體系

課程考核手段是滯后同樣是難以帶動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情的主要因素之一。與傳統(tǒng)課程考核方式類似，目前很多高校對(duì)于《工程結(jié)構(gòu)》課程的考核方式主要是卷面成績(jī)及平時(shí)學(xué)生出勤、作業(yè)兩方面構(gòu)成，缺乏實(shí)踐性內(nèi)容。鑒于考核手段滯后的問(wèn)題，筆試更多強(qiáng)調(diào)學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解和應(yīng)用，提出可以帶規(guī)范進(jìn)考場(chǎng)，卷面成績(jī)占總成績(jī)的60%，空間結(jié)構(gòu)創(chuàng)新模型占10%，抗震模型及總結(jié)匯報(bào)占20%，學(xué)生作業(yè)、研討、學(xué)習(xí)筆記和出勤等共占10%。

3 結(jié)語(yǔ)

CDIO教育理論注重實(shí)踐性，強(qiáng)調(diào)知識(shí)的理解與應(yīng)用。將該教育理念引入到《工程結(jié)構(gòu)》的課程教學(xué)中，可以改善該課程傳統(tǒng)教學(xué)中存在的部分問(wèn)題，能夠激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，鍛煉學(xué)生實(shí)踐能力，讓學(xué)生在工程實(shí)踐環(huán)境中學(xué)習(xí)。