基于項目式學(xué)習(xí)的工程結(jié)構(gòu)設(shè)計創(chuàng)新能力培養(yǎng)

黃 信,李長輝,吳 堃，陳 宇

（中國民航大學(xué)交通科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300300）

引言

土木工程專業(yè)旨在培養(yǎng)學(xué)生從事土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計、施工及運維管理的能力。課程體系設(shè)置包括基礎(chǔ)理論課、專業(yè)理論課、專業(yè)實踐課及專業(yè)選修課等課程，通過系統(tǒng)的理論知識學(xué)習(xí)以及工程實踐，使學(xué)生掌握工程結(jié)構(gòu)設(shè)計知識理論。開展課程建設(shè)及課程群建設(shè)，對理論課程及實踐課程的教學(xué)方法、教學(xué)內(nèi)容及教學(xué)手段進(jìn)行改革，可有效提升課程教學(xué)水平。陳朝輝等為提高力學(xué)課程的教學(xué)效果，提出了遞進(jìn)式復(fù)合型人才培養(yǎng)模式，包括教師引導(dǎo)、自主學(xué)習(xí)、研討探究、綜合分析和創(chuàng)新研究等環(huán)節(jié)。田美靈等通過微信開發(fā)了房屋建筑學(xué)的教學(xué)助手系統(tǒng)，對教學(xué)資源、教學(xué)考核等進(jìn)行了模式創(chuàng)新，提高了課程的教學(xué)效果。黃信等提出了以項目全過程設(shè)計為主線，以工程規(guī)范和注冊執(zhí)業(yè)資質(zhì)講解為補(bǔ)充的課堂教學(xué)新思路，提高了課程教學(xué)的實踐性和工程能力。劉小燕等開展了結(jié)構(gòu)設(shè)計課程群建設(shè)，對課程群中的課程定位進(jìn)行了分析，同時介紹了課程群建設(shè)成果。劉文斌等以小班教學(xué)為特色，提出了通識課程群建設(shè)的規(guī)劃、管理及平臺保障機(jī)制，探討了師資隊伍建設(shè)，通過學(xué)生反饋調(diào)查，分析了課程群建設(shè)效果。

基于課程和課程群建設(shè)有效提高了專業(yè)人才的培養(yǎng)質(zhì)量。土木工程專業(yè)具有較強(qiáng)的實踐性，由于課程學(xué)時及工程實踐環(huán)境等因素的限制，學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的創(chuàng)新能力仍有待提高。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計創(chuàng)新能力培養(yǎng)要求

工程結(jié)構(gòu)設(shè)計創(chuàng)新能力是培養(yǎng)學(xué)生具備結(jié)構(gòu)設(shè)計能力，并能夠有效結(jié)合工程特點，提出適合于工程結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計方案，同時對結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化分析，提高結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性和創(chuàng)新性。

為適應(yīng)我國高質(zhì)量人才培養(yǎng)的需要，從服務(wù)國家戰(zhàn)略、滿足產(chǎn)業(yè)需求和面向未來發(fā)展的高度，新工科建設(shè)對人才培養(yǎng)提出了高要求，重視學(xué)生創(chuàng)新實踐能力的培養(yǎng)。人才培養(yǎng)應(yīng)具備專業(yè)扎實的理論基礎(chǔ)，同時應(yīng)具備運用新知識、新技術(shù)解決復(fù)雜工程問題的創(chuàng)新能力。王巖等通過對比國外四所著名高校的土木建設(shè)法規(guī)類課程情況，結(jié)合新工科建設(shè)對課程教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容等方面提出了建設(shè)思路和方向。趙紅霞等基于新工科視角，提出了開放式實踐育人理念，通過建設(shè)實驗平臺及實踐基地，以提高工程科學(xué)應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力。

工程教育認(rèn)證評估是衡量專業(yè)辦學(xué)水平的重要標(biāo)準(zhǔn)，工程教育包括以學(xué)生為中心、以成果為導(dǎo)向，以及持續(xù)改進(jìn)三大理念，通過建設(shè)課程體系，評價畢業(yè)要求達(dá)成度。專業(yè)認(rèn)證要求對專業(yè)進(jìn)修持續(xù)改進(jìn)，根據(jù)專業(yè)教學(xué)效果和畢業(yè)生的能力反饋，不斷優(yōu)化專業(yè)培養(yǎng)方案，提高專業(yè)育人水平。張麗芳等闡述了畢業(yè)要求達(dá)成度與課程達(dá)成度的邏輯關(guān)系，采用問卷調(diào)查法等對畢業(yè)要求達(dá)成度進(jìn)行了評價。王達(dá)詮等基于專業(yè)認(rèn)證的創(chuàng)新人才培養(yǎng)目標(biāo)，從學(xué)習(xí)者的建構(gòu)主義認(rèn)知發(fā)展規(guī)律出發(fā)，逆向設(shè)計了結(jié)構(gòu)力學(xué)課程的混合教學(xué)模型。

由上可知，提高學(xué)生工程結(jié)構(gòu)設(shè)計創(chuàng)新能力是支撐新工科建設(shè)和專業(yè)認(rèn)證評估的有效途徑，是培養(yǎng)高質(zhì)量人才的必然要求。

2 項目式學(xué)習(xí)的創(chuàng)新能力培養(yǎng)

項目式學(xué)習(xí)是通過開展項目方案設(shè)計、項目實施及項目學(xué)習(xí)效果評價等環(huán)節(jié)，提高學(xué)生的工程創(chuàng)新能力。學(xué)科競賽是學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的有效途徑，是理論課程和實踐課程的有力補(bǔ)充。大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽是土木工程專業(yè)的重要學(xué)科競賽，通過給定結(jié)構(gòu)體系類型、結(jié)構(gòu)設(shè)計加載條件及尺寸約束條件，要求完成模型設(shè)計和模型制作，通過模型加載綜合評定學(xué)生的結(jié)構(gòu)設(shè)計能力。由于賽題結(jié)合工程實際，結(jié)構(gòu)設(shè)計方案創(chuàng)新空間大，所以該項競賽能夠有效提升學(xué)生工程設(shè)計創(chuàng)新能力。

結(jié)合大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽，采用項目式學(xué)習(xí)方法開展工程結(jié)構(gòu)設(shè)計創(chuàng)新能力培養(yǎng)，項目式學(xué)習(xí)的設(shè)計創(chuàng)新能力技術(shù)路線如圖1 所示。

圖1 項目式學(xué)習(xí)的設(shè)計創(chuàng)新能力培養(yǎng)技術(shù)路線

2.1 項目式學(xué)習(xí)方案設(shè)計

項目教學(xué)設(shè)計應(yīng)突出問題導(dǎo)向，結(jié)合結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽賽題開展項目教學(xué)任務(wù)書設(shè)計，任務(wù)書包括結(jié)構(gòu)設(shè)計的荷載、場地烈度、使用功能、結(jié)構(gòu)跨度和高度等限定條件。為激發(fā)學(xué)生的結(jié)構(gòu)設(shè)計創(chuàng)新能力，項目教學(xué)任務(wù)書中對結(jié)構(gòu)布置形式和構(gòu)件尺寸不做過多限制，允許學(xué)生在一定范圍內(nèi)開展自由設(shè)計。為引導(dǎo)學(xué)生加強(qiáng)對專業(yè)綜合知識的掌握，項目教學(xué)任務(wù)書設(shè)計應(yīng)突出對結(jié)構(gòu)力學(xué)分析、計算軟件應(yīng)用、結(jié)構(gòu)方案設(shè)計等多課程知識的綜合運用。

項目方案設(shè)計中重視學(xué)生的動手能力，鍛煉學(xué)生的結(jié)構(gòu)計算分析能力和模型制作能力。計算分析能力需要學(xué)生根據(jù)指定的項目設(shè)計條件開展結(jié)構(gòu)方案設(shè)計，利用結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件對結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析，確定結(jié)構(gòu)及構(gòu)件布置和具體尺寸。

任務(wù)書給出成果評價的評分標(biāo)準(zhǔn)和細(xì)則，考核內(nèi)容包括結(jié)構(gòu)計算分析、實物模型制作、模型加載效果及方案匯報。計算分析和模型制作及加載中重視學(xué)生對結(jié)構(gòu)方案設(shè)計的創(chuàng)新能力，項目成果綜合評定中通過提高創(chuàng)新方案的權(quán)重，以突出創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

2.2 項目式學(xué)習(xí)的實施

制定項目實施中學(xué)生的任務(wù)流程、進(jìn)度節(jié)點和管控要點。項目以小組為單位，每組3 至4 人，進(jìn)行自由組隊，團(tuán)隊實行組長負(fù)責(zé)制，鍛煉學(xué)生的團(tuán)隊協(xié)作精神。項目實施過程中主要依據(jù)項目任務(wù)書中結(jié)構(gòu)形式、結(jié)構(gòu)尺寸和加載方式，指導(dǎo)學(xué)生開展結(jié)構(gòu)計算分析、模型制作和方案匯報，重視對學(xué)生理論計算和方案設(shè)計能力的把關(guān)，每周組織討論會議，引導(dǎo)學(xué)生通過項目的實施，運用課本知識提出結(jié)構(gòu)設(shè)計的創(chuàng)新方案。

建立指導(dǎo)教師工作職責(zé)和管控要求，指導(dǎo)教師對項目任務(wù)書中的設(shè)計條件進(jìn)行解讀，但不參與具體的結(jié)構(gòu)方案設(shè)計，鼓勵學(xué)生綜合運用理論知識開展創(chuàng)新設(shè)計。指導(dǎo)教師為學(xué)生開展結(jié)構(gòu)分析提供必要的計算軟件支持，同時提供結(jié)構(gòu)模型制作的材料和工具。為管控項目實施過程，制定了項目執(zhí)行管控中學(xué)生階段性的成果要求，階段性成果包括結(jié)構(gòu)方案匯報、分析計算書及模型制作，指導(dǎo)教師對階段成果進(jìn)行點評，及時發(fā)現(xiàn)項目實施中出現(xiàn)的問題并給予指導(dǎo)解決。

2.3 項目式學(xué)習(xí)的評價

項目實施效果評價是對學(xué)生的過程性學(xué)習(xí)與最終成果進(jìn)行定量評價，并依據(jù)評價反饋結(jié)果對項目任務(wù)書設(shè)計內(nèi)容和項目執(zhí)行管控方法進(jìn)行調(diào)整，完成項目式學(xué)習(xí)方案的全方位評估和改進(jìn)，不斷提高學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計的綜合創(chuàng)新能力。

根據(jù)制定的項目評分標(biāo)準(zhǔn)和細(xì)則，結(jié)構(gòu)分析報告、模型制作及加載作為客觀評價內(nèi)容，占總體評價的比重為80%，同時綜合評價包括項目匯報、團(tuán)隊協(xié)作、方案創(chuàng)新能力以及對課程知識綜合運用能力等主觀評價，占總體評價的比重為20%，主觀評價取多位指導(dǎo)教師評價結(jié)果的平均值，從而建立項目式學(xué)習(xí)的多維度綜合評價方法。同時，指導(dǎo)教師對每組方案進(jìn)行點評，分析各組方案的優(yōu)缺點，突出不同課程知識在結(jié)構(gòu)設(shè)計中的作用，通過理論知識聯(lián)系實際，提高學(xué)生綜合運用課程知識的能力。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計創(chuàng)新能力培養(yǎng)舉措

為進(jìn)一步提高學(xué)生的結(jié)構(gòu)設(shè)計創(chuàng)新能力，通過項目式學(xué)習(xí)的實踐，對課程群、科教融合教學(xué)及硬件設(shè)施等方面建設(shè)提出建議。

3.1 課程群建設(shè)

課程群是通過對相關(guān)聯(lián)課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法等進(jìn)行整合，提高課程之間的融合和銜接。為有效提高學(xué)生的工程實踐創(chuàng)新能力，應(yīng)形成以主干課程為核心的課程群，課程群應(yīng)進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容的整合，提高教學(xué)內(nèi)容的銜接性，通過優(yōu)化課程群的教學(xué)內(nèi)容，有效解決課時和教學(xué)內(nèi)容的沖突。課程群建設(shè)應(yīng)以工程項目全過程設(shè)計為主線，突出課堂教學(xué)內(nèi)容對項目式學(xué)習(xí)的支撐作用。

3.2 科教融合教學(xué)

高校教師在從事教學(xué)過程中會開展科學(xué)研究工作，應(yīng)利用教師的科研方向拓寬學(xué)生的知識面，同時引入最新的研究成果以激發(fā)學(xué)生的興趣和專業(yè)認(rèn)同感。另外，應(yīng)結(jié)合教師的科研成果和方法，對項目式學(xué)習(xí)方案進(jìn)行優(yōu)化，在結(jié)構(gòu)設(shè)計方法和軟件分析中應(yīng)提倡運用先進(jìn)分析技術(shù)，同時提高學(xué)生對軟件的掌握能力。

3.3 硬件設(shè)施建設(shè)

為有效支撐學(xué)生工程創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，應(yīng)不斷提升專業(yè)辦學(xué)的硬件設(shè)施。為了實踐課程及項目式課程的有效開展和過程管控，應(yīng)設(shè)置專用的項目式課程教室，為項目團(tuán)隊提供必要學(xué)習(xí)空間。同時，為有效提高項目實施效果及考核，指導(dǎo)教師應(yīng)購置或自制模型加載設(shè)備，并提供模型的加載場地。

4 結(jié)論

新工科和專業(yè)認(rèn)證均對創(chuàng)新型人才培養(yǎng)提出了高要求，為提高工程結(jié)構(gòu)設(shè)計的創(chuàng)新能力，基于項目式學(xué)習(xí)方法開展了工程結(jié)構(gòu)設(shè)計創(chuàng)新能力培養(yǎng)實踐，介紹了項目式學(xué)習(xí)方案的設(shè)計、項目實施及管控，以及多維度綜合評價，同時針對課程群建設(shè)、科教融合教學(xué)及硬件設(shè)施方面提出了相應(yīng)的舉措。