新工科背景下鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)課程教學(xué)改革探索與實(shí)踐

高占遠(yuǎn)　陽芳　張輝東　姚姝

[摘 要]依據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB50017-2017）、教育部專業(yè)指導(dǎo)規(guī)范和新結(jié)構(gòu)新工藝等方面的要求，項(xiàng)目組對(duì)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行調(diào)整，采取模塊化教學(xué)，共分成抗震性能化分析模塊、專業(yè)規(guī)范模塊和新結(jié)構(gòu)新工藝模塊三大模塊，并增加BIM技術(shù)導(dǎo)學(xué)模塊，同時(shí)調(diào)整教學(xué)方法，增加研討課、翻轉(zhuǎn)課堂等。依據(jù)新的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法，給出充分考慮各方面因素的新成績(jī)?cè)u(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。教學(xué)實(shí)踐表明，新的教學(xué)體系和評(píng)價(jià)方法不僅讓學(xué)生更好地掌握以往教學(xué)中的知識(shí)，更培養(yǎng)了學(xué)生運(yùn)用鋼結(jié)構(gòu)專業(yè)知識(shí)和BIM技術(shù)解決問題的能力，為學(xué)生后續(xù)課程及就業(yè)等打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

[關(guān)鍵詞]鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);新工科;BIM;課程體系;評(píng)價(jià)體系

[中圖分類號(hào)] G642.0 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 2095-3437（2022）04-0083-03

隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”、5G、人工智能等的發(fā)展和進(jìn)步，我國傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)面臨轉(zhuǎn)型升級(jí)問題，為適應(yīng)這種變化，我國提出了新工科理念[1]。新工科的內(nèi)涵是以立德樹人為前提，以應(yīng)對(duì)變化、開創(chuàng)未來為建設(shè)理念，以繼承與創(chuàng)新、交叉與融合、協(xié)作與共贏為主要途徑，培養(yǎng)未來多元化、創(chuàng)新型工程人才[2]。土木工程作為傳統(tǒng)的工科專業(yè)必將適應(yīng)新工科的理念，培養(yǎng)適應(yīng)新時(shí)代的創(chuàng)新型工程人才。傳統(tǒng)的土木工程教育明顯存在重理論教育、輕實(shí)踐教育教學(xué)，學(xué)習(xí)內(nèi)容與工程實(shí)踐脫軌等諸多問題[3]。因此，如何實(shí)現(xiàn)理論學(xué)習(xí)、實(shí)踐教育和先進(jìn)技術(shù)的交叉融合是土木工程專業(yè)教育急需解決的問題。

鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是土木工程專業(yè)重要的專業(yè)核心課，課程教學(xué)目標(biāo)是使學(xué)生掌握常見的建筑鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，為學(xué)生今后從事鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)[4]。由于學(xué)生對(duì)這些結(jié)構(gòu)接觸較少，且課程內(nèi)容比較抽象，教學(xué)效果不是很理想。鋼結(jié)構(gòu)又是目前非?；钴S的結(jié)構(gòu)形式，新的結(jié)構(gòu)層出不窮，原本的教學(xué)內(nèi)容涉及較少[5-6]。這就造成了課程教學(xué)與工程實(shí)際的脫節(jié)。鋼結(jié)構(gòu)的知識(shí)更新比較快速，教學(xué)過程中很多新的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)不斷出現(xiàn)，需要在教學(xué)過程中體現(xiàn)新規(guī)范的內(nèi)容。

天津城建大學(xué)（以下簡(jiǎn)稱“我?！保┩聊竟こ虒I(yè)是國家一流本科專業(yè)、國家級(jí)特色專業(yè)、天津市“雙一流”學(xué)科、天津市重點(diǎn)學(xué)科。2018年通過建設(shè)部土木工程專業(yè)審核評(píng)估，在全國第四輪學(xué)科評(píng)估中取得了C+的成績(jī)。鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)課程作為土木工程專業(yè)一門重要的專業(yè)核心課，在土木工程本科培養(yǎng)計(jì)劃中有著舉足輕重的地位。提高本課程的教學(xué)質(zhì)量和水平，對(duì)我校土木工程專業(yè)建設(shè)有著重要的促進(jìn)作用，有利于我校土木工程專業(yè)實(shí)現(xiàn)更好的發(fā)展。

文章針對(duì)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)課程中存在的問題，結(jié)合本校實(shí)際，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)課程進(jìn)行教學(xué)改革和實(shí)踐;對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行調(diào)整，給出新的教學(xué)評(píng)價(jià)體系;對(duì)教學(xué)方法進(jìn)行調(diào)整，并通過教學(xué)實(shí)踐驗(yàn)證教學(xué)改革的效果。

一、教學(xué)內(nèi)容與評(píng)價(jià)體系

（一）教學(xué)內(nèi)容

鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)課程介紹的是常見結(jié)構(gòu)的概念、分類、特點(diǎn)及計(jì)算等內(nèi)容。因?yàn)楹芏嘟Y(jié)構(gòu)形式學(xué)生都未見過，除通過傳統(tǒng)的PPT圖片、視頻展示之外，也可通過三維動(dòng)畫的形式展示或進(jìn)行簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解和運(yùn)用。BIM（Building Information Modeling）技術(shù)是建筑信息模型，是對(duì)建筑數(shù)據(jù)化、信息化模型的整合，廣泛應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)、建筑、管理等各個(gè)建筑領(lǐng)域[7]。學(xué)生除BIM技術(shù)基礎(chǔ)課程外，很少有機(jī)會(huì)運(yùn)用BIM軟件，而BIM技術(shù)的廣泛應(yīng)用和新版鋼結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)的頒布實(shí)施，要求教學(xué)過程中必須培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用BIM技術(shù)分析鋼結(jié)構(gòu)工程問題的能力。因此，必須進(jìn)行教學(xué)改革和探索，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性、主動(dòng)性，提高學(xué)生分析問題、解決問題的能力和激發(fā)其創(chuàng)新探索精神。

鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)課程按教育部《高等學(xué)校土木工程本科指導(dǎo)性專業(yè)規(guī)范》附件三（以下簡(jiǎn)稱《專業(yè)規(guī)范》）的建議，推薦的知識(shí)單元有“輕型門式剛架鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、普鋼廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、大跨屋蓋鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、多層及高層房屋鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（含抗震）”?！朵摻Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB50017-2017）于2018年7月1日正式頒布實(shí)施，新標(biāo)準(zhǔn)有較多的變動(dòng)，如增加了結(jié)構(gòu)分析、穩(wěn)定性設(shè)計(jì)和鋼結(jié)構(gòu)抗震性能化設(shè)計(jì)等諸多內(nèi)容。

項(xiàng)目組綜合考慮鋼結(jié)構(gòu)新標(biāo)準(zhǔn)、BIM技術(shù)、新體系和新工藝，結(jié)合我校的實(shí)際情況，按照鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)課程知識(shí)的內(nèi)在邏輯，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)課程的教學(xué)內(nèi)容采取模塊化教學(xué)，即鋼結(jié)構(gòu)抗震性能化設(shè)計(jì)、專業(yè)規(guī)范推薦知識(shí)和新結(jié)構(gòu)新技術(shù)三大模塊，對(duì)知識(shí)模塊進(jìn)行優(yōu)化組合并基于前期BIM技術(shù)基礎(chǔ)課程的學(xué)習(xí)，增加BIM技術(shù)導(dǎo)學(xué)模塊。

1.鋼結(jié)構(gòu)抗震性能化設(shè)計(jì)模塊。因前面有工程結(jié)構(gòu)抗震課程，學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)過現(xiàn)行抗震設(shè)計(jì)規(guī)范里的基本理論。本模塊主要介紹《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中基于性能化的鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)概念、理論和方法。

2.《專業(yè)規(guī)范》推薦知識(shí)模塊。按照《專業(yè)規(guī)范》的建議，推薦的知識(shí)單元有輕型門式剛架鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、普鋼廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、大跨屋蓋鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、多層及高層房屋鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（含抗震）。該部分對(duì)規(guī)范推薦的結(jié)構(gòu)形式的概念、分類、特點(diǎn)、計(jì)算方法及構(gòu)造等內(nèi)容進(jìn)行介紹。其內(nèi)容打通各類結(jié)構(gòu)的壁壘，將相同的內(nèi)容進(jìn)行統(tǒng)一講解，不同結(jié)構(gòu)的部分再分開進(jìn)行講解。

3.新結(jié)構(gòu)新工藝模塊。土木工程是不斷發(fā)展的學(xué)科，特別是鋼結(jié)構(gòu)，新的結(jié)構(gòu)形式層出不窮，為了讓學(xué)生了解新結(jié)構(gòu)新工藝，我們特設(shè)置該模塊，并對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。

除上述三個(gè)專業(yè)知識(shí)模塊，項(xiàng)目組還設(shè)置了BIM導(dǎo)學(xué)模塊。該課程課時(shí)較短，知識(shí)點(diǎn)較多，結(jié)構(gòu)形式比較抽象，故在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中增加了BIM導(dǎo)學(xué)模塊，該模塊主要在《專業(yè)規(guī)范》推薦知識(shí)模塊和新結(jié)構(gòu)新工藝模塊兩部分使用。BIM導(dǎo)學(xué)模塊分為兩種方式：一是結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)展示部分，該部分通過BIM展示結(jié)構(gòu)形式及關(guān)鍵節(jié)點(diǎn);二是學(xué)生自己設(shè)計(jì)制作部分，通過作業(yè)的形式讓學(xué)生自己設(shè)計(jì)制作部分簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。具體的課程內(nèi)容和學(xué)時(shí)分配如表1所示。

（二）教學(xué)方法與評(píng)價(jià)體系

1.教學(xué)方法

傳統(tǒng)的教學(xué)方法是以教師的課堂講授為主，而鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)課程往往安排在大四上學(xué)期，這時(shí)學(xué)生忙于找工作、考研，教師的教學(xué)很難取得理想的效果。項(xiàng)目組依據(jù)新的教學(xué)內(nèi)容的安排以及工程認(rèn)證的教學(xué)理念，開展線上線下混合式教學(xué)方案。線下教學(xué)方案包括課堂講授，增加課堂分組討論、翻轉(zhuǎn)課堂等環(huán)節(jié)。翻轉(zhuǎn)課堂和分組討論將學(xué)生分成4～6人一組，將《專業(yè)規(guī)范》推薦知識(shí)模塊中每種結(jié)構(gòu)的概念、分類、特點(diǎn)及工程實(shí)例等分成若干題目，每組學(xué)生線下進(jìn)行準(zhǔn)備，課上進(jìn)行講解展示，要求每組學(xué)生做出各類結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單的BIM結(jié)構(gòu)模型和節(jié)點(diǎn)構(gòu)造模型。線上教學(xué)主要通過學(xué)習(xí)通收發(fā)作業(yè)，并利用騰訊會(huì)議、QQ群、微信群等進(jìn)行答疑。

2.評(píng)價(jià)體系

題目組依據(jù)新的教學(xué)內(nèi)容和以往的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，提出全面考查學(xué)生各方面能力的評(píng)價(jià)體系。以往的教學(xué)評(píng)價(jià)體系分為兩部分，即期末考試成績(jī)和平時(shí)成績(jī)，平時(shí)成績(jī)包括平時(shí)作業(yè)、課堂表現(xiàn)等內(nèi)容?？疾榈姆绞奖容^單一，不能全面考查學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，且不適應(yīng)新的教學(xué)內(nèi)容。因此，為了全面考查學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，需要建立新的評(píng)價(jià)體系。原評(píng)價(jià)體系期末考試成績(jī)總成績(jī)的占70%，平時(shí)成績(jī)總成績(jī)的占30%。新的評(píng)價(jià)體系需要全面考查學(xué)生的各方面能力，期末考試成績(jī)從70%調(diào)整為60%，平時(shí)成績(jī)?yōu)?0%。平時(shí)成績(jī)部分除了原來的平時(shí)作業(yè)，還加入翻轉(zhuǎn)課堂、分組討論成績(jī)及BIM成果演示成績(jī)等，即平時(shí)成績(jī)（40%）=平時(shí)作業(yè)（10%）+翻轉(zhuǎn)課堂（10%）+分組討論（10%）+BIM成果（10%）。翻轉(zhuǎn)課堂和分組討論部分增加了組內(nèi)打分和各組之間打分的環(huán)節(jié)，組內(nèi)打分即根據(jù)組內(nèi)成員準(zhǔn)備的實(shí)際情況、組內(nèi)成員的貢獻(xiàn)度等進(jìn)行打分。各組之間根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)演示情況進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)打分。這能讓學(xué)生在準(zhǔn)備、講、學(xué)、評(píng)中獲取更多的知識(shí)，進(jìn)行更多的思考。

新的評(píng)價(jià)體系增加了學(xué)生平時(shí)表現(xiàn)分?jǐn)?shù)的占比，能更加全面地考查學(xué)生的能力，評(píng)價(jià)方式由原來的教師主導(dǎo)變?yōu)閷W(xué)生參與，這樣的評(píng)價(jià)體系更全面、客觀。

二、教學(xué)效果及評(píng)價(jià)

通過教學(xué)內(nèi)容和評(píng)價(jià)體系的改革，學(xué)生對(duì)各類結(jié)構(gòu)的理解更加深入，學(xué)習(xí)積極性被調(diào)動(dòng)起來，對(duì)各類鋼結(jié)構(gòu)形式、新結(jié)構(gòu)新技術(shù)及BIM技術(shù)的理解更加深入具體。從平時(shí)的課堂表現(xiàn)、分組討論和期末成績(jī)看，教學(xué)效果明顯得到改善。圖1是學(xué)生分組討論講解的圖片。學(xué)生們準(zhǔn)備充分、講解明確、分析清楚，各方面的能力得到了鍛煉和提升，互評(píng)打分環(huán)節(jié)也比較客觀實(shí)際。

為了解學(xué)生對(duì)新的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法的評(píng)價(jià)和感受，項(xiàng)目組設(shè)置了若干問卷調(diào)查，共有12題，包括學(xué)習(xí)效果、教學(xué)效果、課程內(nèi)容設(shè)置、教學(xué)方法、BIM技術(shù)等相關(guān)內(nèi)容。從問卷調(diào)查的結(jié)果看，對(duì)新的教學(xué)內(nèi)容反應(yīng)比較合理，對(duì)新的教學(xué)方法學(xué)生比較歡迎，接受程度比較高，教學(xué)效果良好，這種教學(xué)模式得到了學(xué)生積極的評(píng)價(jià)。其中有代表性的問題有如下幾個(gè)：1.你認(rèn)為這門課程在學(xué)習(xí)過程中的難度如何？2.你認(rèn)為這門課程考試你可能取得的分?jǐn)?shù)是多少？3.你認(rèn)為在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)課程中加入BIM模塊做構(gòu)件及節(jié)點(diǎn)圖是否必要？4.你認(rèn)為在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)課程中加入BIM模塊會(huì)不會(huì)對(duì)該課程有幫助？項(xiàng)目組根據(jù)學(xué)生的回答繪制了餅圖，如圖2所示。

問題1的答案分別為：A.很難、B.較難和C.一般。由圖2可知，有74.2%的學(xué)生選擇了較難以上，其中11.3%的學(xué)生認(rèn)為很難。由此可見，學(xué)生認(rèn)為鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)課程確實(shí)比較難。問題2的答案分，別為：A.90分以上，B.80—90分，C.70—80分，D.60—70分，E.60分以下?？梢钥闯鲞xA的占3.2%，選E的占1.6%，56.5%的同學(xué)選擇了C。從最后的成績(jī)看，這基本符合學(xué)生自己的預(yù)期。和以往學(xué)生的成績(jī)對(duì)比也有所提升，可見新的教學(xué)方法取得了明顯的效果。問題3的答案分別為：A.十分必要占25.8%，B.必要占48.4%，C.不需要占8.1%，D.無所謂占17.7%。近75%的學(xué)生認(rèn)為加入BIM模塊十分必要，得到了相應(yīng)的鍛煉。但還有近1/4的學(xué)生認(rèn)為無所謂，說明以后的教學(xué)過程中還有很大的提升和改進(jìn)的空間。問題4的答案分別為：A.十分有幫助占32.3%，B.有一定幫助占58%，C.作用不大占8.1%，D.無所謂占1.6%。有90.3%的學(xué)生認(rèn)為BIM模塊對(duì)學(xué)習(xí)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)課程有幫助，可見學(xué)生從中既了解了各類鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)構(gòu)造，也鍛煉了BIM技術(shù)的工程應(yīng)用能力。

三、結(jié)論

在新工科背景下，依據(jù)教育部專業(yè)指導(dǎo)規(guī)范、新版鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)及工程實(shí)踐等要求，項(xiàng)目組對(duì)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)課程的教學(xué)內(nèi)容、評(píng)價(jià)體系和教學(xué)方法等進(jìn)行改革和探索實(shí)踐，經(jīng)過課堂實(shí)踐，提出的模塊化教學(xué)、BIM技術(shù)的引入等收到了良好的教學(xué)效果。新的評(píng)價(jià)體系能更加全面地考查學(xué)生的能力，并讓學(xué)生參與到考核過程中來，新的教學(xué)方法更加注重學(xué)生的參與度和能力的培養(yǎng)。通過考試成績(jī)和問卷調(diào)查，項(xiàng)目組可以了解到學(xué)生對(duì)新的教學(xué)內(nèi)容、評(píng)價(jià)體系和評(píng)價(jià)方法認(rèn)可度較高，取得了較好的效果。本課程的教學(xué)改革將持續(xù)下去，對(duì)其中不完善的地方持續(xù)改進(jìn)，并將最新的規(guī)范內(nèi)容、結(jié)構(gòu)形式和施工方法融入其中，以取得更佳的教學(xué)效果。

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[責(zé)任編輯：陳 明]