新工科背景下應(yīng)用型高校課程改革探討
——以混凝土結(jié)構(gòu)基本原理課程為例

湯永凈,管林波,吳 競(jìng),李 燕,童樂(lè)為

(1.同濟(jì)大學(xué)浙江學(xué)院,浙江 嘉興 314051;2.同濟(jì)大學(xué) 土木工程學(xué)院,上海 200092)

在全球科技產(chǎn)業(yè)不斷優(yōu)化和我國(guó)工業(yè)迅猛發(fā)展的背景下,為適用新型工業(yè)發(fā)展的需要,我國(guó)教育部于2017年發(fā)布《教育部高等教育司關(guān)于開(kāi)展新工科研究與實(shí)踐的通知》,正式提出“新工科”概念。相較于以前的工科,“新工科”有了新的內(nèi)涵,即以應(yīng)對(duì)變化、塑造未來(lái)的新理念為指導(dǎo),通過(guò)繼承與創(chuàng)新、交叉與融合、協(xié)調(diào)與共享等新途徑,培養(yǎng)多元化和創(chuàng)新性的卓越工程人才。當(dāng)前,學(xué)界對(duì)于“新工科”的基本范疇已達(dá)成共識(shí),既包括如人工智能、大數(shù)據(jù)、區(qū)塊鏈等新興產(chǎn)業(yè),也包括對(duì)傳統(tǒng)工科通過(guò)信息化、智能化的滲透轉(zhuǎn)型以及改造升級(jí)。

土木工程作為傳統(tǒng)工業(yè)的重要一環(huán),同樣發(fā)生了新的變化,包括:(1)土木工程行業(yè)不可逆轉(zhuǎn)地向標(biāo)準(zhǔn)化、工廠化、機(jī)械化、信息化和裝配化方向轉(zhuǎn)型;(2)海綿城市、地下管廊、超高層建筑、大跨度結(jié)構(gòu)、3D打印等新興業(yè)態(tài)向傳統(tǒng)土木工程技術(shù)提出新的挑戰(zhàn);(3)國(guó)內(nèi)龐大的建筑產(chǎn)能已隨著“一帶一路”倡議逐步邁向國(guó)際建筑市場(chǎng);因此,土木工程專業(yè)同樣有著“新工科”建設(shè)的需要。在土木工程專業(yè)“新工科”建設(shè)過(guò)程中,對(duì)傳統(tǒng)課程的教學(xué)改革是必須完成的最基礎(chǔ)工作之一。筆者以混凝土結(jié)構(gòu)基本原理課程的教學(xué)改革為例,對(duì)“新工科”背景下應(yīng)用型本科土木工程專業(yè)專業(yè)課程改革思路進(jìn)行探討。

一、應(yīng)用型本科土木專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)在“新工科”建設(shè)中的體現(xiàn)

中南大學(xué)土木工程學(xué)院結(jié)合新工科的要求,對(duì)中國(guó)中鐵、中國(guó)鐵建、中國(guó)建筑、中國(guó)交通和中國(guó)水利水電5家大型建筑企業(yè)展開(kāi)走訪調(diào)研,提煉出土木工程專業(yè)人才應(yīng)具備工程科學(xué)應(yīng)用能力、工程疑難解決能力、工程管理協(xié)調(diào)能力、工程技術(shù)創(chuàng)新能力和工程國(guó)際適應(yīng)能力5項(xiàng)工程核心能力。對(duì)于以上工程核心能力,木工程專業(yè)傳統(tǒng)課程顯然很難完成深層的培養(yǎng)目標(biāo),因此,改革勢(shì)在必行。

課程教學(xué)改革一定是基于培養(yǎng)目標(biāo)和培養(yǎng)對(duì)象,針對(duì)應(yīng)用型本科土木工程專業(yè)學(xué)生特點(diǎn)而展開(kāi)的。應(yīng)用型本科相對(duì)于重點(diǎn)本科,定位為培養(yǎng)應(yīng)用型人才的地方高校。除了研究型大學(xué)以外,占據(jù)我國(guó)高等教育“半壁江山”的地方本科高校也是“新工科”建設(shè)的中堅(jiān)力量。

隨著對(duì)學(xué)習(xí)主體性重視程度的提高,以“學(xué)”為中心的教學(xué)思想越來(lái)越受到業(yè)界認(rèn)同。教師需要依據(jù)學(xué)習(xí)規(guī)律設(shè)計(jì)和組織教學(xué)活動(dòng),理解學(xué)生的學(xué)習(xí)行為,從而使得課堂教學(xué)能夠完全從學(xué)生的學(xué)習(xí)需求出發(fā),適應(yīng)學(xué)生的學(xué)習(xí)特征?！?0后”是近幾年本科土木工程專業(yè)入學(xué)新生中絕對(duì)主體,相對(duì)于其他年齡層,“00后”群體每天接觸的世界是前幾代無(wú)法想象的新天地,由此形成其獨(dú)特的審美和世界觀?！?0后”身處一個(gè)信息爆炸的年代,接受的知識(shí)信息早而全,所以“00后”是聰明的一代。筆者在一次本科土木工程專業(yè)招生宣傳片的準(zhǔn)備過(guò)程中,對(duì)“00后”的高中應(yīng)屆畢業(yè)生做過(guò)這樣的調(diào)查:希望宣傳片介紹“預(yù)制裝配式建造房屋的全過(guò)程虛擬仿真”還是希望介紹“BIM軟件的功能及應(yīng)用”,前者主要展示房屋建造的全過(guò)程,專業(yè)性較強(qiáng);后者是BIM軟件的功能解說(shuō),解說(shuō)直觀、易懂,形式上比較生動(dòng),令人舒適,但專業(yè)性相對(duì)較弱。在了解相關(guān)背景后,大部分的調(diào)查對(duì)象選擇了后者。這說(shuō)明學(xué)生在注重內(nèi)容的同時(shí),更加注重形式和審美。調(diào)查還發(fā)現(xiàn),“00后”注重課堂效率,不喜歡題海戰(zhàn)術(shù)。現(xiàn)行的高考制度對(duì)進(jìn)入大學(xué)的“00后”進(jìn)行了分流,分流的主要標(biāo)準(zhǔn)即是對(duì)基礎(chǔ)學(xué)科知識(shí)(中學(xué)時(shí)代的數(shù)學(xué)、物理等)的掌握程度和運(yùn)用能力。因此,進(jìn)入應(yīng)用型本科高校(相對(duì)于重點(diǎn)本科而言)學(xué)習(xí)的“00后”是一個(gè)聰明、有個(gè)性、有主見(jiàn)思想、開(kāi)放、樂(lè)于接收新鮮事物的群體,但對(duì)基礎(chǔ)的科學(xué)知識(shí)掌握程度一般、僅具備基礎(chǔ)分析能力,其所在的高?；谶@樣的生源特點(diǎn)和學(xué)校所處的地緣特點(diǎn),通常將辦學(xué)目標(biāo)定位于服務(wù)周邊地區(qū)的社會(huì)建設(shè)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展。因此,筆者認(rèn)為在“新工科”建設(shè)進(jìn)程中,應(yīng)用型本科的土木工程專業(yè)應(yīng)該重點(diǎn)聚焦土木工程人才5項(xiàng)核心工程能力中的工程技術(shù)應(yīng)用能力、工程管理協(xié)調(diào)能力和工程技術(shù)創(chuàng)新能力。這即是應(yīng)用型本科土木專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)在“新工科”建設(shè)中課程改革的聚焦點(diǎn)。

隨著科技的進(jìn)步和勞動(dòng)力市場(chǎng)短缺,智能建造已成為土木工程未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)。互聯(lián)網(wǎng)+、5G、BIM、綠色建造、3D打印、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等新興技術(shù)已發(fā)展成為智能建造的科技支撐;因此,在當(dāng)前土木工程新常態(tài)下,為更好地適應(yīng)互聯(lián)網(wǎng)+、綠色建造等“新工科”環(huán)境,應(yīng)用型本科高校土木工程專業(yè)應(yīng)主動(dòng)與信息、電子、機(jī)械、材料科學(xué)進(jìn)行交叉融合,重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生的工程技術(shù)創(chuàng)新能力,即培養(yǎng)學(xué)生土木工程新材料、新工藝、新設(shè)備、新結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新意識(shí)、創(chuàng)新思維、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新應(yīng)用能力,使畢業(yè)生能夠勝任工程技術(shù)應(yīng)用和管理相關(guān)工作。“新工科”跨界融合發(fā)展,是順應(yīng)新宏觀環(huán)境的客觀需要,跨越不同領(lǐng)域、不同行業(yè)、不同文化等范疇所擁有的共性和聯(lián)系,把一些關(guān)聯(lián)度不高的元素進(jìn)行融合,并由此引發(fā)新的思維方式和創(chuàng)新模式。

綜上,筆者認(rèn)為在土木工程專業(yè)“新工科”建設(shè)中,對(duì)專業(yè)課程的改革應(yīng)基于“跨界融合”或“交叉融合”的思路進(jìn)行。

二、聚焦后的專業(yè)課程改革——以混凝土結(jié)構(gòu)基本原理課程為例

(一)課程性質(zhì)及特點(diǎn)

混凝土結(jié)構(gòu)基本原理是土木工程專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課程,也是核心課程。數(shù)學(xué)、力學(xué)和建筑材料課程是它的前導(dǎo)課程,它也是后續(xù)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、建筑結(jié)構(gòu)抗震、課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì),以及注冊(cè)結(jié)構(gòu)工程師備考課程等專業(yè)課的基礎(chǔ)。課程集理論性、綜合性、實(shí)驗(yàn)性和實(shí)踐性于一體,內(nèi)容跨度廣、難度大,具有概念多、符號(hào)多、系數(shù)多、假定多、計(jì)算公式多、構(gòu)造規(guī)定多和文字內(nèi)容敘述多等特點(diǎn)。課程培養(yǎng)目標(biāo)是通過(guò)學(xué)習(xí)促使學(xué)生掌握基本原理,提高分析解決實(shí)際問(wèn)題的能力,培養(yǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)觀念,提升創(chuàng)新能力。

(二)課程框架梳理及改革

1.改革目標(biāo)

BIM技術(shù)是土木工程的一場(chǎng)數(shù)字化改革,裝配式建筑牽系建筑業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí),以混凝土結(jié)構(gòu)基本原理課程改革為契機(jī),將BIM技術(shù)和預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)施工技術(shù)引入混凝土結(jié)構(gòu)基本原理課程教學(xué)中,強(qiáng)化新技術(shù)和傳統(tǒng)知識(shí)點(diǎn)的融合,讓教學(xué)充滿新意,讓學(xué)生因“學(xué)得進(jìn)、用得上”而饒有興致,提高學(xué)生的工程技術(shù)創(chuàng)新能力和適應(yīng)能力。

2.改革思路

為了讓學(xué)生循序漸進(jìn)地了解和掌握混凝土基本原理的知識(shí)點(diǎn),融合BIM技術(shù)與裝配式結(jié)構(gòu)元素,筆者繪制了混凝土結(jié)構(gòu)基本原理魚(yú)骨圖(圖1),對(duì)該課程的性質(zhì)、特點(diǎn)及必須掌握的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行剖析。從鋼筋和混凝土兩種材料協(xié)同工作原理出發(fā),以材料性能、正截面、斜截面、預(yù)應(yīng)力和使用性能為主線,構(gòu)筑混凝土結(jié)構(gòu)基本原理課程的主要知識(shí)框架(圖1a),并將主要知識(shí)框架縱向延伸到次生知識(shí)框架(圖1b);將材料性能歸結(jié)為鋼筋和混凝土的本構(gòu)關(guān)系;將混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的正截面受力機(jī)理歸結(jié)到縱向鋼筋的配置;將斜截面受力機(jī)理歸結(jié)到橫向鋼筋的配置;在正截面、斜截面、預(yù)應(yīng)力部分,增加BIM族建模、構(gòu)件計(jì)算內(nèi)容,讓學(xué)生多角度切實(shí)感受理解混凝土結(jié)構(gòu)基本原理。同時(shí),把基本概念、符號(hào)、系數(shù)、基本假定、實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)方法及結(jié)果、半理論半經(jīng)驗(yàn)公式等系統(tǒng)組合,與總體知識(shí)框架和次生知識(shí)框架共同構(gòu)成整體課程框架(圖1c),通過(guò)對(duì)課程難點(diǎn)和重點(diǎn)的調(diào)整,提高教學(xué)效果。預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件是課程的難點(diǎn),屬于課程的進(jìn)階內(nèi)容,知識(shí)點(diǎn)多,涉及高強(qiáng)鋼筋、高強(qiáng)混凝土、鋼筋張拉控制應(yīng)力、施加預(yù)應(yīng)力方法、各種預(yù)應(yīng)力損失等,教學(xué)中對(duì)施工階段受力性能分析內(nèi)容進(jìn)行重點(diǎn)講述;結(jié)構(gòu)使用性能內(nèi)容也是課程的難點(diǎn),考慮到學(xué)生剛進(jìn)入專業(yè)基礎(chǔ)課程學(xué)習(xí)階段,且該部分內(nèi)容零散,作者在教學(xué)中從介紹撓度和裂縫寬度計(jì)算入手,由淺入深,逐步讓學(xué)生對(duì)結(jié)構(gòu)使用性能內(nèi)容有所了解、有所掌握,但不作為本課程重點(diǎn)。

圖1 混凝土結(jié)構(gòu)基本原理框架圖

為了幫助學(xué)生理解“基本原理”相關(guān)內(nèi)容,在教學(xué)中,以鋼筋和混凝土兩種材料的性能為根本,以兩種極限狀態(tài)-承載力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)為主干,以構(gòu)件類型-受彎構(gòu)件、受壓構(gòu)件、受拉構(gòu)件、受扭構(gòu)件、預(yù)應(yīng)力構(gòu)件為樹(shù)冠,繪制知識(shí)樹(shù)(圖2),簡(jiǎn)明形象闡述課程的主要內(nèi)容,便于學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解和接受。按照教材的順序,第1章、第2章屬于基礎(chǔ)部分,第3章至7章屬于承載力計(jì)算分析部分,第8章是使用性能的分析,第9章是預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件,作為本課程的最后章節(jié),集承載力計(jì)算和使用性能計(jì)算于一體。

圖2 混凝土結(jié)構(gòu)基本原理知識(shí)樹(shù)

在對(duì)各類構(gòu)件簡(jiǎn)化為計(jì)算簡(jiǎn)圖的教學(xué)中,引導(dǎo)學(xué)生從現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)和裝配式混凝土結(jié)構(gòu)兩個(gè)角度著手分析,讓學(xué)生掌握不同結(jié)構(gòu)形式對(duì)結(jié)構(gòu)受力的影響,了解結(jié)構(gòu)受力不同的情況下截面受力變化帶來(lái)的配筋變化,達(dá)到促進(jìn)學(xué)生靈活掌握知識(shí)的目的。

(三)教學(xué)方法的改革

1.學(xué)習(xí)行為力學(xué)解構(gòu)

學(xué)習(xí)如爬坡,教學(xué)也如爬坡(圖3)。學(xué)習(xí)中,由于內(nèi)容自身具有難度(如概念、假定、符號(hào)、定義、構(gòu)造…),難點(diǎn)猶如向下的摩擦力,阻礙學(xué)生前行,常會(huì)偶感倦怠,通過(guò)教學(xué)改革,授課教師順勢(shì)而為,給學(xué)生一個(gè)推力,及時(shí)幫助學(xué)生克服難點(diǎn)。更為重要的是,幫助學(xué)生提高向上的內(nèi)驅(qū)力,只有內(nèi)驅(qū)力足夠的強(qiáng)大,才能“會(huì)當(dāng)凌絕頂,一覽眾山小”。

圖3 學(xué)習(xí)行為力學(xué)解構(gòu)

2.“新工科”背景下的教學(xué)方法

線上線下相結(jié)合是當(dāng)前疫情下的教學(xué)特色?！?0后”成長(zhǎng)于網(wǎng)絡(luò)時(shí)代,他們的學(xué)習(xí)方式因此產(chǎn)生革新,也為教育革新源源不斷注入活力。很多在線教育平臺(tái)推出的手機(jī)APP提供了便利、高效的學(xué)習(xí)模式,借助互聯(lián)網(wǎng),通過(guò)配置動(dòng)圖、表情包,幫助學(xué)生更好地理解課程中的重難點(diǎn)知識(shí),為學(xué)生提供一個(gè)能夠隨時(shí)隨地使用的學(xué)習(xí)平臺(tái),以提高課堂學(xué)習(xí)效率。

在教學(xué)過(guò)程中融入“互聯(lián)網(wǎng)+”元素(圖4)具有積極的教學(xué)效果。通過(guò)在混凝土結(jié)構(gòu)基本原理課程教學(xué)中融入彈幕互動(dòng)、考勤,以及在習(xí)題冊(cè)中插入二維碼等“互聯(lián)網(wǎng)+”元素,提供線上交流平臺(tái);在不影響正常教學(xué)的情況下,將雨課堂插入教學(xué)課件;在關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)處設(shè)置陷阱,插入選擇題,讓學(xué)生在不斷犯錯(cuò)的過(guò)程中掌握知識(shí);利用超星、智慧樹(shù)等教學(xué)平臺(tái),建設(shè)混凝土結(jié)構(gòu)基本原理網(wǎng)上習(xí)題庫(kù)和答疑平臺(tái),為解答學(xué)生疑惑提供了新的途徑,同時(shí)也有利于學(xué)生課后復(fù)習(xí)并拓寬專業(yè)知識(shí)面。此外,利用其他高校已建成的網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室平臺(tái),讓學(xué)生在學(xué)習(xí)混凝土結(jié)構(gòu)基本原理相關(guān)知識(shí)的過(guò)程中,能夠通過(guò)網(wǎng)絡(luò)仿真試驗(yàn)了解構(gòu)件的受力全過(guò)程,包括截面的應(yīng)力應(yīng)變變化、構(gòu)件的整體變形、裂縫開(kāi)展過(guò)程等,讓學(xué)生深層次地了解受力狀態(tài)下構(gòu)件的全過(guò)程受力特征,加深對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握。

圖4 “互聯(lián)網(wǎng)+”教學(xué)方法

在教學(xué)中,應(yīng)遵從學(xué)生知識(shí)內(nèi)化的規(guī)律,要求學(xué)生做到課前預(yù)習(xí)、課上認(rèn)真做筆記(圖5)、課后復(fù)習(xí)、練習(xí),利用項(xiàng)目管理中的PDCA原理(Plan計(jì)劃、Do執(zhí)行、Check檢查和Action查漏補(bǔ)缺四個(gè)環(huán)節(jié))進(jìn)行階段性學(xué)習(xí)。

圖5 PDCA原理用于課程學(xué)習(xí)示意圖

三、結(jié)語(yǔ)

應(yīng)用型本科土木工程專業(yè)應(yīng)緊密結(jié)合國(guó)家發(fā)展規(guī)劃和行業(yè)發(fā)展形勢(shì),及時(shí)調(diào)整課程的教學(xué)內(nèi)容和方法,在信息技術(shù)不斷向土木工程行業(yè)滲透的“新工科”時(shí)代凸顯?；趹?yīng)用型本科辦學(xué)定位,課程教學(xué)要適應(yīng)新的行業(yè)變化、滿足新的生源特點(diǎn),培養(yǎng)學(xué)生具備工程技術(shù)創(chuàng)新能力是對(duì)專業(yè)課程改革的主要聚焦目標(biāo)。而改革的基本思路即是在教學(xué)中主動(dòng)將傳統(tǒng)的教學(xué)內(nèi)容與信息、電子、機(jī)械、材料科學(xué)等學(xué)科新的基礎(chǔ)理論和應(yīng)用進(jìn)行跨界融合?；炷两Y(jié)構(gòu)基本原理作為土木工程專業(yè)基礎(chǔ)課程,將BIM和預(yù)制裝配式建造等土木工程新技術(shù)主動(dòng)納入課程教學(xué)中;通過(guò)多樣化的教學(xué)手段,線上線下相結(jié)合,利用彈幕互動(dòng)、雨課堂、網(wǎng)絡(luò)答疑平臺(tái)和虛擬實(shí)驗(yàn)室等互聯(lián)網(wǎng)元素,加深學(xué)生對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)基本原理知識(shí)的理解,提高其創(chuàng)新能力和分析解決問(wèn)題的能力。