建筑工程計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)課程模式的探討*

李國(guó)東 楊海旭 徐嫚

（東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院 黑龍江哈爾濱 150040）

建筑工程計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)是建筑工程專業(yè)一門重要的專業(yè)課，課程以YJK（盈建科）、PKPM等專業(yè)軟件在工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的應(yīng)用為主要特征，課程知識(shí)點(diǎn)多、專業(yè)理論運(yùn)用綜合，學(xué)生受限于工程經(jīng)驗(yàn)缺乏在課程學(xué)習(xí)中存在困難。目前，受限于理論課時(shí)的限制，學(xué)生以被動(dòng)學(xué)習(xí)為主，教師注重講解軟件基本操作命令及結(jié)構(gòu)建模流程，課堂缺少討論互動(dòng)，實(shí)踐課也基本以驗(yàn)證性試驗(yàn)或簡(jiǎn)單項(xiàng)目的建模分析為主，學(xué)生僅能掌握所學(xué)軟件的基礎(chǔ)操作技能，在從事軟件與具體的工程問題相關(guān)聯(lián)的工作時(shí)手足無措，難以完成綜合性強(qiáng)的工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在一定程度上影響了課程學(xué)習(xí)的興趣。新工科時(shí)代及工程教育認(rèn)證背景下需要全面提升倡導(dǎo)“以學(xué)生為中心”的教學(xué)理念，針對(duì)目前課程中存在的問題，探索基于構(gòu)架主義教育理論的課程設(shè)計(jì)和以學(xué)生為中心的課堂教學(xué)模式，以期實(shí)現(xiàn)學(xué)生在課程學(xué)習(xí)中由被動(dòng)學(xué)習(xí)向自主學(xué)習(xí)的改變。

一、課程特點(diǎn)及問題分析

建筑工程計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)課程是本科高校及高職院校普遍開設(shè)的一門重要的土木工程專業(yè)的專業(yè)課程，課程對(duì)工程制圖、工程力學(xué)、建筑材料學(xué)、荷載及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法、結(jié)構(gòu)體系、結(jié)構(gòu)抗震等方面的專業(yè)知識(shí)有較高的要求。課程一般設(shè)置4年學(xué)制的第六學(xué)期或第七學(xué)期，學(xué)時(shí)在24—32課時(shí)之間。課程以培訓(xùn)專業(yè)軟件應(yīng)用技能為主要目的，課程教學(xué)由理論授課和上機(jī)實(shí)踐課兩部分組成。理論授課主要讓學(xué)生了解專業(yè)軟件中各種程序模塊的基本功能及基礎(chǔ)軟件操作方法，上機(jī)實(shí)踐課是配合理論授課的學(xué)生上機(jī)實(shí)踐。受限于課程的目標(biāo)定位、任課教師的工程能力及經(jīng)驗(yàn)、課程內(nèi)容及課程學(xué)時(shí)分配等多因素的影響，傳統(tǒng)的課程教學(xué)設(shè)計(jì)注重課程的“教”，重視專業(yè)設(shè)計(jì)軟件原理和操作命令及流程的講解，軟件應(yīng)用技巧與專業(yè)知識(shí)之間，尤其是工程問題的聯(lián)系較弱，軟件學(xué)習(xí)與工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論的系統(tǒng)性構(gòu)架效果不佳，學(xué)生課程學(xué)習(xí)困難，課程的教學(xué)體驗(yàn)不好，因此需要在明確課程目標(biāo)及課程邏輯的基礎(chǔ)上探索新的課程形式，通過強(qiáng)化以學(xué)生為中心的體驗(yàn)式、探究式課堂學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)課程教學(xué)效果的顯著提升。

在人才培養(yǎng)方案中，建筑工程計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)課程的教學(xué)目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用專業(yè)設(shè)計(jì)軟件實(shí)現(xiàn)工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的能力，具體的可概況為認(rèn)知、能力、素質(zhì)三個(gè)具體方面。其中的認(rèn)知目標(biāo)包括了解結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件的工作原理，掌握軟件的基本命令及操作方法；能力目標(biāo)是具備較強(qiáng)的應(yīng)用軟件分析工程問題的能力，具備利用計(jì)算機(jī)軟件程序從事工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作的能力；素質(zhì)目標(biāo)是培養(yǎng)工程師責(zé)任感、終身學(xué)習(xí)等。這類課程本身具備較強(qiáng)的實(shí)用性和實(shí)踐性，在課程內(nèi)容的組織上除了專業(yè)軟件相關(guān)的基本理論知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)，要融入與軟件應(yīng)用相關(guān)的工程場(chǎng)景以及關(guān)聯(lián)的力學(xué)、材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論等專業(yè)知識(shí)，要借助足夠數(shù)量和豐富內(nèi)容的課程實(shí)踐環(huán)節(jié)鞏固學(xué)生所學(xué)的基本理論，提高利用軟件解決工程實(shí)際問題的能力。針對(duì)課程的教學(xué)特點(diǎn)，可以借鑒建構(gòu)主義教學(xué)理論，清晰課程目標(biāo)的基礎(chǔ)上對(duì)課程教學(xué)的教學(xué)設(shè)計(jì)、實(shí)施方案、評(píng)價(jià)考核等關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行改革。

二、基于支架式教學(xué)模式的課堂教學(xué)設(shè)計(jì)

建構(gòu)主義教學(xué)理論是一種注重學(xué)生過程控制管理的教學(xué)模式，目前在教學(xué)應(yīng)用上有3種實(shí)施模式：支架式、隨機(jī)進(jìn)入和拋錨式教學(xué)模式[1]。建構(gòu)主義教學(xué)理論教學(xué)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)和實(shí)施時(shí)強(qiáng)調(diào)以學(xué)生為中心，通過情景的設(shè)置及任務(wù)的引導(dǎo)，讓學(xué)生在既有的知識(shí)的基礎(chǔ)上自主實(shí)現(xiàn)新知識(shí)的構(gòu)建。建構(gòu)主義教學(xué)理論強(qiáng)調(diào)在課程教學(xué)活動(dòng)中重視教師與學(xué)生、學(xué)生與學(xué)生的互動(dòng)活動(dòng)，教師可以通過情境性問題的交流和探索，獲知學(xué)習(xí)參與者的狀態(tài)和感受，學(xué)生可以通過情境參與，從自己及參與者的學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)中獲取新知識(shí)。其中的支架式教學(xué)模式可借鑒至建筑工程計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)課程的教學(xué)設(shè)計(jì)中，支架式教學(xué)模式認(rèn)為學(xué)生的認(rèn)知是基于學(xué)習(xí)的交流和經(jīng)驗(yàn)的反思而主動(dòng)構(gòu)建的，為了實(shí)現(xiàn)要先給學(xué)生搭建支架，幫助學(xué)生理解的特定知識(shí)，學(xué)生在支架的幫助下能夠進(jìn)行獨(dú)立的探索，通過交流、質(zhì)疑、思考等主動(dòng)行為形成認(rèn)知，實(shí)現(xiàn)課程知識(shí)和專業(yè)能力的構(gòu)建[2]。

將建構(gòu)主義教學(xué)模式遷移到“建筑工程計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)”課程教學(xué)，要依據(jù)土木工程專業(yè)的學(xué)科特點(diǎn)，創(chuàng)造與課程目標(biāo)相符的教學(xué)情景，重視支架式教學(xué)模式關(guān)鍵要素的實(shí)現(xiàn)。支架式教學(xué)模式包括5個(gè)過程：搭腳手架、進(jìn)入情境、獨(dú)立探索、協(xié)作學(xué)習(xí)和效果評(píng)價(jià)。在課程教學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)，開始新課程前教師需要開展學(xué)情分析，根據(jù)授課內(nèi)容評(píng)估學(xué)生對(duì)于所要解決的問題和原有能力之間存的差異，也就是掌握建構(gòu)主義理論中“最近發(fā)展區(qū)”的關(guān)鍵，并建立基本知識(shí)和理論的框架，引導(dǎo)學(xué)生利用線上課程平臺(tái)或?qū)W習(xí)資料開展課前的自主學(xué)習(xí)，并將課堂中的工程問題引入到學(xué)習(xí)情境中。課前，通過課程通告發(fā)布學(xué)習(xí)任務(wù)、明確所搭建的知識(shí)框架相關(guān)的問題。課上，教師通過教學(xué)情境的設(shè)置和教學(xué)流程的控制，對(duì)提出的問題開展討論，并引領(lǐng)學(xué)生對(duì)相關(guān)知識(shí)理論進(jìn)行梳理和分析，幫助學(xué)生掌握課堂所構(gòu)建的知識(shí)系統(tǒng)。課后，通過線上作業(yè)的測(cè)試，鞏固重要知識(shí)點(diǎn)并進(jìn)一步拓展課程知識(shí)，通過學(xué)生自我評(píng)價(jià)或師生、生生相互評(píng)價(jià)反饋出課程學(xué)習(xí)的實(shí)際效果，掌握學(xué)情并進(jìn)行課程授課的調(diào)整，實(shí)現(xiàn)持續(xù)改進(jìn)。

三、課程模式的實(shí)施要點(diǎn)

筆者認(rèn)為，教師在“建筑工程計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)”課程教學(xué)中進(jìn)行建構(gòu)主義教學(xué)模式的課程設(shè)計(jì)時(shí)，需要結(jié)合課程的特點(diǎn)和建構(gòu)主義教學(xué)理論的實(shí)現(xiàn)要素，在教學(xué)的實(shí)施環(huán)節(jié)中重視以下問題。

1.明確搭建腳手架的意義

如何根據(jù)課程的目標(biāo)，給學(xué)生提供可進(jìn)一步形成知識(shí)和能力的知識(shí)框架是課程中支架式教學(xué)模式應(yīng)用的前提條件。課程中的“新知識(shí)”是專業(yè)軟件運(yùn)行的邏輯原理以及實(shí)現(xiàn)軟件計(jì)算邏輯所必須的操作方法，實(shí)現(xiàn)課程目標(biāo)更重要的是學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)的土木工程方面的專業(yè)知識(shí)等“舊知識(shí)”，限于學(xué)生工程經(jīng)驗(yàn)的欠缺，學(xué)生開展課程學(xué)習(xí)所面臨最大困難是龐雜的專業(yè)知識(shí)“用什么”“怎么用”，課程中“腳手架”的搭建不是給學(xué)生提供直通課程知識(shí)目標(biāo)的工具，而是幫助學(xué)生篩選出符合課堂活動(dòng)需求的專業(yè)知識(shí)。例如，在進(jìn)行樓板設(shè)計(jì)主題的課堂學(xué)習(xí)時(shí)，要讓學(xué)生明確樓板是屬于結(jié)構(gòu)體系中的豎向結(jié)構(gòu)體系，要明確樓板傳遞豎向荷載時(shí)的受力特征及內(nèi)力分布規(guī)律，要了解常規(guī)樓板設(shè)計(jì)時(shí)的樓板厚度、配筋方式以及構(gòu)造性的要求。明確了以上知識(shí)范疇后，在課程的腳手架搭建階段，只需要提供給學(xué)生結(jié)構(gòu)體系、受彎構(gòu)件設(shè)計(jì)理論的知識(shí)提綱，讓學(xué)生通過復(fù)習(xí)已掌握的知識(shí)和理論實(shí)現(xiàn)進(jìn)入新知識(shí)領(lǐng)域的“最近發(fā)展區(qū)”的知識(shí)要求。因此，課程中腳手架的設(shè)置的意義是幫助學(xué)生發(fā)現(xiàn)新課程學(xué)習(xí)的必要性，幫助學(xué)生在完整的課程情境中確定學(xué)習(xí)目標(biāo)[3]。

2.設(shè)計(jì)進(jìn)入情境的流程

實(shí)踐性是“建筑工程計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)”課程的重要屬性特征，實(shí)際的工程項(xiàng)目為課程情景設(shè)置提供了豐富的選擇，結(jié)合課程目標(biāo)的課程情景的構(gòu)建和多次課程情景的銜接是課程情景設(shè)計(jì)中需要重點(diǎn)解決的問題。在具體實(shí)施時(shí)，可以以一個(gè)具體的工程項(xiàng)目為宏觀背景，將需要解決的工程項(xiàng)目中某一個(gè)關(guān)鍵的工程問題或重要的設(shè)計(jì)分項(xiàng)任務(wù)作為每次課程的微觀情景，具體的教學(xué)活動(dòng)僅需圍繞微觀場(chǎng)景展開。在實(shí)施教學(xué)活動(dòng)時(shí)，要根據(jù)微觀場(chǎng)景與宏觀背景的協(xié)調(diào)性合理設(shè)置情景進(jìn)入的順序和方式，在實(shí)施中最符合認(rèn)知規(guī)律的方法是以項(xiàng)目中結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程中的若干具體問題為導(dǎo)向的情景引入方式。例如，在樓板設(shè)計(jì)中，通過腳手架的搭建，學(xué)生明確了樓板相關(guān)的體系方面的知識(shí)概念，展現(xiàn)給學(xué)生的學(xué)習(xí)情景是某一個(gè)復(fù)雜項(xiàng)目的樓板設(shè)計(jì)及建造的工作流程，通過以下預(yù)設(shè)的實(shí)際問題來實(shí)現(xiàn)情景學(xué)習(xí)的帶入。首先，通過展現(xiàn)實(shí)際工程中樓板的體量、施工過程、質(zhì)量及工程問題的圖片直接引發(fā)學(xué)生對(duì)理論上設(shè)計(jì)的樓板與工程項(xiàng)目中的樓板的差異性的思考，在感性認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上逐步開展較深層次的問題的引領(lǐng)。比如，通過樓板傳力途徑及力學(xué)模型的歸納，讓學(xué)生以專業(yè)知識(shí)在工程設(shè)計(jì)中的著手點(diǎn)，通過墻梁柱的體量及實(shí)際中對(duì)樓板設(shè)計(jì)條件的影響，引發(fā)學(xué)生思考力學(xué)模型在實(shí)際工程中的偏差水平，討論樓板的荷載的真實(shí)來源以及施工、檢修等偶發(fā)問題的考慮方式以及設(shè)計(jì)時(shí)恒載及活荷載取用的依據(jù)等。最后將課程學(xué)習(xí)的思考上升到專業(yè)知識(shí)與工程項(xiàng)目的聯(lián)系性等開放性問題。比如，通過板中彎矩、剪力的分布規(guī)律的探究，討論樓板中下部受力鋼筋及支座處受力鋼筋的分布特征，討論保證樓板正常承載要求的鋼筋的錨固要求及分布規(guī)律等。所有的課程問題未必一定在課堂中解決，課程上無法完成內(nèi)容可以延展到課外，以作業(yè)、討論的方式由學(xué)生自主完成[4]。

3.獨(dú)立探索和協(xié)作學(xué)習(xí)的設(shè)計(jì)

建構(gòu)主義教學(xué)模式引入課程的重要目的之一，是要實(shí)現(xiàn)以學(xué)生為中心的課程教學(xué)模式的轉(zhuǎn)變，要在掌控課程流程的基礎(chǔ)上賦予學(xué)生充分自主學(xué)習(xí)的空間和時(shí)間，讓學(xué)生能獨(dú)立地對(duì)知識(shí)進(jìn)行探究，掌握相關(guān)的知識(shí)技能。教師在課程的實(shí)驗(yàn)課及課外作業(yè)環(huán)節(jié)上可采用項(xiàng)目式實(shí)踐教學(xué)方法，給學(xué)生獨(dú)立探索的權(quán)限和自由。課程的案例式時(shí)間教學(xué)內(nèi)容可參考建構(gòu)主義教學(xué)模式，教學(xué)以完成綜合性較強(qiáng)的工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)成果為導(dǎo)向，學(xué)生根據(jù)項(xiàng)目相關(guān)的工程條件，用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件完成建模、分析、校核、優(yōu)化、繪制結(jié)構(gòu)施工圖的全過程。學(xué)生可以在設(shè)計(jì)工作的情境中獨(dú)立探究工程中的各類問題，通過教師情景框架的搭設(shè)和引導(dǎo)，以及項(xiàng)目設(shè)計(jì)實(shí)施的過程中問題的交流、探討和分享活動(dòng)，將學(xué)習(xí)的體驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)內(nèi)化為解決復(fù)雜工程問題的能力，實(shí)現(xiàn)課程學(xué)習(xí)的自主性、協(xié)作性、探索性等高階的學(xué)習(xí)效果。項(xiàng)目式教學(xué)在實(shí)施時(shí)，課程給學(xué)生提供某一真實(shí)項(xiàng)目的所有工程資料，包括建筑圖、地勘報(bào)告、規(guī)范及圖集等，在實(shí)施項(xiàng)目的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)前，教師引導(dǎo)學(xué)生解讀建筑圖、工程地質(zhì)勘察報(bào)告等設(shè)計(jì)資料，分析項(xiàng)目的技術(shù)重難點(diǎn)等幫助學(xué)生搭設(shè)“腳手架”。通過給定項(xiàng)目的設(shè)計(jì)目標(biāo)、質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)及成績(jī)的評(píng)定依據(jù)，明確學(xué)習(xí)的內(nèi)容和工作目標(biāo)。通過具體任務(wù)的分解及階段性驗(yàn)收確保學(xué)習(xí)的合理進(jìn)度。定期的交流活動(dòng)和階段成果分享是保持學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情和學(xué)習(xí)效果的反饋重要課程管理措施。在整個(gè)課程教學(xué)設(shè)計(jì)中，教師要確保學(xué)生項(xiàng)目實(shí)施正常運(yùn)行，其中適時(shí)學(xué)習(xí)指導(dǎo)是必要的，可避免學(xué)生在項(xiàng)目實(shí)施中遇到困難而導(dǎo)致項(xiàng)目實(shí)施的中斷以及由此而來的不良的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。另外，要注重課程中項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的特點(diǎn)，學(xué)生在獨(dú)立探究項(xiàng)目時(shí)，所考慮的問題各有側(cè)重、解決問題的方法不一而同，通過有組織的項(xiàng)目匯報(bào)、成果展示等活動(dòng)可以建立起相對(duì)豐富完整的群體經(jīng)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)相同認(rèn)知水平下的最佳學(xué)習(xí)效果，同時(shí)有利于激發(fā)學(xué)生課程學(xué)習(xí)的興趣和動(dòng)力。

4.改變教學(xué)評(píng)價(jià)方法

課程中建構(gòu)主義教學(xué)模式引入后，課程的評(píng)價(jià)方法要實(shí)現(xiàn)結(jié)果考核到過程考核的轉(zhuǎn)變。在課程改革前，課程成績(jī)的組成是平時(shí)表現(xiàn)成績(jī)10%，實(shí)驗(yàn)作業(yè)占30%，期末考試筆試占60%。這種評(píng)價(jià)模式過分關(guān)注最終的考試或考查的成績(jī)，無法實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)過程的評(píng)價(jià)，不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)課程教學(xué)中的問題和不足，難以實(shí)現(xiàn)及時(shí)反饋學(xué)生學(xué)習(xí)狀態(tài)。

針對(duì)課程教學(xué)根據(jù)建構(gòu)主義理論的理論授課及實(shí)踐課程的教學(xué)過程，建立一套以在線課程資源學(xué)習(xí)時(shí)長(zhǎng)、在線作業(yè)測(cè)試、實(shí)踐性作業(yè)評(píng)定、筆試成績(jī)?yōu)榻M合的綜合性考核方法?？己朔绞胶w了課程學(xué)習(xí)的全教學(xué)過程，注重過程性評(píng)價(jià)。調(diào)整后的評(píng)價(jià)方法，平時(shí)成績(jī)占20%，由思考題書面作答、分組討論表現(xiàn)、線上微課學(xué)習(xí)學(xué)習(xí)時(shí)長(zhǎng)、在線單元測(cè)試、在線討論、作業(yè)互評(píng)等構(gòu)成。實(shí)驗(yàn)作業(yè)占40%，由2次小作業(yè)加1次綜合作業(yè)的考查成績(jī)給出。期末筆試的成績(jī)占40%。

通過課程的教學(xué)實(shí)踐，采用多階段過程性的考核方式后，尤其是注重學(xué)生在線資源應(yīng)用效率的教學(xué)管理后，學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性、主動(dòng)性顯著提升，完成綜合作業(yè)的能力和水平大幅提高[5]。

結(jié)語

新工科時(shí)代對(duì)高校培養(yǎng)的人才提出了更高的要求，土木工程專業(yè)的課程目標(biāo)和課程效果也要與時(shí)俱進(jìn)。從培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、終身學(xué)習(xí)的意識(shí)和能力出發(fā)，將構(gòu)建主義學(xué)習(xí)理論引入到建筑工程計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的課程中，結(jié)合課程的特點(diǎn)對(duì)構(gòu)建主義學(xué)習(xí)理論與課程的融合方法進(jìn)行了探討，給出了課程教學(xué)過程的設(shè)計(jì)思路，給出了基于學(xué)習(xí)過程管理和評(píng)價(jià)的課程考核評(píng)價(jià)方法。教學(xué)效果表明，依據(jù)構(gòu)建主義學(xué)習(xí)理論的課前、課上、課后的教學(xué)環(huán)節(jié)能促使學(xué)生開展自主學(xué)習(xí)和協(xié)作學(xué)習(xí)，項(xiàng)目式實(shí)踐教學(xué)能夠激發(fā)學(xué)生探究工程問題的學(xué)習(xí)興趣，在工程項(xiàng)目的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中訓(xùn)練了學(xué)生專業(yè)軟件的操作技能，提高了學(xué)生運(yùn)用專業(yè)知識(shí)解決復(fù)雜工程問題的能力，培養(yǎng)了學(xué)生的工程師責(zé)任心，鍛煉了團(tuán)隊(duì)協(xié)作、溝通交流能力，較好地實(shí)現(xiàn)了課程目標(biāo)。