土木工程專業(yè)信息化教學(xué)的改革與探索
——以《土木工程結(jié)構(gòu)軟件應(yīng)用》為例

劉 方，李九陽

(長春工程學(xué)院,長春130012)

一、信息化技術(shù)對土木工程專業(yè)人才培養(yǎng)的意義

伴隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展和全面普及，各行各業(yè)都煥發(fā)了新的生機(jī)。作為高等教育的傳統(tǒng)工科專業(yè)——土木工程，在時代和行業(yè)的發(fā)展中必須與時俱進(jìn)，積極推進(jìn)信息化技術(shù)的學(xué)習(xí)與應(yīng)用。因此，從2020年開始，土木工程專業(yè)抓住我校傳統(tǒng)專業(yè)升級改造的契機(jī)，積極推進(jìn)信息化技術(shù)教學(xué)內(nèi)容和信息化教學(xué)方法的改革，促進(jìn)專業(yè)內(nèi)涵式建設(shè)。

(一)土木工程專業(yè)信息化技術(shù)的應(yīng)用

隨著移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，以移動、社交、云計算和大數(shù)據(jù)分析為代表的新一輪信息技術(shù)浪潮快速涌現(xiàn)，已經(jīng)對各行各業(yè)形成了前所未有的沖擊。信息化技術(shù)對土木工程行業(yè)的影響雖然不像其他行業(yè)那么大，但是各種工程技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合的軟件已在工程設(shè)計、施工建造、運(yùn)行管理等方面得到了廣泛應(yīng)用。因此，高等教育應(yīng)當(dāng)高度重視并深刻理解信息化技術(shù)對工程教育的重大影響，積極推進(jìn)信息化技術(shù)在高等教育中的推廣，使學(xué)生掌握現(xiàn)代化的工程應(yīng)用軟件，培養(yǎng)出一批符合未來需要的新時代工程師。

土木工程的建設(shè)過程分為建筑設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、施工建造和運(yùn)營維護(hù)等主要階段，針對我校土木工程專業(yè)的特點(diǎn)，土木工程專業(yè)構(gòu)建了從建筑設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、施工建造全過程的信息化技術(shù)應(yīng)用的教學(xué)體系，開設(shè)了先進(jìn)繪圖技術(shù)CAD、BIM建?；A(chǔ)從二維到三維的建筑設(shè)計軟件；《土木工程結(jié)構(gòu)軟件應(yīng)用》(PKPM軟件、盈建科軟件)、BIM技術(shù)綜合應(yīng)用等結(jié)構(gòu)分析軟件；BIM造價軟件、智慧工地管理軟件的施工建造軟件等課程。各課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)積極學(xué)習(xí)，掌握工程軟件的特點(diǎn)，探索軟件課程的教學(xué)方法，為土木工程專業(yè)學(xué)生信息化能力培養(yǎng)提供了可靠保障。

(二)信息化技術(shù)在課程教學(xué)中的應(yīng)用

在高等教育領(lǐng)域，通過網(wǎng)絡(luò)資源共享，實(shí)現(xiàn)了足不出戶就可以獲取更多的優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源，慕課、微課等網(wǎng)絡(luò)課程等已經(jīng)開放；翻轉(zhuǎn)課堂、混合式教學(xué)等教學(xué)方式的改變，有利于教與學(xué)主體的轉(zhuǎn)變，使得課程改革產(chǎn)生了新的技術(shù)支撐。因此信息化教學(xué)，不僅可以提高教師信息技術(shù)應(yīng)用水平、更新教學(xué)觀念、改進(jìn)教學(xué)方法、提高教學(xué)效果，而且可以鼓勵學(xué)生利用信息技術(shù)手段自主學(xué)習(xí)，增強(qiáng)運(yùn)用信息技術(shù)分析解決問題的能力，提高學(xué)生的綜合素養(yǎng)。信息化教學(xué)還可以打破學(xué)校與社會之間的壁壘，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢互補(bǔ)，取長補(bǔ)短，強(qiáng)化學(xué)生適應(yīng)能力。

因此，土木工程專業(yè)積極鼓勵教師廣泛進(jìn)行課程建設(shè)和教學(xué)改革、教學(xué)方法和手段的革新，推進(jìn)信息化技術(shù)的應(yīng)用。例如：廣泛利用慕課、超星等國內(nèi)外精品課程資源建設(shè)混合式課程；鼓勵專業(yè)教師進(jìn)行在線精品課程、校企合作課程的建設(shè)；利用學(xué)習(xí)通、智慧樹等網(wǎng)絡(luò)教學(xué)手段，革新課程教學(xué)方式；完善課程考核和評價機(jī)制，充分調(diào)動學(xué)生課外學(xué)習(xí)的積極性等。特別是2020年初受新冠肺炎疫情影響以來，學(xué)習(xí)通、智慧樹、騰訊會議、騰訊課堂等網(wǎng)絡(luò)信息化實(shí)體工具被不斷開發(fā)和利用，并且由此帶來一系列的教學(xué)變革。土木工程專業(yè)信息化的課程建設(shè)，產(chǎn)生的是鯰魚效應(yīng)，使得教與學(xué)都發(fā)生了深刻的變革，對人才能力的培養(yǎng)也更全面。

(三)信息化技術(shù)與信息化教學(xué)對土木工程專業(yè)人才培養(yǎng)的意義

通過利用信息化、大數(shù)據(jù)、云平臺等網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)整合已有教學(xué)方式及創(chuàng)新教學(xué)模式，是實(shí)現(xiàn)高等教育現(xiàn)代化的必然選擇。土木工程是國家倡導(dǎo)中華偉大復(fù)興的大國制造戰(zhàn)略必不可少的一環(huán)，土木工程專業(yè)人才培養(yǎng)的信息化技術(shù)和教學(xué)改革也應(yīng)該首當(dāng)其沖，這是歷史賦予每個土木工程專業(yè)教師的責(zé)任與擔(dān)當(dāng)。

土木工程專業(yè)人才的培養(yǎng)目標(biāo)是畢業(yè)生能夠在有關(guān)土木工程的勘察、設(shè)計、施工、管理等部門從事技術(shù)或管理工作。其六條培養(yǎng)目標(biāo)之一是“熟悉現(xiàn)代土木工程技術(shù)工具，能夠分析和解決土木工程或相關(guān)領(lǐng)域的設(shè)計、施工、管理、咨詢過程中的復(fù)雜工程問題”，因此熟悉各種現(xiàn)代土木工程技術(shù)軟件對人才培養(yǎng)目標(biāo)起到重要的支撐作用。針對利用教育信息化技術(shù)提高大學(xué)生學(xué)習(xí)效率，培養(yǎng)學(xué)生的軟件應(yīng)用能力，本文以《土木工程結(jié)構(gòu)軟件應(yīng)用》課程教學(xué)為例，基于教育信息化對該課程從教學(xué)內(nèi)容、方法及考試評價體系進(jìn)行了教學(xué)改革實(shí)踐。

二、《土木工程結(jié)構(gòu)軟件應(yīng)用》的教學(xué)改革與創(chuàng)新

《土木工程結(jié)構(gòu)軟件應(yīng)用》課程支撐土木工程專業(yè)11條畢業(yè)要求的第5條，即“學(xué)會使用土木工程專業(yè)必備的現(xiàn)代工具，包括勘測設(shè)備、測試與檢驗(yàn)設(shè)備、文獻(xiàn)、計算機(jī)及應(yīng)用軟件等，能夠選擇恰當(dāng)?shù)墓ぞ哌M(jìn)行測試和分析，包括對復(fù)雜工程問題的預(yù)測與模擬，并能理解每種工具的局限性”。對應(yīng)的課程目標(biāo)有兩個：一是利用相關(guān)專業(yè)軟件進(jìn)行建模、數(shù)據(jù)輸入和計算分析；二是利用相關(guān)專業(yè)軟件進(jìn)行結(jié)果圖形顯示和結(jié)構(gòu)、構(gòu)件圖的繪制。因此課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)針對這門信息化教學(xué)課程，結(jié)合現(xiàn)代化教學(xué)手段進(jìn)行了課程教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式的改革，對土木工程專業(yè)人才畢業(yè)要求提供支撐，對課程教學(xué)改革提供借鑒。

(一)軟件更新

目前，國內(nèi)土木工程專業(yè)的畢業(yè)設(shè)計都是圍繞信息化、創(chuàng)新性、工程應(yīng)用等方向展開，而這些都離不開土木工程計算機(jī)軟件的應(yīng)用。國內(nèi)主流的結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件有PKPM、盈建科、邁達(dá)斯和廣廈等。這些軟件各有千秋，有的善于計算，有的精于構(gòu)造，有的功能全面，有的與國際接軌最早。其中，PKPM在國內(nèi)應(yīng)用得最早，用戶最多，但是其模塊太多操作不便，像PK、PMCAD、TAT、SATWE、JCCAD、STS、SAP有限元等眾多模塊，一個模塊一個鑰匙盤，各個模塊之間還存在著兼容性的問題。信息化要求教學(xué)必須與時俱進(jìn)，因?yàn)镻KPM的先天缺陷，導(dǎo)致其在教學(xué)和工程應(yīng)用領(lǐng)域受限，其市場正逐步被其他后起之秀趕超，所以之前教學(xué)采用的PKPM結(jié)構(gòu)軟件被盈建科取代。

盈建科結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件，是由PKPM的創(chuàng)始人陳岱林開發(fā)，其算法先進(jìn)、功能集成度高、操作便捷，而且與PKPM廣大用戶的操作習(xí)慣相同，因而有后來居上的發(fā)展趨勢。對于應(yīng)用型本科教學(xué)而言，盈建科更為先進(jìn)和前沿，所以基于盈建科軟件應(yīng)用的教學(xué)，越來越成為土木類高校的計算機(jī)軟件應(yīng)用的必選項(xiàng)。

(二)教學(xué)內(nèi)容改革

《土木工程結(jié)構(gòu)軟件應(yīng)用》是在已經(jīng)完成了相關(guān)結(jié)構(gòu)類專業(yè)課程之后開設(shè)的課程，它是畢業(yè)設(shè)計之前的一次結(jié)構(gòu)專業(yè)知識綜合以及信息化訓(xùn)練，學(xué)好這門課對于學(xué)生完成畢業(yè)設(shè)計以及培養(yǎng)工程實(shí)踐應(yīng)用能力至關(guān)重要。其教學(xué)脈絡(luò)見下圖1。

要實(shí)現(xiàn)課程目標(biāo)，就離不開圖1的盈建科軟件應(yīng)用的各個能力點(diǎn)的達(dá)成。這些能力點(diǎn)涉及的課程及知識點(diǎn)非常多，所以盈建科軟件在土木工程教學(xué)中的應(yīng)用是一門綜合性很強(qiáng)的課程，只有掌握了這些軟件應(yīng)用的能力點(diǎn)，才能在畢業(yè)設(shè)計中游刃有余，才能在工程實(shí)際應(yīng)用中有的放矢，而非紙上談兵。

《土木工程結(jié)構(gòu)軟件應(yīng)用》這門課以往的教學(xué)內(nèi)容都是以建模為主，至于計算參數(shù)設(shè)置和計算結(jié)果分析，其教學(xué)內(nèi)容非常少。在框架結(jié)構(gòu)建模時，還有不少學(xué)生將非承重的隔墻也輸入模型，甚至把門窗都放進(jìn)框架結(jié)構(gòu)模型中，分不清建筑模型與結(jié)構(gòu)模型的區(qū)別。在梁板布置中，隨同建筑圖，不論房間的開間與進(jìn)深的大小，就是一塊大板，板厚僅有100mm厚卻敢跨越十多米的跨度，毫無結(jié)構(gòu)體系、結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺度的概念。

綜合畢業(yè)設(shè)計中結(jié)構(gòu)計算軟件的應(yīng)用，以及《土木工程結(jié)構(gòu)軟件應(yīng)用》專業(yè)課教學(xué)的反饋，以建模為主導(dǎo)的教學(xué)模式必然會出現(xiàn)很嚴(yán)重的技術(shù)問題，使得教學(xué)人員不得不反思，《土木工程結(jié)構(gòu)軟件應(yīng)用》到底是為了設(shè)計而建模，還是僅僅為了建模而建模？很顯然，建模是設(shè)計的一個組成部分，是過程而非結(jié)果，所以只有明確了設(shè)計所要的結(jié)果，才能合理地進(jìn)行建模。比如：建模離不開結(jié)構(gòu)布置，而結(jié)構(gòu)布置又與結(jié)構(gòu)設(shè)計、參數(shù)設(shè)置、結(jié)果分析密切相關(guān)。所以，只講建模，而不看結(jié)果，或者是看不懂結(jié)果，以及不會處理建模后產(chǎn)生的結(jié)果，就會導(dǎo)致以建筑模型來代替結(jié)構(gòu)模型，那么即便建立的模型再怎么漂亮美觀，但是結(jié)構(gòu)體系錯誤、結(jié)構(gòu)布置不合理，在實(shí)際工程應(yīng)用中卻極易發(fā)生倒塌的嚴(yán)重后果。因此以建模為主導(dǎo)的的教學(xué)模式必須予以改革。

教學(xué)改革的重點(diǎn)是圍繞工程應(yīng)用的實(shí)例開展教學(xué)。以盈建科軟件的操作界面為導(dǎo)引，不斷強(qiáng)化訓(xùn)練學(xué)生對結(jié)構(gòu)體系、基本原理、構(gòu)造要求、概念設(shè)計、施工圖設(shè)計和規(guī)范應(yīng)用等結(jié)構(gòu)核心內(nèi)容的串聯(lián)與學(xué)習(xí)，建立相對完整的結(jié)構(gòu)知識體系。從圖1上可以看出，建模僅占全部教學(xué)內(nèi)容的一小部分，而參數(shù)設(shè)置和計算結(jié)果分析上的技術(shù)細(xì)則更是教學(xué)及應(yīng)用的主體內(nèi)容?！锻聊竟こ探Y(jié)構(gòu)軟件應(yīng)用》的教學(xué)離不開學(xué)生各門專業(yè)課的知識點(diǎn)的掌握，但是學(xué)生在學(xué)習(xí)盈建科軟件應(yīng)用之前，專業(yè)基礎(chǔ)參差不齊，如何讓學(xué)生迅速進(jìn)入狀態(tài)是需要進(jìn)行教學(xué)創(chuàng)新的，墨守成規(guī)還用老一套的教學(xué)模式和手段肯定行不通。

盈建科軟件應(yīng)用的教學(xué)內(nèi)容、學(xué)時安排、教學(xué)方式見表1所示。

表1 土木工程結(jié)構(gòu)軟件應(yīng)用的教學(xué)內(nèi)容、學(xué)時安排、教學(xué)方式

為了更好地完成結(jié)構(gòu)軟件應(yīng)用的教學(xué)，首先要選好一個具有代表性的實(shí)際工程，比如框架結(jié)構(gòu)從建模到計算，到方案優(yōu)化，到上部結(jié)構(gòu)施工圖設(shè)計，最后到基礎(chǔ)設(shè)計。在這一系列操作過程中，將結(jié)構(gòu)專業(yè)課的考點(diǎn)聯(lián)系起來，將結(jié)構(gòu)規(guī)范和101平法圖集的應(yīng)用引入進(jìn)來。從而由點(diǎn)及面、觸類旁通地建立學(xué)生結(jié)構(gòu)形式的設(shè)計理念及思維方法，至少是讓學(xué)生能找到解題鑰匙。使學(xué)生知道如何正確應(yīng)對不同結(jié)構(gòu)建模，如何設(shè)置參數(shù)，或者是通過查找什么規(guī)范來獲得這些參數(shù)，如何獲得計算結(jié)果，如何分析計算結(jié)果，如何根據(jù)超筋超限信息來調(diào)整和優(yōu)化結(jié)構(gòu)布置，如何繪制施工圖，如何判別程序自動生成的施工圖中的錯誤，以及如何調(diào)整等。

總之，在結(jié)構(gòu)軟件應(yīng)用教學(xué)改革中，不斷將規(guī)范、圖集、施工圖常規(guī)做法以及專業(yè)課的知識串聯(lián)起來，使學(xué)生建立起相對完整的結(jié)構(gòu)專業(yè)知識體系。

(三)教學(xué)手段改革

綜上所述，《土木工程結(jié)構(gòu)軟件應(yīng)用》這門課程的教學(xué)內(nèi)容被擴(kuò)充了非常多，那么接下來的問題就是如何在有限的學(xué)時內(nèi)完成這么多的教學(xué)內(nèi)容。

這就是教學(xué)手段的改革，即線上線下混合式教學(xué)。經(jīng)過2020年全面網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺的建設(shè)，目前學(xué)習(xí)通、QQ學(xué)習(xí)群、騰訊會議、智慧樹、微信學(xué)習(xí)群、騰訊課堂、網(wǎng)絡(luò)直播等網(wǎng)絡(luò)教學(xué)工具被充分開發(fā)和利用。有些特別耗時的教學(xué)內(nèi)容，比如：程序操作步驟的教學(xué)內(nèi)容，就完全可以放到線上來進(jìn)行；還有關(guān)于結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)的學(xué)習(xí)，非常繁雜，也可以錄制好視頻放到學(xué)習(xí)通中，讓學(xué)生線上學(xué)習(xí)，然后通過學(xué)習(xí)通出選擇題、判斷題、填空題進(jìn)行測驗(yàn)，利用學(xué)習(xí)通自動閱卷系統(tǒng)進(jìn)行快速評判，以此來督促和檢驗(yàn)學(xué)生線上學(xué)習(xí)效果。那么，節(jié)省下來的時間，在線下、在課堂上，就可以有針對性地以答疑為主，以解決作業(yè)共性問題為主，以學(xué)習(xí)通中錯題的解析為主，這樣就會有的放矢、事半功倍，在節(jié)約有限課內(nèi)教學(xué)時間的基礎(chǔ)上最大化提高教學(xué)質(zhì)量和擴(kuò)充教學(xué)內(nèi)容。具體的考核方式及對應(yīng)的課程目標(biāo)見表2。

(四)考核方式改革

增加網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的占比，改革以期末考試為主的成績分布形態(tài)，擴(kuò)大平時成績的比重。

表2的成績占比分配，是經(jīng)過了一個學(xué)期4個班級《土木工程結(jié)構(gòu)軟件應(yīng)用》的教學(xué)情況總結(jié)出來的。其中：土木1843、1844班的達(dá)成度為0.708，土木1845、1846班的達(dá)成度為0.7，可見剛剛滿足達(dá)成度要求，下面分析一下原因。

在表2中，學(xué)習(xí)通測驗(yàn)的成績占比僅為7.5%，這個占比是比較低的。原因是這部分教學(xué)內(nèi)容涵蓋的知識點(diǎn)超級多，而且需要學(xué)生具備一定的專業(yè)功底，而大部分學(xué)生要么專業(yè)基礎(chǔ)一般，要么光會背誦理論條文，不能理論聯(lián)系實(shí)際，一碰到具體的問題就束手無策了。因?yàn)檫@些現(xiàn)實(shí)情況決定了學(xué)生并不能

表2 考核方式及對應(yīng)的課程目標(biāo)

適應(yīng)軟件實(shí)際操作的考點(diǎn)，但是這些考點(diǎn)對于完成優(yōu)秀設(shè)計的幫助卻很大，所以隨著《盈建科在土木工程結(jié)構(gòu)軟件應(yīng)用教材》的編撰，以及《盈建科在土木工程結(jié)構(gòu)軟件應(yīng)用習(xí)題集》的發(fā)布，學(xué)生能夠更直觀更便捷地學(xué)習(xí)，因此學(xué)習(xí)通測驗(yàn)這部分的比重可以大幅度提高，建議提高到20%，以督促學(xué)生理解和記憶考點(diǎn)。

結(jié)構(gòu)軟件應(yīng)用最主要是培養(yǎng)學(xué)生軟件實(shí)際操作的能力，所以每一個學(xué)習(xí)單元作業(yè)的作用就突顯出來了。課后作業(yè)要求學(xué)生必須在理解的基礎(chǔ)上，依托規(guī)范和圖集進(jìn)行設(shè)計和操作，對于學(xué)生的計算機(jī)能力和動手能力要求更高。因此，可以適當(dāng)加大作業(yè)的成績比重，將35%調(diào)到40%，以強(qiáng)化訓(xùn)練學(xué)生的動手能力。

因?yàn)橛栖浖?yīng)用的課程性質(zhì)屬于實(shí)踐類，一環(huán)扣一環(huán)，前面出錯就會導(dǎo)致后面出現(xiàn)系統(tǒng)性錯誤，這就像多米諾骨牌一樣。所以要強(qiáng)調(diào)過程控制，只要前面的過程都控制住了，那么最終程序計算和輸出的結(jié)果一定不會差。遵循這一原則，一錘定音的期末考試的比重可以適當(dāng)降低，由50%可以調(diào)到30%。

三、本課程對土木工程專業(yè)人才培養(yǎng)持續(xù)性改進(jìn)的意義

根據(jù)本課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)的教學(xué)過程分析及經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，建立了用于支撐土木工程人才培養(yǎng)持續(xù)改進(jìn)的機(jī)制；成立了課程持續(xù)改進(jìn)小組，由課程負(fù)責(zé)人任組長，組織執(zhí)行并監(jiān)督每一輪的課程持續(xù)改進(jìn)工作；制定了持續(xù)改進(jìn)措施，如平時成績持續(xù)改進(jìn)機(jī)制：根據(jù)每屆學(xué)生學(xué)情，課程組教師每單元匯總學(xué)生平時成績考核的各項(xiàng)指標(biāo)，及時調(diào)整學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)，并做相應(yīng)的記錄；實(shí)踐考核持續(xù)改進(jìn)機(jī)制：及時批改學(xué)生各單元的實(shí)踐作業(yè)，總結(jié)之后，在下次課上講解，或是通過學(xué)習(xí)通發(fā)布講解視頻；期末考核持續(xù)改進(jìn)機(jī)制：對學(xué)生操作的熟練程度及掌握情況進(jìn)行分析，將分析結(jié)果用于研究課程講授情況，將在補(bǔ)考學(xué)生及下一屆學(xué)生中進(jìn)行持續(xù)改進(jìn)。

本課程將評價周期定為每年評價一次，目前學(xué)習(xí)通等網(wǎng)絡(luò)教學(xué)建設(shè)已經(jīng)進(jìn)行了一學(xué)期，現(xiàn)在正在編撰專用合適的教材和習(xí)題集。當(dāng)教材和習(xí)題集出版以后，可以將達(dá)成度目標(biāo)值由0.7上升調(diào)到0.75。采用成績分析法進(jìn)行評價，評價所需要的畢業(yè)要求及權(quán)重參見《土木工程專業(yè)課程對畢業(yè)要求的支撐及權(quán)重》，評價結(jié)果用于持續(xù)改進(jìn)。

四、結(jié)論

盈建科軟件在土木工程教學(xué)應(yīng)用中的改革與創(chuàng)新，是信息時代賦予教師的歷史使命。改革軟件應(yīng)用的教學(xué)內(nèi)容，創(chuàng)新其教學(xué)模式和評價體系，是專業(yè)人才培養(yǎng)的要求，是工程應(yīng)用的要求，是新工科教改的要求，是信息化職業(yè)化的要求，是大勢所趨，是人心所向。以實(shí)際工程案例為載體，通過線上線下混合式教學(xué)，不斷豐富盈建科軟件應(yīng)用的教學(xué)內(nèi)容，不斷完善盈建科軟件應(yīng)用的教學(xué)模式和教學(xué)效果，砥礪前行，終將不辱使命。