OBE理念下 “鋼結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì)” 教學(xué)改革研究★

張春玉，陳 勇，左敬巖

（黑龍江科技大學(xué)建筑工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150022）

0 引言

“OBE” 是成果導(dǎo)向教育（Outcome-Based Education）的簡(jiǎn)稱，是指以預(yù)期學(xué)習(xí)成果為中心來(lái)組織、實(shí)施和評(píng)價(jià)教學(xué)的過(guò)程。OBE強(qiáng)調(diào) “教育是一種能力培養(yǎng)、能力訓(xùn)練” 的過(guò)程。OBE是世界高等教育的發(fā)展趨勢(shì)，也是中國(guó)工程教育改革的主要方向之一。隨著中國(guó)加入《華盛頓協(xié)議》并成為簽約成員，標(biāo)志著中國(guó)開(kāi)始了工程教育認(rèn)證國(guó)際化之路，繼而以成果為導(dǎo)向和以學(xué)生為中心成為工程教育認(rèn)證的核心理念［1-4］，這些理念為國(guó)內(nèi)高校工科課程進(jìn)行教學(xué)改革提供了新的思路。

在2021年的兩會(huì)上 “碳達(dá)峰” “碳中和” 被首次寫入政府工作報(bào)告，標(biāo)志著我國(guó)節(jié)能減排工作進(jìn)入快車道。目前，我國(guó)在建造中所產(chǎn)生的建筑能耗占社會(huì)總能耗的1/3（不包括生產(chǎn)建筑材料所產(chǎn)生的能耗），每年城鄉(xiāng)新建房屋面積80%以上、既有建筑95%以上為高能耗建筑，每年建筑垃圾資源化率不到5%，每年建筑施工和建筑垃圾運(yùn)送對(duì)空氣污染的貢獻(xiàn)率達(dá)20%?？梢?jiàn)，建筑行業(yè)是節(jié)能減排工作的重災(zāi)區(qū)。鋼結(jié)構(gòu)建筑具有工業(yè)化程度高、施工周期短、性能優(yōu)越、造型優(yōu)美等一系列的優(yōu)點(diǎn)，最主要的是鋼結(jié)構(gòu)屬于綠色建筑，該結(jié)構(gòu)可減少施工污染，拆除時(shí)也可最大限度減少建筑垃圾，實(shí)現(xiàn)建筑材料的重復(fù)利用［5］。2016年我國(guó)粗鋼產(chǎn)量約占全球粗鋼總產(chǎn)量的50%，產(chǎn)能嚴(yán)重過(guò)剩，而鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用可提高鋼鐵的利用率、緩解產(chǎn)能過(guò)剩、實(shí)現(xiàn)鋼鐵的戰(zhàn)略儲(chǔ)備。同時(shí)，我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)工程建筑面積占總建筑面積的5%左右，與美國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家40%以上的占比相距甚遠(yuǎn)［6］?？梢?jiàn)，鋼結(jié)構(gòu)在我國(guó)各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展具有廣闊的前景。

為了提升人才培養(yǎng)質(zhì)量，切實(shí)考慮畢業(yè)生的就業(yè)需求，推進(jìn)我校工程教育認(rèn)證工作，土木工程專業(yè)鋼結(jié)構(gòu)教學(xué)團(tuán)隊(duì)在深刻理解 “學(xué)習(xí)產(chǎn)出” “教學(xué)策略” 和 “評(píng)價(jià)方法及策略” OBE理念三要素的基礎(chǔ)上，針對(duì)鋼結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì)進(jìn)行了 “成果為導(dǎo)向” “學(xué)生為中心” 的改革探索。

1 以往課程設(shè)計(jì)存在的問(wèn)題

我校位于東北老工業(yè)基地，出于服務(wù)地方經(jīng)濟(jì)的角度考慮，鋼結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì)主要以廠房鋼結(jié)構(gòu)的普通鋼屋蓋為主，該結(jié)構(gòu)具有布置簡(jiǎn)單、傳力明確、計(jì)算簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，因此多年來(lái)被用于課程設(shè)計(jì)的對(duì)象。但是隨著社會(huì)的進(jìn)步、專業(yè)的發(fā)展，該設(shè)計(jì)題目的不足逐漸顯現(xiàn)。

1.1 應(yīng)用廣泛的工程占比較少

為了進(jìn)一步明確讓學(xué)生在鋼結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì)中 “做什么” 的問(wèn)題，課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)對(duì)2002年畢業(yè)以后從事鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工和監(jiān)理工作的學(xué)生進(jìn)行了調(diào)查。經(jīng)過(guò)對(duì)119名受訪者進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)問(wèn)卷調(diào)查發(fā)現(xiàn)，從業(yè)未超過(guò)五年的畢業(yè)生接觸過(guò)普通鋼屋蓋的有1人（工程數(shù)量?jī)H為2），在從業(yè)五年（不含）到十年的受訪者中接觸過(guò)普通鋼屋蓋的有6人（工程數(shù)量10），在從業(yè)十年（不含）以上的受訪者中接觸過(guò)普通鋼屋蓋的有11人（工程數(shù)量為15），而調(diào)查問(wèn)卷中為了對(duì)比而設(shè)置的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、門式剛架結(jié)構(gòu)、框架鋼結(jié)構(gòu)等結(jié)構(gòu)形式，幾乎所有受訪者均有所接觸，且工程數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于鋼屋蓋。不同鋼結(jié)構(gòu)形式的工程數(shù)量占比圖如圖1所示。由圖1可知，我校畢業(yè)生接觸普通鋼屋蓋的總量不超過(guò)鋼結(jié)構(gòu)總量的2%，這種情況說(shuō)明，當(dāng)前形勢(shì)下鋼結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì)的選題確實(shí)有必要進(jìn)行調(diào)整，且刻不容緩。

圖1 不同鋼結(jié)構(gòu)形式工程數(shù)量占比圖

1.2 基本理論運(yùn)用范圍小

作為鋼結(jié)構(gòu)課程的實(shí)踐環(huán)節(jié)，將鋼結(jié)構(gòu)的基本原理運(yùn)用于工程實(shí)際是鋼結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì)最直接的目的。但是，普通鋼屋蓋的構(gòu)件類型較單一（主要是軸心受力構(gòu)件），計(jì)算僅涉及到拉壓桿的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定理論，很少涉及到受彎構(gòu)件、偏心受力構(gòu)件的基本理論。事實(shí)上，受彎構(gòu)件和偏心受壓構(gòu)件的整體穩(wěn)定問(wèn)題同樣是鋼結(jié)構(gòu)基本理論的重要組成部分，學(xué)生都需要借助實(shí)踐環(huán)節(jié)進(jìn)一步理解和吸收，尤其是偏心受壓構(gòu)件的整體穩(wěn)定問(wèn)題又分為彎矩作用平面內(nèi)的穩(wěn)定和彎矩作用平面外的穩(wěn)定，理論公式難以理解、計(jì)算過(guò)程極其復(fù)雜，更加需要在課程實(shí)踐環(huán)節(jié)加以訓(xùn)練，以往課程設(shè)計(jì)中對(duì)該部分內(nèi)容的缺失，不利于學(xué)生鋼結(jié)構(gòu)工程素養(yǎng)的提升。

1.3 計(jì)算方法及設(shè)計(jì)手段落后

以往鋼結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì)進(jìn)程中，鋼屋蓋設(shè)計(jì)時(shí)屋架內(nèi)力計(jì)算多采用手算法或圖解法，由于近似因素較多，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果誤差較大。同時(shí)，要求學(xué)生設(shè)計(jì)文稿采用手算、繪圖采用CAD的設(shè)計(jì)方式也飽受學(xué)生的詬病，這讓指導(dǎo)教師深刻認(rèn)識(shí)到僅僅讓學(xué)生脫開(kāi)圖板是不夠的，應(yīng)該支持和鼓勵(lì)學(xué)生適應(yīng)行業(yè)的發(fā)展，允許在課程設(shè)計(jì)過(guò)程中采用PKPM，3D3S或MTS等相關(guān)的專業(yè)設(shè)計(jì)軟件，以利于學(xué)生提高專業(yè)能力、縮短就業(yè)適應(yīng)期。

2 基于OBE理念的改革及成效

學(xué)生取得什么樣的學(xué)習(xí)成果，如何有效地取得這些學(xué)習(xí)成果，以及如何確定學(xué)生取得了這些學(xué)習(xí)成果，是以學(xué)生為中心的教學(xué)理念的重要體現(xiàn)［7］。為了在教學(xué)中有效落實(shí)OBE的理念，結(jié)合鋼結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì)的課程目標(biāo)及其支撐的畢業(yè)要求，課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)借鑒了建設(shè)工程項(xiàng)目施工管理模式，根據(jù)設(shè)計(jì)題目將學(xué)生按 “項(xiàng)目組” 進(jìn)行劃分，并按照 “項(xiàng)目管理式” 的運(yùn)行模式進(jìn)行了探索與實(shí)踐。

2.1 “一人一題” 的獨(dú)立選題

結(jié)合我校土木工程專業(yè)畢業(yè)生的反饋意見(jiàn)，鋼結(jié)構(gòu)教學(xué)團(tuán)隊(duì)對(duì)課程設(shè)計(jì)的選題進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整，實(shí)現(xiàn)了 “一人一題” 。設(shè)計(jì)題目?jī)?yōu)化過(guò)程中，既要考慮到題目多樣化，又要便于指導(dǎo)和管理，同時(shí)考慮后續(xù)混凝土結(jié)構(gòu)、地基基礎(chǔ)等課程設(shè)計(jì)的要求（各門課程設(shè)計(jì)的對(duì)象一致性要求），最終確定每名同學(xué)均需要為多層混凝土框架設(shè)計(jì)頂部結(jié)構(gòu)的任務(wù)。經(jīng)過(guò)詳細(xì)分析對(duì)比，優(yōu)化后設(shè)定的混凝土框架結(jié)構(gòu)建筑方案有三種，通過(guò)變化橫向軸距（L）、縱向軸距（S）可以得到不同尺寸的建筑方案，再通過(guò)頂部結(jié)構(gòu)形式選用普通鋼屋蓋、網(wǎng)架鋼屋蓋或輕型門式剛架結(jié)構(gòu)（框架結(jié)構(gòu)）的變換，最終實(shí)現(xiàn) “一人一題” 的設(shè)計(jì)任務(wù)。學(xué)生可根據(jù)學(xué)號(hào)在任務(wù)確定表中找到自己對(duì)應(yīng)的建筑方案和結(jié)構(gòu)尺寸序號(hào)，任務(wù)確定表如表1所示。

表1 設(shè)計(jì)任務(wù)確定表

學(xué)生按照表1中的結(jié)構(gòu)尺寸序號(hào)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)象信息表中可以進(jìn)一步明確設(shè)計(jì)信息，設(shè)計(jì)信息表如表2所示。

表2 設(shè)計(jì)對(duì)象信息表

在表2中，對(duì)應(yīng)相同序號(hào)二的同學(xué)設(shè)計(jì)對(duì)象一致（見(jiàn)表2），為同一組別，即同一 “項(xiàng)目組” ，設(shè)計(jì)任務(wù)的交流、討論等環(huán)節(jié)主要集中在組內(nèi)進(jìn)行。為便于管理， “項(xiàng)目組” 成員需推舉一名理論基礎(chǔ)好、認(rèn)真負(fù)責(zé)的同學(xué)任組長(zhǎng)，組長(zhǎng)將以 “項(xiàng)目經(jīng)理” 的身份管理小組的設(shè)計(jì)進(jìn)程，指導(dǎo)教師全程起到引導(dǎo)及輔助的作用。

2.2 “技術(shù)交底式” 的知識(shí)點(diǎn)講解

為了突出學(xué)生學(xué)習(xí)的主體地位，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，提高理論聯(lián)系實(shí)際的能力，鋼結(jié)構(gòu)教學(xué)團(tuán)隊(duì)在 “項(xiàng)目組” 內(nèi)采用了 “技術(shù)交底式” 的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)法，即每階段所用到的設(shè)計(jì)要點(diǎn)完全由學(xué)生依照建設(shè)工程施工項(xiàng)目 “早會(huì)” 的形式進(jìn)行。在設(shè)計(jì)任務(wù)下發(fā)后，各組長(zhǎng)提前組織本組成員對(duì)設(shè)計(jì)任務(wù)以時(shí)間為節(jié)點(diǎn)進(jìn)行階段性的劃分，梳理每階段所用到的核心知識(shí)點(diǎn)，并指定對(duì)應(yīng)的主講人，主講人在知悉主講內(nèi)容后，認(rèn)真制作PPT講稿，在對(duì)應(yīng)日期向組內(nèi)同學(xué)進(jìn)行講解，然后大家據(jù)此完成階段任務(wù)。由于課程設(shè)計(jì)所用到的全部知識(shí)點(diǎn)在前續(xù)課程中均已講授完畢，學(xué)生只需細(xì)心整理、認(rèn)真理解即可，因此該教學(xué)方法具有可操作性，且教學(xué)運(yùn)行也說(shuō)明了該方法成效顯著，現(xiàn)以2019年課程設(shè)計(jì)第五組學(xué)生題為 “門式剛架結(jié)構(gòu)變截面鋼柱整體穩(wěn)定技術(shù)交底” 的PPT內(nèi)容為例進(jìn)行說(shuō)明。

門式剛架的變截面楔形鋼柱屬于壓彎構(gòu)件，其剛架平面內(nèi)整體穩(wěn)定性能影響因素多、公式繁雜，學(xué)生在PPT中首先給出了GB 51022—2015門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范的穩(wěn)定公式（如式1所示），然后采用類似β→kσ→λρ→ρ→he→Ae1（計(jì)算鋼柱大端有效截面面積Ae1）流程圖的方式給出了式中參數(shù)的計(jì)算步驟，而并未采取羅列眾多參數(shù)計(jì)算公式的方法，重點(diǎn)突出、一目了然，體現(xiàn)了理順?biāo)悸贰⒅卦趹?yīng)用的特點(diǎn)。同時(shí)，學(xué)生在知識(shí)點(diǎn)講解時(shí)，還給出了CECS 102—2002門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程中的設(shè)計(jì)公式（如式（2）所示）。經(jīng)過(guò)了解得知，學(xué)生在制作PPT查閱資料過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)部分參考資料設(shè)計(jì)依據(jù)為舊規(guī)程，因此在階段任務(wù)展開(kāi)前進(jìn)行了特別提示。

由此可見(jiàn)，采取建設(shè)工程施工項(xiàng)目技術(shù)交底的方式，由學(xué)生講解設(shè)計(jì)任務(wù)所需知識(shí)點(diǎn)，每位主講人既要做到對(duì)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)理解透徹，還要站到學(xué)生的視角考慮如何運(yùn)用的問(wèn)題，因此實(shí)際效果要優(yōu)于指導(dǎo)教師的課堂教學(xué)。

2.3 “項(xiàng)目薪水式” 的成果考核

鋼結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì)的成果考核包括過(guò)程考核和設(shè)計(jì)成果考核兩部分，過(guò)程考核主要體現(xiàn)學(xué)生的設(shè)計(jì)表現(xiàn)和答辯質(zhì)量，設(shè)計(jì)成果考核體現(xiàn)學(xué)生的計(jì)算書和施工圖的質(zhì)量。設(shè)計(jì)表現(xiàn)成績(jī)由 “項(xiàng)目經(jīng)理” 根據(jù)成員的知識(shí)點(diǎn)講解質(zhì)量、出勤情況、交流討論等情況給出，答辯質(zhì)量成績(jī)由各組的 “項(xiàng)目經(jīng)理” 聯(lián)合答辯給出。答辯時(shí)每位組長(zhǎng)問(wèn)一道與本組結(jié)構(gòu)形式相關(guān)的題目，這種組間聯(lián)合的答辯方式，既可以保證公平和公正，也可以促進(jìn)小組間的學(xué)習(xí)交流，利于提升學(xué)生的理論水平和專業(yè)素養(yǎng)。在指導(dǎo)教師給出設(shè)計(jì)成果的質(zhì)量評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)之后，計(jì)算書和施工圖的成績(jī)，也由 “項(xiàng)目經(jīng)理” 聯(lián)合評(píng)定給出。

在課程設(shè)計(jì)的進(jìn)程中，指導(dǎo)教師應(yīng)及時(shí)引導(dǎo)學(xué)生解決技術(shù)難點(diǎn)，指導(dǎo)學(xué)生按時(shí)間節(jié)點(diǎn)完成設(shè)計(jì)任務(wù)。同時(shí)，指導(dǎo)教師應(yīng)積極引導(dǎo)學(xué)生建立 “分值即薪水” 的思想，讓學(xué)生產(chǎn)生課程設(shè)計(jì)即為工程項(xiàng)目的感覺(jué)，促使學(xué)生端正設(shè)計(jì)態(tài)度，養(yǎng)成良好的工作習(xí)慣，提高鋼結(jié)構(gòu)職業(yè)素養(yǎng)。

2.4 改革成效對(duì)比分析

課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)從2019年開(kāi)始，在建筑工程學(xué)院和國(guó)際合作教育學(xué)院的土木工程17級(jí)（7個(gè)班級(jí)201人）和18級(jí)（7個(gè)班級(jí)211人）鋼結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì)教學(xué)中運(yùn)用了基于 “OBE” 理念的教學(xué)模式，并與土木工程16級(jí)（7個(gè)班級(jí)205人）的設(shè)計(jì)成績(jī)進(jìn)行了對(duì)比。土木16級(jí)、17級(jí)和18級(jí)的平均成績(jī)分別是70.5分，82.5分和85.5分，17級(jí)相對(duì)于16級(jí)整體提升了十余分，18級(jí)相對(duì)于17級(jí)提升幅度較小，但是仍有進(jìn)步。值得一提的是，在17級(jí)設(shè)計(jì)成果收繳之后，學(xué)科部全體教師進(jìn)行了質(zhì)量復(fù)核，復(fù)核過(guò)程中大家都驚嘆設(shè)計(jì)質(zhì)量提升幅度之大。可見(jiàn)，在教學(xué)中運(yùn)用 “一人一題” 的選題方式和 “項(xiàng)目管理式” 的成績(jī)?cè)u(píng)定方法，可以真正激發(fā)學(xué)生的設(shè)計(jì)熱情、大幅提升課程設(shè)計(jì)質(zhì)量。

3 結(jié)語(yǔ)

我校土木工程專業(yè)認(rèn)證工作推進(jìn)以來(lái)，基于OBE理念以 “一人一題” 和 “項(xiàng)目管理式” 為特征的鋼結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì)已經(jīng)運(yùn)行三屆，經(jīng)過(guò) “教學(xué)反饋” 和 “持續(xù)改進(jìn)” 等環(huán)節(jié)的優(yōu)化調(diào)整，目前改革已經(jīng)取得非常明顯的效果。

實(shí)踐證明，教學(xué)過(guò)程中突出學(xué)生的主體地位，通過(guò)合理選題將學(xué)生提前置身于就業(yè)崗位，可以大幅提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性，利于學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際能力的培養(yǎng)。通過(guò)項(xiàng)目管理式的過(guò)程考核，可以讓學(xué)生切實(shí)體會(huì)大學(xué)階段的 “學(xué)習(xí)成果” 與畢業(yè)后工作階段的 “工作成果” 同樣具有 “效益” 。鋼結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì)改革的成功實(shí)踐，促使學(xué)生更加重視團(tuán)隊(duì)合作、重視溝通交流，利于學(xué)生專業(yè)素養(yǎng)、語(yǔ)言表達(dá)、合作溝通等能力的全面發(fā)展，為OBE理念在高校的推廣應(yīng)用提供了參考經(jīng)驗(yàn)。