基于CDIO教育模式的基坑與邊坡工程課程教學(xué)改革研究

楊慶光 劉峰 劉杰 梁斌 唐西婭

［摘 要］CDIO教育模式是當(dāng)今被廣泛采用的一種工程教育模式，其應(yīng)用價值和應(yīng)用效果都已經(jīng)被證實?；优c邊坡工程課程是一門實踐性極強的綜合性課程，無論是在實踐性、應(yīng)用性還是在創(chuàng)新性上，均符合CDIO教育模式的內(nèi)涵要求。文章通過課程教學(xué)構(gòu)思、設(shè)計、實施和反思與改進，構(gòu)建適合CDIO工程教育的課程體系，并在課程基本理論教學(xué)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建實踐教學(xué)體系和實踐提升模塊，培養(yǎng)學(xué)生對知識的綜合應(yīng)用能力，培養(yǎng)適應(yīng)社會需求和行業(yè)發(fā)展需要、具有團隊精神的設(shè)計人才。

［關(guān)鍵詞］CDIO教育模式；教學(xué)改革；基坑與邊坡工程；土木工程

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻標(biāo)識碼］ A ［文章編號］ 2095-3437（2023）04-0085-03

CDIO是一種被廣泛采用和普遍接受的工程教育模式，涵蓋產(chǎn)品構(gòu)思（Conceive）、設(shè)計（Design）、實施（Implement）和運行（Operation）的全生命周期[1-3]。該教學(xué)模式通過提供與實際工程有機關(guān)聯(lián)的教學(xué)情景，促進學(xué)生主動進行學(xué)習(xí)，從而提升學(xué)生的專業(yè)知識水平、個人專業(yè)素養(yǎng)、團隊協(xié)作精神和工程意識[4-6]。傳統(tǒng)教學(xué)模式以教師的“教”和學(xué)生的“學(xué)”為主，但是重點仍然放在教師的“教”上面，忽略了“教”與“學(xué)”作為一個有機整體的最基本規(guī)律。此外，傳統(tǒng)教學(xué)方法實踐環(huán)節(jié)效果不夠理想，教學(xué)方法相對單一，人才培養(yǎng)缺乏探索性和創(chuàng)新性，更不用說培養(yǎng)學(xué)生的團隊精神和工程意識了[7-8]，因此課程教學(xué)改革迫在眉睫。

基坑與邊坡工程課程是土木工程專業(yè)城市地下工程方向的一門專業(yè)必修課。該課程具有極強的實踐性、應(yīng)用性和創(chuàng)新性，而采用傳統(tǒng)教學(xué)方法難以達到預(yù)期的教學(xué)效果和教學(xué)目標(biāo)，會影響后續(xù)課程的學(xué)習(xí)和學(xué)生今后的發(fā)展。盡管筆者在該課程的教學(xué)過程中開展過一些教學(xué)改革方面的探索研究，但是效果并不理想。本文將CDIO教育模式應(yīng)用于基坑與邊坡工程課程的教學(xué)當(dāng)中，針對該課程教學(xué)過程中存在的突出問題，結(jié)合工程教育目標(biāo)和人才培養(yǎng)的辦學(xué)定位，對基坑與邊坡工程課程教學(xué)改革展開深入研究，希望對廣大土木工程專業(yè)教師的教學(xué)有一定的參考作用。

一、課程教學(xué)改革的必要性

基坑與邊坡工程課程作為土木工程專業(yè)城市地下工程方向的一門專業(yè)核心課程，要求學(xué)生在掌握基坑與邊坡設(shè)計相關(guān)基本理論的基礎(chǔ)上，根據(jù)實際工程問題制訂相應(yīng)的基坑與邊坡支護和加固方案，并通過選擇合理的巖土物理力學(xué)參數(shù)，完成支護結(jié)構(gòu)的設(shè)計以及施工圖設(shè)計和繪制工作。根據(jù)課程設(shè)置的內(nèi)在關(guān)系，要達到該課程的理想教學(xué)效果，學(xué)生必須完成工程地質(zhì)、土力學(xué)、巖土工程勘察、巖土軟件設(shè)計和工程制圖等課程的學(xué)習(xí)。但是，由于存在教學(xué)任務(wù)分配和開課時間安排不一等實際問題，上述課程一般由不同教師在不同學(xué)期進行授課，課程之間缺乏必要的聯(lián)系，嚴(yán)重影響課程教學(xué)效果。基坑與邊坡工程課程能夠有效地將上述課程有機地結(jié)合為一個整體，使學(xué)生在掌握課程基本理論的基礎(chǔ)上，全面提升知識綜合應(yīng)用能力。傳統(tǒng)教學(xué)模式過于注重教師的“教”，教學(xué)中仍然以灌輸式教學(xué)方法為主，教師和學(xué)生之間缺少必要的交流與反饋，因而難以調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和積極性。盡管在以往的教學(xué)過程中，一些教師也引入過具體工程案例，但是所用案例相對實際工程而言過于簡化、陳舊，無法讓學(xué)生了解最新的一些技術(shù)和方法，跟不上行業(yè)的發(fā)展。這樣的教學(xué)方法難以培養(yǎng)學(xué)生獨立思考的習(xí)慣和利用所學(xué)知識對實際問題進行分析的能力，難以達到人才培養(yǎng)的最根本目的。因此，需要從教師和學(xué)生的角度對該課程進行重新定位和重新設(shè)計，在引入新的元素來豐富課程知識體系的同時，還需要大力更新教學(xué)方法，從而實現(xiàn)由“教”為主向以“學(xué)”為主轉(zhuǎn)變。CDIO教育模式能夠?qū)崿F(xiàn)全生命周期的“教”與“學(xué)”過程，能夠全面提升教學(xué)效果，極大地發(fā)揮學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性和創(chuàng)新性。將CDIO教育模式應(yīng)用到基坑與邊坡工程課程教學(xué)當(dāng)中，不僅可以有效地避免教學(xué)過程中師生之間以及課程之間的“失聯(lián)”現(xiàn)象，使學(xué)生在掌握廣博的專業(yè)基礎(chǔ)知識的前提下，進一步提高知識綜合應(yīng)用能力，適應(yīng)行業(yè)發(fā)展需要，增強團隊協(xié)作精神，滿足社會對人才培養(yǎng)提出的新要求。

二、課程教學(xué)改革的過程

（一）教學(xué)構(gòu)思

CDIO教育模式的第一個環(huán)節(jié)就是構(gòu)思，其重點是分析產(chǎn)品設(shè)計應(yīng)考慮的功能、市場需求以及企業(yè)生產(chǎn)能力等方面的問題?；优c邊坡工程課程是一門綜合性極強的課程，需要針對行業(yè)動態(tài)，在學(xué)生掌握基本理論的基礎(chǔ)上，重點培養(yǎng)學(xué)生對基礎(chǔ)知識的綜合應(yīng)用能力，增強學(xué)生的團隊協(xié)作精神，使學(xué)生形成較強的工程意識等。傳統(tǒng)的教學(xué)方法往往著眼于某一章節(jié)的具體教學(xué)內(nèi)容，關(guān)注該章節(jié)的教學(xué)，而忽略了該章節(jié)在整個課程中的地位、市場對人才能力培養(yǎng)的要求、教學(xué)軟硬件現(xiàn)狀等方面的問題，從根本上反映出課程教學(xué)整體構(gòu)思的缺乏。根據(jù)CDIO教育模式的要求，要在傳統(tǒng)教學(xué)模式的基礎(chǔ)上提高該課程的教學(xué)效果，具體可從以下四個方面入手。

第一，重新評估基坑與邊坡工程課程在人才培養(yǎng)方面的地位。在培養(yǎng)方案制訂環(huán)節(jié)要充分考慮工程地質(zhì)、土力學(xué)、巖土工程勘察、巖土軟件設(shè)計和工程制圖等課程的內(nèi)在聯(lián)系和差異，確定排課的先后順序和對應(yīng)的學(xué)時分配，盡可能地降低授課內(nèi)容的重復(fù)率，將課程授課內(nèi)容和要求具體化。同時，通過設(shè)計不同的授課場景等方法，爭取讓學(xué)生將需要掌握的內(nèi)容一次性掌握，而不是通過重復(fù)教學(xué)的方法達到教學(xué)效果。

第二，改進部分課程的教學(xué)方法。上述幾門課程均為理論與實踐并重的課程，為達到基坑與邊坡工程課程的教學(xué)目標(biāo)，需要改進其中一些課程的教學(xué)方法。例如，工程地質(zhì)課程教學(xué)中心應(yīng)該逐步向?qū)嵉乜疾燹D(zhuǎn)移，通過教師教室和現(xiàn)場講解相結(jié)合、典型工程地質(zhì)地貌的實地考察、師生互動和現(xiàn)場作業(yè)的工程地質(zhì)實習(xí)方式，使學(xué)生掌握基坑與邊坡巖土層類別和分層的判別、巖層產(chǎn)狀測量、巖土層剖面繪制等知識和技能。對于土力學(xué)和巖土工程勘察課程，可以通過優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，重點進行土壓力計算、邊坡穩(wěn)定性分析、室內(nèi)土工試驗和現(xiàn)場原位測試方面的教學(xué)，并要求學(xué)生完成常見的室內(nèi)土工試驗和原位測試試驗，在試驗中學(xué)習(xí)和思考，從而逐漸掌握巖土層參數(shù)的試驗和具體取值方法。

第三，培養(yǎng)學(xué)生對實際工程案例進行簡化并建模的能力。進行基坑與邊坡工程設(shè)計需要運用一些軟件工具，教師應(yīng)結(jié)合工程案例讓學(xué)生掌握相關(guān)軟件的應(yīng)用方法，培養(yǎng)學(xué)生對實際工程案例進行簡化并建模的能力。工程制圖是基坑與邊坡工程設(shè)計成果表現(xiàn)的重要方式，傳統(tǒng)的工程制圖教學(xué)并未過多涉及基坑與邊坡工程的施工圖設(shè)計內(nèi)容，因此教師需要結(jié)合工程案例，采用實訓(xùn)的方式來強化這方面的教學(xué)、示范和練習(xí)。

第四，根據(jù)實際工程設(shè)計教學(xué)案例，設(shè)計不同的教學(xué)場景，引導(dǎo)學(xué)生完成工程設(shè)計。在課堂理論教學(xué)基礎(chǔ)上，采用獨立和分組研討相結(jié)合的方法，針對實際基坑或邊坡工程，通過工程勘察報告識讀、基坑與邊坡工程支護方案選取、巖土工程參數(shù)取值、支護結(jié)構(gòu)設(shè)計建模、施工圖設(shè)計及繪制等環(huán)節(jié)，完成實際基坑與邊坡工程設(shè)計，并在該過程中緊扣行業(yè)現(xiàn)狀，培養(yǎng)學(xué)生的自主思考能力和團隊協(xié)作精神。

（二）教學(xué)設(shè)計

根據(jù)CDIO教育模式可知，教學(xué)設(shè)計是教學(xué)效果實現(xiàn)的根本。傳統(tǒng)的教學(xué)設(shè)計專注于課堂知識點的講授時間安排、板書設(shè)計和多媒體課件制作等方面內(nèi)容。筆者以往在基坑與邊坡工程課程的教學(xué)中曾多次嘗試將工程案例設(shè)計到課堂教學(xué)場景當(dāng)中，但仍然是以教師的“教”為主，未能深入挖掘工程案例的內(nèi)在價值，并且學(xué)生的參與度較低，無法真正地發(fā)揮學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性和創(chuàng)新性。CDIO教育模式強調(diào)理論、實踐和團隊精神“三位一體”的培養(yǎng)模式，筆者基于CDIO教育模式要求，針對基坑與邊坡工程課程設(shè)計了如下三個教學(xué)模塊。

第一，綜合能力培養(yǎng)的理論體系模塊。根據(jù)教學(xué)目標(biāo)，基于項目化教學(xué)方法，對課程知識點進行系統(tǒng)分析，并將課程理論知識體系劃分為支護方案制訂基本理論知識體系、設(shè)計參數(shù)取值的理論知識、設(shè)計計算方法理論知識等模塊，針對不同的理論知識模塊，采用不同的教學(xué)方法，以達到相應(yīng)的教學(xué)效果。

第二，自主學(xué)習(xí)和探索能力培養(yǎng)的實踐體系模塊。基坑與邊坡工程課程是一門實踐性極強的綜合性課程，課程教學(xué)目標(biāo)是通過知識的綜合應(yīng)用能力培養(yǎng)來體現(xiàn)的。根據(jù)難度分級的原則，遴選適合不同學(xué)習(xí)階段的工程實際案例，構(gòu)建適合逐步提升學(xué)生自主學(xué)習(xí)和探索能力的實踐體系模塊。根據(jù)該課程的特點，將實踐體系模塊具體劃分為工程現(xiàn)場踏勘、勘察資料分析與加工、支護方案比較與選擇、支護結(jié)構(gòu)建模與計算和施工圖設(shè)計與繪制五個模塊。

第三，團隊協(xié)作能力培養(yǎng)的實踐提升模塊。傳統(tǒng)的基坑與邊坡工程課程過于強調(diào)個人能力的培養(yǎng)，盡管在以往課程設(shè)計實踐教學(xué)環(huán)節(jié)中多采用分組的方法，但仍然流于形式，對學(xué)生團隊協(xié)作能力的培養(yǎng)效果并不明顯。隨著我國基坑與邊坡工程數(shù)量與規(guī)模的逐年增加、基坑與邊坡設(shè)計理念的更新，建設(shè)單位對設(shè)計成果的要求、設(shè)計提交時間等提出了新的要求。因此，為社會培養(yǎng)更多符合市場需求的基坑與邊坡工程設(shè)計人才，在上述兩個模塊教學(xué)的基礎(chǔ)上，設(shè)計促進團隊協(xié)作能力培養(yǎng)的實踐提升模塊十分必要。通過該模塊的教學(xué)，可以提高設(shè)計團隊全體成員參與度，還可以提升設(shè)計成果品質(zhì)。BIM技術(shù)由于能夠?qū)崿F(xiàn)建筑全生命周期信息集成，達到提高工作效率和降低成本的目的，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外建筑行業(yè)當(dāng)中[9]，但是BIM技術(shù)在基坑與邊坡工程課程中的應(yīng)用尚處于起步階段。因此，筆者通過將BIM技術(shù)引入實踐提升模塊，進行實踐教學(xué)體系提升，在提高設(shè)計成果品質(zhì)的同時達到團隊精神培養(yǎng)的目的。

（三）教學(xué)實施

傳統(tǒng)教學(xué)模式是以教師的“教”為主的教學(xué)模式，不利于學(xué)生自主學(xué)習(xí)和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。CDIO教育模式有別于傳統(tǒng)教學(xué)模式，其主要特點是學(xué)生自主學(xué)習(xí)的全生命周期教學(xué)模式，但又不完全拋棄傳統(tǒng)教學(xué)方法?；优c邊坡工程課程教學(xué)的具體實施，可通過以下三個方面來展開。

第一，改善傳統(tǒng)課堂教學(xué)效果。通過多年的研究和發(fā)展，傳統(tǒng)教學(xué)已經(jīng)形成一整套完整的教學(xué)體系，在人才培養(yǎng)方面起到了不可估量的作用。因此，在CDIO教育模式改革過程中，不僅要繼承傳統(tǒng)教學(xué)的優(yōu)點，也要走出傳統(tǒng)教學(xué)模式中以“教”為主的誤區(qū)，促進教師角色的轉(zhuǎn)型，使“灌輸式”教學(xué)向“啟發(fā)式”教學(xué)轉(zhuǎn)化。因此，可以根據(jù)基坑與邊坡工程課程的三個教學(xué)模塊，有針對性地設(shè)計一些小試驗、小項目、課堂測試和課堂討論環(huán)節(jié)，從而改善傳統(tǒng)課堂教學(xué)效果。

第二，引入任務(wù)驅(qū)動、案例式和項目化教學(xué)模式。CDIO教育模式強調(diào)實踐環(huán)節(jié)的重要性，而基坑與邊坡工程課程教學(xué)與CDIO教育模式的吻合度高，且基坑與邊坡工程課程實踐體系模塊和實踐提升模塊均建立在實際工程案例的基礎(chǔ)上，更加有利于CDIO教育模式的實施。此外，根據(jù)工程案例，采用由簡單到復(fù)雜、循序漸進的方式對工程案例進行不同程度的加工，以任務(wù)驅(qū)動、案例式和項目化教學(xué)模式引導(dǎo)學(xué)生參與實際工程項目的全過程，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性和探索熱情，使學(xué)生在掌握基本理論知識的基礎(chǔ)上，全面提升基坑與邊坡工程設(shè)計的基本技能和解決實際問題的能力。

第三，探索基坑與邊坡工程設(shè)計的新方法，強化團隊協(xié)作能力培養(yǎng)。隨著我國城市化步伐的加快，大型基坑與邊坡工程數(shù)量與規(guī)模與日俱增，市場對基坑與邊坡支護方法和設(shè)計成果提出了新的要求，而傳統(tǒng)的基坑與邊坡工程設(shè)計方法已經(jīng)無法滿足當(dāng)前市場對基坑與邊坡工程設(shè)計的需求。為促進基坑與邊坡支護行業(yè)的健康發(fā)展，切實提高設(shè)計團隊成員的參與度，課程教學(xué)中可以引入BIM技術(shù)，對基坑與邊坡設(shè)計過程進行BIM建模，在傳統(tǒng)的基坑與邊坡工程設(shè)計成果的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)基坑和邊坡工程全生命周期信息集成，在提升設(shè)計成果品質(zhì)的同時，達到強化團隊協(xié)作能力培養(yǎng)的效果。

（四）教學(xué)反思與改進

根據(jù)CDIO教育理念可知，教學(xué)反思與改進是教學(xué)設(shè)計中不可缺少的一個環(huán)節(jié)，也是檢驗之前各環(huán)節(jié)效果的關(guān)鍵。對教學(xué)構(gòu)思、教學(xué)設(shè)計和教學(xué)實施效果的綜合評價以及必要的反思分析，有助于課程與教學(xué)有序和健康發(fā)展，培養(yǎng)適應(yīng)工程發(fā)展和社會需求的工程技術(shù)人才。評價基坑與邊坡工程課程教學(xué)效果，需要采用合理的考核方法，建議課程考核成績包括平時成績（10%）、課堂理論教學(xué)（10%）、基本實踐教學(xué)（10%）、實踐提升教學(xué)（10%）、期末考試成績（60%）五部分，其中期末考試成績又由卷面考試成績（50%）和實踐設(shè)計成果（50%）兩部分構(gòu)成。通過對考核成績分模塊統(tǒng)計分析，明確各模塊的分值分布規(guī)律，并對之前的模塊進行反饋，對教學(xué)方法進行調(diào)整，從而達到教學(xué)反思與改進的目的。

三、結(jié)語

基坑與邊坡工程課程是土木工程專業(yè)城市地下工程方向的一門專業(yè)核心課程，其教學(xué)目標(biāo)是培養(yǎng)專業(yè)技能扎實、富有團隊協(xié)作能力的現(xiàn)代基坑與邊坡工程設(shè)計人才。本文基于CDIO教育模式，從基坑與邊坡工程課程構(gòu)思、設(shè)計、實施和反思與改進四個環(huán)節(jié)出發(fā)，優(yōu)化教育方法，全面提高學(xué)生綜合知識應(yīng)用能力，并依托實際工程案例，構(gòu)建培養(yǎng)適應(yīng)市場需求、具有自主學(xué)習(xí)和創(chuàng)新能力的人才的教學(xué)模式，以期為土木工程專業(yè)人才培養(yǎng)提供借鑒。

［ 參 考 文 獻 ］

[1] 董康興，尹義方，宋微.“CDIO+PBL”教學(xué)模式在機電一體化課程教學(xué)的應(yīng)用[J].機械設(shè)計，2018，35（S2）：253-254.

[2] 莊宏，陳忠，唐文獻，等.CDIO項目式教學(xué)研究與設(shè)計：以面向工程教育專業(yè)認(rèn)證的工程圖學(xué)課程為例[J].大學(xué)教育，2019（3）：18-21.

[3] 劉杰，唐西婭，楊慶光，等.基于CDIO理念的土木工程專業(yè)教學(xué)研究[J].大學(xué)教育，2021（2）：87-89.

[4] 胡文龍.基于CDIO的工科探究式教學(xué)改革研究[J].高等工程教育研究，2014（1）：163-168.

[5] 王鈞，趙金友，徐嫚，等.基于CDIO理念的土木工程專業(yè)實踐教學(xué)體系構(gòu)建[J].教育探索，2016（1）：79-81.

[6] 薛永兵，趙風(fēng)琴，劉振民.基于CDIO教育理念的應(yīng)用型本科大學(xué)實踐教學(xué)體系的構(gòu)建：為激發(fā)大學(xué)生創(chuàng)新動力的實踐教學(xué)研究[J].大學(xué)教育，2019（10）：176-179.

[7] 高林徐，國強，衣麗芬.CDIO模式下創(chuàng)新型土木工程人才培養(yǎng)策略探討[J].中國校外教育，2014（24）：17.

[8] 張煜敏，劉振華，崔瑩.土木工程專業(yè)基于CDIO工程教育模式的優(yōu)化改革[J].教育教學(xué)論壇，2017（23）：124-125.

[9] 張璐.BIM技術(shù)應(yīng)用人才需求調(diào)研與分析[J]. 黑龍江工業(yè)學(xué)院學(xué)報（綜合版），2018，18（10）：19-23.

［責(zé)任編輯：周侯辰］