土木工程應用軟件類課程OBE教學模式的研究與實踐

關鍵詞：成果導向教育；工程教育專業(yè)認證；BOPPPS；項目教學法

2016年，中國正式加入“華盛頓協(xié)議”（WA），這一里程碑事件標志著中國工程教育實現(xiàn)了從“大國”向“強國”的重要轉變［1］。自2017年起，土木工程專業(yè)評估被納入全國工程教育認證的整體框架之中。該專業(yè)的評估嚴格按照工程教育認證的核心理念和評價標準，正式實施土木工程專業(yè)認證制度［2］。與中國20年來土木工程專業(yè)教育評估的教學條件審核標準不同，工程認證評價體系關注的重點是學生能力的培養(yǎng)，注重教育的達成評價及持續(xù)改進。土木工程專業(yè)評估（認證）新標準將培養(yǎng)目標達成度、社會需求適應度、師資和條件支撐度、質(zhì)量保障運行有效度、學生和用人單位滿意度“五個度”作為判定認證通過的重要因素［2-3］。

OBE（Outcome-Based Education）是以產(chǎn)出為導向的教育理念，由美國William G.Spady提出［4］，以產(chǎn)出導向、學生中心、持續(xù)改進作為教育內(nèi)涵和要素，先后被美國工程技術認證協(xié)會（ABET）及國際教育學界認可。經(jīng)過30余年的探索和應用，OBE已經(jīng)發(fā)展成為一個相對系統(tǒng)的教育理論體系，貫穿于工程教育和人才培養(yǎng)的全過程，并作為工程教育認證的核心標準，確保了工程教育的質(zhì)量［5］。

自2017年起，東北林業(yè)大學全面實施OBE教學理念，將“以學生為中心、成果為導向、持續(xù)改進”確立為人才培養(yǎng)方案和課程體系構建的核心指導原則。土木工程應用軟件類課程的理論性、實踐性強，對工程教育認證體系下的土木工程專業(yè)人才培養(yǎng)目標的達成具有很強的支撐作用。通過課程教學，學生可以掌握專業(yè)軟件操作技能及相關的工程設計理論方法，鍛煉綜合運用專業(yè)知識理論解決復雜工程問題的能力。對照工程認證標準，課程設計及組織實施中尚存在的主要問題：（1）課程定位偏低，對畢業(yè)目標指標點的支撐不達標；（2）課程目標與企業(yè)的需求脫節(jié)；（3）課堂模式陳舊、授課理念保守；（4）課程實踐教學難度偏低；（5）考核方法單一，課程監(jiān)督與評價體系不完善［6］。

按照培養(yǎng)創(chuàng)新思維好、團結協(xié)作能力佳和解決復雜工程問題能力強的新型綜合人才［5］的指導思想，筆者所在課程團隊在完善課程資源平臺建設的基礎上，針對土木工程專業(yè)建筑工程方向的建筑工程計算機輔助設計課程特點，在課程定位、課程目標、課堂教學、考核方式等方面開展了以實現(xiàn)OBE教學理念為目標的課程建設及教學方法探索，旨在為土木工程專業(yè)類似課程的教學提供借鑒和啟迪。

一、課程建設的邏輯和目標

（一） 課程建設的基礎

建筑工程計算機輔助設計課程是東北林業(yè)大學土木工程專業(yè)建筑工程方向本科生開設的一門專業(yè)課，課程與本科生畢業(yè)設計及學科專業(yè)競賽聯(lián)系緊密，每年學生的選課率不低于60%，課程開設在第六學期，理論課16學時，上機實驗課24學時。

課程已連續(xù)開設25年，由建筑工程系智能建造課程群教研組承擔教學任務。目前課程教學團隊由6名教師組成，其中雙師型教師5人，所有教師均具有博士學位。教學團隊注重老中青階梯配置，55歲以上1人，在課程質(zhì)量監(jiān)督及青年教師授課能力的培養(yǎng)中發(fā)揮重要作用；40歲以下青年教師3人，致力于課程信息化教學資源建設和實踐教學環(huán)節(jié)學生指導；課程負責人積極推進課程信息化教學、線上線下混合式教學改革，規(guī)劃團隊教師的培訓及培養(yǎng)，具有豐富的課程教學經(jīng)驗，課程團隊在專業(yè)課教學中形成的“基礎知識理論-專題專項研討-工程案例應用”三段式教學傳統(tǒng)為課程中BOPPPS模型及項目式教學模式的引入奠定了扎實基礎。

（二） 課程的邏輯與內(nèi)容

課程定位與時代需求脫節(jié)是土木工程專業(yè)結構設計軟件類課程普遍存在的問題。在“扔掉圖板”改變“手算手繪”的時代，專業(yè)軟件作為當時先進的生產(chǎn)工具引入課堂，掌握軟件建模原理和人機交互操作方法的課程教學是符合當時行業(yè)發(fā)展需求的。隨著信息技術的快速發(fā)展，課堂教學已不是獲取知識的唯一途徑，僅將軟件知識及其操作技能訓練作為課程學習的主要內(nèi)容已不能體現(xiàn)課程的先進性和認知的高階性，工程軟件應用類課程的價值在信息技術工具與專業(yè)應用場景的融合中實現(xiàn)了效益的創(chuàng)造和效率的提升，課程中的軟件只是專業(yè)知識理論系統(tǒng)性應用的載體，課程教學是通過軟件功能的演繹和應用方法的探討來促使學生鞏固和完善工程設計工作相關的專業(yè)知識及學科理論，在探索工程問題解決方法的過程中建立起符合工程規(guī)律的思維方法，并將學習的經(jīng)驗遷移至類似的工程問題中。專業(yè)知識的積累和實踐能力的訓練是課程的根本任務，課程具有典型的工程實踐屬性，這要求所傳授的課程教學內(nèi)容應具備認知高階性、目標導向性、內(nèi)容前沿性和實踐驅(qū)動性特征［7］。

基于上述課程邏輯，課程內(nèi)容的組織框架如下：在課堂教學環(huán)節(jié)中，以軟件操作流程學習為主線，通過課堂內(nèi)容的講解和學習實現(xiàn)工程設計相關專業(yè)知識的梳理歸納、完善鞏固等課程知識目標的達成，同時兼顧工程問題的思維培養(yǎng)和專業(yè)視野的拓展等能力目標和情感目標的實現(xiàn)。在實驗課等實踐教學環(huán)節(jié)中，以工程設計工作流程為主線，學生通過較復雜工程情景下工程設計工作的真實體驗，將完成項目的學習經(jīng)驗和感悟內(nèi)化為解決工程問題的專業(yè)能力。同時通過課外自主學習以及學生之間的協(xié)作互助，提升學生發(fā)現(xiàn)、分析、解決工程問題的能力，實現(xiàn)科學探究、團隊合作和創(chuàng)新思維的能力培養(yǎng)，真正體現(xiàn)課程的認知高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)性等課程價值。

（三） 以行業(yè)需求為出發(fā)的課程目標

根據(jù)工程教育專業(yè)認證對社會需求度的要求，必須對人才培養(yǎng)目標和課程定位進行深入調(diào)研，確保滿足社會及用人單位的需求。東北林業(yè)大學土木工程專業(yè)的培養(yǎng)目標是使學生成為適應國家建設和社會發(fā)展需要，具備堅實專業(yè)知識、良好人文素養(yǎng)、高尚職業(yè)道德，具有社會責任感、團隊協(xié)作精神、創(chuàng)新意識和國際視野的土木工程領域一流工程師。依此人才培養(yǎng)定位，結合課程內(nèi)容、特點及能力培養(yǎng)的側重點，對標勘察設計院結構工程師工作崗位，通過課程學習幫助學生在未來設計院技術崗位的競聘中建立優(yōu)勢。從企業(yè)需求出發(fā)，在哈爾濱、北京等地多家建筑設計院開展調(diào)研，通過與設計院管理崗位、生產(chǎn)崗位的資深工程師訪談，概括了設計院生產(chǎn)崗位對新入職本科畢業(yè)生的能力需求：（1）具備清晰的力學概念和知識，能定性判斷結構構件的受力狀態(tài)；（2）具有較清晰的結構概念，熟悉框架、剪力墻等基本的結構體系；（3）熟悉獨立基礎、樁基礎等簡單基礎類型的設計；（4）熟悉常用結構設計規(guī)范并會查閱使用；（5）能應用結構設計軟件進行常規(guī)結構的建模；（6）扎實的工程識圖能力，能規(guī)范表達結構施工圖，有一定的文案寫作能力；（7）具有工作責任心和團隊協(xié)作精神。結合行業(yè)需求的課程能力要求，在課程大綱修訂中明確了3個課程目標。

課程目標1：了解工程設計軟件相關行業(yè)知識，了解工程設計中的職業(yè)操守和道德規(guī)范，樹立工程師的社會責任感。

課程目標2：掌握YJK等結構設計軟件的基本原理及操作方法，掌握運用設計軟件建立較復雜工程結構模型的方法，能夠應用軟件對結構模型進行結構設計相關分析、計算，并提取結果。

課程目標3：能夠應用結構設計軟件輔助完成結構設計相關的圖紙、計算書、分析報告，能應用工程軟件解決較復雜的結構工程問題。

對照工程教育認證要求，課程目標可明確支撐職業(yè)規(guī)范、工程知識、問題分析、設計解決方案、現(xiàn)代工具等畢業(yè)要求的指標點。課程實施的實踐環(huán)節(jié)對工程與社會、個人與團隊、溝通、終身學習等畢業(yè)要求指標點也有明顯的支撐。

二、教學模式的構建

課程目標明確了“學什么”，課程教學設計要解決“怎么學”。傳統(tǒng)的教學設計強調(diào)專業(yè)知識的系統(tǒng)性和完整性，授課主要按照“講授—練習—考核”模式進行。教學效果依賴于教師在教學、管理和實踐方面的投入，而學生則處于被動接受知識的狀態(tài)，缺乏主動思考和探究學習的機會，導致能力內(nèi)化效果不佳。學生是教育的主體，這也是OBE教育理念的核心要素之一。為此，課程團隊借鑒構建主義的BOPPPS課堂模型和任務驅(qū)動項目教學法，對傳統(tǒng)的三段式教學模式進行了創(chuàng)新，以促進課堂從“教師主導”向“學生主導”的根本轉變。課堂教學的BOPPPS模式如圖1所示。

（一）理論課的BOPPPS 模式

BOPPPS模型強調(diào)“以學生為中心”，通過導入（Bridge-in）、目標（Objective）、前測（Pre-assess?ment）、參與式學習（Participatory Learning）、后測（Postassessment）、總結（Summary）［8］6個環(huán)節(jié)的作用及其相互關系，實現(xiàn)參與式學習，以突出學生課堂學習的主體地位。

課程中引入BOPPPS模型期望的效果：（1）給學生提出明確的學習目標，提升課堂教學的有效性；（2）讓學生積極參與課堂教學過程，突出學生的主體地位；（3）通過互動方式探究專業(yè)問題，培養(yǎng)學生的工程思維和創(chuàng)新意識；（4）通過課前測及課后測，加強課程監(jiān)管，實時了解學生的學習動態(tài)，及時反思課程教學中的問題和不足；（5）通過授課模式的改變和實踐，轉變?nèi)握n教師的教育觀念。

課程組織設計過程中，將理論授課的16學時分為課程導論、軟件原理及操作、案例及設計專題三個遞階的模塊，明確課程內(nèi)容與課程目標如下。

（1）課程導論。概述信息軟件技術與土木工程的關聯(lián)及現(xiàn)實意義，明確課程學習意義、內(nèi)容、學習方法及課程要求。課程教學內(nèi)容主要實現(xiàn)課程目標1。

（2）軟件原理及操作。主要實現(xiàn)課程目標2，注重強調(diào)工程設計軟件的基本原理、邏輯關系及操作流程，少量引入軟件發(fā)展動態(tài)和行業(yè)動態(tài)，拓寬學生的知識維度，補充實現(xiàn)課程目標1。

（3）案例與專題。實現(xiàn)課程目標3和目標2。以某框架-剪力墻結構體系的高層寫字樓為工程案例，利用結構設計軟件完成從建筑圖識圖到工程施工圖出圖全過程的學習。在案例分析過程中，穿插“水平結構體系設計”“豎向結構體系及基礎設計”“工程設計參數(shù)”“平法規(guī)則及施工圖”等專題學習，彌補學生在結構設計理論和工程知識方面存在的不足。

課程模式的構建因課程內(nèi)容不同而有所差別?！罢n程導論”模塊，采用講授法實施課堂教學，以開闊學生的視野，讓學生了解課程學習的意義和方法?！败浖砑安僮鳌蹦K涉及課程主要知識內(nèi)容，分配的課時不多，課堂上以講授法教學為主，保證軟件知識的系統(tǒng)性和連貫性。課堂教學采用“知識點回顧—導入新課—知識講授（課堂練習、提問）—課程總結”傳統(tǒng)模式進行，同時部分借鑒BOPPPS模型以增強課堂內(nèi)外的互動。在課前，教師通過學習通課程平臺發(fā)布講義、參考資料和影音資料，讓學生自主完成預習。課堂上，教師通過講解、互動、歸納和總結，確保知識傳遞的條理性和層次性。“案例與專題”模塊采用BOPPPS教學模式，學習內(nèi)容涵蓋一個完整的工程項目案例。教師詳細介紹工程結構設計的完整流程，并通過工程案例設計進度來推動學生完成軟件功能的學習及操作。課程中適時擴展相關知識理論，開展相關規(guī)范條款的專題或互動學習。課程內(nèi)容的深度及各環(huán)節(jié)的課時分配具有一定的彈性，以便更廣泛地開展學習互動。課程的組織框架如圖1所示。三個階段的課堂教學均可充分利用學習通線上課程平臺，實現(xiàn)微課自學、作業(yè)驗收和定期答疑。

（二）項目式教學法的實施

項目式教學法是一種以項目為驅(qū)動的自主構建學習方法，其核心特征是以項目為主線、教師為主導、學生為主體［9］。項目教學模型在課程中的應用能夠帶來以下效果。（1）突出課程學習的實用性及實踐性。將源自設計院的實建工程項目引入課程，學生面對原始的工程條件、凝練而成的任務清單、真實的工程情境，通過項目的實施感悟課程學習與工作崗位需求之間的聯(lián)系，感受創(chuàng)造性工作帶來的成就感與價值感。（2）強化學生的自主學習。教師對學生的工作給予充分的尊重，在明確統(tǒng)一任務目標后，學生可自行組建協(xié)同工作小組，組內(nèi)任務和分工、完成任務的方法和途徑、提交作品的展示形式均不作限制，給學生充分的時間和空間實施項目探究與實踐。（3）實現(xiàn)課程評價的客觀性。課程組教師關注學生在項目執(zhí)行過程中的能力發(fā)展，分階段對學生作品進行評價，引入學生互評機制，確保過程性評價與總結性評價的客觀公正。

上機實驗課（24學時）分為驗證性實驗（8學時）和綜合性實踐訓練（16學時）兩部分。驗證性實驗旨在鞏固軟件基本操作，通過完成規(guī)定項目作業(yè)積累經(jīng)驗，教師協(xié)助學生解決軟件學習中的困難與疑惑。在課程設計時，實驗課任務可接續(xù)理論課的案例題目，學生在復盤案例的過程中印證、對比、歸納、總結理論授課中的知識，進而形成可移植于一般工程設計流程的知識體系。每堂實驗課都有明確的主題和任務要求。學生通過照片、視頻或作業(yè)、報告等形式，在課程平臺上提交實驗結果。教師審閱后會及時向?qū)W生反饋，從而形成“課堂講授—課上練習—教師評價反饋”一個完整的教學循環(huán)。這樣的教學安排優(yōu)點在于學生在獨立完成一系列的規(guī)定工作時，逐漸熟練軟件操作，也能夠得到及時的幫助。由于有理論課堂學習的鋪墊，學生軟件上手難度降低，多數(shù)學生獲得了良好的學習體驗，課程學習的興趣和信心顯著增強。

項目式教學主要實施在綜合性實踐訓練階段。項目式教學法的實施框架如圖2所示，經(jīng)過課堂教學及驗證性實驗課訓練，學生已具備較復雜工程結構建模的能力，課程的高階能力目標在項目任務解讀、任務探究實踐、凝練設計成果的過程中得以實現(xiàn)。工程項目源于設計院真實工程，工程相關結構模型、計算書、施工藍圖等全套資料在完成項目任務后可在課程平臺內(nèi)查閱學習。設計任務實施以小組為單位，每小組由3～5名學生組成，各小組獲得相同的設計任務書、建筑圖、地勘資料等初始工程資料，課程布置的工程項目平面體量可分為若干相互關聯(lián)的區(qū)域，建模工作由組長負責分配，確保每位學生均要完成其中的一部分，組員完成模型后按要求完成整個項目模型的組合。任務書明確給出項目設計的技術指標和進度要求，由小組長協(xié)調(diào)小組成員共同完成各階段的工作。項目工作期間，16學時的課內(nèi)實踐主要包括教師指導、階段工作成果分享、驗收答辯等環(huán)節(jié)，最終的成績按照任務書的完成度及質(zhì)量標準由師生共同評議，按比例計入課程成績。

三、課程考核及評價方法

成績是量化課程學習效果的重要數(shù)據(jù)，也是課程持續(xù)改進的主要依據(jù)。課程考核采用筆試成績40%+平時成績10%+實驗成績50%的方式進行，全面考核學生的知識目標和能力目標達成情況。

（1）筆試成績。筆試不僅考核理論知識，更關鍵的是通過備考過程促使學生對理論知識和技能方法的深入梳理和總結，這使得筆試成為提升課程教學成果的重要環(huán)節(jié)。考試采用半開卷方式進行，學生可在自備的一張A4紙上查閱任意與課程相關的筆記，除此之外不允許查其他學習資料。

（2）平時成績。平時成績依據(jù)線上課程平臺統(tǒng)計的視頻學習時長及線上測驗成績得出。平時成績的分值小、采分點多、分散性好，可反映學生課程學習的過程性和持續(xù)性，利于發(fā)現(xiàn)教學中的薄弱環(huán)節(jié)。

（3）實驗成績。成績由教師評分和學生評分組成，其中設計方案（10%）、模型建模與分析（10%）、施工圖繪制（10%）、項目成果展示（20%）。設計方案、模型建模、施工圖繪制等技術性得分由教學團隊全體教師按項目驗收標準取平均分計入成績，教師評分隨實訓項目的開展適時在課程平臺公布，以激發(fā)學生的競爭意識和責任意識，促進團隊協(xié)作。項目成果展示成績采取學生互評的方式，各小組錄制項目實施報告視頻，由學生按評分要點對各組的項目實施報告進行評分，取評分數(shù)組的眾值作為小組該項得分，小組所得分數(shù)由組內(nèi)成員討論后分配給每一位組員。在明確評分規(guī)則和標準的前提下，將部分成績的評價權限賦予學生，在參與課程評價的過程中增強學生對待工作的責任意識，同時實現(xiàn)了課程考核的多元化。

四、教學效果及改進

（一）課程實施的效果

BOPPPS課堂模式和項目式教學法注重課程過程管理和教學互動，對課程配套的資源有較高的要求，兩輪課程的實施推動了課程講義、教案、微課視頻、試題庫、閱讀材料等課程資源的建設，圖書室專業(yè)規(guī)范和圖集的利用率大幅提升。

BOPPPS授課模式的引入提升了課程教學的有效性，學生利用線上課程平臺的教學資源和課程自測，解決了軟件流程操作等相對簡單和程序化的課程內(nèi)容學習，緩解了授課課時少的壓力。教師可以更從容地在課堂上開展提問、討論等教學互動，從而實現(xiàn)以學生為主體的課堂教學效果。

項目教學法在綜合性實踐訓練環(huán)節(jié)發(fā)揮了積極作用。在工程項目任務分配時，每個小組任務相同，各小組起點相同，平行工作，可以在同一個時點上實現(xiàn)階段成果的總結和對比。學生在小組內(nèi)對工作任務具有一定的選擇權，避免了怠學情緒的產(chǎn)生。學生在以項目為主體的探究式學習過程中，有了前期理論課程及課內(nèi)實踐訓練，掃清了實施項目前的技術困難。少數(shù)基礎差、學習能力弱的學生也會在小團隊的幫助下開展工作，學生在互助互學的過程中培養(yǎng)了團隊責任和服務意識。在項目實施過程中，學生邊學、邊想、邊做的過程是一個發(fā)現(xiàn)問題、尋求答案進而解決問題的實踐過程。項目完成后，學生有機會展示和匯報工作成果，并通過評價其他小組的作品來反思和獲得對自己工作的啟示。布置的任務工作量及質(zhì)量標準挑戰(zhàn)性較高，達到了“跳一跳”才能“夠到”的教學效果。在完成項目的過程中，學生既鍛煉了專業(yè)能力，又磨礪了工作意志，能夠深刻體會土木工程行業(yè)創(chuàng)造性工作帶來的成就感。

（二）持續(xù)改進

根據(jù)課程目標對應的畢業(yè)要求指標點，對課程目標達成情況進行了分析，最新一輪課程的3個課程目標的達成度分別為0.85、0.82和0.71。課程組對課程教學的評價分析結果表明：學生對軟件相關理論知識掌握較好，掌握了相對復雜建筑工程結構的建模、分析、設計方法。然而，在課程學習之后，學生在專業(yè)知識的積累和基礎理論知識的運用方面存在欠缺，特別是在結構體系概念、荷載及作用效應組合、結構構造等方面尤為明顯，體現(xiàn)在項目成果上主要表現(xiàn)為工程制圖功底不扎實、施工圖的規(guī)范性和圖面質(zhì)量有待提高、對規(guī)范和圖集的使用不夠熟練。為此，提出如下改進措施：（1）針對學生反饋課程學習中存在的問題給出相關學習建議；（2）在后續(xù)課程中優(yōu)化施工圖專題部分內(nèi)容，增加構造措施樣圖的CAD臨摹繪圖等針對性作業(yè)，補充方案設計相關案例；（3）將課程中遇到的問題反饋給上游和后續(xù)課程，以完善課程體系，彌補學生在知識和能力方面的不足。

五、結語

給出了基于OBE理念的土木工程專業(yè)結構設計軟件應用類課程的實施方案，以建筑工程計算機輔助設計課程的教學為例，重點說明了課程目標的制定、課堂授課模式的改進、工程設計能力為導向的創(chuàng)新實踐、考核評價及持續(xù)改進的措施。從實施效果看，初步實現(xiàn)了課程教學與OBE教育理念相契合的課程改革目的。然而，優(yōu)質(zhì)課程的建設和教學改革不是一蹴而就的，筆者認為基于OBE理念的土木工程專業(yè)軟件應用類課程的課程建設還應重視以下工作。

（1）能力提升與素質(zhì)培養(yǎng)并重。充分發(fā)揮課程與真實工程項目緊密聯(lián)系的優(yōu)勢，在教學環(huán)節(jié)中實現(xiàn)知識目標和能力目標的同時，借助豐富的工程案例，將社會責任、工程師操守等課程思政元素融入教學，深植責任意識、工匠精神，引導正確的金錢觀、奮斗觀、價值觀，助力學生成為順應時代發(fā)展、適應社會需求的人才。

（2）重視課程團隊建設。OBE理念的教學從目標設立到教學環(huán)節(jié)設計、從課堂實施到課后監(jiān)管、從課情反饋到持續(xù)改進，均需傾注大量的時間和精力。召集洋溢著思想和熱情、執(zhí)著于人才培育的優(yōu)秀教師，凝聚成一個能分工協(xié)作、銳意進取的課程團隊是實現(xiàn)課程高質(zhì)量建設的核心。

（3）重視學習引導和監(jiān)督。BOPPPS模型和項目式學習法注重學生參與課堂，課堂的互動勢必會減少課堂教學的容量，將屬于課堂的初級學習內(nèi)容適度遷置到課外不可避免，放手學習但不能放任不管，要重視課外學習的動態(tài)監(jiān)管，實時了解學生學習狀態(tài)，把握學生的學習進度，并給予及時的引導和輔助。

（4）科學互動，有效教學。課堂教學的基本任務是實現(xiàn)授課內(nèi)容與課程預期目標的契合，課堂教學的策略、構成要素、操作流程要行之有效，BOPPPS課堂模式的實施要具備實施的條件和實施的必要，避免生搬硬套而適得其反。