基于CDIO理念的《工程结构设计原理》课程创新与实践

许 勇，张季超，王可怡

（1广州大学 土木工程学院，广东 广州 510006；2中山大学 工学院，广东 广州 510275）

一、引 言

培养具有正确的工程与社会、经济、人文、科学观念，掌握现代工程技术的人才是社会对土木建筑类创新应用型人才培养的基本要求。虽然目前我国高等工程教育规模已跃居世界第一，但是培养的毕业生普遍存在着缺乏团队协作与交流、系统思维不足等问题，难以适应国际化公司对创新型人才的需求[1]-[4]。因此，祛除传统 工 程 技 术 人 才 培 养 体 系 的弊端，构建适应创新人才培养的平台课程结构，成为了我国现代工程教育亟待解决的热点问题。《工程结构设计原理》课程在揭示工程与社会经济、人文科学等相互关系方面发挥着不可替代的作用，是土木建筑工程不同学科门类之间相互关系的重要纽带，能否通过相应改革，发挥其在创新应用型人才培养中的积极作用，关系到土木工程、工程管理、建筑学等建筑类相关专业人才培养质量的控制。

创新应用型人才的综合素质往往体现在具有较强的学习能力、创新能力、实践能力、交流能力和社会适应能力[5]。为实现学生综合素质培养的目标，麻省理工学院等四所高校在充分研究从产品研发到产品运行的全寿命周期理论的基础上，于2001年提出了新型的现代工程教育理念——CDIO理念（Conceiving–Designing–Implementing–Operation，即构思-设计-实现-运作），通过给学生创造主动的、实践的、课程之间有机联系的课程学习环境，CDIO教育理念为国际工程教育的改革及发展创新了方向和思路[6]。为了探讨CDIO教育理念在高等工程教育中的实践模式，世界30多所CDIO教育改革与试点高校积极联合，分别从不同行业及角度开始了 CDIO 教 育 模 式 的 研 究[6]-[11]。 广 州 大 学 等 高校密切结合地方社会和经济发展的需要，以国家级土木工程特色专业的建设为契机，根据质量管理基本原则的要求，从课程的构思与设计、课程的组织与实施等方面出发，对CDIO教育理念在《工程结构设计原理》课程创新实践中的应用进行了探讨。

二、课程的构思与设计

根据WTO背景下企业发展的需求，培养适应经济全球化发展需要的高素质工程人才是高等工程教育改革的发展方向，因此必须使土木建筑类相关专业的学生通过《工程结构设计原理》课程的学习，在系统分析、计算机辅助设计、信息处理、文档写作和团队合作等方面的能力都有一个质的飞跃。

（一）优化课程结构体系

受教学学时、具体专业方向与学校特色等原因的制约，传统的《工程结构设计原理》课程设置往往带有明显的行业特点，如以道路桥梁专业为主的学校较多的体现了交通部规范体系的习惯，以建筑工程专业为主的学校则带有明显的住房和城乡建设部的规范体系的痕迹；对于工程结构中涉及的不同材料所组成的结构，也多采用相异的形式进行表述。通过课程的学习，学生难以对工程中所涉及的相关内容形成系统概念，学生综合运用能力以及思考问题的逻辑性、灵活性与广泛性大打折扣，必须优化课程结构体系。

受不同行业规范习惯的影响，工程结构设计方法的表述往往不统一，如建筑规范与桥梁规范对混凝土结构设计表达的差异、钢结构与混凝土结构规范设计表达的不同、以及地上与地下结构规范设计表达的差别等等。我国现行的《工程结构可靠性设计统一标准》（GB50153-2009）从土木建筑类专业大平台建设的角度出发，超越各行业规范的具体表述，提出了一套整合统一的设计表达理论体系[12]，以这一设计表达理论为主线，构建形成《工程结构设计原理》课程结构的一级平台，是创新应用型土木建筑类专业平台课程结构优化的突破口。具体的结构构件设计计算同样淡化行业规范的差异，以混凝土结构、钢结构、砌体结构等常见结构类型分类，分别搭建二级平台，作为优化后课程内容的拓展。

对于课程中涉及具体行业的计算及构造要求，则以模块的形式进行表述，为学生实践操作提供条件，是优化后课程内容的必要补充。

采用两级平台+模块的形式，一方面有利于学生形成系统的结构设计概念，另一方面还可有效解决课时不足的现状。

（二）配套课程实践项目

目前我国各高校制定土木建筑类专业创新应用型人才培养方案时，一般均将《工程结构设计原理》这一平台课程的教学活动安排在《专业概论》、《计算机辅助设计》等相关专业基础课程教学环节之后，此时学生除具备了一定的设计基础能力外，往往具有较多的自由时间和精力，适于深入进行科学的工程实践和创新。

工程信息模型是创建并利用数字模型对项目进行设计、建造及运营管理的过程[12]，通过将其应用于工程项目设计、施工和管理等全寿命周期的各个环节，工程信息模型正在快速引起建筑行业产生巨大的变革。参考实际工程的设计运作模式，我们在不增加教学成本的基础上，将工程信息模型的教学概念引入了《工程结构设计原理》课程教学环节，为学生在规定学时内完成项目的分析、设计（软硬件）、制作、调试及文档写作等能力的培养和提高课程实践的投入产出比奠定了基础。其优势集中体现在：通过整合课程设计，使协作在设计开始就“自然”地通过中心数据库实现，无须具体人员的参与、组织、管理，设计中的交流、沟通显而易见，但基本上不需要任何成本；改变了学生认识工程结构的方式，通过数字模型达到了更直接、更快速、更有效、更准确、更便宜的效果；通过数字化表现的“设计—检查—协调修改—再设计”循环过程，强化了方案设计和优化设计等设计手段教学效果，使学生明确了设计与施工问题的系统一致性，为培养学生消除设计错误和设计忽略的意识，养成系统设计的习惯提供了条件。

在锻炼和培养土木建筑类学生创新应用能力的过程中，实践教学环节发挥着不可替代的作用，应通过科学规划来提高其在教学过程中的效率。首先，在《工程结构设计原理》课程实践教学内容设计时，应根据理论教学目标的基本要求，按照“删、减、并、留、增”的策略[14]，在保证总体学时的基础上，通过适当减少砌体结构和木结构等非常用工程结构的理论教学学时，确保实践性环节的学时；其次，在课程实践环节中通过调整规划实践指导书，设置基本要求、提高要求和思考题等措施，使学生借助综合性设计课程试验和课程设计等环节，掌握工程结构的实验设计、研究测试结果采集、各种相关数据的后处理、实践环节报告编制等方面的基础知识；再次，实践环节应体现针对性、科学性和侧重性，宜从实际工程中常用的行业规范中选择重要的部分用于教学，避免将规范已经淘汰或禁止使用的内容用于实践教学，从而使学生在原理设计、实物制作、文档写作和语言表达等方面更加规范。

三、课程的组织与实施

（一）教学过程的设计

通过《工程结构设计原理》课程的学习，最后要求学生每人完成一个不同方案的梁板结构设计项目。因此，教师根据教学进度要求，在理论和试验教学环节要穿插完成项目设计、实施方法、设计常识、规范和技巧的讲解。学生根据自己所选定的题目要求，要求在教师指导下完成调研、讨论、设计、实施和总结的全部过程。

在教学实施过程中，学生首先要学会按工程要求进行项目分析、拟定《项目计划书》；利用结构力学求解器和建筑CAD技术，在计算机上完成原理设计、工程信息模型设计，然后撰写《设计说明书》；经过课程开放性试验设计，完成构件设计、制作、安装、调试和试验等环节，提交《课程试验方案》和《课程试验报告》等文档写作；最后还要进行演讲答辩。

（二）教学方法的改进

按照CDIO教学模式框架的要求，课程的教学必须应材施教，突出以学生为中心的教学理念，因此，《工程结构设计原理》课程教学过程中需灵活将CDIO理念中“构思-设计-实现-运作”思想有机贯穿于教与学 的各个 环节[5]-[10]。在 教学 过 程 中 教师可多采用提出问题、分析问题、解决问题的模式引导学生思考研讨，灵活应用宣讲方案和讨论方式，增加学生实践机会。在教学过程中教师不仅要引入工程的概念，而且要按照行业规范、工程标准和企业要求不断规范学生行为，培养学生协作意识。

为了规范教学行为，教师应注意遵循持续改进的原则，不断总结经验，找出各个知识点的重点和难点，做到讲解内容来源于规范又高于规范。在教学过程中，教师应按照CDIO工程教育模式的基本要求组织课程教学内容、选择教学方法并通过积极参与各种工程实践持续提高自身的工程素质；在系统把握和教授基本概念的基础上，应突出学生动手能力的培养，教师通过课堂引导和答疑解惑等方式，推动学生主动养成一体化的学习习惯，为其掌握适合自身特点的主动学习方法创造有利条件。

（三）考核方式的完善

根据现代建筑企业对创新应用型人才的能力要求，体现CDIO工程教育特点的土木建筑类工程技术人才培养模式的改革与发展必须强调人才综合能力的培养和个人开放性学习习惯的养成。因此，我们改变了传统课程考核“一考定终身”的考核方式，强调了过程管理及考核的方法，从考勤、平时作业、作品演示、报告文档和演讲答辩等方面进行综合考评。在考评时突出团队的作用，综合作业、作品和报告以团队进行评分，同一团队中不同组员的成绩完全相同；通过过程管理，避免了过程中“做多做少一个样”现象的出现，真正为团队实践创造了条件；课程综合考试参照国家注册工程师考试的模式，采用有限开卷的形式进行，强化了概念层面的基本知识熟练程度的要求，减少了学习过程中死记硬背的能力考核。实践证明，采用这种评价方式，强化了全员参与的意识，改变了以往课程实践环节由个别优秀学生独立承担的局面，可以更真实地培养和评价学生的综合素质。

四、结 论

基于CDIO理念的基本要求和总体框架，广州大学等高校结合国家级特色专业建设，经过多年的人才培养创新与实践，逐步确立了现代工程教育中土木建筑类专业“以人为本”的教育价值观、“以学生为主体”的教育角色观，“以能力为中心”的教育质量观和“以素质为中心”的人才培养观，建立了“两级平台+模块”的《工程结构设计原理》课程结构，并将工程信息模型等教学方法和概念有机融入教学过程。实践证明，这种模式不仅可以有效培养大学生的综合创新应用能力，满足经济全球化发展大潮下企业对工程技术创新应用型人才培养的需求，而且通过对学生主动学习习惯的锻炼，有利于学生培养建成开放性知识体系，满足企业对现代化工程技术人才的综合能力要求。

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