美国普渡大学土木工程综合设计课程分析

赵莉香+高波+苏谦+杨成

摘要：综合设计课程集土木工程项目分析、规划、设计于一体，是土木工程行业专业层面的团队项目设计课程。本文以美国普渡大学综合设计课程为例，介绍了设置该课程的目的和意义，展示了课程设计特点，分析了综合设计课程设计中的概念设计方案和备选设计方案阶段的工作要点，以及建造设计方案需要考虑的影响因素。综合设计课程可作为我国高等工程教育提高学生综合素质，增强学生工程实践能力的一种有效方法。

关键词：土木工程；综合设计课程；工程实践；概念设计

目前，我国高等工程教育專业课程设置模式培养的工程师在工程设计和操作实践能力方面还有较大的提高空间。类似问题也在欧美高校存在。20世纪90年代，欧美高校发现工程类课程在分门别类学习完成后缺乏一个根据其相互关系整合运用的过程，课程知识对综合实践的支撑力度不强，以至于“很多学生抱怨在高年级阶段的课程只是新增几门课程而己”。美国高等工程教育界为此制定了《重建本科生教育一一美国研究型大学发展蓝图》，呼吁开设综合设计课程（capstone course）。综合设计课程可以把零散的专业课捏在一起，引导学生自主、系统地运用已经学过的专业知识去解决世界问题，并留给学生更多的思考空间，比如社会、环境、人文；在技能上，除了计算和动手实践之外，更多地知道怎么去通过和别人系统配合完成工作。这在卓越工程师培养方面具有重要的作用和意义，同时受到高等教育界和工程界的重视，并得到了持续改进和建设。现在，世界发达国家和地区知名工科教育管理机构都要求学生参加综合设计课程，如美国工程技术鉴定委员会（ABET）、加拿大工程师认证委员会（CEAB）、韩国工程教育认证委员会（ABEEK）等，都对综合设计课程的设置和考核要求做出了规定。目前，全世界五大工程教育认证协定，即华盛顿协定（WashingtonAccord）、首尔协定（Seoul Accord）、悉尼协定（Sydney Accord）、堪培拉协定（CanberraAccord）、都柏林协定（Dublin Accord）也都对综合设计课程有所提及，五大协定对于专业实作课程的最低毕业学分比例要求均在1/4以上。因此，从我国工程技术发展的实际需求出发，参考国际工程教育的认证标准，加快综合设计课程建设，是助力我国工程教育质量争取国际认可的一个重要途径。为了更好地促进我国高校综合设计课程建设与发展，分析其课程的目标导向、结构体系、评价方法，以及与其他相关课程的关系，为我国高等工程教育综合设计课程研究提供参考和相关建议，本文课题组在国家留学基金委及四川省教改项目资助下，通过对普渡大学综合设计课程教学的现场观摩及实地考察，系统分析了其优势及教学操作要素。本文将以案例研究的形式为主，介绍综合设计课程的内容及作用，并分析其意义。

一、综合设计课程定义与设置意义

1.综合设计课程

罗伯特·杜雷迩给出了综合设计课程的定义：“本科最后阶段开设的课程，具有顶点性及体验性特点，其目标是把大学阶段学到的细碎的知识整合为统一的整体。为学生提供成功的体验并憧憬的未来。”因此，综合设计课程是为高年级工程类学科学生开设的整合性课程，是让学生整合、拓展、思辨和应用所学专业知识和专业技能，具有培养学生综合素质和帮助学生从学校顺利向专业工作岗位过渡的功能，为塑造学生可持续的职业发展能力打下坚实基础。

过去的课程设置在一定程度上未能充分强调课程之间的联系，也未能突出通识教育与专业教育间的固有关系，更缺乏从实际工程需求出发，引导学生跨学科整合多门课的知识（不限于专业知识）进行综合实践的导向。而学生只有通过把多门课程共同联系起来做一个完整的实践性活动，才可能认识到课程间的实际联系，掌握不同分工配合，理解团队协作的技巧，最终建立起对未来职业成就感的憧憬，并锻炼其作为工程负责人的领导能力。

2.普渡大学土木工程专业设置综合设计课程的意义

综合设计课程设置的意义需要从两个方面来理解：第一，支持学生深层次学习；第二，帮助学生从学校向专业工作岗位顺利过渡。

（1）支持学生深层次学习。综合设计课程为学生提供整合己获得的知识、技能和态度等的机会。深层次学习是一种基于理解、深入钻研、学用结合和自我反思的高等级学习，区别于浅层次学习中单纯的“教师传递知识一学生接受知识”的模式。综合设计课程在充分考虑学生个人兴趣与选择的情况下，努力激发学生内在的学习动机，要求学生把已有知识、经验及能力应用于真实的生活场景，找到解决问题的突破口，并学会多维度评价已有的方案并加以改善。通过具体问题导向的学习行为，学生在总结反思已有知识、提升专业技能、理解职业精神的过程中，可以实现对自身知识体系的“重构”，从而拓展综合视野并促进个人综合能力的提升。

波特兰州立大学自1994开始就要求高年级学生从230门综合设计课程中至少选择1门作为最低学分毕业条件。在该课程中，学生以小组团队的形式，通过完成一个综合项目，把以往专业课程内容与社会中的实际问题结合起来，最终达到课程要求的四个能力目标：交际能力，批判思维能力，道德的或社会的责任感，以及对人类经验多样性的欣赏能力。经过统计，目前最受欢迎的综合设计课程项目为申请拨款、移民和难民定居、小型商业项目咨询、工程设计和公共关系，都是需要较强的协作关系尚能完成的项目。

（2）帮助学生从学校向职场顺利过渡。2014年西南交通大学土木工程学院完成的企业用人单位调查问卷数据显示，社会对于学生的专业实践水平、沟通能力及团队合作意识等方面尚有更高的期待。综合设计课程正是为了积极满足用人单位的实际需求，注重课程与具体项目的结合性，通过多样化的教学方法和多元化的教学评价，挖掘学生各方面的能力与素质，帮助学生成长，为学生介入实际工程工作做好准备。

综合设计课程要求学生完成一些应用性的实践项目，如服务性实习、实习等，通过参加这些项目，学生把先前所学知识和技能应用于解决实际问题，有助于更加全面系统地培养起更具适应性的专业素质，具体表现为：在专业知识和技能方面，通过整合已有知识、提升专业技能，学生初步完成对自身知识和技能体系的构建。在职业精神和素养方面，提升团队合作能力、独立决策能力、沟通交流能力等。在专业意识和品质方面，提升安全、质量、责任意识，可持续发展意识，以及伦理道德等。在实践方面，提升动手能力，发现、分析、解决问题的能力，以及自我评价和评价他人的能力等。通过这些素质的培养和能力的提升，学生的职场竞争力和适应性大大增强，为进入职业领域做好了准备。

3.综合设计课程中的知识重构

基于五项基本的学习活动（团队合作、解决问题、决策制定，批判性思维以及信息沟通），在综合设计课程中整合相关的零碎的学科知识，从被动接受知识到关联碎片知识，在实践中获得经验，提炼、重构知识体系并应用于实践。图1展现了基于五项基本学习活动的综合设计课程知识重构体系。

二、普渡大学土木工程综合设计课程教学要求

普渡大学土木工程综合设计课程按照“规划、设计、土木工程分析”流程展開，是一个涉及尽可能多土木工程专业主要层面的、满足综合性和现实性的集体项目。该课程每学期招生30～120名学生，3个学分。课程按照团队授课，每周召开两次团队会议，每次持续2个小时，会后有一个50分钟的简介会。这个课程的所有学生都被要求参加简会。

课程负责人由专业实践教学人员中的资深专家担任，负责总体安排教学内容并作为每个简介会的发言人。课程教学团队成员负责若干个简介会，同时在办公室会议中扮演咨询顾问的角色。在课程开始前，要制定针对具体项目的综合设计课程设计指南（RFP，Requests forProposal）。指南由课程负责人、指导教师、教学助理和项目负责人共同起草完成。

三、土木工程综合设计课程的特点

1.组建课程团队

（1）团队标识。在综合设计课程中，每一个团队要设置代表自己团队特征和精神的LOGOS、信头、图纸标题栏格式、表格格式来标识自己。

（2）团队成员个性标识。综合设计课程设计团队组成后，第一个活动就是让成员互相认识，了解个性差异。普渡大学职业咨询办公室会对学生做个性类型介绍（比如：外向/内向、敏感/直觉、思考/感受和判断/感知），帮助团队成员学习和理解队伍中各种各样的个性类型，然后形成麦尔斯一布瑞格斯性格类型指标分析报告，该报告可以反映出学生怎样看待事物，如何做决策，确定自己的优点，从中理解不同个性团队成员之间如何协同合作并为团队完成既定任务做出贡献。

（3）团队组成。基于对学生所有学年平均成绩、核心课程成绩、工作经验、计算机软件技能和麦尔斯一布瑞格斯性格类型指标的分析，考虑团队平衡性因素，不同个性及成绩的学生被分配到各个团队中。每个土木工程设计项目团队的规模在5～8名学生，取决于课程总体的注册人数。5个团队共用一个办公室，并配备一名工程经理。根据教学人员和安排调度，一般不超过15个团队。工程经理一般都是土木工程专业毕业的教学助理，有时会由来自社会团体的志愿的专家人才来担任。除了办公室，团队还拥有一个设计实验室，配备小型模型试验、工程计算、制图等专业设备、软件及相关参考资料。

（4）团队专业道德。综合设计课程还强调行业道德及工程伦理教育，除了要求每个团队在公开会议中陈述其对与项目相关的专业道德的理解外，还将专业道德和工程伦理作为基础课程考试的要求。

2.开展项目设计教学

在每个学期，所有团队围绕同一个项目展开工作。这些项目均处于早期规划阶段，是真实的当地项目。历年来，这些项目的总体设计费用为200～1000万美元。比如，2010年综合设计课程就是基于项目“Varsity softballcomplex”设计的，项目金额近400万美元。项目开展流程如下：

①听取项目规划和管理介绍讲座。

②每个团队研究RFP（Request forProposals），并在规定时间内按要求完成书面项目计划书。

③在当前学期的第二个月完成课程设计第一阶段计划书，并做口头汇报展示。

④接下来，团队评估和修正他们的计划书，作为课程设计第二阶段提交成果的一部分内容要求。

⑤个人和团队要分别详细记录每周的工作进度和内容。进度表和项目费用在最终成果评估中起到作用。

RFP几乎和发布的真实项目一样，关键的部分包括（见图2）：如果需要，附加信息和信息需求回应通过使用RTF的附录提供。这为每个团队及时提供了同样的信息。

3.社会参与教学

与项目有关的人员都被结合到综合设计课程设计过程中。此外，近期退休的当地工程师一般作为志愿者参与到课程中。对于普渡大学校园的项目，由普渡建筑师办公室工作人员提出总体规划，并给出该学期的综合设计课程设计项目适应规划建议。普渡大学设计与施工团队都会参与到课程设计中。在每周两次的晨会上，来自当地公司的工程师会简述当地土木工程实施情况，包括公共事业设备、LEED案例学习、路面和交通条例、结构设计、坡度折减和排水、工程预算、联系和筹措资金的渠道以及项目交付方法，工程师会参与并协助提案评估，这也是课程成果的一部分。

在这些设施的设计与建设中，需要考虑的往往不仅仅是技术问题，还有社会影响。有鉴于此，简报和提案展示会议会经常包括西拉斐特的市长、一个或多个西拉斐特市议会成员、市政工程的职员、教师，以及那些即将使用这些设施的使用人。

引入上述多方人士对工程方案加以建议及评估的原因在于，设计和建设中经常需要解决甲方需求、社会影响、可持续发展、城市形象、文化传承等非技术问题。综合设计课程带给学生的确实不囿于专业技能和知识，而是建立起了工程技术和社会需求之间的桥梁，这些需求不仅仅是物质的，还可能是非物质的；不仅仅是短期，还可能是长期的，而这恰恰是培养高层次工程人才所需要突出的教育内涵。

四、综合设计课程案例

目前，大部分土建类综合设计课程设计大致分为两个阶段：

第一，概念设计方案阶段，主要包括设施及其位置的概念设计、项目使用的规范、交通规划等方面的内容，该阶段还包括备选方案在内的辅助性内容。

第二，方案建造实施阶段，这个阶段主要考虑方案实施过程中的组织协调、造价优化、环保节能及财务管理等方面的内容。

下面以普渡大学西拉法叶分校的总体规划设计为课程案例，系统介绍围绕该项目的课程设计要素及结构体系。

1.概念设计方案及其备选方案分析

（1）概念设计。综合设计课程中的概念设计重点突出了参数化概念设计，参数化概念设计可以成为推进绿色建筑实践的一种方法。它借助于逻辑推演和关系运算，通过调整参数，优化和建立参数概念模型以便于分析。

每个团队关于项目（包括备选的方案）的概念设计（考虑西拉法叶校区和普渡大学的总体规划）包括：①列出该种类型项目使用的规范；②场地平面图，包括建筑物分布、行车道和人行道规划、停车场、公共设施，包含电力、水、天然气、污水、电信光纤电缆的管道分布；③关键控制工程立面图，设计考虑最大洪峰的影响；④交通计划，包括来往的多种交通运输工具及在建过程中的交通流量；⑤环境因素，包络污染物处理、现有湿地处理，及按需要提供的环境评估书；⑥侵蚀、冲刷防护；⑦USGBCLEED信用评级：实现绿色建筑施工的评级；⑧其他所需说明或规划的概念元素的设计。

（2）备选方案分析。备选方案分析的根据是：①普渡大学和西拉法叶校区的总体规划；②地下环境及替代基础方法；③场地污染处理方法；④分级排水；⑤施工可行性分析包括施工材料和施工方法（包括大型施工设备）的评估；⑥公共设施（电力、水、污水、天然气等）⑦其他因素，如印第安自然资源和环境管理部门的影响。

2.建造设计方案阶段

一个学期的综合设计课程交付的设计建议书应包括以下内容（图3）：

提交的所有计算都必须独立完成，由团队的另一个成员检查和签字。必须在规定的最后期限前提交，晚提交的文件不被接受。要求提交的信息包括图纸、计算、日程表、电子表格等。除了项目介绍以PPT格式提交外，其他信息必须是电子文档，通常使用PDF格式。团队也需要提交该项目设计的多份纸质版材料，包括一套图纸（以比例11：17，280x432mm纸绘制），一份备选方案设计书，包括成本和调度组织计算书。

五、团队成果评级和反饋

该课程对学生成果的评估通常一学期举行两次。一次在第一阶段结束，一次在课程结束时，以网络匿名问卷的形式进行。对成果的评级规则由教学团队所有成员共同制定。成绩由两部分组成：教学团队评估的成绩和同学互评的成绩。

（1）教学团队评价。教学团队至少需要3名成员共同评审。教学团队讨论每个团队的设计水准，并达成共识，给每个团队的设计予以一个适当的评级。一个团队的所有成员都是相同的等级。这是因为，虽然成员各自都忙于解决项目的不同组成部分，但其设计都处于同一背景和环境，因此，交付的成果被认为是群体努力的结果。

（2）同学间互评。同学之间互评进行两次。第一次是在设计第一阶段之后，对提交材料和自我展示进行评价；第二次是在第二阶段课程结束时。同学互评为匿名评估。

等级评定之后，不同团队之间进行互相评估，并依据两个阶段的互评结果，对最终结果做相应的调整。

六、结论

综合设计课程作为一种以整合知识、连接社会、提高综合素质能力为目的课程，契合了科学、经济社会和高等教育发展的要求。综合设计课程采用讨论、模拟、报告、讲座、案例分析等教学形式，贴近工程实作环境，通过综合应用实践项目，让学生把先前所学知识和技能应用于解决实际问题。综合设计课程非常关注学生在专业知识以外的领域能力发展，强调学生综合素质的协调提升。而这些综合素质的具备往往比单一的专业知识更重要。

到目前为止，我国高等教育界对综合设计课程的研究和开发尚处在起步阶段，对国外相关成果与经验的介绍很少，也缺乏政策保障与激励。长期以来，我国高校在专业教学上强调学生的专业知识积累和专业能力培养，而对于专业课程之间的知识整合及相关能力提升，以及辅助的非专业能力培养重视不够，对于学生沟通表达、书面写作、团队合作、批判反思等能力的培养顾及较少，培养出来的学生在理论基础和实际工作能力方面逐渐无法满足现代工程前沿技术的需求。

美国普渡大学土木工程专业开设综合设计课程的经验值得我们学习与借鉴。通过在高等工程教育领域积极探索综合设计课程建设，从知、情、意、行方面培养学生综合能力，使学生能够在实践中整合四年所学专业知识，对培养理论联系实际的卓越工程师具有重要意义。同时，积极推进综合设计课程教师培训、项目申请与安排、课程辅助人员的联系沟通机制、教学场所、教学效果评价体系等方面的工作。