CDIO工程教育模式下的《工程结构》课程教学改革*

2021-06-22李京军牛建刚

砖瓦 2021年6期

李京军牛建刚

（内蒙古科技大学土木工程学院，内蒙古包头 014010）

《工程结构》课程是工程管理专业和工程造价专业的学科基础与专业必修课程之一，培养学生直接用于房屋建造、工程管理、工程造价、工程监理、建筑设计等岗位工作中所必需的结构分析能力，掌握房屋结构构件的基本计算原理和初步设计方法，是理论性及工程实践性较强的一门土木工程专业课程。但在实际授课及教学过程中，授课教师往往只重视对理论知识的讲解，而忽视工程实践环节[1]。CDIO工程教育理念为《工程结构》课程实现兼顾理论性及工程实践性为目标的教改模式提供了新的思路。CDIO工程教育理念是由美国麻省理工麻省理工学院和瑞典的几所高校于20世纪90年代末发起，以培养国际化工程师为目标，并重理论知识的掌握与工程实践运用，能够有效解决理论知识与实践技能学习之间的失衡问题，是构思(Conceive)、设计(Design)、实现(Implement)、运行(Operate)英文单词首字母的缩写。我国于2005引入该工程教育理念，其经过几十年的发展，已对我国工程教育的各个方面产生了深远影响[2]，并初步完成从引进模仿到本土化、特色化的转变[3]。CDIO工程教育理念被广泛应用于具体课程中的教学设计改革，并被证实该教育理论在课程中的运用能够增加课堂灵活性，可以培养学生主动思考的能力和解决工程中的实际问题的能力，这对于工程人才的培养大有裨益[4,5]。

1 《工程结构》课程教学现状

《工程结构》课程以建筑力学、结构制图及建筑工程材料等先修课程为基础，内容涵盖混凝土结构、钢结构、砌体结构、结构抗震等这几门专业课程的核心要点，课程内容理论性和实践性较强，特别强调对学生理论联系实际理念的培养[6]。

1.1 课程体系建设

对部分高校来说，工程管理及工程造价专业课程及教学体系因开课或办学年限较短，教学经验欠缺，不能根据专业培养要求内容统筹计划与安排，教学方法有待进一步完善[7]。此外，部分高校力学基础课与该门课同步开设，学生力学知识储备匮乏，对该课程中的结构概念模糊不清。

1.2 课程教学及学习观念

各院校对工程管理及工程造价的专业定位和课程设置存在差异，划归学科不同，部分院校将其归类到经济或管理学科。《工程结构》课程教学内容多、课时少，再加上部分授课教师对实际工程问题理解不到位，对课程教学内容盲目删减，导致学生在思想上对该课程的重要性缺少认知。

《工程结构》课程逻辑性强，知识体系抽象，挂科率较高。部分首次接触该门专业课的学生，在还没开始进行深入学习时，就已形成“课程难，易挂科”的观念，甚至从思想上直接放弃。除此之外，部分高校工程管理及工程造价专业文、理科兼招，许多文科生数学及力学基础薄弱，且由于已对该课程的学习产生畏难情绪，这更加剧了师生之间的教学矛盾。

1.3 理论知识储备

笔者通过近几年的授课发现，工程管理及工程造价学生普遍对力学知识掌握不全面，导致学生对《工程结构》课程中涉及的力学问题力不从心。此外，近几年相关规范进行了修正，而《工程结构》教学资源更新滞后。每个学校的专业定位、教学水准、侧重点不同，任课教师往往依据自己的理解侧重混凝土结构和砌体结构的讲授，而对钢结构、结构抗震内容讲授较浅，导致学生所学知识体系不完整。

1.4 实践教学

纵观全国各高校来说，对于实践教学方面的实行程度参差不齐，部分高校甚至并未设置与课程相关的课程设计，也没有其他形式的实践实习环节。这就使得学生难以将抽象且复杂的课本知识与理论实践相结合。

2 基于CDIO工程理念的《工程结构》课程教学改革

2.1 教学目标设置

针对《工程结构》课程设置5个教学目标。教学目标1：掌握工程结构的基本计算原理和工程结构材料的力学性能，在实际工程中所遇到的各种问题，能够使用在学校所学的知识去进行独立解决。教学目标2：掌握钢筋混凝土受弯、受剪、受扭、受压和受拉构件承载力计算方法，能够运用结构原理等理论知识分析工程问题。教学目标3：掌握钢筋混凝土楼盖结构的设计方法以及楼盖的配筋构造，能够对土木工程的复杂问题进行识别和分析，解决复杂工程管理方面的问题。教学目标4：了解砌体结构的基本概念以及构造措施，理解预应力混凝土结构的概念、分类、施工方法、预应力损失等，能够运用力学和结构原理等基本理论分析工程中的一般性结构问题。教学目标5：理解工程结构的整体设计思想，了解单层工业厂房结构、空间结构、结构抗震、装配式结构的设计思想，能够创新设计结构模型，对模型实验现象进行分析总结，提炼出工程结构抗震设计思路。

2.2 教学内容改革

《工程结构》课程教学内容繁杂，课程中涉及的力学概念及力学公式多。因此，在授课过程中优化课程内容的主次尤为重要。在授课过程中首先要抓住课程主要内容，同时应梳理知识主线，如砌体结构的主要内容是砌体和砂浆强度承载力验算；钢结构主要是钢构件的连接以及稳定性分析；结构抗震主要是抗震设防目标和抗震措施。再通过典型构件的受力状态进行理论阐述、例题分析、工程实例展示，这样学生更容易接受和理顺知识点，增强实践技能。

2.3 实践内容创新

以框架结构振动台加载试验为例进行实践内容创新。课程教学实施流程及课程任务形式及要求分别见图1、图2。

图1 教学实施流程

图2 课程任务形式及要求

按照图1所示教学实施流程，将学生制作的框架模型在模拟振动台加载，通过改变地震波输入、裁剪杆件等步骤，让学生身临其境地感受地震发生时结构的受力表现。实践后的总结分析和汇报研讨，使学生掌握了结构抗震设计的思想与方法，理解了杆件逐步失效后结构受力机制的变化，记住了抗震控制指标和相应构造措施，从实践中获得抗震设计经验。通过让学生进行设计体验分享，教师逐一点评，结合加载实验现象讲解工程结构抗震设计思想，使学生掌握的抗震设计思想更加系统化、专业化。该实践内容创新的思路能够激发学生学习兴趣、锻炼学生动手能力，加强协作能力，与CDIO工程教育理念契合。

2.4 教学方法改革

针对传统教学模式下学生对课程兴趣度不高和学习主动性不强的情况，提出“激发潜能，自主学习；内外结合，全面提升”的教学理念，并围绕课外教学平台建设、课堂教学模式创新及形成性考核体系建立等方面进行课程建设与改革，具体建设内容及改革成效如下：

a.开发课外教学平台，督促学生做好课下自主学习

多途径创造学生自主学习平台，将课程视频、实验录像、互动式仿真动画、工程结构图片、课件、习题库等大量辅助教学资源上传到课程教学网站上，为学生提供了一个开放式学习环境，通过督促学生做好课下学习工作，使学生的主动学习能力加强。引进了装配式建筑虚拟仿真实验项目和抗震虚拟仿真实验项目，让学生通过实训来接触前沿的科研实验。教学过程中不断补充新东西，收集课程知识两万多条并形成微信知识库，扩充了专业信息量。创建了微信公众号，设置知识问答、作业展示、课程活动三个板块，使师生的课程互动变得更加便捷。

b.精心设计教学效果，提升教学效果

①深挖课前工作，开课前实施“我身边的工程结构”活动，使学生提前进入课程情境。调整课程内容，革除部分偏、难理论介绍，使新的课程架构更具有通用性，更有利于学生专业基础的拓宽和综合素质的提高。

②课堂授课过程中，实行按位置签到制，节约了课堂教学时间，实现了点对点的管理，学习风气得以加强。精心策划和实施教学过程，使课程重点和难点相互衔接、自然过渡，使讲授的知识内容顺序与人脑生理健康的兴奋节奏相吻合。

③采用问题导向法授课，将教学内容提炼为问题，让学生带着问题去思考和学习，培养学生主动学习和思考的好习惯。通过一课一布置的方式，提高大家对知识模块的总结能力，使学生在查阅资料和课外习题演练过程中对所学内容有了全新的认识。实施探究式教育，如开展“风对结构的影响”专题研讨，要求学生查阅文献后用PPT汇报，使学生在对土木工程抗风设计的深入思考中，加深对结构设计理论的理解。

④为培养学生创新意识，通过模型制作的方法，针对空间结构开展了学生创新实践活动。学生利用分散的压杆和连续的拉绳设计出张拉集成“索穹顶”结构，以拉绳施加预应力使体系成型。在制作过程中，学生对预应力张拉过程中的各种损失有了深刻体会，对后续理论课程的学习大有益处。

⑤采用体验式互动教学法，将学生制作的框架模型在模拟振动台加载，通过改变地震波输入、裁剪杆件等步骤，让学生身临其境地感受地震发生时结构的受力表现。实践后的总结分析和汇报研讨，使学生掌握了结构抗震设计的思想与方法，理解了杆件逐步失效后结构受力机制的变化，记住了抗震控制指标和相应构造措施。而编写设计说明书、经验总结、答辩研讨等一系列任务，使学生的学、研、算、讲、辩等多方面的能力得以提升。

c.加强过程管理，构建形成性课程考核体系

课程考核手段是滞后同样是难以带动学生学习热情的主要因素之一。与传统课程考核方式类似，目前很多高校对于《工程结构》课程的考核方式主要是卷面成绩及平时学生出勤、作业两方面构成，缺乏实践性内容。鉴于考核手段滞后的问题，笔试更多强调学生对知识的理解和应用，提出可以带规范进考场，卷面成绩占总成绩的60%，空间结构创新模型占10%，抗震模型及总结汇报占20%，学生作业、研讨、学习笔记和出勤等共占10%。