土木工程专业信息化教学的改革与探索——以《土木工程结构软件应用》为例

刘 方，李九阳

(长春工程学院,长春130012)

一、信息化技术对土木工程专业人才培养的意义

伴随着信息技术的飞速发展和全面普及，各行各业都焕发了新的生机。作为高等教育的传统工科专业——土木工程，在时代和行业的发展中必须与时俱进，积极推进信息化技术的学习与应用。因此，从2020年开始，土木工程专业抓住我校传统专业升级改造的契机，积极推进信息化技术教学内容和信息化教学方法的改革，促进专业内涵式建设。

(一)土木工程专业信息化技术的应用

随着移动互联网技术的发展，以移动、社交、云计算和大数据分析为代表的新一轮信息技术浪潮快速涌现，已经对各行各业形成了前所未有的冲击。信息化技术对土木工程行业的影响虽然不像其他行业那么大，但是各种工程技术与互联网相结合的软件已在工程设计、施工建造、运行管理等方面得到了广泛应用。因此，高等教育应当高度重视并深刻理解信息化技术对工程教育的重大影响，积极推进信息化技术在高等教育中的推广，使学生掌握现代化的工程应用软件，培养出一批符合未来需要的新时代工程师。

土木工程的建设过程分为建筑设计、结构设计、施工建造和运营维护等主要阶段，针对我校土木工程专业的特点，土木工程专业构建了从建筑设计、结构设计、施工建造全过程的信息化技术应用的教学体系，开设了先进绘图技术CAD、BIM建模基础从二维到三维的建筑设计软件；《土木工程结构软件应用》(PKPM软件、盈建科软件)、BIM技术综合应用等结构分析软件；BIM造价软件、智慧工地管理软件的施工建造软件等课程。各课程教学团队积极学习，掌握工程软件的特点，探索软件课程的教学方法，为土木工程专业学生信息化能力培养提供了可靠保障。

(二)信息化技术在课程教学中的应用

在高等教育领域，通过网络资源共享，实现了足不出户就可以获取更多的优质教学资源，慕课、微课等网络课程等已经开放；翻转课堂、混合式教学等教学方式的改变，有利于教与学主体的转变，使得课程改革产生了新的技术支撑。因此信息化教学，不仅可以提高教师信息技术应用水平、更新教学观念、改进教学方法、提高教学效果，而且可以鼓励学生利用信息技术手段自主学习，增强运用信息技术分析解决问题的能力，提高学生的综合素养。信息化教学还可以打破学校与社会之间的壁垒，实现优势互补，取长补短，强化学生适应能力。

因此，土木工程专业积极鼓励教师广泛进行课程建设和教学改革、教学方法和手段的革新，推进信息化技术的应用。例如：广泛利用慕课、超星等国内外精品课程资源建设混合式课程；鼓励专业教师进行在线精品课程、校企合作课程的建设；利用学习通、智慧树等网络教学手段，革新课程教学方式；完善课程考核和评价机制，充分调动学生课外学习的积极性等。特别是2020年初受新冠肺炎疫情影响以来，学习通、智慧树、腾讯会议、腾讯课堂等网络信息化实体工具被不断开发和利用，并且由此带来一系列的教学变革。土木工程专业信息化的课程建设，产生的是鲶鱼效应，使得教与学都发生了深刻的变革，对人才能力的培养也更全面。

(三)信息化技术与信息化教学对土木工程专业人才培养的意义

通过利用信息化、大数据、云平台等网络信息技术整合已有教学方式及创新教学模式，是实现高等教育现代化的必然选择。土木工程是国家倡导中华伟大复兴的大国制造战略必不可少的一环，土木工程专业人才培养的信息化技术和教学改革也应该首当其冲，这是历史赋予每个土木工程专业教师的责任与担当。

土木工程专业人才的培养目标是毕业生能够在有关土木工程的勘察、设计、施工、管理等部门从事技术或管理工作。其六条培养目标之一是“熟悉现代土木工程技术工具，能够分析和解决土木工程或相关领域的设计、施工、管理、咨询过程中的复杂工程问题”，因此熟悉各种现代土木工程技术软件对人才培养目标起到重要的支撑作用。针对利用教育信息化技术提高大学生学习效率，培养学生的软件应用能力，本文以《土木工程结构软件应用》课程教学为例，基于教育信息化对该课程从教学内容、方法及考试评价体系进行了教学改革实践。

二、《土木工程结构软件应用》的教学改革与创新

《土木工程结构软件应用》课程支撑土木工程专业11条毕业要求的第5条，即“学会使用土木工程专业必备的现代工具，包括勘测设备、测试与检验设备、文献、计算机及应用软件等，能够选择恰当的工具进行测试和分析，包括对复杂工程问题的预测与模拟，并能理解每种工具的局限性”。对应的课程目标有两个：一是利用相关专业软件进行建模、数据输入和计算分析；二是利用相关专业软件进行结果图形显示和结构、构件图的绘制。因此课程教学团队针对这门信息化教学课程，结合现代化教学手段进行了课程教学内容和教学方式的改革，对土木工程专业人才毕业要求提供支撑，对课程教学改革提供借鉴。

(一)软件更新

目前，国内土木工程专业的毕业设计都是围绕信息化、创新性、工程应用等方向展开，而这些都离不开土木工程计算机软件的应用。国内主流的结构设计软件有PKPM、盈建科、迈达斯和广厦等。这些软件各有千秋，有的善于计算，有的精于构造，有的功能全面，有的与国际接轨最早。其中，PKPM在国内应用得最早，用户最多，但是其模块太多操作不便，像PK、PMCAD、TAT、SATWE、JCCAD、STS、SAP有限元等众多模块，一个模块一个钥匙盘，各个模块之间还存在着兼容性的问题。信息化要求教学必须与时俱进，因为PKPM的先天缺陷，导致其在教学和工程应用领域受限，其市场正逐步被其他后起之秀赶超，所以之前教学采用的PKPM结构软件被盈建科取代。

盈建科结构设计软件，是由PKPM的创始人陈岱林开发，其算法先进、功能集成度高、操作便捷，而且与PKPM广大用户的操作习惯相同，因而有后来居上的发展趋势。对于应用型本科教学而言，盈建科更为先进和前沿，所以基于盈建科软件应用的教学，越来越成为土木类高校的计算机软件应用的必选项。

(二)教学内容改革

《土木工程结构软件应用》是在已经完成了相关结构类专业课程之后开设的课程，它是毕业设计之前的一次结构专业知识综合以及信息化训练，学好这门课对于学生完成毕业设计以及培养工程实践应用能力至关重要。其教学脉络见下图1。

要实现课程目标，就离不开图1的盈建科软件应用的各个能力点的达成。这些能力点涉及的课程及知识点非常多，所以盈建科软件在土木工程教学中的应用是一门综合性很强的课程，只有掌握了这些软件应用的能力点，才能在毕业设计中游刃有余，才能在工程实际应用中有的放矢，而非纸上谈兵。

《土木工程结构软件应用》这门课以往的教学内容都是以建模为主，至于计算参数设置和计算结果分析，其教学内容非常少。在框架结构建模时，还有不少学生将非承重的隔墙也输入模型，甚至把门窗都放进框架结构模型中，分不清建筑模型与结构模型的区别。在梁板布置中，随同建筑图，不论房间的开间与进深的大小，就是一块大板，板厚仅有100mm厚却敢跨越十多米的跨度，毫无结构体系、结构构件尺度的概念。

综合毕业设计中结构计算软件的应用，以及《土木工程结构软件应用》专业课教学的反馈，以建模为主导的教学模式必然会出现很严重的技术问题，使得教学人员不得不反思，《土木工程结构软件应用》到底是为了设计而建模，还是仅仅为了建模而建模？很显然，建模是设计的一个组成部分，是过程而非结果，所以只有明确了设计所要的结果，才能合理地进行建模。比如：建模离不开结构布置，而结构布置又与结构设计、参数设置、结果分析密切相关。所以，只讲建模，而不看结果，或者是看不懂结果，以及不会处理建模后产生的结果，就会导致以建筑模型来代替结构模型，那么即便建立的模型再怎么漂亮美观，但是结构体系错误、结构布置不合理，在实际工程应用中却极易发生倒塌的严重后果。因此以建模为主导的的教学模式必须予以改革。

教学改革的重点是围绕工程应用的实例开展教学。以盈建科软件的操作界面为导引，不断强化训练学生对结构体系、基本原理、构造要求、概念设计、施工图设计和规范应用等结构核心内容的串联与学习，建立相对完整的结构知识体系。从图1上可以看出，建模仅占全部教学内容的一小部分，而参数设置和计算结果分析上的技术细则更是教学及应用的主体内容。《土木工程结构软件应用》的教学离不开学生各门专业课的知识点的掌握，但是学生在学习盈建科软件应用之前，专业基础参差不齐，如何让学生迅速进入状态是需要进行教学创新的，墨守成规还用老一套的教学模式和手段肯定行不通。

盈建科软件应用的教学内容、学时安排、教学方式见表1所示。

表1 土木工程结构软件应用的教学内容、学时安排、教学方式

为了更好地完成结构软件应用的教学，首先要选好一个具有代表性的实际工程，比如框架结构从建模到计算，到方案优化，到上部结构施工图设计，最后到基础设计。在这一系列操作过程中，将结构专业课的考点联系起来，将结构规范和101平法图集的应用引入进来。从而由点及面、触类旁通地建立学生结构形式的设计理念及思维方法，至少是让学生能找到解题钥匙。使学生知道如何正确应对不同结构建模，如何设置参数，或者是通过查找什么规范来获得这些参数，如何获得计算结果，如何分析计算结果，如何根据超筋超限信息来调整和优化结构布置，如何绘制施工图，如何判别程序自动生成的施工图中的错误，以及如何调整等。

总之，在结构软件应用教学改革中，不断将规范、图集、施工图常规做法以及专业课的知识串联起来，使学生建立起相对完整的结构专业知识体系。

(三)教学手段改革

综上所述，《土木工程结构软件应用》这门课程的教学内容被扩充了非常多，那么接下来的问题就是如何在有限的学时内完成这么多的教学内容。

这就是教学手段的改革，即线上线下混合式教学。经过2020年全面网络教学平台的建设，目前学习通、QQ学习群、腾讯会议、智慧树、微信学习群、腾讯课堂、网络直播等网络教学工具被充分开发和利用。有些特别耗时的教学内容，比如：程序操作步骤的教学内容，就完全可以放到线上来进行；还有关于结构设计参数的学习，非常繁杂，也可以录制好视频放到学习通中，让学生线上学习，然后通过学习通出选择题、判断题、填空题进行测验，利用学习通自动阅卷系统进行快速评判，以此来督促和检验学生线上学习效果。那么，节省下来的时间，在线下、在课堂上，就可以有针对性地以答疑为主，以解决作业共性问题为主，以学习通中错题的解析为主，这样就会有的放矢、事半功倍，在节约有限课内教学时间的基础上最大化提高教学质量和扩充教学内容。具体的考核方式及对应的课程目标见表2。

(四)考核方式改革

增加网络教学的占比，改革以期末考试为主的成绩分布形态，扩大平时成绩的比重。

表2的成绩占比分配，是经过了一个学期4个班级《土木工程结构软件应用》的教学情况总结出来的。其中：土木1843、1844班的达成度为0.708，土木1845、1846班的达成度为0.7，可见刚刚满足达成度要求，下面分析一下原因。

在表2中，学习通测验的成绩占比仅为7.5%，这个占比是比较低的。原因是这部分教学内容涵盖的知识点超级多，而且需要学生具备一定的专业功底，而大部分学生要么专业基础一般，要么光会背诵理论条文，不能理论联系实际，一碰到具体的问题就束手无策了。因为这些现实情况决定了学生并不能

表2 考核方式及对应的课程目标

适应软件实际操作的考点，但是这些考点对于完成优秀设计的帮助却很大，所以随着《盈建科在土木工程结构软件应用教材》的编撰，以及《盈建科在土木工程结构软件应用习题集》的发布，学生能够更直观更便捷地学习，因此学习通测验这部分的比重可以大幅度提高，建议提高到20%，以督促学生理解和记忆考点。

结构软件应用最主要是培养学生软件实际操作的能力，所以每一个学习单元作业的作用就突显出来了。课后作业要求学生必须在理解的基础上，依托规范和图集进行设计和操作，对于学生的计算机能力和动手能力要求更高。因此，可以适当加大作业的成绩比重，将35%调到40%，以强化训练学生的动手能力。

因为盈建科软件应用的课程性质属于实践类，一环扣一环，前面出错就会导致后面出现系统性错误，这就像多米诺骨牌一样。所以要强调过程控制，只要前面的过程都控制住了，那么最终程序计算和输出的结果一定不会差。遵循这一原则，一锤定音的期末考试的比重可以适当降低，由50%可以调到30%。

三、本课程对土木工程专业人才培养持续性改进的意义

根据本课程教学团队的教学过程分析及经验总结，建立了用于支撑土木工程人才培养持续改进的机制；成立了课程持续改进小组，由课程负责人任组长，组织执行并监督每一轮的课程持续改进工作；制定了持续改进措施，如平时成绩持续改进机制：根据每届学生学情，课程组教师每单元汇总学生平时成绩考核的各项指标，及时调整学生的学习状态，并做相应的记录；实践考核持续改进机制：及时批改学生各单元的实践作业，总结之后，在下次课上讲解，或是通过学习通发布讲解视频；期末考核持续改进机制：对学生操作的熟练程度及掌握情况进行分析，将分析结果用于研究课程讲授情况，将在补考学生及下一届学生中进行持续改进。

本课程将评价周期定为每年评价一次，目前学习通等网络教学建设已经进行了一学期，现在正在编撰专用合适的教材和习题集。当教材和习题集出版以后，可以将达成度目标值由0.7上升调到0.75。采用成绩分析法进行评价，评价所需要的毕业要求及权重参见《土木工程专业课程对毕业要求的支撑及权重》，评价结果用于持续改进。

四、结论

盈建科软件在土木工程教学应用中的改革与创新，是信息时代赋予教师的历史使命。改革软件应用的教学内容，创新其教学模式和评价体系，是专业人才培养的要求，是工程应用的要求，是新工科教改的要求，是信息化职业化的要求，是大势所趋，是人心所向。以实际工程案例为载体，通过线上线下混合式教学，不断丰富盈建科软件应用的教学内容，不断完善盈建科软件应用的教学模式和教学效果，砥砺前行，终将不辱使命。