OBE理念下 “钢结构课程设计” 教学改革研究★

张春玉，陈 勇，左敬岩

（黑龙江科技大学建筑工程学院，黑龙江 哈尔滨 150022）

0 引言

“OBE” 是成果导向教育（Outcome-Based Education）的简称，是指以预期学习成果为中心来组织、实施和评价教学的过程。OBE强调 “教育是一种能力培养、能力训练” 的过程。OBE是世界高等教育的发展趋势，也是中国工程教育改革的主要方向之一。随着中国加入《华盛顿协议》并成为签约成员，标志着中国开始了工程教育认证国际化之路，继而以成果为导向和以学生为中心成为工程教育认证的核心理念［1-4］，这些理念为国内高校工科课程进行教学改革提供了新的思路。

在2021年的两会上 “碳达峰” “碳中和” 被首次写入政府工作报告，标志着我国节能减排工作进入快车道。目前，我国在建造中所产生的建筑能耗占社会总能耗的1/3（不包括生产建筑材料所产生的能耗），每年城乡新建房屋面积80%以上、既有建筑95%以上为高能耗建筑，每年建筑垃圾资源化率不到5%，每年建筑施工和建筑垃圾运送对空气污染的贡献率达20%。可见，建筑行业是节能减排工作的重灾区。钢结构建筑具有工业化程度高、施工周期短、性能优越、造型优美等一系列的优点，最主要的是钢结构属于绿色建筑，该结构可减少施工污染，拆除时也可最大限度减少建筑垃圾，实现建筑材料的重复利用［5］。2016年我国粗钢产量约占全球粗钢总产量的50%，产能严重过剩，而钢结构的应用可提高钢铁的利用率、缓解产能过剩、实现钢铁的战略储备。同时，我国钢结构工程建筑面积占总建筑面积的5%左右，与美国、日本等发达国家40%以上的占比相距甚远［6］。可见，钢结构在我国各个领域的应用和发展具有广阔的前景。

为了提升人才培养质量，切实考虑毕业生的就业需求，推进我校工程教育认证工作，土木工程专业钢结构教学团队在深刻理解 “学习产出” “教学策略” 和 “评价方法及策略” OBE理念三要素的基础上，针对钢结构课程设计进行了 “成果为导向” “学生为中心” 的改革探索。

1 以往课程设计存在的问题

我校位于东北老工业基地，出于服务地方经济的角度考虑，钢结构课程设计主要以厂房钢结构的普通钢屋盖为主，该结构具有布置简单、传力明确、计算简便等优点，因此多年来被用于课程设计的对象。但是随着社会的进步、专业的发展，该设计题目的不足逐渐显现。

1.1 应用广泛的工程占比较少

为了进一步明确让学生在钢结构课程设计中 “做什么” 的问题，课程教学团队对2002年毕业以后从事钢结构设计、施工和监理工作的学生进行了调查。经过对119名受访者进行网络问卷调查发现，从业未超过五年的毕业生接触过普通钢屋盖的有1人（工程数量仅为2），在从业五年（不含）到十年的受访者中接触过普通钢屋盖的有6人（工程数量10），在从业十年（不含）以上的受访者中接触过普通钢屋盖的有11人（工程数量为15），而调查问卷中为了对比而设置的网架结构、门式刚架结构、框架钢结构等结构形式，几乎所有受访者均有所接触，且工程数量远远高于钢屋盖。不同钢结构形式的工程数量占比图如图1所示。由图1可知，我校毕业生接触普通钢屋盖的总量不超过钢结构总量的2%，这种情况说明，当前形势下钢结构课程设计的选题确实有必要进行调整，且刻不容缓。

图1 不同钢结构形式工程数量占比图

1.2 基本理论运用范围小

作为钢结构课程的实践环节，将钢结构的基本原理运用于工程实际是钢结构课程设计最直接的目的。但是，普通钢屋盖的构件类型较单一（主要是轴心受力构件），计算仅涉及到拉压杆的强度、刚度和稳定理论，很少涉及到受弯构件、偏心受力构件的基本理论。事实上，受弯构件和偏心受压构件的整体稳定问题同样是钢结构基本理论的重要组成部分，学生都需要借助实践环节进一步理解和吸收，尤其是偏心受压构件的整体稳定问题又分为弯矩作用平面内的稳定和弯矩作用平面外的稳定，理论公式难以理解、计算过程极其复杂，更加需要在课程实践环节加以训练，以往课程设计中对该部分内容的缺失，不利于学生钢结构工程素养的提升。

1.3 计算方法及设计手段落后

以往钢结构课程设计进程中，钢屋盖设计时屋架内力计算多采用手算法或图解法，由于近似因素较多，导致计算结果误差较大。同时，要求学生设计文稿采用手算、绘图采用CAD的设计方式也饱受学生的诟病，这让指导教师深刻认识到仅仅让学生脱开图板是不够的，应该支持和鼓励学生适应行业的发展，允许在课程设计过程中采用PKPM，3D3S或MTS等相关的专业设计软件，以利于学生提高专业能力、缩短就业适应期。

2 基于OBE理念的改革及成效

学生取得什么样的学习成果，如何有效地取得这些学习成果，以及如何确定学生取得了这些学习成果，是以学生为中心的教学理念的重要体现［7］。为了在教学中有效落实OBE的理念，结合钢结构课程设计的课程目标及其支撑的毕业要求，课程教学团队借鉴了建设工程项目施工管理模式，根据设计题目将学生按 “项目组” 进行划分，并按照 “项目管理式” 的运行模式进行了探索与实践。

2.1 “一人一题” 的独立选题

结合我校土木工程专业毕业生的反馈意见，钢结构教学团队对课程设计的选题进行了优化调整，实现了 “一人一题” 。设计题目优化过程中，既要考虑到题目多样化，又要便于指导和管理，同时考虑后续混凝土结构、地基基础等课程设计的要求（各门课程设计的对象一致性要求），最终确定每名同学均需要为多层混凝土框架设计顶部结构的任务。经过详细分析对比，优化后设定的混凝土框架结构建筑方案有三种，通过变化横向轴距（L）、纵向轴距（S）可以得到不同尺寸的建筑方案，再通过顶部结构形式选用普通钢屋盖、网架钢屋盖或轻型门式刚架结构（框架结构）的变换，最终实现 “一人一题” 的设计任务。学生可根据学号在任务确定表中找到自己对应的建筑方案和结构尺寸序号，任务确定表如表1所示。

表1 设计任务确定表

学生按照表1中的结构尺寸序号在结构设计对象信息表中可以进一步明确设计信息，设计信息表如表2所示。

表2 设计对象信息表

在表2中，对应相同序号二的同学设计对象一致（见表2），为同一组别，即同一 “项目组” ，设计任务的交流、讨论等环节主要集中在组内进行。为便于管理， “项目组” 成员需推举一名理论基础好、认真负责的同学任组长，组长将以 “项目经理” 的身份管理小组的设计进程，指导教师全程起到引导及辅助的作用。

2.2 “技术交底式” 的知识点讲解

为了突出学生学习的主体地位，激发学生的学习热情，提高理论联系实际的能力，钢结构教学团队在 “项目组” 内采用了 “技术交底式” 的翻转课堂教学法，即每阶段所用到的设计要点完全由学生依照建设工程施工项目 “早会” 的形式进行。在设计任务下发后，各组长提前组织本组成员对设计任务以时间为节点进行阶段性的划分，梳理每阶段所用到的核心知识点，并指定对应的主讲人，主讲人在知悉主讲内容后，认真制作PPT讲稿，在对应日期向组内同学进行讲解，然后大家据此完成阶段任务。由于课程设计所用到的全部知识点在前续课程中均已讲授完毕，学生只需细心整理、认真理解即可，因此该教学方法具有可操作性，且教学运行也说明了该方法成效显著，现以2019年课程设计第五组学生题为 “门式刚架结构变截面钢柱整体稳定技术交底” 的PPT内容为例进行说明。

门式刚架的变截面楔形钢柱属于压弯构件，其刚架平面内整体稳定性能影响因素多、公式繁杂，学生在PPT中首先给出了GB 51022—2015门式刚架轻型房屋钢结构技术规范的稳定公式（如式1所示），然后采用类似β→kσ→λρ→ρ→he→Ae1（计算钢柱大端有效截面面积Ae1）流程图的方式给出了式中参数的计算步骤，而并未采取罗列众多参数计算公式的方法，重点突出、一目了然，体现了理顺思路、重在应用的特点。同时，学生在知识点讲解时，还给出了CECS 102—2002门式刚架轻型房屋钢结构技术规程中的设计公式（如式（2）所示）。经过了解得知，学生在制作PPT查阅资料过程中，发现部分参考资料设计依据为旧规程，因此在阶段任务展开前进行了特别提示。

由此可见，采取建设工程施工项目技术交底的方式，由学生讲解设计任务所需知识点，每位主讲人既要做到对相关知识点理解透彻，还要站到学生的视角考虑如何运用的问题，因此实际效果要优于指导教师的课堂教学。

2.3 “项目薪水式” 的成果考核

钢结构课程设计的成果考核包括过程考核和设计成果考核两部分，过程考核主要体现学生的设计表现和答辩质量，设计成果考核体现学生的计算书和施工图的质量。设计表现成绩由 “项目经理” 根据成员的知识点讲解质量、出勤情况、交流讨论等情况给出，答辩质量成绩由各组的 “项目经理” 联合答辩给出。答辩时每位组长问一道与本组结构形式相关的题目，这种组间联合的答辩方式，既可以保证公平和公正，也可以促进小组间的学习交流，利于提升学生的理论水平和专业素养。在指导教师给出设计成果的质量评定标准之后，计算书和施工图的成绩，也由 “项目经理” 联合评定给出。

在课程设计的进程中，指导教师应及时引导学生解决技术难点，指导学生按时间节点完成设计任务。同时，指导教师应积极引导学生建立 “分值即薪水” 的思想，让学生产生课程设计即为工程项目的感觉，促使学生端正设计态度，养成良好的工作习惯，提高钢结构职业素养。

2.4 改革成效对比分析

课程教学团队从2019年开始，在建筑工程学院和国际合作教育学院的土木工程17级（7个班级201人）和18级（7个班级211人）钢结构课程设计教学中运用了基于 “OBE” 理念的教学模式，并与土木工程16级（7个班级205人）的设计成绩进行了对比。土木16级、17级和18级的平均成绩分别是70.5分，82.5分和85.5分，17级相对于16级整体提升了十余分，18级相对于17级提升幅度较小，但是仍有进步。值得一提的是，在17级设计成果收缴之后，学科部全体教师进行了质量复核，复核过程中大家都惊叹设计质量提升幅度之大。可见，在教学中运用 “一人一题” 的选题方式和 “项目管理式” 的成绩评定方法，可以真正激发学生的设计热情、大幅提升课程设计质量。

3 结语

我校土木工程专业认证工作推进以来，基于OBE理念以 “一人一题” 和 “项目管理式” 为特征的钢结构课程设计已经运行三届，经过 “教学反馈” 和 “持续改进” 等环节的优化调整，目前改革已经取得非常明显的效果。

实践证明，教学过程中突出学生的主体地位，通过合理选题将学生提前置身于就业岗位，可以大幅提高学生学习的主动性和积极性，利于学生理论联系实际能力的培养。通过项目管理式的过程考核，可以让学生切实体会大学阶段的 “学习成果” 与毕业后工作阶段的 “工作成果” 同样具有 “效益” 。钢结构课程设计改革的成功实践，促使学生更加重视团队合作、重视沟通交流，利于学生专业素养、语言表达、合作沟通等能力的全面发展，为OBE理念在高校的推广应用提供了参考经验。