新工科背景下土木工程课程设计教学改革研究

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  [摘 要] 课程设计是土木工程专业教学实践中重要的教学环节,探讨了土木工程课程设计存在的问题,并针对课程设计的选题、工作量、质量、创新能力和实践能力等方面展开教学改革,进一步剖析相应的具体评价方法,提出课程设计指导、教学资源、教学设施和规章制度等方面的保障机制,可为土木工程课程设计的质量提高、评价方法及持续改进的保障制度提供参考依据。
  [关键词] 土木工程;课程设计;评价方法;保障机制
  [基金项目] 2015年度重庆市基础与前沿研究计划“基于磁性石块的铁路路基塌陷全过程监测及评估”(cstc2015jcyjA30008);2018年度重庆市技术创新与应用示范项目“基于磁性石块网络的山区洪水期间桥梁冲刷全过程动态监测”(cstc2018jscx-msybX0028);2020年度西南大学教育教学改革研究项目“新工科背景下土木工程课程设计教学改革、评价体系及质量保障机制研究”(2020JY020)
  [作者简介] 江胜华(1982—),男,湖北仙桃人,工学博士,西南大学工程技术学院副教授,主要从事结构健康监测、可靠度与加固等方面研究。
  [中图分类号] G424   [文献标识码] A   [文章编号] 1674-9324(2021)41-0113-04    [收稿日期] 2021-05-15
   一、引言
   课程设计是土木工程教学中重要的实践环节,可培养学生运用专业课理论知识应用到工程解决实际问题的实践能力。然而,目前土木工程课程设计普遍存在课程设计选题和设计报告均与行业快速发展的新工艺、新技术相脱离,课程设计的全过程缺乏规范的管理制度,已不能满足新工科背景下对土木工程专业复合型、实践型的人才培养模式[1-6]。针对土木工程课程设计存在的问题,进行课程设计的教学改革,并进行多方面的综合评价方法,提出相应的保障机制是一个值得探索的问题。本文探讨土木工程课程设计存在的问题,针对课程设计的选题、工作量、质量、创新能力和实践能力等方面进行教学改革,进一步深入剖析相应的评价方法,提出课程设计指导、教学资源、教学设施和规章制度等方面的保障机制。
   二、土木工程专业课程设计存在的问题
   (一)当前的课程设计体系、选题和内容已不适应新工科教育要求
   当前西南大学土木工程专业的课程设计主要以服务于9门重要的传统专业课(房屋建筑学、混凝土结构设计、钢结构设计、土木工程施工、土木工程概预算、基础工程、桥梁工程、道路勘察设计、道路工程)为目的,大多围绕传统的房屋建筑、桥梁道路的设计及施工进行,对近年来迅猛发展的土木工程新技术行业(如BIM技术、绿色建筑、装配式建筑、土木工程健康监测等)完全没有涉及;除此之外,选题和内容陈旧,不能体现土木工程现代化、信息化和智能化发展的新工艺、新技术,无法提高学生的创新能力、工程实践能力、社会适应能力等综合能力。
   (二)课程设计任务不能满足新工科教育要求
   土木工程专业的课程设计的任务主要由查阅相关书籍和规范规程、手算/电算、绘制图纸、撰写设计报告等几个部分组成。目前课程设计的题目单一,任务设置欠合理,大多是做相同题目下的不同参数的设计任务,甚至是依葫芦画瓢,使得课程设计题目的重合度非常高,学生做课程设计的动力和兴趣较低。在课程设计过程中,学生很少积极地钻研问题,只是套公式和依葫芦画瓢,题目雷同也导致存在抄袭的现象,压制了学生的独立思考、独立从事设的能力和创新思维能力。因此在此模式下学生完成的课程设计只不过是完成一次大型作业而已,与当前的产业需求和创新基本脱钩,不能很好地体现出学生在新工科和新经济发展背景下的实践能力和工程设计创新的培养。
   (三)现有的课程设计的成绩评价方式不能真实反映学生的能力
   課程设计过程中,由于学院未安排教室,任课教师也未借教师,任课教师也未进行讲解指导,因此学生几乎全部靠自学和摸索,导致存在抄袭现象。任课教师如果仅仅以课程设计的任务书、图纸和设计报告来评价学生,就会不够客观全面,不能真实反映学生在课程设计过程中知识的理解、运用、领悟和创新,引入多方面多层次的评价考查方式可深入考察学生的在设计过程中对所学知识的掌握情况和设计创新能力。所以非常有必要考虑多种考核方式并结合平时的实际表现,探索更客观、真实的课程设计考核方法。
   (四)任课教师主动适应新工科教育的动力不足
   目前任课教师大多囿于重理论轻实践机制中,重发表论文学术影响因子,轻教学过程中产业新技术、新工艺的引入,不利于引导和鼓励教师深入企业,为新经济和企业技术进步服务,课程设计也就无法从根本上改变和适应新工科教学要求。课程设计教学对于任课教师来说,需要全程主动引导,特别是当前新工科教育背景下,企业的新工艺、新技术在课程设计中的应用,涉及内容多且更新速度快。而目前高校缺乏教师融入新经济发展的相应激励机制,任课教师主动适应新工科教育的动力不足。
   三、土木工程专业课程设计教学改革
   (一)课程设计的选题
   课程设计的选题采用开放式的题目,防止全班甚至多个班级采用相同的题目。在选题过程中,考虑包括综合性、工程性和先进性,结合行业的最新发展,将课程设计的内容融合其他课程的内容,分割成若干个部分,并包括必选部分和自由选择部分。让全班学生分组,各小组根据兴趣自行选择,然后融合成为一个完整的课程设计。以“混凝土结构设计”的课程设计之一钢筋混凝土肋型楼盖设计为例,可将楼盖设计分为结构布置、手算、手工绘制施工图、BIM建模、PKPM计算、PKPM绘制结构施工图、施工组织设计、概预算等8部分,其中结构布置、手算、手工绘制施工图等3部分为必选部分,BIM建模、PKPM计算、PKPM绘制施工图、施工组织设计、概预算等5部分作为任选部分。对于任选部分,至少选择2项。学生将3项必选部分和至少2项任选部分组成一个课程设计,以此完成一个综合性、实践性和先进性的课程设计,且极大程度避免学生抄袭的现象。    (二)课程设计的工作量
   课程设计的工作量,包括篇幅、深度方面和工作时间,整体要求可以满足课程设计的大纲要求。篇幅和内容方面,应满足一定的页数和字数要求;深度方面,不能仅仅相当于一个课程试验报告的水平。具体时间上,应达到学生5个工作日、每个工作日10个学时,即50个学时的工作量。
   (三)课程设计的质量
   课程设计的质量包括综合性、工程性和先进性等3个方面。课程设计不能仅为一门课程的内容,应融合多门课程的内容,体现土木工程现代化、信息化和智能化发展的新工艺、新技术,提高学生的综合能力。以“混凝土结构设计”的课程设计之一钢筋混凝土肋型楼盖设计为例,应包括结构布置、手算、手绘施工图、BIM建模、PKPM计算、PKPM绘制施工图等,体现课程设计的综合性、工程性和先进性。
   (四)课程设计的创新能力
   课程设计的创新能力分别体现在结构布置的新颖性、受力的优化,使用工具的先进性及与行业的贴近程度,施工图纸在实践中的高效性。以“混凝土结构设计”的课程设计之一钢筋混凝土肋型楼盖设计为例,创新性可体现在以下几个方面:(1)楼盖中楼板及主次梁布置是否考虑新颖性;(2)绘制的结构施工图是否考虑施工高效性;
  (3)使用的计算机工具是否考虑现代性和贴近行业;(4)使用的规范、规程和图集,是否考虑最新的版本,是否考虑最新的规范更新。
   (五)課程设计的实践能力
   课程设计的实践能力分别体现在结构布置、手算、建筑信息建模、电脑计算、施工、图纸绘制等多方面内容,主要考虑结构合理、直接、不间断的传力路线、图纸的规范性、施工的便利性和高效性等方面,尽量将理论课程中结构的力学性能与实际工程实践特别是实际施工相结合。
   四、土木工程专业课程设计评价方法改革
   (一)课程设计的选题评价
   由于课程设计采用开放式选题,将课程设计融合多门课程的知识后,将课程设计若干个必选部分和若干任选部分。根据学生各小组选题中的组合情况,可对选题的难易程度和工作量大小等方面,对学生各小组的选题进行评价。以“混凝土结构设计”的课程设计之一钢筋混凝土肋型楼盖设计为例,可将楼盖设计分为结构布置、手算、手工绘制施工图、BIM建模、PKPM计算、PKPM绘制施工图、施工组织设计、概预算等8部分,其中结构布置、手算、手工绘制施工图等3部分为必选部分,BIM建模、PKPM计算、PKPM绘制施工图、施工组织设计、概预算等5部分作为任选部分。如果学生仅仅选择结构布置、手算、手工绘制施工图,则为最低要求,那么选题得分仅为及格要求。
   (二)课程设计的工作量评价
   课程设计的工作量评价主要包括篇幅、深度和工作时间等方面。篇幅体现在页数和字数,可分为5个五个等级;深度方面可根据学生提问/讨论、设计报告等展开的难易程度进行评价;工作时间根据考勤和进展记录表进行评价。
   (三)课程设计的质量评价
   课程设计的质量评价主要体现在内容的综合性,是否认真、准确地做完了选题中所选的多个部分的每一方面的内容,是否较深层次融合了选题中多个部分的内容。以“混凝土结构设计”的课程设计之一钢筋混凝土肋型楼盖设计为例,发布选题的时候,内容分割为结构布置、手算、手工绘制施工图、BIM建模、PKPM计算、PKPM绘制施工图、施工组织设计、概预算等8部分,选择3个必选部分和至少2个任选部分后,是否认真、准确地做完了至少5个部分,是否较深层次融合了5个部分。
   (四)课程设计的创新度评价
   课程设计的创新度主要包括结构布置的新颖性、受力的合理性和优化,使用工具的先进性及与行业的贴近程度,施工图纸在实际施工中的高效性等4个方面,各方面各占1/4。其中,结构布置的新颖性包括结构构件的平面布置和竖向布置、构件的形状、截面尺寸及刚度的变化;受力的合理性及优化包括刚重比、周期比、剪重比、层钢比、位移比、层间受剪承载力比等宏观指标,构件的轴压比、剪压比、剪跨比、配筋率、挠度和裂缝量等微观指标。使用工具的先进性及行业的贴近程度主要为是否采用BIM建模工具、计算机辅助计算工具及使用的深度。施工图纸在实际施工中的高效性主要为施工图纸的易阅读性及实际施工的便利性等。
   (五)课程设计的实践能力评价
   课程设计的实践能力评价主要考虑结构布置、手算、建筑信息建模、电脑计算、施工、图纸绘制等方面是否结构的力学性能与工程实践相结合。以“混凝土结构设计”的课程设计之一钢筋混凝土肋型楼盖设计为例,结构布置是否考虑结构的受力和楼层使用净高;手算是否融合“结构力学”“混凝土结构基本原理”“混凝土结构设计”等多门课程,并灵活、熟练地应用在楼盖设计中;图纸绘制是否考虑易阅读性、施工便利性等。
   (六)评价机制的改革
   通过考勤记录、进展记录、学生提问、小组讨论、学生小组分工、教师平时检查/抽查、设计进度、答辩、设计报告等,利用多种考核相结合的方法,而不是仅仅采用最终的设计报告进行评价学生的成绩,从而尽量客观、真实地反映学生对相关理论课程的掌握及熟练应用的程度。
   五、土木工程课程设计质量保障机制
   (一)课程设计的指导
   (1)独立指导毕业论文的教师应具有讲师及以上职称。(2)指导的教师,在其本科、硕士或博士等学历阶段至少有一个阶段属于土木工程一级学科,土木工程包括结构工程、桥梁与隧道工程、市政工程、通风及空调工程、防灾减灾工程及防护工程、岩土工程等二级学科。(3)独立指导毕业论文的教师应具有工程经验,可参与过工程项目,或在企业工作过,如此,指导教师才有能力指导工程性的毕业论文,指导的学生毕业论文才可以满足工程性的要求。(4)课程设计的课程大纲、指导书等教学文件齐全。指导书应足够详细,配有相关的案例,满足课程设计实践性的要求。    (二)教学资源及设施
   1.固定的教学场所。学院和学校教务处应按行政班为单位,给学生安排集中且固定的教室、绘图室或机房等教学场所,在教学课表上明确给出,不得被其他课程占用;同时该固定场所安排的总时间不得少于5个工作日,每个工作日10个学时,即50个学时的工作量。并安排同一个小组的学生固定、集中地坐在一起,方便指导教师指导和巡查。
   2.书籍文献资料。学校图书馆应开设专门的土木工程借阅室,学院亦开设相应的资料室,均藏有一定数量的满足教学需要的建设法规、规范规程、图集等专业文献及资料,且面向本科生,学生可以方便地借阅。
   3.正版专业软件。学院应有专门的机房,计算机台数应至少满足一个行政班的学生同时上机操作,所有计算机均应安装有课程设计所需的正版专业软件,比如AUTOCAD、天正建筑、PKPM、MIDAS、ANSYS、FLAC3D、Fluent等建筑工程、桥梁工程、岩土工程、暖通工程等方面的专业正版软件。
   (三)课程设计的管理制度
   1.考勤记录。在指导教师的指导过程,学生应在固定的教室、绘图室或机房从事课程设计,班委成员等应在工作日每天分时段记录考勤,有专门的考勤记录文档,学院相关负责人应不定期地随机巡查。
   2.过程存档管理。应给每位学生发放课程设计进展文档、提问/答疑记录文档、小组讨论记录文档、答辩记录文档等过程记录文档,详细记录课程设计的全过程,并同课程设计报告一起登记存档,并可以方便地查阅。
   六、结论
   本文深入探讨土木工程课程设计存在的问题,进一步在课程设计的选题、工作量、质量、创新能力和实践能力等方面进行教学改革,剖析上述5个方面相应的评价方法,提出课程设计在指导、教学资源及设施、管理制度等方面的保障机制,可为土木工程课程设计的质量标准、提高和评价及持续改进的保障制度,提供参考依据。
  参考文献
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  [5]范圣刚,刘美景.“新工科”背景下土木工程专业建设与改革探讨[J].高等建筑教育,2019,28(4):16-20.
  [6]闫长斌,杨建中,梁岩.新工科建设背景下工程意识与工匠精神的培养——以土木工程類专业为例[J].北京航空航天大学学报(社会科学版),2019,32(6):152-160.
  Research on the Teaching Reform of Civil Engineering Curriculum Design under the Background of “Emerging Engineering Education”
  JIANG Sheng-hua1, 2, HOU Jian-guo2, HE Ying-ming2, LI Wei-qing1, WANG Shi-ji1
  (1. College of Engineering and Technology, Southwest University, Chongqing 400715, China;
  2. School of Civil Engineering, Wuhan University, Wuhan, Hubei 430072, China)
   Abstract: Curriculum design is an important teaching link in the teaching practice of civil engineering major. This paper discusses in depth the problems in the curriculum design of civil engineering. The teaching reform of civil engineering curriculum design is studied in terms of topic selection, workload, quality, innovation ability and practical ability. The corresponding evaluation methods are also analyzed. The guarantee mechanism for curriculum design is proposed in terms of guidance, teaching resources, facilities and management systems. It can be used as a reference for the quality improvement, evaluation method and continuous improvement guarantee system of civil engineering curriculum design.
   Key words: civil engineering; curriculum design; evaluation method; guarantee mechanism
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