鋼結構課程CDIO教學改革探討

摘要：基于CDIO工程教育理論，通過分析鋼結構課程傳統教育與工程應用間存在的問題，提出鋼結構課程教學改革的思路。強調課程理論與實踐的聯系，在教學目標、內容設置、考核方式等方面進行改革，引導學生主動探究、分析解決問題，以達到培養合格鋼結構工程師的目標。

關鍵詞：鋼結構；CDIO；教學改革

中圖分類號：TU7；G642 文獻標志碼：A 文章編號：1005-2909（2013）02-0095-03

鋼結構具有強度高、自重輕、抗震性能好、節約基礎造價、施工周期短、工業化程度高等優勢；同時鋼結構建筑具有良好的空間感。相對傳統的混凝土結構，鋼結構有利于節約能源、保護環境。近年來，隨著中國經濟快速發展和綜合實力不斷提高，鋼材產量逐年遞增，這一切都促進了鋼結構產業的快速健康發展，鋼結構在建筑中的應用越來越廣泛。

鋼結構產業的發展對工程技術人才的專業知識和能力提出了更高要求。鋼結構課程本科教育發展過分強調知識的理論深度和系統性，而忽略了課程理論與實踐的聯接。在課程教學中，雖然在大綱中已經采取以“知識點”的形式串接各章節，但學生很難將自己所學的理論知識與工程實際相結合，他們的直觀判斷力和工程經驗、工程意識得不到有效訓練。

考慮到鋼結構的不斷發展對本科教學的影響，借鑒CDIO（Conceive Design Implement Operate）工程教學模式，結合筆者的教學經驗更新、擴充鋼結構課程的教學內容，革新教學目標、內容設置、考核方式等，使鋼結構教學真正能適應當前建筑市場的要求。

一、鋼結構課程的特點

鋼結構課程教學體系一般包括課堂教學、實驗、課程設計、畢業設計4個部分。課堂教學主要介紹鋼材的力學物理性能、連接的形式和設計方法、各類基本構件的計算方法和構造要求、各類鋼結構結構的計算原理和設計方法等；實驗教學項目一般為驗證型實驗，主要是連接設計和性能測試、鋼梁受彎實驗等；課程設計、畢業設計則是綜合利用所學鋼結構知識完成某項鋼結構工程。課堂教學是教學體系的核心，在教學中課時分配比重最大。鋼結構課程內容多、涉及面廣，教師在課堂教學中更注重知識點的傳授，學生理論基礎扎實但實踐能力不強。學生學習的重點在于基本概念記憶，設計部分依賴設計流程圖機械地求解，只掌握了知識點而沒有從全局的角度建立鋼結構課程的整體概念，導致在畢業后很難直接從事鋼結構方面的工作。

鋼結構的理論部分和后續的實踐部分緊密聯系，不可將其分裂。將理論知識用于后續的實驗、課程設計和畢業設計，提高理論聯系實踐的能力。鋼結構課程的學習重點在于鋼結構的設計和應用，還應通過實踐教學使學生掌握鋼結構整個產品周期的每一環節（選材、設計、施工等）：只有這樣，才能保證學生規范、正確、有效地進行鋼結構設計和應用。而這些正是傳統鋼結構課程教學很難去解決的，必須予以改革。

二、鋼結構工程對教學的要求

（一）工程的核心內容

鋼結構課程面對的環境是工程，首先應解決的問題是“什么是工程”問題。著名工程師Theodore Von Kármán曾經說過“科學家發現世界上已經存在的事物，而工程師創造世界上從未存在的事物”，這句話很好地給出了工程技術人員的核心任務是設計并實施尚未存在的方案，及工程實質上是一個創造的過程。

鋼結構教學的核心是理解客戶和社會需求，合理選用各種鋼材、螺栓、設備等，采取正確的科學知識和技術制定準確、合理、安全的設計方案和實施策略。

（二）現代鋼結構工程的復雜性需要全面的工程能力

現代鋼結構工程發展迅速，當畢業生面對更多不確定、更為復雜的工程問題時，需要工程技術人員解決建模、設計、實施、控制等一系列問題，而傳統的課堂教學模式在這種多層次、跨領域以及大規模的工程時所產生的局限性，使教學改革顯得異常迫切，必須采用創新性的教學方法。

鋼結構工程項目的完成需要團隊的力量，團隊成員的協作和配合直接影響到項目完成的效果。鋼結構工程人員需要和其他工程師和非工程師交流來完成產品、流程的開發和交付，團隊協作能力需要在本科教學中有針對性地培養。

（三）新的工程技術為完成工程任務提供了新的手段

計算機在工程領域的普及和完善，從根本上顛覆了傳統工程技術的實踐和運作手段。目前鋼結構工程已經有眾多優秀的軟件（如3D3S、PKPM、MTS等），這些軟件均能自動化生成、驗證、優化工程設計方案，而傳統鋼結構課程不涉及這些內容。理論教學與工程實際存在脫節，學生無法與鋼結構工程所需的設計工具和設計理念接軌，不能主動參與構思和實踐相關的工程任務。

三、基于CDIO的教學改革方案

面對鋼結構課程傳統教學的不足和工程對本科教學提出的新要求，基于CDIO工程教學理念，提出了鋼結構課程教學改革的思想。CDIO工程教學模式作為國際工程教學改革的最新成果，是“做中學”和“基于項目教育和學習”的集中概括和抽象表達。CDIO代表構思（Conceive）、設計（Design）、實現（Implement）和運作（Operate），是以產品從研發到運行的生命周期為載體，讓學生以主動的、實踐的、課程之間有機聯系的方式學習工程，培養學生的工程能力、運用知識解決問題能力、終生學習能力和系統掌控能力等。

（一）重新定義課程建設目標

課程建設目標決定著教學過程、教學內容和教學手段，是實現培養目標的關鍵。在制定鋼結構課程建設目標時，主要從三方面考慮：首先，讓學生了解鋼結構工程的現狀和發展趨勢，認識現代鋼結構工程研究及產業發展的需求和問題，讓學生明確學習目標和未來發展對人才需求的特點，提高學生主動學習和主動規劃未來職業發展的意識。其次，通過典型鋼結構設計、施工案例，讓學生建立鋼結構的概念框架，掌握鋼結構工程的構成和特點，在解決問題的過程中完成對工程的分析和關鍵參數的設定。最后，通過課程學習和實踐理解工程師應具有的基本素質和應掌握的基礎知識和技能，學會資料檢索、調研、分析和整理；進行工程設計的表達實踐，體驗解決工程問題的決定過程和分析方法，開展團隊合作和交流。

（二）教學過程中突出工程概念和工程意識培養

在明確課程建設目標的基礎上，在教學過程中增加教學內容的深度與廣度，注重學生工程概念和工程意識的培養，把工程實踐內容融入課堂，又注重學科之間的相互滲透。

CDIO工程教學理念強調工程推理和問題的解決，包括問題的識別與形成、建模、近似與定性的分析、解決方案與建議。實際上，鋼結構工程技術富有創造性，并非機械地就某一特定條件下求解問題。如鋼材強度包括Q235、Q345、Q390，脫氧的不同包括F、b、Z、TZ，等級A、B、C、D、E，是否均可選用呢？在這個問題中，學生首先必須深入理解材料的力學物理性能、鋼結構連接方式、結構的受力狀態等內容，然后依據具體的工程環境分析并選用合適的材料，達到訓練學生的直觀判斷力和工程經驗、工程意識的目的。

在教學過程加大了教學內容的深度和廣度。如鋼結構教材緒論中，都會介紹“鳥巢”，但“鳥巢”用的鋼材是什么樣的？由于“鳥巢”完全采用鋼桁架編織，外部鋼結構總重就達到4.2萬t，最大跨度達到343 m，建筑鋼材選用了Q460低合金高強度鋼，其受力強度達到460 MPa時才會發生塑性變形，強度要比一般鋼材大很多。但一般教材中沒有關于Q460鋼材的信息。在教學中提出3個問題：為什么選用Q460鋼材，它具有什么優勢，以及什么情況下需要使用Q460鋼材。問題提出后，學生很感興趣，并主動通過網絡、圖書館、電子期刊等查閱資料，結合所學的專業知識得到答案。

由于學時的限制和鋼結構技術的不斷發展，學生在畢業后從事鋼結構工程時必然會遇到學校沒有教授的內容，通過不斷將工程概念和工程意識引入教學過程中，引導學生掌握解決問題的正確方法。

（三）課程設計、畢業設計與課堂教學的有機結合

改變鋼結構課程設計、畢業設計環節與課堂教學的脫節現象，從內容、時間安排上予以優化。原有的模式通常是課堂教學結束考核以后，將任務書、指導書發放給學生，集中在一周內完成。從歷年的反饋信息來看，學生匆匆完成，甚至參照相關資料機械地替換數據，無法到達預期的目的。

為此，在課堂教學過程中提前布置課程設計任務和畢業設計。以工程項目為背景，以知識點為紐帶，將課程設計、畢業設計與課堂教學有機結合，并啟發學生思考。這樣，學生理解了所學理論知識與工程實踐的相互關系，提高學習興趣，每年畢業設計選擇鋼結構課題的人數明顯增加。

計算機的引入使設計更加簡便，在課堂教學中應向學生介紹鋼結構常用的設計軟件。受學時限制，不在課堂教學中講解軟件的具體操作，而是引導學生意識到軟件的掌握對課程設計、畢業設計，以及將來從事鋼結構工作都十分重要。在這一過程中，學生能主動學習相關軟件，既不占用有限的課堂時間，又能有效地提升學生的工程能力。

（四）建立基于CDIO的課程反饋機制

在傳統的試卷、平時作業相結合的成績評定體系中，建立課程反饋機制，全面反映學生對知識的掌握程度。

將整個教學活動分解為若干小環節，并建立反饋機制，及時監控教學質量和效果。每個反饋周期均設置相應的主題，并根據學生的實際情況制定不同的學習目標。如在鋼結構連接部分，基本要求是尋找并拍攝周圍鋼結構工程中連接，并給出其屬于何種連接；較高要求是探索所觀察的工程中連接可能存在的不足及其替換方案。將學生反饋的信息建立課程反饋日志。對學生提出的創造性問題，課前利用5 min左右的時間講解。課程反饋機制不僅使鋼結構課程的學習變得生動有趣，提高學生學習興趣，而且能使教師真正關注學生的學習狀態，提高學生學習的主動性。

四、結語

隨著科學技術和社會經濟對鋼結構需要不斷的擴大，鋼結構課程必須同步改革與發展，才能到達培養符合工程需要的合格人才的目標。實踐證明，鋼結構課程CDIO教學改已初步顯示出了良好的教學效果，極大地激發了學生的學習興趣，提高了他們的設計能力和實踐能力。

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Teaching reform of steel structure course based on CDIO

YUAN Jifeng

（Taizhou Institution of Science and Technology， Nanjing University of Science and Technology， Taizhou 225300， P. R. China）

Abstract：With the rapid development of steel structure engineering， the paper analyzes many problems between tradition education of steel course and engineering application. Based on the CDIO engineering education theory， the proper steel teaching reform ideas are provided. Emphasis on theory and practice， carries out practice from teaching goal， course content， assessment mode， guides the students to active study， analyze and solve problems ， achieves the goal of qualified steel structure engineer training.

Keywords：steel structure； CDIO ；teaching reform