土木工程專業基于結構工程課程群的CDIO項目設計

王黎怡

(福建工程學院 土木工程學院，福建 福州 350108)

1 引言

目前教育部組織推行“卓越工程師培養計劃”，全國各相關高校積極研究卓越工程師培養模式和培養計劃。以國內某高校為例，該校土木工程專業目前采取校企合作“2+1+1”的培養模式：前2年完成通識教育和(學科)專業基礎課程，培養學生的品格、智力和一般能力，為專業(崗位)課程學習打好基礎；第3年完成行業技術平臺課程，培養學生系統思維、工程推理、實驗探究、解決問題等方面的能力，為學生進入企業學習和實踐打好基礎；第4年為在企業學習和實踐時間。企業階段學習任務是通過實習，使學生在工程項目的施工或設計中，將學校所學的理論知識與工程實踐相結合，培養運用知識的能力，學習建筑施工或設計和現場管理等方面的實踐知識與經驗，增強專業課程學習的感性認識，提高學生的動手能力，培養學生的創新意識和適應社會的初步能力。

與以往的培養計劃相比較，卓越工程師的培養方案增加了學生在企業實踐的時間，縮短了學生在校內的學習時間，例如上述高校，把所有專業課程全部安排在第3學年完成。因此第3學年成為學生掌握專業理論，具備進入專業領域應有的基本技能的重要培養階段，這直接關系到學生第4年在企業學習的成效。第3學年的土木工程專業課程基本都包含實踐教學環節——課程設計，如何切實利用課程設計環節培養學生的專業技能和工程崗位適應能力，如何對課程設計環節進行改革和建設，是我們培養卓越工程師的重要環節。

2 目前課程設計教學環節存在的問題

按照卓越工程師的培養計劃，本科階段的專業課程中結構工程類課程有：混凝土結構設計、建筑結構抗震設計、高層建筑結構、結構電算、基礎工程等，與之相關的還有房屋建筑學、建筑工程計量與計價、施工技術等，每個課程都安排了有一個課程設計教學環節。目前這些課程設計相互獨立，自成一體的。例如，“混凝土結構設計”和“建筑結構抗震設計”這兩門的課程設計內容分別為現澆鋼筋混凝土肋梁樓蓋設計和現澆鋼筋混凝土框架結構設計，兩者的課程設計任務互不關聯，一個做的是混合結構的樓蓋設計，一個做的是鋼筋混凝土整體框架設計。實際上，房屋上部建筑結構設計一般大致包括兩大部分，即樓蓋或屋蓋設計和整體結構設計，它們分別是由“混凝土結構設計”和“建筑結構抗震設計”這兩門課程來承擔的，是建筑結構設計不可分割的兩部分，它們的荷載傳遞、受力分析和構造措施等方面是緊密相連的。顯然，目前兩個課程設計各成一體，割裂了整體設計思想，不利于學生綜合應用能力、解決問題能力的培養，限制了學生創造性思維的發展。

3 結構工程課程群CDIO二級項目的構建

3.1CDIO工程教育模式介紹。[1]

CDIO 是構思(Conceive)、設計(Design)、實現(Implement)、運作(Operate)4 個英文單詞的縮寫，它是“做中學”原則和“基于項目的教育和學習”的集中體現。它以工程項目從研發到運行的生命周期為載體，讓學生以主動實踐、課程之間以有機聯系的方式學習工程。這里借鑒汕頭大學工學院采用的CDIO模式，[1]它的特點是在教學計劃和教學實踐中圍繞項目設計將相關課程有機聯系起來。CDIO項目按規模和范圍劃分為三級：一級項目為包含本專業主要核心課程和能力要求的項目，要求完整地、前后銜接地貫穿于整個本科教學階段，使學生得到構思、設計、實現、運作的系統訓練；二級項目為包含一組相關核心課程、能力要求的項目；作為一級項目的支撐，二級項目是對相關課程群的綜合，主要訓練學生某一方面相關知識的綜合應用能力，訓練一般以若干個二級項目為載體，加強本專業核心課程的學習與應用，因此二級項目也可稱為課程群項目；三級項目是為單門課程而設的項目，旨在增強理解和培養相關能力。也可以說，CDIO是一種以工程項目設計為導向、工程能力培養為目標的工程教育模式。

3.2 基于結構工程課程群的項目設計。

結構工程類課程是土木工程專業的主干課程群之一，它包括：混凝土結構設計基本原理、混凝土結構設計、建筑結構抗震設計、高層建筑結構、鋼結構基本原理、鋼結構設計、砌體結構、結構電算等課程。這些課程內容聯系緊密、內在邏輯性強、屬同—個能力培養范疇，彼此之間關聯很大。幾乎每門課程都涉及到課程設計或大型作業，這些課程設計或大型作業串起來即為整體建筑結構的設計實施過程，這些實踐環節對于培養學生結構分析能力和設計能力起著非常重要的作用。鑒于此，我們以結構工程課程群為基礎設計二個二級項目。

3.2.1 多層或高層鋼筋混凝土結構設計項目。

通過對土木工程專業卓越工程師培養標準、能力實施矩陣和培養計劃的深入分析，我們從混凝土結構類課程入手研究，結合相關課程，例如房屋建筑學、建筑工程計量與計價和綜合實訓等，把這些課程設計環節以一個綜合設計項目的方式出現，把相關聯的課程知識有機地結合起來，消除內容的重復和矛盾。這樣的一個設計項目屬于二級項目的范疇。該項目的設計體現建筑工程的基本設計過程，建筑方案→樓(屋)蓋結構平面設計→整體結構設計→基礎設計→繪制施工圖→造價分析，使學生認識到有機和關聯的知識群而不是孤立的知識點，在這樣一個二級項目的訓練中掌握本專業技術基礎知識和技能，培養學生結構工程的設計能力，引導學生對工程的興趣，具備一定的工程素質。該二級項目的框架及流程如圖1所示。

基于上述混凝土結構課程群組成體系，我們可以提出一個二級項目任務——多層或高層鋼筋混凝土結構設計項目。這個二級項目，可以設計出三個結構方案供選擇：一是設計一幢多層或高層的現澆鋼筋混凝土框架結構建筑物；二是設計一幢高層的現澆鋼筋混凝土剪力墻結構建筑物；三是設計一幢高層的現澆鋼筋混凝土框架剪力墻結構建筑物。每個學生至少需要參加其中的一個項目。指導教師在任務書中給出建筑方案，要求學生對該建筑進行結構設計(樓屋蓋結構設計、整體結構設計、基礎設計)、繪制施工圖、制作部分模型，并進行必要的造價分析。多層建筑物設計過程以手算為主，電算為輔；高層建筑物設計過程以電算為主，手算為輔。通過這個綜合項目訓練學生的結構分析能力和結構計算能力,同時訓練學生初步具備運用電算軟件進行結構設計的能力。

在此項目中充分考慮到運用本課程群所涉及到的基礎知識點和基本專業技能，內容覆蓋各門專業課程的課程設計。本課程群所有的課程設計要求圍繞該項目展開，分別按培養計劃的不同時間段完成該項目的部分設計，該設計項目始終貫穿各個課程設計環節，最終形成一個完整的項目成果。當然，隨著建筑技術的發展和教學內容的擴展，教師可以自由選擇更多種結構體系進行設計。對于以上多高層鋼筋混凝土結構設計二級項目，我們建議各個設計環節時間安排如表1。

按照卓越工程師的培養計劃，土木工程專業本科生的畢業設計將在企業中完成，取消了在校畢業設計的環節，上述二級項目的訓練可以彌補學生在校內學習階段缺少系統訓練的不足。通過二級項目訓練可以加強學生對整個建筑工程設計過程的整體認識深度，具備一定的專業技能，培養出一定的工程素質，為第四學年順利進入企業學習和實踐做好準備和鋪墊。

圖1 混凝土結構課程群二級項目框架及流程

表1 多高層建筑混凝土結構設計二級項目各環節時間安排

3.2.2 鋼結構課程群二級項目設計。

鋼結構是工業與民用建筑中繼混凝土結構之后的第二大結構類型，為此我們設計了一個鋼結構課程群二級項目——鋼結構廠房設計，設計內容及流程如圖2所示。這個二級項目主要訓練學生鋼結構建筑物的設計能力。鋼結構課程群項目各環節時間安排也可以參照混凝土結構類似進行。

圖2 鋼結構課程群二級項目框架及流程

從以上不同的二級項目的訓練中使學生體會一個工程項目從構思、設計、實現到運行(CDIO)的過程，將各門課程融會貫通，做到理論聯系實際，著重應用。

3.3 二級項目的實施。

二級項目，也就是課程群項目，根據專業課程和專業基礎課程的進展安排在不同時期進行，一般在第3學年內完成。學生可以采用分組合作的方式完成，即每個項目可以根據班級人數按3～4人為一組，分工協作，每組由學生自己選擇一名組長，負責和協調整個項目，以達到培養學生團隊合作精神的目的。

每個項目都有一個相關課程群的教師團隊進行指導，并指定一名負責教師。不同教師負責指導學生完成不同階段的設計任務，解決學生在設計實現過程中遇到的各種專業問題。

當學生完成項目后，指導教師團隊組織對項目進行驗收。驗收可以采用如下步驟：向全班同學展示本組設計成果；由小組組長介紹整個項目的設計和實現過程；各小組成員重點闡述自己在項目中承擔的任務；指導教師針對項目進行提問，小組成員進行回答；指導教師總結整個項目，并評定成績(小組成績和個人成績)。

4 需要解決的問題

4.1 一體化的課程計劃和模塊化的教學大綱。

要實現CDIO工程教育模式，首先要有一個一體化的課程體系，合理安排一級項目、二級項目和三級項目，然后在一體化課程體系下，建立模塊化的教學大綱，也就是相關的課程群大綱。模塊化的教學大綱，通常為二級項目服務，對專業課或專業基礎課進行整合，明確各門課程在項目中的任務，能力培養的目標，在項目中的時間安排等，以指導整個二級項目的有計劃地順利實施。每個教師都要知道自己的課程在整個專業培養中的作用，包括在知識和能力培養中的貢獻。

4.2 項目設計大綱和指導書。

為了能引導學生自主學習，實現從“以教師為中心”到“以學生為中心”的教學方式的轉變，項目指導團隊教師要針對不同的二級項目制定具體、詳細的項目設計大綱和項目設計指導書，向學生推薦參考文獻，以起到指導學生的作用。項目設計大綱和指導書直接關系到項目的具體操作。

4.3 各相關課程教學時間安排與銜接。

工程項目設計有一定的過程和先后的順序，因此在制定教學計劃時，各相關課程的課程設計環節時間安排上要按照工程進行的先后順序組織，這樣才可以實現項目不同階段的順利銜接，不至于出現矛盾。這就需要學校教務部門在教學安排上配合項目的進行。

5 結語

CDIO 理念描述的是各類工程專業開展高等工程教育所應遵循的普遍原則，而在各個工程領域中的教育環節和具體實施尚處在摸索階段。本文是在對國內以培養應用型人才為主的高校的土木工程專業現狀研究的基礎上，對結構工程課程群的課程設計環節進行改革，提出CDIO模式的二級項目的構建方案和實施過程，以實現卓越土木工程師的培養目標。

[1]顧佩華.從CDIO到EIP-CDIO——汕頭大學工程教育與人才培養模式探索[J]. 高等工程教育研究，2008(10):12-20.

[2]孫浩軍.計算機專業基于課程群的EIP-CDIO項目設計[J].計算機教育，2010(9):101-106.

[3]夏建中.卓越土木工程師培養的實踐環節教學研究[J].浙江科技學院學報，2010(5)：387-391.