土木工程專業(yè)Capstone課程教學初探

雷能忠+黃蕾+周建輝+鐘瑜隆

摘要：Capstone課程是國際工程教育認證規(guī)范要求的重要必修課，目前受到國際工程教育界的廣泛重視。文章以武夷學院土木工程專業(yè)為例，介紹了大學四年教育中從低年級到高年級完整的Capstone課程體系，并結(jié)合正在進行的國際工程教育認證，按照國際工程教育認證規(guī)范要求，將土木工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計改造為Capstone課程，從開課模式、課程成績評量方法、課程教學效果檢視等方面開展Capstone課程教學初步探索，為培養(yǎng)土木工程專業(yè)國際化應用型人才提供教學參考。

關(guān)鍵詞：土木工程專業(yè)； Capstone課程；課程教學

中圖分類號：G642.0；TU 文獻標志碼：A 文章編號：1005-2909（2017）03-0073-05

Capstone課程，即整合性實作課程，或頂點課程，是指大學高年級學生在教師指導下，應用所學專業(yè)課程知識，解決復雜且整合性工程設(shè)計問題的教學過程[1-4]。這里的復雜且整合性工程設(shè)計問題一般具有以下特點：需要大學多門課程知識才可以解決的問題；問題本身是多面向的，或在技術(shù)、專業(yè)方面存在相互沖突；是一個實際的工程設(shè)計問題，沒有現(xiàn)成的解決辦法；需創(chuàng)新應用專業(yè)基本理論和技術(shù)實務上最新成果才可以解決的問題；需考慮現(xiàn)實環(huán)境多方面的約束，如人力、資金、設(shè)備、材料、信息等；問題本身可能對社會及環(huán)境有廣泛而深遠的影響；教學過程能夠覆蓋多項專業(yè)核心能力培養(yǎng)。

Capstone課程目前已經(jīng)得到國際工程教育界的廣泛重視，在國際工程教育認證的眾多版本規(guī)范中都明確提出將Capstone課程作為本科工程教育的重要必修課[5-7]。美國ABET的前身是1932年在紐約創(chuàng)辦的工程師專業(yè)發(fā)展理事會（ECPD），最初由美國土木工程師協(xié)會、美國機械工程師協(xié)會和美國電氣工程師協(xié)會等7個協(xié)會組成，現(xiàn)已發(fā)展成為由30個專業(yè)和技術(shù)性協(xié)會組成的聯(lián)盟。ABET作為一個非官方的中介性、非營利認證機構(gòu)，其專業(yè)認證的權(quán)威性得到了美國教育部（USDE）和美國高等教育委員會（CHEA）的雙重認可。ABET目前主要在工程、技術(shù)、計算機科學以及應用科學等4大學科領(lǐng)域開展專業(yè)認證。在ABET頒布的最新工程專業(yè)認證規(guī)范中，要求每個參與認證的工程專業(yè)必須向?qū)W生提供整合性設(shè)計課程的教學實踐[8-10]。國際上其他隸屬于Washington Accord， Seoul Accord， Sydney Accords3個著名工程教育認證組織的工程教育認證機構(gòu)，如中國臺灣的IEET、加拿大的CEAB、韓國的ABEEK、澳洲的EA等都有此規(guī)定要求[11-12]。工程教育中開設(shè)必修Capstone課程，已經(jīng)成為國際工程教育界的發(fā)展趨勢。

在具體開課模式上，無論是Stanford、Berkeley、MIT等國際著名高校，還是IEET認證過的中國臺灣高校，都規(guī)定Capstone課程教育中，學生必須分組執(zhí)行教學計劃，而非個人執(zhí)行計劃，專業(yè)要制定統(tǒng)一的執(zhí)行規(guī)則，課程內(nèi)容要對應人才培養(yǎng)方案中多數(shù)核心能力。

到目前為止，中國高等教育對頂點課程的關(guān)注還很少，學術(shù)性的介紹和研究也不多見。據(jù)粗略考察，在教育部頒布的文件中，只有2003年頒布的《全國普通高等學校體育教育本科專業(yè)課程方案》對頂點課程有所提及，并將其定義為“為畢業(yè)班開設(shè)的綜合四年所學知識的課程”。但是關(guān)于課程開設(shè)的內(nèi)容、形式、時數(shù)則沒有詳細的規(guī)定。

與此相似，在中國土木工程本科教育中，Capstone課程也難覓蹤跡。一些類似的設(shè)計課程，如土木工程畢業(yè)設(shè)計、核心課程的課程設(shè)計等，從教學組織模式、課程評量方法，以及課程對實現(xiàn)教育目標和專業(yè)核心能力的檢視方面來看，這些課程還不能算是真正的Capstone課程，很多方面還存在較大差距。

武夷學院土木工程專業(yè)2015-2016學年開始被福建省教育廳批準為首批接受“臺灣中華工程教育學會”（IEET）國際工程教育認證的14個試點專業(yè)之一。武夷學院土木工程專業(yè)按照國際工程教育認證規(guī)范要求，將土木工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計改造為Capstone課程，并從開課模式、課程成績評量方法、課程教學效果檢視等方面開展了Capstone課程教學初步探索。2016年9月12-13日，國家工程教育認證專家進入武夷學院土木工程專業(yè)實地訪評，通過查閱Capstone課程教學檔案、現(xiàn)場考核學生等，對Capstone課程教學效果給予了充分肯定。本文擬對武夷學院土木工程專業(yè)Capstone課程教學進行詳細介紹，以期為推動國內(nèi)土木工程專業(yè)本科教育與國際工程教育接軌，提高國際工程教育認證實效，促進新建本科高校向應用型轉(zhuǎn)型發(fā)展和培養(yǎng)國際化應用型高級人才提供教學參考。

一、Capstone課程體系的建立

Capstone課程不是一個單一課程，而是一個系統(tǒng)的課程體系。這是因為，要完成Capstone課程任務，通過課程教學取得實效，學生核心能力得到培養(yǎng)，必須與其他先修課程形成一個完整的課程體系。在充分論證基礎(chǔ)上，依托產(chǎn)業(yè)界專家，對課程進行改造，從人才培養(yǎng)方案中挑選若干實踐課程，建立從Cornerstone（基石）課程到Capstone課程的一整套從低年級到高年級遞進式整合性實作課程體系（見圖1）。

Capstone課程體系的第一層是Cornerstone課程，即基石課程，面向大學一二年級學生開設(shè)，對土木工程專業(yè)學生有數(shù)學建模競賽、CAD制圖、計算機程序設(shè)計等基礎(chǔ)類設(shè)計競賽，這是學生利用已掌握的少數(shù)核心能力解決模擬工程問題的初步體驗。

第二層次是銜接課程，針對大學二三年級學生開設(shè)。包括土力學與基礎(chǔ)工程課程設(shè)計、混凝土結(jié)構(gòu)課程設(shè)計、施工組織設(shè)計課程設(shè)計、深基坑與邊坡工程課程設(shè)計、隧道工程課程設(shè)計、鋼結(jié)構(gòu)課程設(shè)計等單科設(shè)計類課程，以及每年一度的省級、國家級大學生結(jié)構(gòu)設(shè)計大賽和建筑信息模型（BIM）設(shè)計大賽。第二層次的課程為大二和大三學生提供了整合一部分專業(yè)核心能力解決教師設(shè)計出的工程問題的機會，是Capstone課程與Cornerstone課程的銜接橋梁。這些課程中的專業(yè)課程設(shè)計常常是個人完成課程計劃，而結(jié)構(gòu)設(shè)計大賽、BIM設(shè)計大賽則是小組合作完成，旨在使學生團隊合作能力得到初步訓練。

第三層次是Capstone課程，武夷學院土木工程專業(yè)稱為土木工程設(shè)計實務課程，針對大學四年級學生開設(shè)。表1是Capstone課程綱要。從表1可以看出，Capstone課程教學以解決復雜且整合性工程問題為主要教學過程，涵蓋土木工程專業(yè)全部核心能力的訓練，通過Capstone課程教學，使學生專業(yè)核心能力得到進一步鞏固。

二、Capstone課程教學初探

（一） 按照國際工程教育認證規(guī)范要求，改造“畢業(yè)設(shè)計”為Capstone課程

在中國高等教育設(shè)置Capstone課程有兩條可能的路徑：一是在課程設(shè)置中直接增加Capstone課程，強化學生的知識整合和階段過渡。但是這要增加總學分，增加學生負擔。二是對本科教育中傳統(tǒng)的畢業(yè)論文（設(shè)計）、核心專業(yè)課程的課程設(shè)計等進行改造，達到Capstone課程標準。

武夷學院土木工程專業(yè)課程規(guī)劃中包括整合工程設(shè)計能力的專題實作課程，即Capstone課程，是通過對原有畢業(yè)設(shè)計課程的改造實現(xiàn)的。該課程為必修課程，6個學分，分別在大學四年級的第一學期和第二學期開設(shè)，其中第一學期5學分，第二學期1學分，合計6學分。因大四第二學期中途安排畢業(yè)實習，所以Capstone課程是結(jié)合畢業(yè)實習一起進行的。

按照國際工程教育認證規(guī)范要求，對原有畢業(yè)設(shè)計課程進行系統(tǒng)改造，以達到Capstone課程標準，具體做法是：

第一，土木工程專業(yè)的畢業(yè)設(shè)計采取分組進行，每組學生一般為3人，最多不超過4人，學生根據(jù)學習興趣自由組隊。每組完成一個工程設(shè)計實務課題，課題類型圍繞專業(yè)方向設(shè)置，一般有房屋建筑工程設(shè)計、巖土工程設(shè)計、道路橋梁工程設(shè)計等。設(shè)計過程中強調(diào)組內(nèi)學生的團結(jié)協(xié)作，提倡跨小組的合作。工程設(shè)計題目主要來自于生產(chǎn)實踐。

第二，為涵蓋大部分土木工程專業(yè)人才培養(yǎng)方案中的專業(yè)核心能力訓練，擴展Capstone課程內(nèi)容，Capstone課程主要內(nèi)容有：制定工作計劃、深入實際調(diào)查研究和收集資料、中外文獻閱讀、現(xiàn)場勘查、勘探與取樣、建筑設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計與計算、施工圖設(shè)計、施工組織設(shè)計、工程概預算、工程環(huán)境影響與倫理分析等。

第三，改造課程成績評量機制。為避免出現(xiàn)不同指導教師對課程成績評定的偏差，規(guī)定Capstone課程的成績由三個部分組成，分別是指導教師評量成績（占總分的50%）、兩位評閱教師對Capstone課程報告書的評閱成績（取平均分，占總分的20%）和Capstone課程匯報答辯成績（由答辯小組依據(jù)匯報答辯情況評定，占總分的30%）。

第四，為每一個課題小組安排一名

業(yè)界專家，參與課題指導和成績評定。業(yè)界專家參與Capstone課程教學的優(yōu)點是：一是為課題直接來源于工程實踐提供便捷途徑，業(yè)界專家承擔的工程項目就是最好的Capstone課題；二是為學生與產(chǎn)業(yè)界零距離接觸提供機會，學生可以通過實習直接參與業(yè)界專家的工程項目；三是提高了Capstone課程成績評定結(jié)果與業(yè)界標準的一致性程度。

（二）創(chuàng)新Capstone課程開課模式

國內(nèi)土木工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計教學形式基本上是教師出題，每個學生在教學計劃規(guī)定的時間內(nèi)完成設(shè)計，一人一題。這種開課模式存在的主要問題：一是假題很多，大部分的設(shè)計題目都是教師虛構(gòu)的，如某某賓館設(shè)計、某某中學教學樓設(shè)計，每年的題目基本一樣。二是學生做也是假做，雖然按照一些行業(yè)規(guī)范進行設(shè)計，但是無論是房屋建筑工程、巖土工程還是道路橋梁工程的設(shè)計，都僅僅涉及結(jié)構(gòu)設(shè)計或施工組織設(shè)計等很少的一部分內(nèi)容，與實際工程設(shè)計要求相差甚遠，解決的問題不能算是整合性復雜的工程設(shè)計問題，課題涵蓋核心能力少，學生不能得到系統(tǒng)的土木工程設(shè)計訓練。三是一人一題，不能通過畢業(yè)設(shè)計教學過程為學生提供團隊協(xié)作能力訓練，不符合國際工程教育認證規(guī)范要求，而且要在有限時間內(nèi)完成一個完整的工程項目設(shè)計，顯然是不切實際的，只是對畢業(yè)設(shè)計的一再簡化，教學效果不理想。

以業(yè)界專家正在承擔的實際工程項目作為Capstone課題，這種真題訓練是提高畢業(yè)設(shè)計效果、鍛煉學生專業(yè)核心能力的最好途徑。真題還需要真做，以一個實際的邊坡防護工程設(shè)計為例，課題任務應當包括現(xiàn)場勘查、勘探與取樣、現(xiàn)場測試、室內(nèi)測試、防護工程結(jié)構(gòu)設(shè)計、施工圖設(shè)計、施工組織設(shè)計、工程概預算、工程環(huán)境影響評價與工程倫理分析等。雖然任務較多，因為是小組合作完成，學生個人的負擔會減輕很多。

課題指導應分階段進行，在不同階段，針對課題任務的重點不同，有針對性地開展設(shè)計指導。注重引入業(yè)界專家擔任課題指導教師，圍繞工程設(shè)計中的一些關(guān)鍵實務技術(shù)，開設(shè)專題講座，提供體驗產(chǎn)業(yè)界的機會，向?qū)W生傳授業(yè)界流行的設(shè)計理念與方法，使課題設(shè)計成果更加符合業(yè)界標準，而不至于“院校味”太濃厚，脫離實際。

（三）探索Capstone課程教學成效檢視辦法

準確評估Capstone課程教學效果是十分重要的，有助于課程教學效果的持續(xù)改善。依照課題分組、分階段進行的Capstone課程教學，與一般基礎(chǔ)課、專業(yè)課的教學模式存在明顯不同，Capstone課程教學效果評價也不能僅僅依靠課程成績來完成。問卷調(diào)查方法是一個很好的補充。

Capstone課程教學目的之一是培養(yǎng)學生專業(yè)核心能力。為檢視學生專業(yè)核心能力的培養(yǎng)效果，設(shè)置學生專業(yè)核心能力問卷調(diào)查表（見表2），針對每一項專業(yè)核心能力對學生進行調(diào)研，按照非常滿意、滿意、一般、不滿意、非常不滿意5個等級打分。通過該表的統(tǒng)計分析，得到學生核心能力的達成度，檢視Capstone課程教學效果。

團隊協(xié)作能力是Capstone課程教學效果的重要保障，也是國際工程教育認證專家十分重視的觀察點。Capstone課程教學的溝通主要有課題組學生之間的溝通、學生與指導教師之間的溝通、學生現(xiàn)場調(diào)研過程中與業(yè)界之間的溝通等。溝通能力在很大程度上影響到Capstone課程的執(zhí)行效果，必須十分重視學生溝通能力的培養(yǎng)。可以設(shè)計Capstone課程執(zhí)行中學生團隊協(xié)作問卷調(diào)查表（見表3）。該表由課題指導教師完成，針對每一位學生在課題執(zhí)行中的團隊協(xié)作表現(xiàn)，按照非常滿意、滿意、一般、不滿意、非常不滿意5個等級打分。通過該表的統(tǒng)計分析，可以得到學生在Capstone課程教學過程中團隊合作能力情況。

三、結(jié)語

與土木工程專業(yè)以往的畢業(yè)設(shè)計相比較，Capstone課程在開課形式上要求學生按照小組進行，分組教學，為學生提供團隊協(xié)作能力訓練的機會。強調(diào)業(yè)界專家參與教學實踐，確保課程教學與產(chǎn)業(yè)界零距離接觸。課程內(nèi)容要涵蓋絕大部分土木工程專業(yè)核心能力的訓練，不能簡化課題任務。

Capstone課程作為大學四年的總體課程，在工程教育中具有重要地位。如何使課程體系、課程教學模式、課程評量方法、課程教學效果評估等更加符合國際工程教育認證的一般規(guī)范要求，國內(nèi)應用型本科高校土木工程專業(yè)還面臨許多問題需要深入探索。

要積極開展Capstone課程體系的教育學理論研究，利用高等教育基本原理與高等教育歷史分析方法，論證Capstone課程體系在土木工程專業(yè)人才培養(yǎng)中的必要性和重要意義，建立Capstone課程體系教育理論，指導Capstone課程體系的創(chuàng)新教育實踐。

根據(jù)服務地方產(chǎn)業(yè)發(fā)展需要，在不斷調(diào)整人才培養(yǎng)方案的基礎(chǔ)上，建立符合人才培養(yǎng)質(zhì)量要求，貫穿整個大學四年教育的Capstone課程體系。配套開展Capstone課程教學模式改革，改進課程評價機制，提高課程教學效果。

業(yè)界專家的積極參與教學實踐是Capstone課程教學的關(guān)鍵，沒有業(yè)界專家的參與，Capstone課程不可能很好地實現(xiàn)與產(chǎn)業(yè)界零距離的接觸。要確保課題任務來自于產(chǎn)業(yè)實踐，課題解決辦法符合業(yè)界規(guī)范，課程教學效果的評估與國際工程教育要求保持一致。

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