《建筑結構抗震設計》教學改革探索與實踐
——基于工程教育認證標準

顏桂云

(1.福建省土木工程新技術與信息化重點實驗室; 2.福建工程學院土木工程學院 福建福州 350118)

0 引言

工程教育認證是由工程技術行業協會組織工程技術領域的教育工作者、學術專家及相關行業的技術專家對工程技術領域相關專業的工程教育質量進行評價、認可并提出改進意見的過程，是一種國際通行的工程教育質量保證制度[1]。在我國，工程教育專業認證是由中國工程教育認證協會組織的，由專門職業協會會同該領域的教育工作者一起進行的，針對高等教育中工程類專業開展的一種合格評價，為實現工程教育國際互認和工程師資格國際互認打下重要基礎。

土木工程專業在1994年開始實行認證制度，由住房和城鄉建設部統一領導，建設部高等教育土木工程專業評估委員會具體實施，是我國按照國際通行的專門職業性專業認證接軌制度進行認證的首例[2]。2015年3月，中國工程教育專業認證協會結合《華盛頓協議》修訂印發了《工程教育認證標準》。2016年我國成為《華盛頓協議》的正式會員，這意味著相關的專業認證具備國際實質等效性。

福建工程學院土木工程專業于2017年5月通過了工程教育認證，是全國土木工程專業首批按照《華盛頓協議》工程教育認證體系進行，也是福建工程學院第一個參加工程教育認證的專業，在土木工程專業本科教學實踐中取得了一些經驗。本文結合工程教育認證標準的內涵，闡述對《建筑結構抗震設計》課程進行的教學改革探索與實踐，為工程教育認證的其他專業課程改革提供參考。

1 工程教育認證標準的內涵

工程教育認證主要包括兩方面的內容[3]：其一是合格評估。針對土木工程專業，由住房和城鄉建設部高等教育土木工程專業評估委員會委派由各高校、設計院與施工單位等專家學者組成考查小組，通過考察專業辦學條件、教學管理、觀摩教學活動、與院系負責人、教師及學生會談等，采用制定專業的合格標準對專業的教育質量進行評估，以此判斷該專業是否合格。其二是進行專業整改。工程教育認證的一大特點就是持續改進的質量文化，要求專業對存在的問題具有明確的認識和信息獲取途徑，有明確可行的改進機制和措施，能跟蹤改進之后的效果，能收集信息反饋于下一步的繼續改進。通過自評與專家評審等認證措施，鼓勵與促進達到或沒達到專業認證標準的專業改進工作，提高專業教育質量。

工程教育認證內涵三大核心理念[4]：

(1)學生中心(Student Centering, SC)；

(2)成果導向或基于產出，目標導向(Outcome Based Education, OBE)；

(3)持續改進(Continuous Quality Improvement, CQI)。其中，學生中心(SC)是宗旨，成果導向(OBE)是要求，持續改進(CQI)是機制。

工程教育認證以上述三大核心理論為基礎，形成了認證標準的完整評價體系，主要包括七大一級指標：①學生；②培養目標；③畢業要求；④持續改進；⑤課程體系；⑥師資隊伍；⑦支持條件。

工程教育認證標準下教學體系強調基于成果導向，這有別于傳統的教學體系。基于成果導向的課程體系側重于按照期望學生達到的畢業要求進行組織，要求教學重點關注學生怎樣取得學習成果，實際學習成果如何以及怎樣評估學生的學習成果，亦即重點關注產出(output)。同時，課堂教學組織要求體現以學生為中心，采取有效措施激發學生學習的主動性，引導學生深度參與教學過程、培養學生實踐能力、創新能力與批判性思維等。要求用多種方式評價教學效果，采用以學生學習成果的評價改進教學，采用跟蹤、反饋、改進等形成持續改進的機制。

工程教育認證聚焦于“復雜工程問題(Complex Engineering Problems)”， 復雜工程問題貫穿于專業課程體系和內容建設，是工程教育認證的核心特征。“復雜工程問題”為復雜的工程問題，非復雜工程的問題，這里的“復雜”問題體現為超越了常見問題場景、超越單一學科知識、超越純粹技術范疇。因此，“復雜工程問題”[5]必須具備下述特征(1)，同時具備下述特征(2)～(7)的部分或全部：

(1)必須運用深入的工程原理，經過分析才可能得到解決；

(2)涉及多方面技術、工程和其它因素，并可能相互有一定沖突；

(3)需要通過建立合適的抽象模型才能解決，在建模過程中需要體現出創造性；

(4)不是僅靠常用方法就可以完全解決的；

(5)問題中涉及的因素可能沒有完全包含在專業工程實踐的標準和規范中；

(6)問題相關各方的利益不完全一致；

(7)具有較高的綜合性，包含多個相互關聯的子問題。

福建工程學院土木工程專業根據《工程教育認證標準2015》中的12條畢業要求，提出了34個分解指標點，將“復雜工程問題”化解于34個指標點中，將支撐培養目標的畢業要求分指標點分解到每門課程和相應的實踐環節中，最后以提出的達成度計算方法，判別是否達到預設的培養目標[6]。

2 《建筑結構抗震設計》教學改革探索與實踐

《建筑結構抗震設計》是福建工程學院土木工程專業建筑工程方向的必修專業課之一，涉及學科較多，綜合性強、難度大、知識面廣、與工程實際聯系密切。其先修課程涉及理論力學、材料力學、結構力學、鋼筋混凝土結構設計基本原理、鋼筋混凝土結構等，后續課程涉及高層建筑結構設計、砌體結構、地基基礎、鋼結構設計等專業課程，在各門專業基礎課與專業課之間起著重要的銜接作用。工程教育認證標準要求明確人才培養目標與畢業要求，根據對畢業生的能力要求，優化專業課程體系與內容建設。因此，依據工程教育認證以學生中心、成果導向、持續改進三大核心理論，結合復雜工程問題的內涵，《建筑結構抗震設計》課程在教學目標與課程大綱、教學內容與教學方法、實踐性環節、課程考核與評價等方面進行改革和探索。

2.1 教學目標與教學大綱

培養目標和畢業要求是工程教育認證新體系下的關鍵要素，也是學校、專業培養人才的方向和指南，即明確“培養什么人”的問題。因此，圍繞培養目標和畢業要求所建立的課程體系，需要調整與改革其教學目標與教學大綱。《建筑結構抗震設計》課程圍繞培養具有良好的人文素養，扎實的理論基礎，系統的專業知識，較強的實踐能力，一定的創新能力，具有良好的團隊合作精神，解決實際工程技術問題的高層次應用技術人才為教學目標展開。實現畢業生能夠在建筑工程等領域從事勘察、設計、施工、管理、教育等工作，預期畢業后五年左右能夠成長為土木工程及其相關領域的技術骨干或管理人才。

課程教學大綱是保證教學質量和實現教學目標的重要文件，是教學質量考核、教師教學工作質量考核和學生課程學習考核的重要依據。根據工程教育認證的畢業要求，福建工程學院建立了人才培養標準實現矩陣，其中對知識要求、能力要求、素質要求以及其實現方法進行了詳細的描述。《建筑結構抗震設計》教學大綱根據人才培養標準實現矩陣建立課程目標、調整教學內容與教學方法；同時，對課程支撐的畢業要求應進行明確的規定。修訂后該課程對應于畢業要求指標點3.3與3.4。指標點3.3具體內容為：能夠根據土木工程特定需求合理制定工程結構體系的設計、施工和管理方案；指標點3.4具體內容為：能夠理解和評價工程設計方案對社會、健康、安全、法律、文化及環境等的影響，并能夠充分利用上述因素對工程方案進行比較和優化。此外，教學大綱中教學方法與教學內容均需與畢業要求指標點及課程目標密切關聯。從而為基于成果導向的課程教學奠定基礎。

2.2 教學內容與教學方法

圍繞培養目標和畢業要求所建立的課程體系、課程內容及教學方法等是切實保證培養目標和畢業要求的實現，即明確“怎么培養人”的問題。工程教育認證的根本目的，是促進或提升“教育產出”即成果，而非“教育輸入”，培養畢業生解決“復雜工程問題”的能力。因此，《建筑結構抗震設計》以此為根據進行課程教學內容和教學方法的調整與革新。

2.2.1優化教學內容，重視解決“復雜工程問題”能力的培養

《建筑結構抗震設計》課程的教學內容多、涉及面廣，主要包括地震及結構抗震的基本知識、場地、地基和基礎、單自由度及多自由度體系結構的地震反應，地震作用和結構抗震設計要點，多層和高層鋼筋混凝土結構房屋抗震設計，多層砌體房屋和底部框架砌體房屋抗震設計，鋼結構房屋抗震設計，單層鋼筋混凝土柱廠房抗震設計，非結構構件抗震設計及結構隔震與消能建筑設計基礎知識等。教學計劃僅僅安排32學時，內容多而課時少的矛盾十分突出，如果在有限的學時內課堂授課內容面面俱到，必然導致學生學得淺而不精、主次不分，不利于培養學生解決“復雜工程問題”的能力。根據福建工程學院土木工程專業人才培養標準實現矩陣的知識要求、能力要求、素質要求，福建工程學院該課程教學團隊將課程內容知識點分為知識型、能力型與素質型三大類。知識型知識點側重抗震的基本概念與基本規定，如地震震級、地震基本烈度、抗震設防目標、地基土的液化、抗震措施等。能力型知識點側重基本方法，如液化土的判別方法、振型分解反應譜法、底部剪力法等。素質型知識點側重邏輯推理與綜合分析，如結構概念設計、抗震結構方案的確定、結構抗震等級的確定等。制定課程授課計劃時，考慮知識點的不同類型，合理安排不同的課時，尤其側重素質型知識點內容講解，培養學生解決“復雜工程問題”能力的培養。

此外，精簡課堂內容講授。《建筑結構抗震設計》課程內容設計面廣，與其他幾門課程緊密連接，相互滲透。該課程與結構力學、土力學、混凝土結構設計、高層結構設計、鋼結構、砌體結構等課程內容之間存在較多交叉重復，如D值法，不僅在《建筑結構抗震設計》課程里有講解內容，在混凝土結構設計課程中有更詳細的講解。又比如結構的振型與自振頻率的概念，不僅在該課程單自由度及多自由度體系結構的地震反應中有較詳細的內容，而在結構力學課程的動力學部分已先期涉及了振型與自振頻率的概念等。對這些交叉重復的內容，授課時既要突出重點又要注意重復內容的凝練，不能忽略其重要性。根據各門課程的銜接內容、課時安排及相關內容的重要性程度，同時結合在線課程教學，將授課內容調整為：地震與抗震基本知識、概念設計、場地與地基、單自由度與多自由度地震反應分析、框架結構抗震設計及砌體結構抗震設計等。通過教學內容的合理優化，集中有限時間加強學生對抗震核心內容的掌握與綜合分析問題能力提高，促進對學生解決“復雜工程問題”能力的培養。

2.2.2基于成果導向(OBE)，改革教學方式與教學手段

工程教育認證標準將畢業生和學生的素質和能力作為最直接的質量準則，采用“成果導向”核心理念。“成果導向”核心理念[6]要求課程教學重點關注產生，即學生怎樣取得學習成果，實際學習成果如何。教學組織要體現以學生為中心，激發學生主動與有效學習，突出學生深度參與教學過程等。因此，基于成果導向的教學中，需改革教學方式與教學手段。

首先，采用在線課堂教學與傳統教學相結合。學生通過福建工程學院網絡教學平臺，課前在線學習相關教學內容，完成教師在課程教學平臺上布置作業與討論題，教師通過教學平臺批閱學生作業與及時答疑。這樣，學生對課堂教學的基本概念與內容有大部分的掌握，在課堂教學上對重點與疑點的聽課更有針對性，體現了以學生為中心，激發了學生自主學習與有效學習，提高了教學效率。

其次，多媒體教學與傳統教學相結合。由于《建筑結構抗震設計》課程涉及的內容多、綜合性強、公式、規范條文多等特點，課堂上可以充分利用多媒體，以視頻、圖片、動畫等形式生動地講教學內容、直觀展現授課內容，節省了板書和畫圖時間，提高了效率。例如，地震災害內容部分可通過視頻與圖片展現2008年汶川地震的房屋倒塌、結構破壞等。但對基礎理論內容，如振型分解反應譜法、底部剪力法等，通過板書形式講解，強化學生對核心知識的掌握。

第三，課堂教學與自學、討論相結合。除采用常規的課堂教學外，采用“思考與討論”形式開展課堂自學與討論，激發學生參與課堂教學過程。最后，結合BIM技術進行抗震構造的講解。該課程不少內容涉及規范條文抗震構造措施，通過文字板書與圖片講解，學生往往還不能完全清楚與掌握。利用BIM技術的全信息三維模型處理能力，制作抗震構造的三維模型進行講解，比如框架節點的構造，模型能詳細展現節點構造，鋼筋位置關系等，使學生能夠更好理解規范條文的抗震構造措施，培養了學生正確運用規范的能力。

2.3 教學實踐環節

2.3.1開展基于BIM模型的課程設計

(a)樓梯欄桿與建筑主體

(b)混凝土框架梁柱節點抗震構造圖1 全信息BIM三維模型

《建筑結構抗震設計》是一門實踐性與綜合性很強的課程，由于課程中知識要求與能力要求的部分內容在課堂講授中涉及相對較小或缺少實際應用，如結構抗震構造措施、較多的公式與規范條文等，故此部分教學內容通過課程設計的訓練來完成。在傳統的課程設計實施過程中，學生在結構形式存在認識盲區，尤其框架施工圖繪制階段，由于構造要求繁多，往往感到無從下手或表達不清楚、不全面。利用BIM技術在土木工程專業教學過程中的優勢，開發設計一系列可視化全息三維模型，用以解決教學中書本知識抽象，師生之間交流困難，學生學習效果不佳等問題。改革后的課程設計實施過程為：結構選型與布置(結合BIM模型)→重力荷載代表值計算→框架剛度計算→框架自振周期計算→多遇水平地震作用計算→框架各層地震力及彈性位移計算→水平地震作用下框架內力分析→框架重力荷載效應計算→框架截面內力組合→框架截面承載力驗算→框架施工圖繪制(結合BIM模型)。圖1為全信息BIM三維模型，圖1(a)清楚表達了樓梯欄桿與建筑主體的局部構造，圖1(b)清楚表達了混凝土框架梁柱節點抗震構造。因此，通過基于BIM模型的課程設計訓練，加深了學生對結構體系與結構形式的認識，強化了對繁多的抗震構造措施的理解，培養了學生分析與解決問題的能力，體現了工程教育認證以學生為中心、成果導向的教學需求。

2.3.2開設實驗教學項目

工程教育認證強調畢業生解決“復雜工程問題”的能力，福建工程學院對學生解決“復雜工程問題”能力的培養分解到每門課程和相應教學環節中。《建筑結構抗震設計》課程具有概念多、力學理論難、計算繁瑣、構造要求復雜、工程應用范圍廣等特征。在涉及地震波頻譜特性、單自由度及多自由度的振動方程、振動微分方程求解、自振頻率、振型及阻尼等有關抽象知識時，常常是教師難講，學生難以理解，不利于解決“復雜工程問題”能力的培養。依托福建工程學院結構實驗室與土木工程綜合實踐中心的小梁振動測試系統、小型精密振動臺、MIDAS等儀器設備與仿真軟件，新開設了3個創新性實驗項目：①單自由度系統自由衰減振動及阻尼比的測量；②簡支梁的振型及頻譜特性測試；③多層框架隔震實驗及仿真。圖2為單自由度系統自由衰減振動及阻尼比的測量過程與結果。通過該實驗，學生掌握了單自由度自由衰減振動的有關概念，學會根據自由衰減振動波形確定系統的阻尼比。圖3為簡支梁的振型及頻譜特性測試過程與結果，加深了學生對振型、振動頻率與頻譜特性的抽象概念的理解。

(a)實驗裝置

(b)實測自由振動衰減曲線圖2 單自由度系統自由衰減振動及阻尼比的測量

通過采用實驗教學項目，把理論課堂上難懂的抽象概念、理論推導計算等，通過模型實驗的方式直觀表達出來，加深了學生對抽象的理論概念的理解與掌握，培養了學生解決復雜工程問題的能力。同時，增強了課程教學的趣味性，學生由被動學習變為主動學習，明顯提高了學生主動探究知識的興趣，鍛煉了學生的動手能力和協作精神，體現了工程教育認證以學生中心的理念，取得了較好的教學效果。

(a)試驗模型

(b)頻譜圖

(c)第一階實測振型圖3 簡支梁的振型及頻譜特性測試

2.4 改革課程考核與評價方法

2.4.1考核方式

課程考試主要目的是檢查學生掌握本門課程的情況，具有導向性作用。由于本門課程具備知識面廣泛，構造要求繁多，工程實踐性強，尤其涉及力學與數學基礎內容較多，采用傳統的出題閉卷考試，可能造成學生對概念提與論述題的死記硬背，而對計算分析與綜合知識應用能力偏弱，考察不出學生分析與解決問題的能力。因此，改變采用一次性考試的比重，而將學生的平時表現結合到課程考核中。期末考試成績占80%，平時表現占20%。通過考勤及課堂表現、平時測驗或課程報告以及作業情況，綜合反映學生日常學習的情況。具體情況如表1所示。

表1 課程成績計算方法

2.4.2課程評價

工程教育認證標準下，福建工程學院土木工程專業建立了《土木工程專業課程對畢業要求的支撐及權重》的規定。《建筑結構抗震設計》課程支撐畢業要求3，對應于分解畢業要求指標點3.3與指標點3.4。在課程與畢業要求關聯矩陣中，畢業要求指標點3.3與指標點3.4所對應的目標權重系數分別為0.15與0.10。課程設置達成度目標值，采用成績分析法進行評價，進行課程達成度評價值計算，采用連續2年的課程達成度平均值計算該門課對畢業要求的達程度評價，詳細計算過程如表2～表3所示。2015 屆、2016屆本科生《建筑結構抗震設計》課程達成度評價結果為達成。

表2 課程達成度評價值計算

表3 課程對畢業要求達成度評價

此外，評價結果用于持續改進。

首先，定期做出適當的記錄，以便評估學生能力的取得程度：在教學過程中，通過課間與學生的交流了解學生學習存在的疑難問題，通過布置、收集與批改作業，記錄學生對知識點的掌握程度，通過習題課重點講解學生存在的疑難問題；通過學生課堂表現、作業情況和試卷分析，評估學生能力的達成度。

其次，評估的結果被系統地加入項目持續改進中：課程采用重點講解、重點練習與基本知識講解相結合的教學模式，強化學生對基本原理與方法的掌握；在教學過程中搜集各種素材(現場圖片和視頻等)，并結合課堂教學、重點剖析，使學生將基礎理論與工程實踐結合起來。

最后，采用其他可用的協助持續改進的資源：運用多媒體進行教學，利用學校的網絡資源、計算機資源，組織開展計算機輔助教學。通過組建班級云班課等，建立教師與學生、學生與學生之間相互交流的平臺，幫助學生釋疑解惑，學生之間也可相互交流。所采取的一系列對課堂教學的有效輔助手段，持續改進課程教學成效與提高課程對畢業要求達成度。

3 結語

根據工程教育認證標準進行專業課程的教學改革是工程教育認證的內在要求和必然趨勢，針對《建筑結構抗震設計》課程特點，結合筆者多年來的教學與實踐經驗，對該課程的教學目標與課程大綱、教學內容與教學方法、實踐性環節、課程考核與評價等進行了改革與實踐。教學改革與實踐中緊扣工程教育認證以學生中心、成果導向、持續改進三大核心理念與解決“復雜工程問題”有關的畢業要求，提出了課程達成度評價與課程對畢業要求達成度評價的計算方法，驗證了教學改革的有效性，取得了良好的教學效果。該課程的教學改革與實踐可為工程教育認證的其他專業課程改革提供參考。

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