面向工程問題的土木工程應用軟件課程教學改革

王春江 趙金城 滕念管 龔景海

摘要：土木工程應用軟件課程是土木工程專業本科教育階段非常重要的一個綜合性實踐教學環節，與高校本科生的最終培養質量息息相關。土木工程專業教育認證中對現代計算機工具的使用、解決工程實際問題的能力和專業方面的國際視野有明確要求。結合教學實踐，文章首先對目前普通高等院校土木工程應用軟件教學中所面臨的主要問題進行了剖析，然后結合典型工程問題的處理方法對面向工程問題的探索性教學改革進行了論述，最后提出教學改革措施與建議。

關鍵詞：土木工程應用軟件；工程問題；教學改革；教學質量；工程教育認證

中圖分類號：G6420文獻標志碼：A文章編號：10052909（2018）03008606為適應國內外高等教育的快速發展，教育部制定了高等教育工作的基本指導性文件《普通高等學校本科專業目錄（2012年）》，對高等院校各專業進行了大規模的調整。工程教育也面臨新的挑戰， 教學目標更具體， 要求也更高。土木工程專業由重視專業發展的“小土木” 轉變為強調基礎能力和適應性的“大土木”，注重“強基礎、寬口徑、多方向”的專業教育。在目前土木工程專業本科階段的課程體系設計中，成體系、綜合性建設已是重要指標[1-2]。在大學階段，學生學到多少知識應成為次要的考量，更重要的是綜合能力、綜合素質的養成。文章通過土木工程應用軟件課程教學改革，對培養本科生具備“卓越工程師”的綜合素質，靈活運用所學知識解決實際問題的能力，自我學習、協同組織的更新能力等[3]進行了初步探索。

歐洲工程教育在歐洲一體化框架下提出了一系列的改革創新[4-6]，主要分為三部分：H3E改革（Higher Engineering Education for Europe）、E4改革（Enhancing Engineering Education in Europe）、TREE改革（Teaching and Research in Engineering in Europe）。以《華盛頓協議》為背景的土木工程專業教育認證對現代計算機工具的使用、解決工程實際問題的能力和專業的國際視野等方面都有明確的要求[7-8]。2017年5月上海交通大學土木工程專業順利通過了住房和城鄉建設部高等教育土木工程專業評估委員會組織的土木工程專業評估（認證），向國際工程教育認證體系邁出了重要一步。

一、土木工程應用軟件課程現狀分析

2007年，在上海交通大學土木工程專業的課程體系設計中，增加了土木工程應用軟件這門課程，課程設置的最初構想是希望學生學習1～2門專業軟件的操作和應用，達到能滿足建設單位和設計單位等用人單位對畢業生專業技能方面的要求。但是，經過多年教學實踐后，由于教學模式和課程大綱比較單一，學生的學習興趣逐漸減少，教學效果也不理想，主要問題如下：

（1）相當一段時間內，學校土木專業本科畢業生普遍存在重理論輕實踐的問題。從工作中反映出來的問題是部分學生學得比較死板，缺少對各門基礎課程和專業課程的整體認識，解決實際問題的能力較弱。通過課程改革可使學生了解自己所學知識的結構體系，通過軟件應用真正明白所學知識與解決工程問題能力的區別與聯系。

（2）學生所學土木工程軟件知識與實際工程應用存在脫節，學到的軟件技能在設計院或施工單位不能直接應用，課堂上的講解與實際工程中解決問題的方法或思路迥異。學生對軟件應用存在“黑匣子”依賴癥，對軟件計算盲目依賴，認為軟件運算出來的就是“正確的”和“理所應當的”。通過課程改革使學生把軟件當作專業工具來使用，而不是簡單的操作對象，既要能算，也知道算得正確與否。

（3）學生過于專注于軟件本身的操作，忽視了對問題本質的把握。土木工程中的專業問題錯綜復雜，如何選擇適合的軟件，建立合理的模型，并進行正確的運算甚至功能開發與延伸，一直是困擾土木工程應用軟件教學的主要問題，也是影響學生能力提升的關鍵所在。傳統的土木工程應用軟件教學，一般以軟件的使用操作為目的，而不是以解決工程問題為核心，因此，教學效果往往較差。課程中結合具體工程案例的講解，使學生既提高了學習的興趣，又增強了對實際工程問題的直觀理解。

（4）傳統的教學模式和教學大綱也不適應目前國家對卓越工程師培養所提的要求，學校的培養與實際工程需求有一定差距。教改項目從培養卓越工程師和高素質復合型人才的角度重新審視和改革課程，提高學生在專業領域學習中的主動性和創新性。通過教學模式的靈活多樣化，以及教學理念的工程化，使學生初步具備工程師的基本素質和綜合能力。

二、土木工程應用軟件課程教學改革的總體思路

隨著時代的發展，目前國內土木工程應用軟件的教學方式和方法已不能適應現代土木工程大型化、復雜化的趨勢，也不能滿足國際上高等工程教育的發展要求。土木工程應用軟件作為課程體系中的一個環節，到了必須改革的時刻。現在社會上更需要復合型、應用型、管理型和具有前瞻性判斷力的工程師。軟件學科的爆炸性發展，也使土木工程應用軟件傳統教學方式受到挑戰，課程間相互割裂和亦步亦趨的教學方法，已經完全不適應時代發展的要求。

筆者針對課程進行了為期2年的教學改革，通過引入國際工程教育評價體系，課程大綱設計、課程模式改革、教學方法探討等環節逐步與國際接軌，建立以綜合能力為主要培養目標的土木工程應用軟件課程框架，面向工程問題進行土木工程應用軟件的課程教學改革。把土木工程應用軟件構建成從專業基礎理論到實際工程應用的重要橋梁。把互聯互通作為課程改革的靈魂和主導思想，通過互聯互通式的教學過程，使學生真正在工程實踐中接受檢驗。例如，在結構分析與設計的本質區別、強度分析與穩定性分析的不同構件穩定與結構穩定的區別與聯系、節點構造與結構單元自由度的關系等方面，通過軟件操作和具有一定工程背景的項目分析和設計，使學生加深理解，并能掌握結構工程師所需的基本軟件應用技能。

從理論層面，以互聯互通為主導思想，以能力建設為主要目標，旨在提高土木工程應用軟件教學改革的理論價值；從實踐層面，以提高學生解決工程實際問題的能力為導向來設計課程內容和形式。主要體現在以下幾方面。

（1）多學科交叉式的教與學是激發學生創造力的重要渠道。例如，軟件工程和結構分析的基本概念貫通課程，使學生對軟件的功能和工具作用有更深層次的了解。

（2）問題導向式的教學模式適用于工程類課程教學。通過軟件操作，結合典型工程問題，讓學生活學活用，將所學知識延展到實際工程中。

（3）專業基本理論與工程應用實踐的結合是學習的最好驅動力。例如，通過矩陣位移法與有限元方法的比較，讓學生理解結構分析與數值分析的區別與聯系。

（4）從軟件原理和計算模型等更高層次上看土木工程軟件應用，可以培養學生“舉一反三”的綜合能力。例如，課程對常用土木工程應用軟件展開介紹和功能分析，讓學生了解類似軟件的使用技巧和操作方法。

（5）以互聯互通為主線的教學模式改革使學習過程由被動接受向主動挑戰推進。課堂上經常穿插一些具有實際工程背景的小問題，例如，約束類型對變形和穩定等相關問題的影響因素、自平衡體系中約束反力的處理方法等，使學生積極思考。

上海交通大學土木專業課程體系由通識教育課程、專業教育課程、專業實踐課程和個性化教育課程四部分構成，土木工程應用軟件是專業實踐課程中的重要一門。通過課程改革，探索從課程建設到學科建設的具體方案，為提高土木工程教育質量做出貢獻。從技術層面，通過對多個軟件的操作練習，獨立完成具有一定工程背景的課程大作業，大幅提高畢業生的就業競爭力和工作技能；從綜合能力和素質方面，為繼續深造的學生養成良好的科研素質做好前期準備，為培養能解決實際問題的復合型科技人才打下基礎；從課程體系建設方面，通過課程改革，推進上海交通大學土木專業課程體系向國際工程教育認證方向發展。

三、課程教學改革目標和主要內容

（一）教學改革的目標

通過教學改革，土木工程應用軟件課程形成了以典型工程案例為導向，以典型工程問題為核心的教學模式。通過項目組成員的協同努力，運用土木工程應用軟件，把學生零散的知識體系推向互聯互通的境界。通過面向工程問題的教學改革，提高學生的科研能力和綜合素質。從基本技能、團結協作、解決問題和思維方式等方面，提升上海交通大學土木專業學生“卓越工程師”方面的綜合素質。

（二）教學改革的內容

教學改革以面向工程問題為首要任務。教改的主要內容有如下幾點：

（1）重新調整教學目的，重新編排教學內容，梳理教學大綱，修改后的教學大綱如圖1所示。

（2）重新設計和優選教學項目，完善講義和典型工程案例。課程選擇的工程案例，基本涵蓋了剛度分析與強度分析、殼體結構線性與非線性穩定分析、高層結構抗震分析、反應譜分析與時程分析等幾個方面的典型工程問題。

（3）改革傳統教學模式和教學方法，引入教學互動、工程師進課堂等豐富多彩的教學形式。課程共32學時，一般是16周的教學安排，從教學的角度來看，時間是比較合理的。其中，6周講基本理論，即講解土木工程結構分析的基本概念和模型、軟件運行的基本特征和軟件框架體系等，2周用于模型演示與過程操作，在設計院工程師的輔助下，針對實際工程項目進行講解。8周的時間內，根據具體結構專題，結合某一軟件的操作過程進行講解，然后有針對性地開展上機實習與訓練。

（4）提升任課教師自身綜合素質。教師解決工程問題的能力直接影響課程的教學質量，通過課程小組與課題科研活動，以及橫向項目的交流活動進行聯動，豐富教學內容，提升教師的實踐水平和教學能力。任課教師一定要與設計院多交流，貼近實際工程項目，才能不斷更新課堂內容。

（三）教學改革方案

（1）成立了以軟件應用與開發為大背景的綜合教學團隊，以教學促科研，從科研成果及遇到的問題反推教學課程的改革。

聯合科研團隊中具有軟件開發經驗和工程實踐經驗的教師，豐富課堂內容，把與軟件應用有較強聯系的科研課題作為教學案例。在學生的課程設計、畢業論文、創新實踐以及科研創新活動中，軟件應用也作為一項基本技能來培訓和要求，加強學生的科研和創新綜合能力。

（2）改革土木工程應用軟件的傳統教學內容，根據教育部“卓越計劃”的要求和國際工程教育評價體系的設置，重新梳理教學大綱。

通過匯總土木工程應用軟件的系統框架設計、開發思路、編程模式以及軟件的開發模型，結合土木工程中常見的結構形式和典型工程問題有針對性地進行軟件原理介紹和軟件操作訓練。首先，通過介紹軟件工程的相關知識，讓學生對軟件的運行和開發原理有基本的了解，然后，介紹目前市場上主流的土木工程相關分析和設計軟件，讓學生對土木工程應用軟件的發展歷史有個清晰的輪廓。結合結構概念設計與分析，讓學生通過結構分析軟件的一般步驟和流程，掌握軟件使用的一般規律。簡單回顧與介紹矩陣位移法與線彈性有限元的基本方法，過渡到計算機軟件的算法實現，讓學生對軟件背后的力學原理有清晰的了解。通過空間結構的復雜形式介紹，結合軟件的實現方法，為學生在軟件建模和復雜力學問題的分析方面建立明確的概念。通過介紹典型工程問題，如鋼結構和混凝土框架結構線彈性分析、幾何非線性穩定分析、地震分解反應譜方法、地震時程分析方法、滿應力優化分析方法等，讓學生對問題求解和計算結果分析有正確的認識，并能基本解決類似的實際工程問題，為今后走上工作崗位，奠定良好的計算機軟件應用基礎，養成運用軟件進行結構分析與設計的綜合素質。

（3）通過教學實踐和素材積累，逐步形成內容豐富且具有針對性的土木工程應用軟件講義，針對典型工程問題制作PPT課件，與課程培養目標相呼應。

（4）改革傳統教學模式和方法，把經驗豐富的工程師請進課堂，與學生面對面交流，搭建大學課堂與土木實踐的無障礙交流通道。通過上機實踐操作和面向工程問題的課程大作業訓練，強化學生的工程應用能力。

課程的教學實踐環節，以MIDAS、SAP2000兩款軟件應用為主，并邀請設計院的一線工程師為學生現場講解實際工程問題的軟件解決方案和具體處理方法。通過這個環節拓寬了學生視野，加深了對軟件應用的理解和掌握，提升學生靈活處理各種問題的能力。通過探討ANSYS和ABAQUS的高級應用，并在課堂上結合工程案例作系統性介紹，讓學生全面了解復雜工程問題的多途徑解決方法，了解軟件各自的特長。

（5）加強理論基礎知識與實際應用的結合。所有課程大作業中計算內容都必須是以實際工程為背景的算例。

考核環節采取分組大論文的形式。針對每個學生的愛好和特長，任課教師與學生討論并制定有特色的大論文題目，既讓學生發揮自己的專業愛好和興趣，又可以培養學生解決實際問題的能力。該環節使學生真正動手建立復雜的實際工程軟件模型，并通過計算分析得到計算結果，結合專業知識對計算結果作專業性的判定，總結計算結果的變化規律，掌握模型的修正方法，形成盡可能貼近實際工程問題的解決思路。

四、結語

課程教學改革，結合土木工程的特點，探索更好的教學模式和教學方法，提高學生解決工程實際問題的能力和所學知識的系統化程度。通過對軟件開發原理和計算模型的介紹，結合具體工程分析案例讓學生真正掌握專業知識與實際軟件應用之間的關系，并做到專業知識的靈活運用，激發學生對土木工程專業的熱愛，達到學以致用、舉一反三的目的，可得心應手地運用所學軟件對常見的工程問題進行處理。加強土木工程專業基礎理論、專業知識和實際工程應用間的銜接，建立聯系理論知識與專業實踐的橋梁。

課程改革使知識體系、理論與實踐、課堂內外實現了互聯互通，達到提升能力的目標，通過靈活多樣的教學方式，激發學生的學習主動性和創新精神。培養學生主動思考、探索式學習、解決實際問題等綜合素質，使土木專業的學生逐步意識到，能力培養在大學課程體系中的關鍵作用，也使學生在踏入工作崗位之前，養成自主學習的習慣。大學課程不是學習的結束，而是畢業后面向社會的下一個學習階段的開始，是承前啟后的重要環節。

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