基于學生知識建構(gòu)的施工技術類課程“四位一體”教學方法的應用

管東芝，陸金鈺，朱明亮，郭正興

(東南大學 土木工程學院，江蘇 南京 211189)

隨著“以本為本、回歸本科”等高等教育發(fā)展目標的提出，本科教育越來越受到廣泛的重視。由于經(jīng)濟的增長、社會的進步和教育理念的轉(zhuǎn)變，“以學生為中心”的教育理念逐漸獲得認可[1-2]。目前，土木工程行業(yè)特別是建筑業(yè)現(xiàn)代化進程不斷加快，新形勢下施工技術類本科教育發(fā)展呈現(xiàn)新的需求和變化[3-6]。本文針對土木工程專業(yè)施工技術類課程，基于學生知識建構(gòu)原則[7]，提出“四位一體”的教學方法，供施工技術類高等教育工作者參考。

一、施工技術類本科課程培養(yǎng)目標

(一)總體培養(yǎng)目標

施工技術類課程是高等院校土木工程專業(yè)核心專業(yè)課程的重要組成部分，一般面向土木工程專業(yè)大三學生開設，主要研究建筑工程、道路與橋梁工程、地下工程等專業(yè)領域施工技術的一般規(guī)律，是理論與實踐緊密結(jié)合的課程，其實踐性強，涉及面廣，學科發(fā)展迅速。課程主要內(nèi)容一般包含：土方工程、樁基礎工程、模板工程、鋼筋工程、混凝土工程、預應力工程、結(jié)構(gòu)安裝工程等七個方面。

施工技術類課程總體培養(yǎng)目標為：通過課程教學，引導學生建構(gòu)以工種工程為主的基礎知識和基本理論體系，培養(yǎng)學生分析和解決一般施工問題的初步能力，對常規(guī)工程項目能制定基本可行的施工專項方案，為將來勝任相關的技術與管理工作，以及開展科學研究和技術創(chuàng)新打下基礎。

(二)認知領域高階學習目標

認知領域的教學目標一般分為識記、理解、應用、分析、評價和創(chuàng)造六個層次。其中，后三個層次處于思維的較高水平，被認為是“高階思維”[1][8]。施工技術類課程涉及實際施工中的相關技術性知識，需要學生將所學的理論知識應用到實踐中去，將理論與實踐有機結(jié)合。根據(jù)高階學習目標的主旨和課程特點，針對上述七個方面的課程內(nèi)容，高階學習目標確定為：

(1)學習了“土方工程”相關內(nèi)容的土木工程專業(yè)大三學生，獲得單層廠房或普通多層建筑結(jié)構(gòu)(10層或24米高度以下)的基礎方案后，能夠根據(jù)該基礎方案制定技術可行的土方工程專項施工方案，包括土方量的計算、土方的調(diào)配計劃等。

(2)學習了“樁基礎工程”相關內(nèi)容的土木工程專業(yè)大三學生，根據(jù)給定的樁基工程設計方案，能制定切實可行的“樁基礎工程”工作計劃，包括樁的制造、成樁工藝要求以及施工機械的選擇等。

(3)學習了“模板工程”相關內(nèi)容的土木工程專業(yè)大三學生，可以對普通現(xiàn)澆混凝土建筑結(jié)構(gòu)制定“扣件式”模板支撐架方案，包括模板和支架計算書、布置圖紙等。

(4)學習了“鋼筋工程”和“混凝土工程”相關內(nèi)容的土木工程專業(yè)大三學生，能夠針對某一普通混凝土工程的特點，提出鋼筋工程和混凝土工程質(zhì)量技術要求和控制措施。

(5)學習了“預應力工程”相關內(nèi)容的土木工程專業(yè)大三學生，對給定的預應力混凝土工程項目，能夠制定科學合理的預應力施工方案，包括張拉器具的選擇、預應力損失的計算等。

(6)學習了“安裝工程”相關內(nèi)容的土木工程專業(yè)大三學生，針對給定的裝配式混凝土單層廠房，能夠制定技術可行的安裝專項施工方案，包括預制構(gòu)件的布置、行走路線的規(guī)劃等。

二、學生情況分析

(一)學生的一般特征

普通本科院校施工技術類課程一般針對土木工程專業(yè)大三學生開設。大三學生大都剛從青少年時期過渡到青年時期，相比大學一二年級學生雖然更為穩(wěn)重，但也容易受外界影響，有的學習興趣濃厚，有的也很淡薄，呈兩極化分布態(tài)勢。大三學生總體來說可塑性強，已完全具備自主學習和獨立思考的能力。

(二)學生的起點能力

土木工程專業(yè)大三學生，已有兩年大學的學習生活，完成了基礎課程的學習，包括高等數(shù)學、大學物理、工程化學、計算機基礎等；已學習的專業(yè)課包括土木工程概論、工程力學、土木工程材料等，具備基本的數(shù)學、物理學理論知識，對土木工程施工過程中涉及的力學、材料學等已有初步了解。學生的學習興趣已大多從書本轉(zhuǎn)到實踐，學習能力和思維能力有了質(zhì)的轉(zhuǎn)變，自學能力較強，具備了學習實踐性課程的能力。

(三)學生的學習動機

學生學習動機分為內(nèi)部動機和外部動機。一般而言，大三學生情緒、心理更加穩(wěn)定，認知內(nèi)驅(qū)力往往也更加突出，對自身未來從事的專業(yè)和職業(yè)也較清楚。土木工程專業(yè)本科生的主要就業(yè)方向是建筑施工企業(yè)，目前隨著建筑業(yè)的發(fā)展，社會對土木工程專業(yè)人才的需求也較大，對土木工程專業(yè)學生而言，學習施工技術的外部動機因素較多。

(四)學生的信息素養(yǎng)

目前，一般大學本科三年級學生已經(jīng)完成了包括計算機基礎、程序語言在內(nèi)的信息技術方面的課程，部分學生通過國家計算機二級考試，取得相應的等級證書，有的土木工程專業(yè)學生甚至取得了CAD、BIM建模等方面的相關證書，能夠熟練進行計算機操作和網(wǎng)絡運用，并在計算機上構(gòu)建模型，進行實踐模擬。

三、施工技術類課程教學的創(chuàng)新

(一)總體創(chuàng)新思路

在實際工程的施工過程中存在眾多的影響因素，面對的情況極其復雜，學生只有自我建構(gòu)施工知識體系，才能靈活處理不同的施工情況。工程類應用性課程，傳統(tǒng)的基于“行為主義”的教學方式難以使學生快速靈活地處理實際工程問題。而基于知識建構(gòu)的教學方式，以學生為中心，強調(diào)學生在特定的學習過程中自主建構(gòu)知識體系，才能引導學生融會貫通地掌握并利用所學知識，靈活應對實際工程中出現(xiàn)的各種問題。

以“學生知識建構(gòu)”為中心的學習方法[9]，旨在促進學生由內(nèi)而外地主動對學習對象或內(nèi)容賦予意義，強化學生的自主學習。學生完成知識點的學習或?qū)I(yè)技能訓練后，教師僅對知識整體框架結(jié)構(gòu)進行建議性介紹，并進一步組織和提供合適的教學資源，營造適當?shù)慕虒W環(huán)境，促使學生自主學習，加深學生對知識的理解，輔助學生針對學習內(nèi)容建構(gòu)自我知識結(jié)構(gòu)體系。最后，再通過綜合性任務，推動和檢驗學生對知識的靈活應用。

(二)“四位一體”教學方法

“四位一體”教學方法的內(nèi)涵是指以學生為中心，以學生自主知識建構(gòu)為目標，將學習內(nèi)容、學習環(huán)境、教學載體、教學方法四個方面有機整合為一體，創(chuàng)新教學方法，促進學生自我建構(gòu)知識體系(圖1)。

1.基礎施工知識與工程應用項目相結(jié)合

施工技術知識涉及面較廣，涵蓋內(nèi)容繁雜，知識點多而松散，傳統(tǒng)以講解為主的教授方式，往往僅能使學生達到“識記”“理解”的低階認知領域?qū)W習目標，局限于單個知識點的學習和訓練，容易造成學生“見木不見林”的學習效果，不利于學生對施工知識的整體把握。

“四位一體”教學方法針對本科生的學習特點，依托常規(guī)的建造工程項目，直接以工程實例的建造過程為主線，將相關施工技術類基礎知識有機聯(lián)系起來，促使學生深入理解基本工種工程在實際施工過程中的作用和地位，便于學生抓住重點，了解知識點的意義。

2.課堂理論教學與工地實際體驗相結(jié)合

施工技術類課程理論與實踐結(jié)合緊密，雖著眼于實際工程的建造，但也無法脫離基本理論的指導和應用。傳統(tǒng)課堂教學僅限于書本知識的傳授，即使采用照片、視頻等多媒體方式，仍難以讓學生直觀感受工程現(xiàn)場的實際情形。如感受不深，理解和應用就會較困難。

“四位一體”教學方法強調(diào)“面向工程”學習環(huán)境的建設。學生初步掌握基本施工技術原理后，再深入一線施工工地，與實際施工現(xiàn)場的專業(yè)人員接觸和互動，開展“第二課堂”現(xiàn)場學習，在實際應用中加深對知識點的理解，自我建構(gòu)知識體系。

3.虛擬建造技術與課程知識教學相結(jié)合

隨著信息和計算機技術的發(fā)展，土木工程領域的建筑信息模型(Building Information Model,簡稱BIM)得到廣泛應用。通過BIM技術，可虛擬仿真工程項目的施工過程，清晰地向?qū)W生演示工程整體的建造過程，由此激發(fā)學生的學習興趣。再從整體分解具體的工種工程，結(jié)合虛擬仿真技術，從技術細節(jié)、構(gòu)造形式、工作原理等方面，深入淺出地向?qū)W生講解施工技術的基本知識，提高學生對知識點的認識。總之，虛擬技術與課程知識的有機結(jié)合，有利于學生深刻理解專業(yè)知識。

4.學生知識建構(gòu)與教師綱領引導相結(jié)合

以學生為中心的知識建構(gòu)過程，強調(diào)學生針對學習任務，通過已有知識與新獲得信息的融合，以自我的方式主動建構(gòu)新知識體系。教師不再針對每一個知識點展開詳細講授，而是提供大量素材(虛擬建造素材、照片、視頻、授課PPT等)，將任務或者作業(yè)，前置于教師對具體知識點的講授，引導學生自主學習相關知識點，再通過習題作業(yè)的訓練，達到加深理解的目的。課堂上，教師僅對相關知識點的框架結(jié)構(gòu)和組成關系進行綱領式的引導講解，啟發(fā)式地向?qū)W生提供知識框架結(jié)構(gòu)，引導學生將已掌握的知識進一步改造、重組，初步建構(gòu)框架式的知識體系。最終以小組協(xié)作的方式，要求學生提出實際工程項目的施工方案，在此過程中自主建構(gòu)土木工程施工知識體系。

四、施工技術類課程教學流程設計

(一)課程總體教學流程

施工技術類課程教學內(nèi)容豐富，每個方面的側(cè)重點不同，教學流程也略有差別。但基于土建工程的共同特點，各方面的教學內(nèi)容大體可按上述教學思路和方法進行設計。施工技術類課程總體教學流程如圖2所示。

1.項目演示，引出主題

第一次課，教師向?qū)W生介紹國內(nèi)外具有較大影響的工程項目，激發(fā)學生的學習興趣和欲望，結(jié)合虛擬仿真視頻展示建造過程，自然過渡到將要學習的知識點上，并著重介紹所學知識對重大工程項目的意義，升華學生的學習動機。

2.自主學習，作業(yè)訓練

教師明確將要學習的主要內(nèi)容，要求學生自學相關知識點，并提供大量包括微課講授、視頻實景、PPT材料等在內(nèi)的學習素材，以及例題實例，并布置簡單的作業(yè)，便于學生較快地掌握知識點。

3.課堂復習，綱領引導

第二次課，教師就學生自學的知識點，采用啟發(fā)式或者提問式教學進行復習，并展示所建議的知識框架結(jié)構(gòu)，講解知識點相互之間的關系。針對原理性知識的關鍵點，進一步通過虛擬仿真技術進行演示和講解，加深學生的理解。

4.工地現(xiàn)場，實境體驗

采取集中組織、分組進行的方式，組織學生去工地現(xiàn)場，有針對性地參觀和體驗，幫助學生了解所學知識在工程中的應用，增強學生對已學知識的感性認識，并加深印象。在參觀前教師可提出一些關鍵性問題，引導學生思考；在現(xiàn)場學生可就自身的疑問詢問專業(yè)技術人員或教師，增加信息獲取渠道，促使學生自我建構(gòu)所學知識的體系。最后，組織學生相互交流心得，研討問題答案。

5.小組協(xié)作，項目訓練

教師向?qū)W生提供實際工程項目的資料，要求學生組成小組，相互協(xié)作，針對特定項目自主擬定涉及所學知識的專項方案，要求技術可行，經(jīng)濟合理，在此過程中引導學生梳理和建構(gòu)知識體系。完成后，各小組進行方案匯報，教師指出各個方案的優(yōu)缺點，以便學生進行修正。最后，師生交流互動，總結(jié)得失。

(二)具體案例教學流程

以“土方工程”為具體案例的教學流程如圖3所示。

1.FAST項目演示，引出土方工程

國家重點科技基礎設施“500米口徑射電望遠鏡(FAST)”項目，這個項目在學生中具有較高的影響力。利用FAST虛擬建造素材，向?qū)W生介紹施工過程，形成一定的心理震撼力，激發(fā)學生學習興趣。通過工程前后的實景照片對比，講解土方工程對地貌的改變，以及對FAST項目建設的作用和意義，由此對學生引入土方工程的概念。

2.自學土方降水知識，完成課后作業(yè)

提供關于場地平整、降低地下水位的視頻、PPT等學習素材，要求學生自學。并基于書本上的例題，完成兩道課后作業(yè)。教師通過QQ、微信等方式，隨時回答學生在學習過程中的疑問。

3.課堂引導復習土方、降水相關知識

在課堂上，教師展示土方量計算和降低地下水的邏輯和步驟圖，向?qū)W生講解每個步驟的意義，并就“零線”“水位降低高度”等關鍵問題提問，以加深學生對關鍵問題的理解。通過虛擬仿真演示，進一步闡析降低地下水的原理，使學生牢固掌握重要知識點。

4.參觀工地，了解場地平整、降水施工情況

將學生分成若干小組，到工地了解場地平整和降水情況，提出“土方量計算中網(wǎng)格如何劃分”等問題，要求學生在工地上自主尋找答案，也可咨詢現(xiàn)場專業(yè)技術人員。

5.設計場地平整和降水方案

提供某單層工業(yè)廠房的圖紙材料，要求學生小組自主制定該廠房的場地平整方案和降低地下水的方案，包括土方量、調(diào)配計劃、施工機械確定、降水系統(tǒng)等。完成后進行課堂方案匯報，師生一起評析方案的優(yōu)缺點，在互動中鞏固所學知識。

五、“四位一體”教學方法對教與學的影響

(一)與傳統(tǒng)教學的比較

“四位一體”教學方法的核心在于促使學生主動以工程思維的方式去學習土木工程施工技術。與傳統(tǒng)教學相比，在學習內(nèi)容、學習環(huán)境、教學載體和教學方法上的異同見表1。

表1 與傳統(tǒng)教學的比較

(二)對學生的影響

以往的施工技術類課程主要依靠教師課堂講授，學生往往被動聽講，課后學生很難開展自主學習。“四位一體”教學方法強調(diào)學生在教師營造的多重環(huán)境下，自主與教師互動，發(fā)揮主觀能動性，探究問題，自我建構(gòu)土木工程施工技術知識體系。學生以工程應用項目為基礎進行土木工程施工知識的建構(gòu)，對知識的理解更加透徹，對知識的應用更加靈活，有助于學生實踐能力的提高。在知識體系的建構(gòu)中，學生可以從多個角度了解和理解所學知識的意義和作用，明白書本知識可以有效地和實際工程相結(jié)合，解決實際工程問題，避免“紙上談兵”式的學習。

(三)對教師的影響

在專業(yè)素養(yǎng)上，首先要求教師自身應構(gòu)建更加貼近實際、面向工程的知識體系，明了所講解知識的意義，這樣才能更好地為學生營造更加合適的學習環(huán)境。這對教師自身的專業(yè)素質(zhì)要求較高。

在教育教學理念上，要改變教師僅作為講授者的傳統(tǒng)觀念，教師應成為學生學習環(huán)境的構(gòu)造者和學習資源的組織者。此外，在學生學習過程中，教師要成為學生求知的引路人和幫助者，引導學生更加主動地充分利用各種教學資源，建構(gòu)自己的知識體系。

在教學方法上，教師要充分發(fā)揮學生的主觀能動性，多以啟發(fā)式教學為主，更多地關注學生的反應，掌握學生學習的情況和效果。同時，要下功夫靈活組織一切有利于學生學習的教學素材，使學生的視野更加寬廣。

六、結(jié)語

為適應新時期土木工程專業(yè)人才的培養(yǎng)要求，應著力推進土木工程施工技術類課程教學方法的改革，提出以學生為中心的土木工程施工技術“四位一體”教學方法，以“知識建構(gòu)”為途徑，引導學生聯(lián)系工程實際，自主探究土木工程施工的基本知識，牢固掌握基本原理，并做到融會貫通、靈活應用。