“新工科”理念下的“地下結構設計”教學模式探索

黃博 王昌勝 杜怡韓

[摘 要] 以“新工科”建設理念為指導，對“地下結構設計”課程的教學模式進行了探索，形成了以“短視頻”輔助教學、工程設計案例教學、啟發式教學和串聯前序后續課程教學為主的教學模式。經過兩輪的教學實踐，課程目標總體達成度分別為0.7633和0.7618，取得了較好的教學效果，相關教學經驗能夠為同類院校新開該課程提供一些有意義的參考。

[關鍵詞] 地下結構設計;教學模式;新工科;工程實踐

人才是發展壯大新經濟的首要資源，但許多新經濟企業都反映人才難求，最根本的原因是高校畢業生的學用脫節問題，因此提出了面向社會生產活動培養人才的“新工科”建設任務[1]。對于土木工程這樣的傳統工科專業而言，“新工科”建設的要求就是改革現有的培養模式，提高學生解決實際工程問題的能力，使之適應社會發展需求。

為了迎合“新工科”建設這一契機，學院土木工程專業新增了城市地下空間工程方向，新方向的所有專業方向課都需要按照“新工科”的建設要求開展，“地下結構設計”就是其中之一。由于地下結構涉及面較廣，課程涵蓋的專業知識較繁雜，采用何種教學模式能有效提高學生對實際工程的認識、讓學生掌握相應的結構設計方法，是值得研究的問題。

宋洋等[2]在“地下建筑結構”的課程教學中利用項目驅動的方法，讓學生參與設計，變被動講授成主動學習，也讓教學更貼近實際工程。鮑先凱等[3]認為多媒體教學有助于學生理解地下建筑的概念，但需要合理使用，同時提到了案例教學對于本課程的重要性。鐘祖良等[4]在本課程教學中注重引入近年來的工程實例，啟發學生主動學習，認為部分課本內容與實際工程脫節，需要教師結合相關規范和實例拓展講解。吳月秀等[5]在本課程的教學中采用了視頻、多媒體等多種教學手段，并且介紹了與課程相關的數值計算軟件，幫助學生提高計算能力。徐平等[6]在教學中采用了多媒體教學、案例教學、實踐教學等多種教學模式，對課程考核等環節給出了自己的建議。

結合“新工科”建設理念，本文主要圍繞“地下結構設計”課程的教學模式進行探索，介紹了開設本課程以來逐步形成的教學方式、方法以及取得的一些經驗，旨在為同類院校開設本課程提供一些有意義的參考。

一、課程目標的設定

以專業培養方案為基礎，“地下結構設計”設置了3個課程目標：（1）掌握地下建筑結構的概念、不同的地下結構類型及其作用。（2）理解并掌握地下結構的荷載計算方法，以及荷載—結構法、地層—結構法等結構計算原理，理解并掌握地下結構的設計程序和內容。（3）理解并掌握淺埋式結構、地下連續墻結構、盾構法隧道結構等常見地下結構的設計內容和設計方法，能夠獨立地進行常見地下結構的設計。

3個課程目標與本專業畢業要求、學習成果指標點的對應關系如下：課程目標（1）對應“畢業要求1.工程知識”，具體的學習成果指標點為“1—3掌握專業基礎知識，具備解決復雜土木工程問題能力”。課程目標（2）對應“畢業要求3. 設計/開發解決方案”，具體的學習成果指標點為“3—2能夠設計滿足安全、綠色、經濟和高效等要求的結構、構件或施工流程”。課程目標（3）對應“畢業要求4.研究”，具體的學習成果指標點為“4—2能夠基于科學原理并采用科學方法，對結構、構件、施工工藝制定設計方案”。

課程目標的設置是按照層層遞進的原則，從基本概念的理解到設計理論和方法的掌握，最終到能夠利用所學設計方法進行獨立的設計工作，可見課程目標（1）和（2）是基礎，而課程目標（3）的達成度直接地反映學生解決實際工程問題的能力，是最為關鍵的課程目標。

二、課程教學模式的探索

（一）“短視頻”輔助教學的應用

由于“地下結構設計”涉及較多的結構形式，例如地下閉合框架結構（地下通道、地鐵車站）、盾構隧道、沉井等，導致知識面較廣、設計理論相差較大、設計方法也多種多樣。由于只有48學時的理論課時，傳統板書無法滿足課程進度要求，也無法形象地展示地下結構的結構形式，因此需要多媒體教學手段輔助。

傳統的課件教學常常由于翻頁快導致學生跟不上進度，因此，本課程采用了“短視頻”的方式輔助教學?！岸桃曨l”主要包含兩種：一種是線上視頻資源，主要內容為各類地下結構的介紹，幫助學生建立相關概念，對地下結構形式有初步了解;另一種是自制“短視頻”資料，用于向學生拓展一些設計院工程案例的介紹以及對課本重點知識的回顧，一方面幫助學生進一步了解所學知識和具體設計工作之間的聯系，另一方面幫助鞏固所學理論知識。

“短視頻”時間宜控制在5分鐘內，學生容易接受、能夠完成學習，較長的視頻可以分成多個視頻分次發給學生，避免時間過長導致學生失去學習興趣?！岸桃曨l”的展示，不宜占用上課過多的時間，大部分的視頻均通過學習通平臺提前分發給學生學習，這樣也便于保存、學生查看和學習情況的統計。

（二）工程設計案例教學

采用工程設計案例教學對于本課程而言是必要的，一方面由于本課程內容相比于其他專業課，更貼近于畢業后可能會從事的設計工作，所以有必要在設計各類地下結構之前，讓學生通過案例先了解要做哪些工作，包括設計理論、設計內容、設計過程及構造要求等;另一方面，課本由于篇幅限制基本上沒有具體的設計案例，僅會有針對單一知識點的例題，不利于學生串聯主要知識點、掌握設計流程。

因此，在課上和課后學習的自制“短視頻”素材中，展示了近年合肥、濟南、南寧等地的地鐵車站的設計圖紙和相應的計算書，以具體的工程設計案例讓學生了解實際工程中的設計流程和形成的設計文件，建立學習相關知識的框架體系，再在此基礎上深入學習設計理論、計算過程、構造要求等具體內容，能夠取得較好的教學效果。尤其在學習地下結構構造要求方面，案例教學有較明顯的幫助，構造要求在課本上往往都是分條敘述，脫離工程案例的直接講解學生是很難完全掌握的。設計案例能幫助學生對地下結構各構件尺寸、內部配筋形式等建立初步印象，有助于掌握具體的構造要求以及后期獨立地開展設計工作。

（三）啟發式教學

能夠獨立地進行地下結構設計是課程的最終目標，那就要在教學時注重啟發式教學，不能一味地灌輸知識，讓學生掌握“要設計哪些內容” “要怎么樣開展設計”“要符合哪些設計要求”等，鼓勵學生自主查詢規范、課本等資料進行設計。

地下結構設計最復雜的一部分內容就是彈性地基梁相關的計算，牽扯到大量三角函數、方程組的計算，全靠手算既費時又費力。因此，上課時教師演示了利用Excel軟件編輯簡單的計算表格輔助計算的過程，鼓勵學生自己編制表格驗算結果的正確性。最終，就有學生編制了一張完整的用于地下閉合框架結構內力計算的表格，反映出了這名學生已經完全掌握了這一計算過程，并且編制過程與同學積極討論，帶動了整個班級的學習氛圍。在之后的每屆學生中，總會有這樣的學生出現，啟發式教學對于提高學生學習的積極性和本課程的授課效果發揮了至關重要的作用。

（四）串聯前序后續課程教學

本課程前序課程為“城市地下空間設計”，后續課程為“巖土工程數值分析”，前序課程主要講授地下結構建筑方案的設計，后續課程主要學習地下結構相關計算軟件，聯系非常緊密。在本課程講授過程中，需要串聯前后兩門課程，讓學生的專業課學習形成體系，這樣也為學生獨立開展實際工程設計工作奠定基礎。

尤其是后續課程“巖土工程數值分析”涉及的SAP84軟件是畢業之后從事地鐵車站等地下結構設計工作的常用軟件，因此“地下結構設計”授課時，教師會提前介紹相關軟件，著重介紹與本課程計算理論方面的聯系，讓學生明白現階段的手算與隨后要學的軟件計算之間的關聯。教師通過“短視頻”的方式在課下向學生介紹軟件的基本操作，主要用于本課程手算的校核，一方面提高了本課程的授課效率，另一方面也為后續課程的學習奠定了基礎，更有利于學生在校園內盡可能全面地掌握相關軟件，縮短與畢業后工作之間的“距離”。

三、考核方式和課程目標達成度的計算

（一）考核方式

在“地下結構設計”的授課過程中，教師給出的平時成績主要依據出勤表現、平時作業和以閉合框架內力計算為主要內容的大作業，目標分值分別為40分、30分和30分，平時成績總分100分。

期末考試以分析題和計算題為主要題型，分析題主要以近年來發生的一些事故為例，比如地下室上浮、結構構件開裂等問題，讓學生根據專業知識分析產生原因和應對方法，也有針對一些錯誤設計案例的分析糾錯題;計算題主要考核荷載計算、抗浮驗算等相對簡單的計算。期末考試不再直接考查需要“死記硬背”的概念等內容，而是將其融合在分析題中，讓學生學會利用所學知識分析常見工程問題，也不考查復雜的計算問題，而是將其放在后續課程設計環節，更容易讓學生理解和掌握計算方法，把課程知識真正做到融會貫通。

學生最終成績平時成績占30%，期末成績占70%。

（二）課程目標達成度的計算

各個課程目標的支撐環節已經在教學大綱中確定，具體為：出勤表現和期末考試支撐課程目標（1）;平時作業和期末考試支撐課程目標（2）;大作業和期末考試支撐課程目標（3）。這樣的對應關系主要考慮學生出勤多與少直接反映學生對于課程的態度，也直接影響學生學習本課程基礎知識的質量，因此將其對應最基礎的課程目標（1）;平時作業相對容易，基本上是圍繞土壓力、巖石壓力等荷載計算的問題，因此對應課程目標（2）;大作業以閉合框架內力計算為主要內容，難度相對較大，主要讓學生通過作業理解具體某一種地下結構的設計方法，因此對應課程目標（3）。

計算課程目標達成度時，首先將每個學生的平時成績按照3個課程目標分別統計、求平均值，平時成績平均值記為A，平時作業為B，大作業為C;再將每個學生的期末考試成績按照3個課程目標分別統計、求平均值，分別記為D、E、F，相應目標分記為D0、E0、F0，則D0+E0+F0=100。

課程目標（1）達成度為（A/40）×0.3+（D/D0）×0.7，記為R1;課程目標（2）達成度為（B/30）×0.3+（E/E0）×0.7，記為R2;課程目標（3）達成度為（C/30）×0.3+（F/F0）×0.7，記為R3;課程目標總體達成度為（A+B+C）/100×0.3+（D+E+F）/100×0.7，記為R。通過以上方法得到了過去2年本課程的課程目標總體達成度分別為0.7633和0.7618，其中最為重要的課程目標（3）達成度分別為0.7697和0.8190，達成度較為理想。

四、存在的問題及持續改進

在兩輪的教學中，雖然課程整體達成度較好，但是也發現了一些亟待解決的問題，需要及時總結、分析原因，并提出持續改進的措施。

（一）主要存在的問題

1.在第二輪考核中發現，課程目標（1）的達成度不足0.7，明顯低于其他2個課程目標的達成度，反映出部分學生對于一些基本概念的理解不夠透徹，但卻能較好地完成相關的設計計算。這就說明，這些學生存在機械式的記憶行為，能將設計過程牢記，但卻忽略了其背后概念和理論的深入理解。

2.串聯前序后續課程的教學過程中，發現部分同學對于前序課程“城市地下空間設計”的主要知識點遺忘較快，掌握程度不足，導致無法很好地理解本課程知識的用途，說明在前序課程的授課過程中，學生尚未建立其學習城市地下空間工程方向專業課的知識框架，對前序課程的內容和與后續課程的關聯理解不足，成了學習后續課程的障礙。

3.平時成績占比有待提高，目前的比例還是主要看重期末考試成績。此類設計課程的學習功在平時，例如平時成績中的“大作業”較能考查學生掌握知識的程度和應用知識的能力，作業中出現的問題能夠通過課上或課下與學生進行交流，較好地反饋給學生。而期末考試時間較短，能反映的問題有限，考完試很多學生都不再過問，試卷中出現的問題難以反饋給學生。

（二）持續改進的措施

1.在日常教學中重視經常回顧基本概念和原理，隨機考查學生的掌握程度，同時考慮在今后計算部分考試中，加入對于公式的解釋或者考查其推導過程，不再僅僅簡單地考查計算能力。

2.注意前序后續課程授課教師之間的交流，共同商討聯系較為緊密的專業課的教學大綱和授課計劃，讓每門課在教學中都注重串聯前序后續的專業課程，幫助學生更好地建立完善的專業知識體系。

3.擬在下一輪考核中將平時成績占比調整至40%，加大在平時對設計“大作業”的考核和講解，讓學生真正做到“功在平時”，同時考慮在考后增加考試問題反饋的環節，對出現問題較多的題目進行集中講解，讓學生知道自己在本課程學習中存在的問題，并及時糾正。

五、結語

“地下結構設計”課程在教學過程中以“新工科”理念為指導，形成了以“短視頻”輔助教學、工程設計案例教學、啟發式教學和串聯前序后續課程教學為主的教學模式，在兩輪的教學中課程目標總體達成度分別為0.7633和0.7618，最為重要的課程目標（3）達成度分別為0.7697和0.8190，取得了較好的教學效果。相關教學經驗總結如下：

1.“短視頻”輔助教學能夠幫助學生在課上和課后加深對相關知識的理解，能夠讓學生更全面地了解畢業后可能從事的設計工作，但需要注意控制視頻時長，不宜超過5分鐘，以免學生失去學習興趣。

2.必須引入近年來的設計案例用于教學，能夠幫助學生建立學習相關知識的框架體系、串聯本課程的主要知識點、掌握設計流程。

3.啟發式教學是關鍵，鼓勵學生自主查詢規范、課本等資料進行設計，學會利用現代化工具解決復雜的計算問題，能夠讓學生更好地掌握設計方法，提高學習效率。

4.串聯前序后續課程教學，能夠讓學生的專業課學習形成體系，為學生將來獨立開展實際工程設計工作奠定基礎。

參考文獻

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[2]宋洋，祝百茹，金佳旭，等.基于“項目驅動與主動探索”課程教學模式構建研究——以“地下建筑結構”課程為例[J].教育教學論壇，2018（4）：183-184.

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