CDIO工程教育模式下的《工程結構》課程教學改革*

李京軍 牛建剛

（內蒙古科技大學土木工程學院，內蒙古 包頭 014010）

《工程結構》課程是工程管理專業和工程造價專業的學科基礎與專業必修課程之一，培養學生直接用于房屋建造、工程管理、工程造價、工程監理、建筑設計等崗位工作中所必需的結構分析能力，掌握房屋結構構件的基本計算原理和初步設計方法，是理論性及工程實踐性較強的一門土木工程專業課程。但在實際授課及教學過程中，授課教師往往只重視對理論知識的講解，而忽視工程實踐環節[1]。CDIO工程教育理念為《工程結構》課程實現兼顧理論性及工程實踐性為目標的教改模式提供了新的思路。CDIO工程教育理念是由美國麻省理工麻省理工學院和瑞典的幾所高校于20世紀90年代末發起，以培養國際化工程師為目標，并重理論知識的掌握與工程實踐運用，能夠有效解決理論知識與實踐技能學習之間的失衡問題，是構思(Conceive)、設計(Design)、實現(Implement)、運行(Operate)英文單詞首字母的縮寫。我國于2005引入該工程教育理念，其經過幾十年的發展，已對我國工程教育的各個方面產生了深遠影響[2]，并初步完成從引進模仿到本土化、特色化的轉變[3]。CDIO工程教育理念被廣泛應用于具體課程中的教學設計改革，并被證實該教育理論在課程中的運用能夠增加課堂靈活性，可以培養學生主動思考的能力和解決工程中的實際問題的能力，這對于工程人才的培養大有裨益[4,5]。

1 《工程結構》課程教學現狀

《工程結構》課程以建筑力學、結構制圖及建筑工程材料等先修課程為基礎，內容涵蓋混凝土結構、鋼結構、砌體結構、結構抗震等這幾門專業課程的核心要點，課程內容理論性和實踐性較強，特別強調對學生理論聯系實際理念的培養[6]。

1.1 課程體系建設

對部分高校來說，工程管理及工程造價專業課程及教學體系因開課或辦學年限較短，教學經驗欠缺，不能根據專業培養要求內容統籌計劃與安排，教學方法有待進一步完善[7]。此外，部分高校力學基礎課與該門課同步開設，學生力學知識儲備匱乏，對該課程中的結構概念模糊不清。

1.2 課程教學及學習觀念

各院校對工程管理及工程造價的專業定位和課程設置存在差異，劃歸學科不同，部分院校將其歸類到經濟或管理學科。《工程結構》課程教學內容多、課時少，再加上部分授課教師對實際工程問題理解不到位，對課程教學內容盲目刪減，導致學生在思想上對該課程的重要性缺少認知。

《工程結構》課程邏輯性強，知識體系抽象，掛科率較高。部分首次接觸該門專業課的學生，在還沒開始進行深入學習時，就已形成“課程難，易掛科”的觀念，甚至從思想上直接放棄。除此之外，部分高校工程管理及工程造價專業文、理科兼招，許多文科生數學及力學基礎薄弱，且由于已對該課程的學習產生畏難情緒，這更加劇了師生之間的教學矛盾。

1.3 理論知識儲備

筆者通過近幾年的授課發現，工程管理及工程造價學生普遍對力學知識掌握不全面，導致學生對《工程結構》課程中涉及的力學問題力不從心。此外，近幾年相關規范進行了修正，而《工程結構》教學資源更新滯后。每個學校的專業定位、教學水準、側重點不同，任課教師往往依據自己的理解側重混凝土結構和砌體結構的講授，而對鋼結構、結構抗震內容講授較淺，導致學生所學知識體系不完整。

1.4 實踐教學

縱觀全國各高校來說，對于實踐教學方面的實行程度參差不齊，部分高校甚至并未設置與課程相關的課程設計，也沒有其他形式的實踐實習環節。這就使得學生難以將抽象且復雜的課本知識與理論實踐相結合。

2 基于CDIO工程理念的《工程結構》課程教學改革

2.1 教學目標設置

針對《工程結構》課程設置5個教學目標。教學目標1：掌握工程結構的基本計算原理和工程結構材料的力學性能，在實際工程中所遇到的各種問題，能夠使用在學校所學的知識去進行獨立解決。教學目標2：掌握鋼筋混凝土受彎、受剪、受扭、受壓和受拉構件承載力計算方法，能夠運用結構原理等理論知識分析工程問題。教學目標3：掌握鋼筋混凝土樓蓋結構的設計方法以及樓蓋的配筋構造，能夠對土木工程的復雜問題進行識別和分析，解決復雜工程管理方面的問題。教學目標4：了解砌體結構的基本概念以及構造措施，理解預應力混凝土結構的概念、分類、施工方法、預應力損失等，能夠運用力學和結構原理等基本理論分析工程中的一般性結構問題。教學目標5：理解工程結構的整體設計思想，了解單層工業廠房結構、空間結構、結構抗震、裝配式結構的設計思想，能夠創新設計結構模型，對模型實驗現象進行分析總結，提煉出工程結構抗震設計思路。

2.2 教學內容改革

《工程結構》課程教學內容繁雜，課程中涉及的力學概念及力學公式多。因此，在授課過程中優化課程內容的主次尤為重要。在授課過程中首先要抓住課程主要內容，同時應梳理知識主線，如砌體結構的主要內容是砌體和砂漿強度承載力驗算；鋼結構主要是鋼構件的連接以及穩定性分析；結構抗震主要是抗震設防目標和抗震措施。再通過典型構件的受力狀態進行理論闡述、例題分析、工程實例展示，這樣學生更容易接受和理順知識點，增強實踐技能。

2.3 實踐內容創新

以框架結構振動臺加載試驗為例進行實踐內容創新。課程教學實施流程及課程任務形式及要求分別見圖1、圖2。

圖1 教學實施流程

圖2 課程任務形式及要求

按照圖1所示教學實施流程，將學生制作的框架模型在模擬振動臺加載，通過改變地震波輸入、裁剪桿件等步驟，讓學生身臨其境地感受地震發生時結構的受力表現。實踐后的總結分析和匯報研討，使學生掌握了結構抗震設計的思想與方法，理解了桿件逐步失效后結構受力機制的變化，記住了抗震控制指標和相應構造措施，從實踐中獲得抗震設計經驗。通過讓學生進行設計體驗分享，教師逐一點評，結合加載實驗現象講解工程結構抗震設計思想，使學生掌握的抗震設計思想更加系統化、專業化。該實踐內容創新的思路能夠激發學生學習興趣、鍛煉學生動手能力，加強協作能力，與CDIO工程教育理念契合。

2.4 教學方法改革

針對傳統教學模式下學生對課程興趣度不高和學習主動性不強的情況，提出“激發潛能，自主學習；內外結合，全面提升”的教學理念，并圍繞課外教學平臺建設、課堂教學模式創新及形成性考核體系建立等方面進行課程建設與改革，具體建設內容及改革成效如下：

a.開發課外教學平臺，督促學生做好課下自主學習

多途徑創造學生自主學習平臺，將課程視頻、實驗錄像、互動式仿真動畫、工程結構圖片、課件、習題庫等大量輔助教學資源上傳到課程教學網站上，為學生提供了一個開放式學習環境，通過督促學生做好課下學習工作，使學生的主動學習能力加強。引進了裝配式建筑虛擬仿真實驗項目和抗震虛擬仿真實驗項目，讓學生通過實訓來接觸前沿的科研實驗。教學過程中不斷補充新東西，收集課程知識兩萬多條并形成微信知識庫，擴充了專業信息量。創建了微信公眾號，設置知識問答、作業展示、課程活動三個板塊，使師生的課程互動變得更加便捷。

b.精心設計教學效果，提升教學效果

①深挖課前工作，開課前實施“我身邊的工程結構”活動，使學生提前進入課程情境。調整課程內容，革除部分偏、難理論介紹，使新的課程架構更具有通用性，更有利于學生專業基礎的拓寬和綜合素質的提高。

②課堂授課過程中，實行按位置簽到制，節約了課堂教學時間，實現了點對點的管理，學習風氣得以加強。精心策劃和實施教學過程，使課程重點和難點相互銜接、自然過渡，使講授的知識內容順序與人腦生理健康的興奮節奏相吻合。

③采用問題導向法授課，將教學內容提煉為問題，讓學生帶著問題去思考和學習，培養學生主動學習和思考的好習慣。通過一課一布置的方式，提高大家對知識模塊的總結能力，使學生在查閱資料和課外習題演練過程中對所學內容有了全新的認識。實施探究式教育，如開展“風對結構的影響”專題研討，要求學生查閱文獻后用PPT匯報，使學生在對土木工程抗風設計的深入思考中，加深對結構設計理論的理解。

④為培養學生創新意識，通過模型制作的方法，針對空間結構開展了學生創新實踐活動。學生利用分散的壓桿和連續的拉繩設計出張拉集成“索穹頂”結構，以拉繩施加預應力使體系成型。在制作過程中，學生對預應力張拉過程中的各種損失有了深刻體會，對后續理論課程的學習大有益處。

⑤采用體驗式互動教學法，將學生制作的框架模型在模擬振動臺加載，通過改變地震波輸入、裁剪桿件等步驟，讓學生身臨其境地感受地震發生時結構的受力表現。實踐后的總結分析和匯報研討，使學生掌握了結構抗震設計的思想與方法，理解了桿件逐步失效后結構受力機制的變化，記住了抗震控制指標和相應構造措施。而編寫設計說明書、經驗總結、答辯研討等一系列任務，使學生的學、研、算、講、辯等多方面的能力得以提升。

c.加強過程管理，構建形成性課程考核體系

課程考核手段是滯后同樣是難以帶動學生學習熱情的主要因素之一。與傳統課程考核方式類似，目前很多高校對于《工程結構》課程的考核方式主要是卷面成績及平時學生出勤、作業兩方面構成，缺乏實踐性內容。鑒于考核手段滯后的問題，筆試更多強調學生對知識的理解和應用，提出可以帶規范進考場，卷面成績占總成績的60%，空間結構創新模型占10%，抗震模型及總結匯報占20%，學生作業、研討、學習筆記和出勤等共占10%。

3 結語

CDIO教育理論注重實踐性，強調知識的理解與應用。將該教育理念引入到《工程結構》的課程教學中，可以改善該課程傳統教學中存在的部分問題，能夠激發學生自主學習，提高學生學習興趣，鍛煉學生實踐能力，讓學生在工程實踐環境中學習。