新工科工程教育體系下特色專業課建設

李巖 張建新 劉舉

摘? 要：在新工科的人才培養體系下，根據城市地下工程特色專業的工程教育目標和地下混凝土課程的“地下”特點，深入分析討論了多種培養學生工程應用能力的方法，進而從教學內容、教學方法和考核途徑等方面對課程進行了全方位探索和實踐。課程建設改革后的學生反饋調查表明：學生對城市地下空間工程的認知理解程度明顯提高，具備了一定的分析解決實際工程問題的能力。相關改進措施能夠使學生在課程中更好地發揮主觀能動性和創新能力，有利于實現新工科體系下的特色專業工程教育建設目標。

關鍵詞：新工科;工程教育;地下混凝土結構;城市地下空間工程;課程建設

中圖分類號：G640? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2021）17-0072-04

Abstract： In the new engineering talents cultivation system， some methods of cultivating students' engineering application ability are analyzed and discussed， by which according to the engineering education goals of urban underground engineering specialty and the "underground" characteristics of underground concrete. Furthermore， the course is explored and practiced comprehensively from the teaching contents， teaching methods and assessment approaches. The feedback survey of students after the reform of curriculum construction shows that： the students' cognitive understanding of urban underground engineering has improved significantly， and their ability to analyze and solve practical engineering problems has also been improved. These measures can mobilize students' subjective initiative in learning this course. Therefore， curriculum construction is conducive to the realization of the special professional engineering education construction goals under the new engineering system.

Keywords： new engineering; engineering education; underground concrete structure; urban underground engineering; curriculum development

在新一輪產業變革和“中國制造2025”等重大國家戰略實施的背景下，各類高校的人才培養方向逐漸向培養未來科技創新型、復合型和專業型人才發展，“新工科”建設應運而生，指引著各工科專業的改革方向。

城市地下空間工程專業是國內部分高校于本世紀初在土木工程專業基礎上所設立的一門戰略新興專業，該專業的人才基本培養目標為：了解城市地下空間工程專業的發展與動態，掌握城市地下空間工程專業的設計、施工等最新發展的理論與技術，能承擔本專業科研或工程生產的能力[1-2]。

地下混凝土結構設計課程是城市地下空間工程專業的專業核心課之一。該課程要求學生在已經掌握混凝土結構的材料性能，以及混凝土構件拉、壓、彎、剪、扭等各種受力性能的基本原理及其計算方法的基礎上，學習地下混凝土結構的設計計算、結構構造和施工圖繪制等知識。因此，本課程是一門理論性與實踐性并重的課程。其目標是使本專業學生能夠掌握地下鋼筋混凝土結構設計的基本原理，具有地下混凝土結構設計的初步能力，為城市地下空間工程專業學生掌握地下工程結構設計和工程實踐能力打下基礎。

一、傳統授課方式的局限性及原因分析

基于“新工科”工程教育體系下的人才培養目標，該課程是城市地下空間工程專業學生將所學基礎知識運用到實際地下工程中的關鍵環節。但在實際教學當中，個人體會該課程的教學目的并未完全體現。主要問題包括：

（一）理論與實際結合不夠緊密，工程應用環節內容偏少

該課程中，理論體系復雜、計算公式繁瑣、國家和部門規范標準要求眾多，很多學生在學習過程中時常感到茫然，學習主觀能動性也隨之降低。事實上，地下混凝土課程屬于實踐性和應用性很強的課程，其理論體系與實踐經驗緊密相連。在教與學的過程中，如果一味地進行理論知識授課，加之脫離實際的灌輸，很可能會使學生無法透徹理解地下混凝土結構所闡述的基本知識和基本理論，而無法達到所預期的教學效果。例如，在地下混凝土結構的課程設計中，許多學生由于不清楚基本概念和結構設計原理，只是簡單地照搬設計模板，甚至抄襲其他同學的設計，致使設計書和圖紙中出現很多明顯的原則性錯誤。

（二）專業針對性體現不明顯

地下混凝土結構雖然與地上結構有類似之處，但仍具有很多自身特點。比如：地下混凝土結構配筋計算時會著重考慮開裂影響;地下結構水平荷載以側向水土壓力為主，而地上結構水平荷載大多考慮風荷載;地下結構需要進行基坑底部的抗隆起和抗傾覆驗算，而地上結構則較少考慮等[3]。然而，至今未見適用于城市地下空間工程專業混凝土課程的教材出版問世，地下結構工程的特點在本課程教學中并未得到明顯體現。

（三）研究性、前沿性內容較少，部分授課內容偏舊

作為畢業之后主要從事地下結構設計和施工的本科生而言，有必要了解當前地下工程界的先進設計方法和施工技術。但目前地下混凝土設計課程中，教學內容仍以傳統結構形式和經典解析法計算為主，而對現代地下工程設計領域廣泛使用的數值分析方法，課上的講解寥寥無幾[4]。例如，國內外大型基坑工程中廣泛應用大直徑多層環撐等新式支護結構，但課堂中的支護結構設計實例還局限于傳統的懸臂式擋土墻，教學內容顯然已不能適應日益復雜的實際工程設計和施工要求。

（四）考核形式較為單一，考核范圍主要局限在課本上的內容

考試中試題主要來源于普通混凝土結構教材中的章節習題，如梁板結構和框架結構設計等，而由于目前還沒有專門的地下混凝土結構教材，使得考試題目缺乏針對性。另一方面，地下混凝土結構設計是一門實踐與理論緊密結合的課程，僅通過考試分數來評價學生的優劣過于主觀，而且不利于學生創新意識的培養。同時，學生分析問題的能力、繪制施工圖的水平、理解運用規范等綜合能力也無法通過簡單的考試獲得明顯提升。

上述問題，都可能影響學生對地下混凝土結構設計知識的掌握、理解和運用。一方面，這與廣大教師傳統的“教與學”理念有關;另外，我們同樣要關注課程的教學內容和教學方法。因此，作者認為深入探討和改進地下混凝土結構設計課程的教學內容和教學方法具有很現實的研究意義。在此背景下，作者所在的教學團隊，從教學內容、教學方法和考核途徑等方面，對地下混凝土結構課程進行了持續四年的改進實踐，使城市地下空間工程專業的學生通過學習本課程，能夠有效提高自身專業能力。

二、課程建設改革內容

（一）改革思路

針對教學中存在的問題，作者所在的地下建筑結構課程組對地下混凝土結構設計課程的教學內容和方法進行了較為深入的研究，力求以問題為導向，對標工程教育標準，找出該課程的“特色”和“亮點”;反復探討課程理論教學中適當引入混凝土結構相關試驗的可能性;優化調整教材內容，提高地下空間專業授課內容的專業性和針對性;嘗試在課程中增加施工新技術新方法等內容所占比例，培養學生的創新意識和獨立思考問題的能力;改進考核方式，構建以考試為主、多種考核方式并舉的學習衡量體系;探求培養學生綜合能力的方法，達到培養“應用型”人才的最終目標。

（二）改革的主要內容

在上述思路的引導下，課程組遵循基本教學規律，從課程的教學設計、課堂授課和考核方式等角度進行了全面的探索和改進，課程建設改革思路（見圖1）。

課程建設中，課程組主要做了如下具體工作：

1. 突出課程的特色內容。堅持理論緊密結合工程實踐的原則進行授課，建立具有城市地下工程特點的教與學體系。一方面，在普通混凝土結構設計的教材基礎上，刪減部分與地下工程關系不密切、非核心教學內容的章節;另一方面，依托近年來學校地下空間專業畢業生就業單位，課程組老師多方聯絡資源，提供了許多京津冀區域城市地下工程的相關工程案例作為教學內容。課程組整理制作了近700分鐘的工程演示視頻，并購置多套地下工程模型教具（見圖2），將具有本地區地域特色的地下結構設計、施工案例引入課堂。

例如：在授課中，結合天津地區濱海軟土廣泛分布的地質條件，增加了軟土地層基坑支護結構和地鐵盾構區間隧道等結構類型的荷載、內力計算、變形等問題的案例分析和計算例題;向學生介紹復雜地下結構相關工程（天津站后廣場地下空間、天津文化中心綜合地下工程、濱海新區濱海高鐵站（原于家堡站）地下交通樞紐工程等）的設計思路;此外，教學團隊還嘗試在不同章節的授課中，引入BIM、數值模擬計算等內容，開拓了學生分析解決問題的思路，增強了學生對專業知識的認知度，有利于培養學生的學習興趣和獨立思考解決實際工程問題的能力。

2. 改革教學手段。嘗試將理論教學與混凝土結構相關試驗相結合，把從向學生傳授理論知識的模式由“板書+PPT”模式的灌輸定義、公式，逐漸轉變到“課堂講授+試驗演示+課后線上輔導”模式的多角度知識鞏固體系。理論課程教學完成后，會加入相關的室內或現場實驗的內容，有助于學生形象理解設計概念和相關規范，并能夠實現主動思考和實踐動手能力的共同提高。學生在課上如果有不理解的內容，可在學校教務MOOC平臺觀看課程回放，還可通過“學習通”學習平臺與授課教師直接溝通，教師會及時進行線上答疑。

例如：在“梁板式地下結構”的授課過程中，授課教師在課堂上增加矩形截面梁受力破壞試驗的視頻演示內容，形象地展現了梁截面受力全過程應力分布及剛度變化情況，幫助學生對該問題進行理解和掌握;同時，帶學生走進學校工程實訓中心，在試驗教師的指導下，由學生親自操作相應的試驗設備，親身觀察結構構件在各類荷載組合作用下變形和裂縫發展與受力變化情況。

3. 改進課程考核方式和評價機制。課程組構建了以結課考試為主，小組討論和案例分析等多項考核方式并舉的考核體系。將結課考試改為“分章節測驗+綜合能力測試”;考核形式也進行靈活把握，對于不同章節，根據所講內容不同分別采用開卷和小論文等多種形式進行考核。具體考核內容和考核形式（見表1）。

在考試內容和形式上，把握“地下工程”的特色，力求實現學生工程素養的提高，鍛煉學生掌握、理解和合理運用所學知識的能力。在考核評判的機制上，確立了以準確理解基本概念、全面深入分析實際問題、采取恰當計算方法，以及創新性解決思路等基本標準。最后，課程組老師統一對考核中表現出專業應用能力強、具有一定創新性的同學進行綜合評定，在教學大綱的框架內對表現優秀的學生給予適當的加分獎勵。

三、課程建設改革反饋和改進

課程建設的效果如何，可通過學生工程素養和學習能力的提高得以反饋。通過改革，學生的專業知識得到了提高，創新能力和獨立分析問題的能力也有了長足進步，這從考察學生專業綜合能力的畢業設計中得到明顯體現，本專業畢設指導教師普遍反映：改革后的學生在畢業設計中分析實際工程問題的能力比改革前的學生有了明顯提升。2015-2019年，課程組連續對城市地下空間工程專業2012級（改革前）、2013級、2014級、2015級學生進行了地下混凝土結構設計課程學習情況滿意度問卷調查分析。通過學生的反饋看，改革后學生對課程的滿意程度明顯提高，（滿意度由改革前的85%提高到改革四年間平均91.6%），90%以上的學生對授課方式和考核方式滿意或比較滿意。

課程組對調查問卷中選擇不滿意的原因也進行了統計，選擇不滿意的原因最多的依次是：缺少專門的地下混凝土結構教材、課程安排時間過緊和考核內容偏難等。課程組秉承持續改進的原則，在后續教學中針對學生反映的問題，從授課內容到講課方法不斷地進行改進和創新。隨著本科專業認證工作在本校土木工程專業有序開展，本課程組未雨綢繆，積極向土木工程專業看齊，對標專業認證的教學標準，不斷加強城市地下空間工程專業課程教學的過程控制和持續改進，提前采用課程達成度指標進一步量化評估教學效果，為課程建設的持續發展奠定了良好基礎。

四、結束語

在當前大力建設“新工科”工程教育體系的大背景下，對于地下混凝土結構設計這門特色專業課，課程組找準自身普通本科高校特色專業的定位，牢牢把握課程的“地下”特色，以問題為導向，進行了針對性的教學改革，制定了切實有效的課程教學和成果評價方案，解決了教學中存在的一些普遍問題，符合本專業學生的學習基礎以及社會對本專業的人才需求，初步實現了學生獨立思考能力和工程素養的齊頭并進。作者提出的教學改革和實踐難免有欠妥之處，歡迎各位同仁批評指正。

參考文獻：

[1]曹平，王志偉.城市地下空間工程導論[M].北京：中國水利水電出版社，2013.

[2]孫鈞.地下結構設計理論與方法及工程實踐[M].上海：同濟大學出版社，2016.

[3]王樹理.地下建筑結構設計[M].北京：清華大學出版社，2015.

[4]王玉.地方本科院校應用型課程建設探究[J].課程教育研究，2018（39）：255-256.