基于CDIO 和線上線下混合的《基礎工程》教學改革研究

何昌春，王天源，查文華，吳波，郝術仁

（東華理工大學 土木與建筑工程學院，江西 南昌）

一 引言

傳統的教學模式，注重于教師的教，而學生處于被動地學，積極性不高，教學效果也不好。目前，教育界已廣泛認識到這一問題，特別是對于應用型本科教育而言，其目的是培養高質量的工程技術人才（具備基礎扎實、知識面寬、能力強，素質高等四個突出特點，尤其是要具備較強的創新能力和實踐能力[1]），傳統教學模式就凸顯其不足，有鑒于此，眾多院校都廣泛地開展了教學改革。

2020 年的春天，新型病毒肆虐全球，不僅嚴重擾亂了社會和經濟的發展，也影響了各階段教育教學的正常開展，在中國，在疫情得到有效控制后，國家和各省教育部門為了盡可能減小疫情對教育的影響，逐步組織各學校開展了線上教學活動。隨著信息化程度越來越高，以新技術、軟件為依托的線上平臺和資源為線上教學提供堅實的技術支撐[2-6]。線上有豐富的教育學習資源和優良的教學平臺，支持學生進行個性化學習，選擇適合自己的學習方式，充分發揮學生自主學習的能動性，教師從知識的講授者轉變為教學過程的組織者、引導者。但單純的線上教學缺乏老師和同學間的有效溝通和監督，學生的學習效果并不理想，甚至可以用很差來形容。因此，同時采用線上線下混合式的教學模式是未來教育改革的必經之路。

線上線下混合式的教育模式可以彌補傳統課程教學存在的一些問題，如課程內容多課時少、考核方式單一，但不能解決理論與實踐嚴重脫節、創新能力和實踐能力弱的問題。CDIO 教育理念[7-12]以產品研發到產品運行的生命周期為載體，讓學生以團隊的形式主動地參與其中，“做中學”和“基于項目教育和學習”是該理念的集中概括和抽象表達，與生產實踐緊密聯系，能發揮學生的主觀能動性和創造性。

從傳統教學模式到線上線下混合教學模式，再到CDIO 教育理念融合線上線下混合教學模式的發展邏輯及各種優缺點如表 1 所示。

表 1 不同教學模式發展邏輯及優缺點

二 基礎工程課程特點

基礎工程是土木工程專業的一門核心課程，也是土木工程專業有關地基與基礎設計研究方面的一門主要課程，一般在土力學、材料力學、工程地質學等課程上完之后開設。在教授《基礎工程》近三的時間里，根據課程內容和學生學習特點總結出這門課的如下五個特點：

1.內容覆蓋面廣。本課程的內容與工程地質學、土力學、結構設計與施工、材料力學、彈性力學、巖石力學以及結構力學等眾多學科密切相關，特別是土力學、材料力學和結構設計與施工這三門課程，只有對這三門課程內容比較熟悉才能較好地學好基礎工程這門課。

2.知識點難度大。學習基礎工程的主要目標是能針對具體工程設計一個滿足要求的基礎，這里面涉及到非常多的力學公式，要能推導出每一個公式需要有很好的數學知識和力學知識，其難度對于二本院校的本科生是一個不小的挑戰，另外，基礎工程教材為了縮減篇幅，往往只給公式和結論，很少對公式和結論給出進一步說明，無形中給學生自主學生或課后復習加大了難度。

3.課程與實踐聯系緊密。基礎工程是一門專業性很強的專業基礎課，實踐教學環節非常重要，但在大土木類招生培養環節下，整個專業基礎課的課時減少了，而基礎工程課時數的減少首先是要減少實踐課課時，致使學生不能直觀、生動地觀看現場施工，教學效果不太理想。此外，基礎工程的設計主要包括地質勘察、構造（尺寸）設計和驗算等幾部分內容，每部分設計內容都與實踐密切相關。比如條形基礎懸挑長度一般為邊跨柱距的1/4～1/3，這部分構造要求是規范根據大量工程經驗總結得來的。

4.課時少內容多。在大土木統一招生和教學的背景下，原來細類招生、方向授課的專業基礎課課時和專業課課時遭到了壓減，但由于不同土木工程高校對于研究方向都有側重點，都會偏向于學校或者學院的重點和特殊方向進行適當調整，這樣就會導致專業基礎課的課時被壓縮，而專業課課時一般不會減少。基礎工程作為一門專業基礎課，其課時自然遭到縮減，其已由原來的48 課時壓縮到40 課時，就我所在的土木與建筑工程學院，2018 版大綱已將基礎工程課時進一步壓縮到32 課時，這對教師授課和學生的學習造成了巨大壓力。

5.教材知識面窄，更新慢。每年到了選教材的時候都會遇到一定難題，一方面，教務處要求選用最近兩年出版的教材，另一方面，大多教材都是在規范的基礎上進行的擴張，由于規范一般更新較慢，使得教材也更新慢。另外，規范一般都不會把最新的技術囊括進去，由于教材的權威性，導致教材也很少把最新的技術放進去。這樣，導致學生知識面窄、學習內容陳舊，遠遠滯后于工程實踐行業的發展，學生不能學習到日新月異的基礎工程新技術、新工藝，畢業后與社會脫節嚴重。

三 CDIO 和線上線下混合式教學的重要性

1.有助于提高學生學習主動性。就我所在院校土木工程類學生而言，大部分高年級學生學習基礎工程的積極性和主動性較差，這與學生的基礎工程相關知識儲備不足息息相關，基礎工程涉及的力學知識和數學知識廣、深、全，致使學生學習難度大、興趣低，而通過加強實踐教學有助于提高學生學習主動性。

2.能幫助學生更好地形象化認識具體基礎型式。基礎工程的學習首先必須要理解具體的基礎構造特點以及不同類型基礎的適用條件，要掌握這部分知識需要較好的想象力，實地參觀每一種基礎類型不太現實，特別是在疫情防控不穩定的當下，組織學生觀看具體的基礎類型難度可想而知，通過線上內容的設計（動畫、視頻、VR 等）可幫助學生形象地了解某一基礎形式及適用條件。

3. 啟發學生專業創造性思維。創造性思維是科技發展的重要保證，好的創造思維有助于快速地、良好地解決問題，促進社會進步。目前的學生大多是“00”后，他們的思維活躍，但對專業知識不是很感興趣，且當前的專業核心課授課方式與學生的特點和時代特色有點脫節，培養學生的專業興趣和創造性思維能力對于基礎工程創新發展至關重要。

4.促進教師改革教學方法和大綱。教學方法是教法和學法的統一，由于教師在教學中處于主導地位，教師的教法對學生學法的影響很大。鑒于目前基礎工程傳統、單一的授課方法，教師機械地教，學生被動地學，教學效果很難說好。而線上線下混合教學不僅豐富了教學手段、內容（見圖 2），同時在一定程度上增加了學生的學習課時，基于CDIO 教育理念的進一步教學改革，能發揮學生學習主動性，促進學生積極思考。

圖 1 CDIO 教育理念融合線上線下教學改革研究內容

5.推進考核方式改革。目前大多土木類專業基礎課和專業課的考核方式是“平時成績= 期末成績（60%）+ 平時成績（40）”，這個考核方式本身沒有什么問題，但平時成績卻忽略了學生主觀能動性的考核，也就是說沒有或較少注意到學生的溝通、動手和創造等能力，出現這個的原因主要在于教學方法的改革沒有跟上，而基于CDIO 和線上線下混合教學可以較綜合對學生的平時成績進行考核，也就會進一步激發學生學習的主動性和自主性，對學生創新意識和實踐能力有很好的促進作用。

6.擴寬學生知識面，主動適應社會發展。科學技術的發展進步日新月異，基礎的設計和施工技術也以極快的速度發展著，各種新的設計理念和和施工工藝也在創新性地出現，基于線上線下混合式的教學，可以把最新的基礎工程設計理念和施工工藝作為線上部分內容補充到學習要求中來，擴寬學生知識面的同時，也讓學生與大型國有企業招生要求相符。

四 基于CIDO 和線上線下混合式教學改革途徑

1. 線下教學設計要巧。線下教學是老師和學生面對面的溝通交流活動，基礎工程課程的主要教學內容應通過線下課完成傳遞。要從三個方面開展教學設計。首先，應準備獨特的教學素材，好的教學資料和素材是開展良好教學的基礎，可以借助于MR、VR、三維投影、虛擬動畫等最新的手段，展示明確包含基礎工程專業知識內容的動態影像來輔助教學。其次，授課方式要靈活、主動，以學生為主體，采用探究式、個性化、參與式等教學模式，可以借助“雨課堂”“微課堂”“學習通”等課堂輔助小軟件進行互動教學，不同的授課模式和輔助教學方式應靈活運用，達到真正課堂氣氛活躍、學習快樂的目的。最后，課后作業要有靈性，課后作用的布置不能為了完成任務而布置，也不能簡單地以為地基承載力滿足要求、剪切力和彎矩使高度和配筋合理就認為是好的課后作業，更好的方式可以通過布置啟發式的作業達到，比如無筋擴展基礎為什么只需要滿足剛性角就可以，而擴展基礎卻需要進行內力驗算？通過這種作業的布置可以進一步啟發學生的思維。

2.線上課程內容要妙。線上課程內容應是線下課程的一個很好補充，主要應從三個方面完成。第一，對于每一種基礎的形式及適用條件，可以通過世界上著名的建（構）筑物建造視頻、動畫等讓學生課前觀看，比如，在講解沉井基礎之前，可以讓學生觀看給定的長江泰州大橋和港珠澳跨海大橋沉井基礎施工視頻，了解基礎構造及不同地質條件沉井施工可能碰到的問題。第二，針對課堂上的重點和難點知識，在課程線上平臺給出知識點的詳細講解、公式推導步驟及可能用到的儲備知識，讓學生深刻理解知識點背后隱藏的奧妙。第三，每個知識點給出相應的線上課后測試，讓學生對每個知識點“了如指掌”，對于線下布置的作用，通過拍照上傳到線上平臺的方式，讓學生們互相批閱，發揮學生主觀能動性和溝通交流能力。

3. 課程設計要巧和妙結合。課程設計是CDIO教育理念的重要體現，在構思階段（C），通過與大型央企溝通交流，搜集地質、水文和上部結構等資料進行構思，確定基礎可能類型；在設計階段（D），根據選定的基礎型式，結合所學知識，設計基礎的埋設、高度和平面尺寸；在實施階段（I），根據設計的尺寸，進行基礎內力計算和尺寸、配筋驗算，最后繪制基礎施工設計圖；在運行階段（O），由于課程內容的限制性，在本步驟中，采用班級交流和專家點評的方式代替具體的施工，班級交流采取線上提前交流和線下PPT 匯報的混合方式進行，切實提高匯報質量。整個CDIO 過程，既體現了設計內容的實踐性和邏輯性，也發揮了學生的主觀能動性，鍛煉了學生的創造性、團隊協作和溝通能力，實現了CDIO 教育理念和線上線下混合教學，如表2 所示。

表 2 基于CDIO 教育理念的項目式基礎設計流程

4.平時考核要全面。平時考核是學生綜合能力的一種評價，平時考核設計是否合理與學生能力評價是否客觀緊密相連，基于CDIO 教育理念和線上線下混合教學的基礎工程平時考核要注意線上課時學習的考核，線上的考核主要從學生主動學習和活躍等方面打分，而CDIO 部分（實踐）則從學生的溝通交流、團隊合作、創新性等方面打分，這樣既體現了學生的綜合能力，也有助于教師對整個教學設計進行反思和改進。

五 結語

基礎工程是一門綜合性、實踐性、時代性特別強的土木類專業基礎課程，也是一門與新設計理念、施工工藝和技術息息相關的重要課程。學生要學好基礎工程這么課程，離不開教師對基礎工程整個授課過程的精心設計，新時代涌現的諸多特征要求教師必須結合互聯網和基礎工程實踐性的特點對課程進行改革，設計好CDIO 教育理念與線上線下混合式教學改革，有助于培養出理論與實踐能力兩手硬的人才，有助于為社會主義建設培養德智體美更加全面的人才。