基于項目式學習的工程結構設計創新能力培養

黃 信,李長輝,吳 堃，陳 宇

（中國民航大學交通科學與工程學院，天津 300300）

引言

土木工程專業旨在培養學生從事土木工程結構設計、施工及運維管理的能力。課程體系設置包括基礎理論課、專業理論課、專業實踐課及專業選修課等課程，通過系統的理論知識學習以及工程實踐，使學生掌握工程結構設計知識理論。開展課程建設及課程群建設，對理論課程及實踐課程的教學方法、教學內容及教學手段進行改革，可有效提升課程教學水平。陳朝輝等為提高力學課程的教學效果，提出了遞進式復合型人才培養模式，包括教師引導、自主學習、研討探究、綜合分析和創新研究等環節。田美靈等通過微信開發了房屋建筑學的教學助手系統，對教學資源、教學考核等進行了模式創新，提高了課程的教學效果。黃信等提出了以項目全過程設計為主線，以工程規范和注冊執業資質講解為補充的課堂教學新思路，提高了課程教學的實踐性和工程能力。劉小燕等開展了結構設計課程群建設，對課程群中的課程定位進行了分析，同時介紹了課程群建設成果。劉文斌等以小班教學為特色，提出了通識課程群建設的規劃、管理及平臺保障機制，探討了師資隊伍建設，通過學生反饋調查，分析了課程群建設效果。

基于課程和課程群建設有效提高了專業人才的培養質量。土木工程專業具有較強的實踐性，由于課程學時及工程實踐環境等因素的限制，學生解決復雜工程問題的創新能力仍有待提高。

1 結構設計創新能力培養要求

工程結構設計創新能力是培養學生具備結構設計能力，并能夠有效結合工程特點，提出適合于工程結構的創新設計方案，同時對結構設計進行優化分析，提高結構設計的合理性和創新性。

為適應我國高質量人才培養的需要，從服務國家戰略、滿足產業需求和面向未來發展的高度，新工科建設對人才培養提出了高要求，重視學生創新實踐能力的培養。人才培養應具備專業扎實的理論基礎，同時應具備運用新知識、新技術解決復雜工程問題的創新能力。王巖等通過對比國外四所著名高校的土木建設法規類課程情況，結合新工科建設對課程教學目標、教學內容等方面提出了建設思路和方向。趙紅霞等基于新工科視角，提出了開放式實踐育人理念，通過建設實驗平臺及實踐基地，以提高工程科學應用能力和創新能力。

工程教育認證評估是衡量專業辦學水平的重要標準，工程教育包括以學生為中心、以成果為導向，以及持續改進三大理念，通過建設課程體系，評價畢業要求達成度。專業認證要求對專業進修持續改進，根據專業教學效果和畢業生的能力反饋，不斷優化專業培養方案，提高專業育人水平。張麗芳等闡述了畢業要求達成度與課程達成度的邏輯關系，采用問卷調查法等對畢業要求達成度進行了評價。王達詮等基于專業認證的創新人才培養目標，從學習者的建構主義認知發展規律出發，逆向設計了結構力學課程的混合教學模型。

由上可知，提高學生工程結構設計創新能力是支撐新工科建設和專業認證評估的有效途徑，是培養高質量人才的必然要求。

2 項目式學習的創新能力培養

項目式學習是通過開展項目方案設計、項目實施及項目學習效果評價等環節，提高學生的工程創新能力。學科競賽是學生創新能力培養的有效途徑，是理論課程和實踐課程的有力補充。大學生結構設計競賽是土木工程專業的重要學科競賽，通過給定結構體系類型、結構設計加載條件及尺寸約束條件，要求完成模型設計和模型制作，通過模型加載綜合評定學生的結構設計能力。由于賽題結合工程實際，結構設計方案創新空間大，所以該項競賽能夠有效提升學生工程設計創新能力。

結合大學生結構設計競賽，采用項目式學習方法開展工程結構設計創新能力培養，項目式學習的設計創新能力技術路線如圖1 所示。

圖1 項目式學習的設計創新能力培養技術路線

2.1 項目式學習方案設計

項目教學設計應突出問題導向，結合結構設計競賽賽題開展項目教學任務書設計，任務書包括結構設計的荷載、場地烈度、使用功能、結構跨度和高度等限定條件。為激發學生的結構設計創新能力，項目教學任務書中對結構布置形式和構件尺寸不做過多限制，允許學生在一定范圍內開展自由設計。為引導學生加強對專業綜合知識的掌握，項目教學任務書設計應突出對結構力學分析、計算軟件應用、結構方案設計等多課程知識的綜合運用。

項目方案設計中重視學生的動手能力，鍛煉學生的結構計算分析能力和模型制作能力。計算分析能力需要學生根據指定的項目設計條件開展結構方案設計，利用結構設計軟件對結構進行受力分析，確定結構及構件布置和具體尺寸。

任務書給出成果評價的評分標準和細則，考核內容包括結構計算分析、實物模型制作、模型加載效果及方案匯報。計算分析和模型制作及加載中重視學生對結構方案設計的創新能力，項目成果綜合評定中通過提高創新方案的權重，以突出創新能力的培養。

2.2 項目式學習的實施

制定項目實施中學生的任務流程、進度節點和管控要點。項目以小組為單位，每組3 至4 人，進行自由組隊，團隊實行組長負責制，鍛煉學生的團隊協作精神。項目實施過程中主要依據項目任務書中結構形式、結構尺寸和加載方式，指導學生開展結構計算分析、模型制作和方案匯報，重視對學生理論計算和方案設計能力的把關，每周組織討論會議，引導學生通過項目的實施，運用課本知識提出結構設計的創新方案。

建立指導教師工作職責和管控要求，指導教師對項目任務書中的設計條件進行解讀，但不參與具體的結構方案設計，鼓勵學生綜合運用理論知識開展創新設計。指導教師為學生開展結構分析提供必要的計算軟件支持，同時提供結構模型制作的材料和工具。為管控項目實施過程，制定了項目執行管控中學生階段性的成果要求，階段性成果包括結構方案匯報、分析計算書及模型制作，指導教師對階段成果進行點評，及時發現項目實施中出現的問題并給予指導解決。

2.3 項目式學習的評價

項目實施效果評價是對學生的過程性學習與最終成果進行定量評價，并依據評價反饋結果對項目任務書設計內容和項目執行管控方法進行調整，完成項目式學習方案的全方位評估和改進，不斷提高學生結構設計的綜合創新能力。

根據制定的項目評分標準和細則，結構分析報告、模型制作及加載作為客觀評價內容，占總體評價的比重為80%，同時綜合評價包括項目匯報、團隊協作、方案創新能力以及對課程知識綜合運用能力等主觀評價，占總體評價的比重為20%，主觀評價取多位指導教師評價結果的平均值，從而建立項目式學習的多維度綜合評價方法。同時，指導教師對每組方案進行點評，分析各組方案的優缺點，突出不同課程知識在結構設計中的作用，通過理論知識聯系實際，提高學生綜合運用課程知識的能力。

3 結構設計創新能力培養舉措

為進一步提高學生的結構設計創新能力，通過項目式學習的實踐，對課程群、科教融合教學及硬件設施等方面建設提出建議。

3.1 課程群建設

課程群是通過對相關聯課程的教學內容、教學方法等進行整合，提高課程之間的融合和銜接。為有效提高學生的工程實踐創新能力，應形成以主干課程為核心的課程群，課程群應進行教學內容的整合，提高教學內容的銜接性，通過優化課程群的教學內容，有效解決課時和教學內容的沖突。課程群建設應以工程項目全過程設計為主線，突出課堂教學內容對項目式學習的支撐作用。

3.2 科教融合教學

高校教師在從事教學過程中會開展科學研究工作，應利用教師的科研方向拓寬學生的知識面，同時引入最新的研究成果以激發學生的興趣和專業認同感。另外，應結合教師的科研成果和方法，對項目式學習方案進行優化，在結構設計方法和軟件分析中應提倡運用先進分析技術，同時提高學生對軟件的掌握能力。

3.3 硬件設施建設

為有效支撐學生工程創新能力的培養，應不斷提升專業辦學的硬件設施。為了實踐課程及項目式課程的有效開展和過程管控，應設置專用的項目式課程教室，為項目團隊提供必要學習空間。同時，為有效提高項目實施效果及考核，指導教師應購置或自制模型加載設備，并提供模型的加載場地。

4 結論

新工科和專業認證均對創新型人才培養提出了高要求，為提高工程結構設計的創新能力，基于項目式學習方法開展了工程結構設計創新能力培養實踐，介紹了項目式學習方案的設計、項目實施及管控，以及多維度綜合評價，同時針對課程群建設、科教融合教學及硬件設施方面提出了相應的舉措。