基于創新能力培養土木工程專業畢業設計教學實踐

王萱 周翠玲

[摘 要] 為滿足新工科創新能力的培養要求，對土木工程專業的畢業設計進行了教學改革，將結構分析設計軟件、BIM技術和結構計算工具軟件應用于土木工程畢業設計教學環節，把傳統設計與計算機應用技術相融合，培養高素質復合型的卓越工程科技人才。在畢業設計題目多元化、多樣性和設計質量控制等方面進行了創新性實踐，按照不同的建筑類型、結構類型和計算內容做到一人一題。設計過程嚴格管理，由指導教師、評閱教師和答辯小組三方加權評定畢業設計成績，保證了公平公正性，形成了個性鮮明的土木專業畢業設計教學體系。

[關鍵詞] 新工科;土木工程;畢業設計;創新能力

[基金項目] 2011年度山東省教育廳山東省精品課程建設項目“‘結構設計原理’課程”（2011BK093）

[作者簡介] 王 萱（1965—），女，山東龍口人，碩士，山東農業大學水利土木工程學院副教授，主要從事土木工程結構分析及應用研究。

[中圖分類號] TU31;G642.477 [文獻標識碼] A [文章編號] 1674-9324（2022）24-0096-04 [收稿日期] 2021-05-29

引言

新工科建設是為應對新的科技革命與產業變革，探索形成中國特色、世界水平的新工科教育體系。將傳統的土木工程專業融入新工科教育體系，就是要面向產業未來發展的需要，將信息化、智能化等技術引入人才培養過程，以培養創新能力強、實踐能力強、高素質復合型的工程科技人才作為培養目標[1]。畢業設計是工科專業綜合實踐能力培養的最后一個環節，通過一個學期的全方位集中訓練，可以培養學生的工程意識，以及綜合運用所學知識解決生產實踐、技術開發或科學研究中的工程問題的能力，提高學生工程設計、工程制圖和計算機應用的實踐能力，增強學生的創新意識，同時能夠進一步提升學生的職業道德水平，培養符合新經濟需要的創新型卓越工程師。

按照新工科建設的指導思想，對土木專業畢業設計進行了一系列教學改革，結合畢業設計積累的教學經驗，對設計題目的定位和選擇、畢業設計開展模式、線上與線下相結合的輔導方式、設計過程的環節控制與質量考核等方面進行了創新性探索。引導學生把更多知識融入畢業設計中，靈活應用BIM、結構分析設計軟件、辦公自動化及電子工具軟件等信息技術，形成了一套有特色的畢業設計教學體系。

一、畢業設計題目的多元化與多樣性

畢業設計選題是畢業設計關鍵性的基礎工作，題目和內容設計應符合專業培養的基本要求，要有明確的研究內容和目標，并具有一定的難度、深度和創新點，還要體現出專業的前沿進展和卓越工程師基本訓練內容;不僅要結合工程實際，還要引入最新的科學研究成果;還應與科研單位、生產企業、實驗室的現實條件和需求相結合。

畢業設計題目在滿足提升學生的工程實踐能力、科研創新能力和綜合能力的基礎上，要結合學生畢業后工作的需求，符合以人為本的精神和社會需求，要有一定的廣泛性、適應性和代表性。近幾年，土木工程專業畢業設計題目有：工程設計型、施工技術管理型、工程概預算及造價型等類型，呈現多元化。上述各種類型的設計題目，由于設定的具體設計條件及要求不同又充滿了多樣性[2]。

以房屋建筑工程結構設計型畢業設計題目為例，一般要求學生在完成建筑設計施工圖的基礎上，進行結構分析計算，并完成結構設計施工圖，這類題目的多樣性表現在以下幾方面：（1）建筑類型多樣。設計的建筑除了多層辦公樓、教學樓等一般性公共建筑外，還包括高層住宅、商業寫字樓、酒店、會展中心、體育館等相對復雜的公共建筑，建筑設計方案豐富多彩。（2）結構形式多樣。結構設計方案緊密結合建筑特點，主要有多高層框架結構設計、框架-剪力墻結構設計、剪力墻結構設計等房屋結構形式;涉及板式樓梯、梁板式樓梯等樓梯結構形式;以及獨立基礎、條形基礎、筏板基礎、樁基礎等基礎結構形式。樓蓋結構設計通常會涉及現澆鋼筋混凝土樓蓋、壓型鋼板組合樓蓋等;雨篷、陽臺等其他結構設計通常也是結合工程項目特點，靈活選擇進行設計。（3）設計計算內容多樣。結合項目特點，可進行整體分析設計，也有局部構件的深化設計和分析。不僅進行混凝土結構、鋼結構設計，也會有砌體結構、組合結構、復合結構等設計。具體比較多的設計內容有：鋼筋混凝土框架結構、剪力墻結構及框架剪力墻結構，鋼框架結構、門式剛架結構，結構加固設計等。也有預應力混凝土屋蓋設計、鋼網架結構，減震隔震結構方案設計等內容。設計內容做到結合實際工程要求，設計成果更貼近實際項目要求，同時培養學生具有嚴謹的工程態度與責任感[3]。

二、傳統設計與計算機應用技術的相融

傳統的手工設計過程能夠加強基本知識和技能的訓練，有利于培養學生的動手能力，以及綜合運用數學、力學、結構等所學知識，近似計算出結構內力和位移，畫出內力圖，進一步理解結構剛度、承載力、變形等之間關系的能力。必要的手工繪制施工圖，便于掌握規范構造要求，熟悉工程界交流的語言。學生通過一定的手工計算及繪圖，增加了查閱文獻資料的工作量，對設計原理、規范和規程的要求有了更深刻的理解和掌握。

在畢業設計中加強計算機技術的應用，是設計手段和方法的改革，也是時代發展的需要。加強計算機技術在工程設計中的應用，能夠完成手工簡化無法完成的計算內容，拓寬設計領域，可提高畢業設計效率，保證設計質量，收到了很好的教學效果。主要做的嘗試有以下幾方面：（1）BIM技術的應用：利用Revit軟件表達建筑方案設計，建立三維建筑模型。利用廣聯達軟件實現算量和工程報價等，實現了畢業設計與建筑信息管理大數據技術相結合;（2）建筑設計軟件的應用：利用天正建筑、理正建筑進行建筑施工圖設計，設計成果以標準施工圖要求的形式進行打印輸出，實現了畢業設計與建筑設計行業標準接軌;（3）結構分析和設計軟件的應用：對于結構設計類學生，要求其利用設計軟件對結構進行建模、抗震模擬分析、模型調整優化分析。結構設計中引入PKPM軟件系列、盈建科、3D3S、Xsteel、Midas及Ansys等，能夠實現結構問題抽象分析與直觀表現、精確計算與簡化設計的對比，加深對結構規律的理解;（4）其他軟件的應用：使用力學求解器、Excel、MATLAB、SPSS等數據分析處理軟件解決設計計算、數據處理分析、文字編輯等方面的問題。

三、畢業設計展開模式的創新

（一）恰好的開端

畢業設計是從設計分組開始的，師生可雙向選擇，學生不僅可選擇設計方向，也可選擇指導教師，改變了傳統的由教師直接給學生布置設計任務的單一方式。首先公開由教師精心準備的設計題目和方向，學生根據自己的專業特長、發展規劃和興趣愛好自主選擇。雙向選擇體現了“以學生為中心”的教學理念，有利于學生的個性發展和優勢發揮，提高學生完成畢業設計的積極性[4]。未來要從事工程設計工作的學生會選擇設計類題目，讀研深造或有科研基礎的學生會選擇具有一定的科研性質的題目，計劃就職于施工管理單位的學生，選題一般側重于施工組織設計、投投標標書的編制、現場施工質量控制管理等方面。

（二）靈活的空間

畢業設計展開模式改變了由教師在固定教室講解設計要求、布置設計任務，學生按照固定步驟完成設計任務的固定模式，而是采用以學生為主體、固定教室與多種設計地點相結合的模式。這種展開模式，能夠解決學生畢業前因工作面試、研究生復試、招聘考試等導致的學習時間不連續且不統一的問題，為保證設計質量提供了較好的條件。

不將學生進行畢業設計的地點固定在教室，主要是考慮到設計的完成需要結合科研項目、實際工程項目等。因此，形成了固定教室與實驗室、設計院、施工企業、工地現場等多地點交叉進行的模式，采用師生面對面交流與線上互動相結合、教師講解與學生匯報研討相結合的方式。

（三）聯合的設計

在土木工程類相關專業間進行聯合畢業設計、校企合作聯合指導畢業設計等模式。其中，在建筑學專業、土木工程專業、給排水專業、建筑環境專業間進行聯合畢業設計的模式已試點實踐了五屆，聯合進行設計是模擬設計院完成工程項目的設計過程，各專業的學生共同協作，完成一個房屋建筑工程項目。實踐證明，參加聯合畢業設計的學生主動學習的能力強，查閱資料的次數和數量比明顯多于其他學生，完成的設計成果能夠達到較深的程度，優秀率高。聯合畢業設計潛移默化地培養學生的團隊合作意識和工程師職業倫理思維[5]。

（四）“互聯網+”的輔導

線上輔導管理是對線下管理的補充，時效性強。如利用智慧樹等網絡平臺，教師可以布置設計要求、按時發送輔助材料等學習資源，也可以回答討論問題，通過網絡對遠端學生進行指導答疑，一對一線上互動交流頻率高[6]?；诰W絡平臺的輔導管理是對畢業設計進行監控的有效措施之一，網絡平臺線上輔導在新冠肺炎疫情期間發揮了極大的作用。

（五）壓實的講座

結合本科教學計劃，針對學生專業理論知識薄弱的地方，以及綜合性設計問題等，指導教師采用系統講座形式適時安排講授輔導，例如對結構設計中抗震概念設計的具體應用、結構荷載統計及折減、結構工況分析、結構內力計算及組合、結構抗震內力調整等，以及對結構設計需要滿足的構造要求等，要結合規范進行著重強調，培養學生查閱規范、手冊和圖集等工具書的好習慣。

對于軟件使用過程中模型調整優化的方法和技巧、鋼筋混凝土結構施工圖表達、建筑鋼結構節點構造，以及常用規范和標準圖集應用等內容，平時課堂學習涉及較少，教師可以開展系列講座的形式為學生補充相關知識。

（六）學生為主的研討

利用階段成果匯報，開展設計研討、分享設計經驗。學生以多媒體形式進行匯報交流，展示已完成的設計過程、計算公式和表格、結果圖形，分享設計經驗，表達設計中遇到的棘手問題，其他同學和教師共同參與討論分析。對于共性問題，可通過辯論的形式解決，對如何優化處理結構設計模型進行討論，學生不僅能學到計算參數調整的技巧，更有意想不到的知識升華效果。

四、畢業設計環節把控的實踐

畢業設計過程的科學管理是提高畢業設計質量的重要保障，其中，指導教師的具體指導、及時反饋起著重要作用。實踐證明，畢業設計過程中充分有效的師生互動是提升學生學習投入的重要保證[7，8]。

開題答辯是畢業設計的第一個環節，指導教師要嚴格要求學生在查閱大量文獻資料、調查研究的基礎上撰寫開題報告，在理解設計題目及要求的基礎上，做好設計前期準備工作[9]。

在日?？记?、定期交流、階段性設計成果提交、中期檢查、設計成果評閱等環節中，教師要做好指導者和引路人的工作，因材施教，挖掘學生的創新性思維，強化自主式學習和探究式學習的能力，提升學生綜合水平和素養，草圖和草稿是畢業設計的佐證材料。

畢業設計成績由指導教師、評閱教師和答辯小組三方加權確定，各占30%、30%和40%。評價內容包括調查論證、設計優化與技能、分析與解決問題的能力、工作量與工作態度、設計質量和創新等六方面，指導教師評價內容最為全面，評閱教師從設計成果上進行評價，答辯小組主要評價設計成果、匯報情況和問題回答[10-12]。

結語

土木工程畢業設計是人才培養方案理論聯系實際的重要環節，是一項復雜的工作。畢業設計的準備應充分，題目設計應具備多元化與多樣性，設計內容應與社會和實際緊密聯系;畢業設計展開模式應以學生為中心，結合實際情況不斷創新，注重畢業設計過程中各環節的管控落實。只要有科學的安排、精心的組織、靈活的展開模式、師生間有效的互動交流，就能保證畢業設計工作圓滿完成。

參考文獻

[1]卜赫男，李磊.面向“新工科”的機械工程專業本科畢業設計改革研究[J].教育現代化，2019，6（94）：51-52.

[2]李成華，陳麗娟，趙敏.基于工程實踐的土木工程專業畢業設計教學改革探索[J].高等建筑教育，2016，25（2）：134-138.

[3]張普，李趁趁，王新玲，等.土木工程專業畢業設計教學改革實踐與探索[J].教育現代化，2019，6（18）：53-55.

[4]王萱，王暉.混凝土結構實驗教學的實踐[J].東南大學學報（哲學社會科學版），2012，14（S2）：235-236.

[5]張耀軍，徐宗美，周翠玲，等.土建類專業聯合畢業設計教學改革與探索[J].中外建筑，2019（11）：76-78.

[6]劉傳輝，游春華，吳婷.信息時代無邊界教學理論在畢業設計中的應用與實踐：土木工程專業畢業設計線上指導[J].高教學刊，2021（7）：116-119.

[7]焦瑋.“卓越計劃”背景下提升地方高校土木工程專業本科生畢業設計質量的思考[J].高教論壇，2019（8）：25-27.

[8]李曼燾，鄧明國.在畢業設計（論文）環節提高學生的創新與實踐能力[J].高教學刊，2020（1）：49-50+54.

[9]高紅艷，劉飛.工科畢業設計實踐教學改革思考[J].中國現代教育裝備，2017（1）：69-71.

[10]王肖巍，范馨予，宋維舉.應用型本科土建類專業畢業設計改革研究[J].城市建設理論研究（電子版），2018（15）：64.

[11]焦燏烽，白曉紅.多層鋼框架結構畢業設計指導模式改革探討[J].教學研究，2016，39（6）：62-65.

[12]伊璨.工學類本科畢業設計（論文）質量提升途徑的探索與思考[J].教育教學論壇，2020（51）：121-122.

Teaching Practice of Graduation Design of Civil Engineering Specialty Based on the Cultivation of Innovation Ability

WANG Xuan， ZHOU Cui-ling

（College of Water Conservancy and Civil Engineering， Shandong Agricultural University， Taian， Shandong 271000， China）

Abstract： In order to meet the requirements of the innovation ability training of the “emerging engineering education”， the graduation design of civil engineering major is reformed， the structure analysis and design software， BIM technology and structure calculation tool software are applied to the teaching link of civil engineering graduation design， and the traditional design and the computer application technology are integrated， in order to cultivate high-quality compound outstanding engineering science and technology talents. Innovative practice is carried out in the aspects of the diversification， the diversity， and the design quality control of graduation design. Students are required to choose different topics according to the different building types， the structure types and the calculation content. Excellent students can participate in joint design between majors. The design process is strictly managed， and the results of the graduation design are assessed by the instructor， the reviewing teacher， and the defense team so as to ensure fairness and impartiality， thus forming a distinctive civil engineering graduation design teaching system.

Key words： “Emerging Engineering Education”; civil engineering; graduation design; innovation ability