基于CDIO理念的土木工程專業建筑類課程一體化教學設計初探

洪 燕

(上海理工大學 環境與建筑學院，上海 200093)

新工科建設正在改變高校教學方式、高校人才培養方案以及學校評價體系與資源配置方式，正在改變工科學生的人生命運，正在改變產業競爭格局，正在重塑國家競爭力在全球的位置。與此同時，聯合國教科文組織指出，教育在與日新月異的就業環境中不斷脫節，但由此也出現契機，促使人們反思教育與社會發展之間的關聯。

為適應厚基礎、寬口徑的專業培養要求，落實質量工程改革，如何有效地指導學生畢業設計，培養學生實踐能力，提高畢業設計質量是一個重要的課題。對土木工程專業學生來說，建筑工程方向目前仍是就業的最大領域，而畢業設計質量的高低直接影響學生畢業后在工作崗位上能力的發揮，也是一所高校教育質量的直接反映。土木工程專業的建筑工程類畢業設計具有實踐時間長、內容涉及廣、專業綜合性強等特點。而從教學角度，畢業設計指導又是一項綜合性的教學環節，集學習、實踐、探索和創新于一體，是學生由學習階段向工作階段轉變的最好實踐機會，也是對學生將來獨立工作進行的職業訓練，對學生的思想、工作態度和獨立工作能力具有深遠的影響，是對高等學校教學質量評價的重要方面。

CDIO工程教育理念作為高等工程教育模式，對教師的教學設計能力、學生的主動參與學習動機均提出了新的挑戰。本研究基于CDIO工程教育的構思(Conceive)、設計(Design)、實現(Implement)和運作(Operate)一體化教學計劃(Integrated Curriculum)理念，結合上述建筑工程類畢業設計對專業知識的綜合性要求等特點，擬分析建筑類課程的教學模式及內容的一體化設計、課程選修學期等對學生知識體系架構和畢業設計質量的影響，探索建筑類課程教學綜合改革對土木工程學生畢業設計質量的提高和職業能力提升的影響，以此達到新工科建設中教與學行為間的和諧，避免高校教育與社會對專業素質要求脫節的現象發生。

一、土木工程專業及建筑工程類畢業設計

(一)土木工程專業及其建筑工程方向教學

按教育部1998年專業目錄設置，土木工程專業涵蓋了原來的建筑工程、交通土建工程、礦井建設、城鎮建設(部分)等專業，是一個寬口徑專業。基于上述工程分類，高等學校土木工程專業指導委員會將土木工程的相關課程分為專業基礎課程、建筑工程專業課群組、橋梁工程專業課群組、道路與鐵道工程專業課群組，以及地下、巖土、礦山專業課群組。其中，建筑工程專業課群包括：房屋建筑學、混凝土與砌體結構設計、鋼結構設計、高層建筑結構設計、建筑法規、建筑結構抗震、建筑施工技術與組織、工程項目管理、建筑工程概預算、建筑結構試驗等理論課程和實踐類課程。

上述建筑工程專業課群又可以分為建筑類和結構類，建筑類課程系指房屋建筑學和其課程設計。作者所屬院校除了講授房屋建筑學之外，還另設置了建筑概論和建筑設計(理論)，以上3門理論課程及實踐課程共同形成了與學生建筑設計能力相關的課群，也影響建筑工程類畢業設計中建筑設計的質量。

(二)建筑工程類畢業設計存在的問題

土木工程專業建筑工程類畢業設計涵蓋建筑設計、結構設計及計算，以及建筑及結構圖紙繪制，同時也要滿足現行規范要求和市場的需求，其中完成建筑設計是首要的工作。

本研究通過對楊永東、李永貴、陳強、焦瑋、李彥龍等近期的文獻進行分析，對各院校土木工程專業建筑工程類畢業設計中存在的問題進行以下總結(表1)。

表1 土木工程專業畢業設計存在的問題

分析結果表明，對土木工程專業畢業設計中存在的問題大致分為選題、教師的經歷和經驗、學生的重視度、知識體系、態度等。各項研究對畢業設計這4年專業教育的結果進行了評價，并提出了相應的改善措施，但并未從課程教學整體改革和畢業設計質量的相關關系進行進一步研究。

由此可見，畢業設計是一項綜合性的教學環節，是對所積累知識體系的綜合評價。因此，培養計劃中綜合設計建筑類課程的教學內容，形成課程間的相輔相成關系，這種課程間的銜接，可以避免任課老師的教學工作僅停留在單一課程的獨立講授，而是從總體培養計劃中履行“教”的行為，避免知識模塊間的斷層問題。同時，學生從“學”的角度，對每一門課程的知識點和在整體專業知識體系中的作用獲得明確的認識，促使形成較為完整的知識構架，進而達到提高畢業設計質量和專業人才素質的目的。

二、建筑類課程教學性質與目的

(一)土木工程專業的建筑類課程

建筑的設計到建造，需要多個建筑類(建筑學、城市規劃)和土木類(土木工程、建筑環境與能源應用工程、給排水科學與工程、建筑電氣與智能化)專業共同參與和協作來完成，土木類專業學生也應掌握建筑類課程必要的知識點。按照2012年普通高等學校本科專業標準，與建筑生產各階段參與人員相關的土木類和建筑類專業如圖1所示。

圖1 建筑生產相關專業

建筑類課程可以概括為建筑理論、建筑設計方法、建筑技術3個模塊。而作為非建筑學專業，對土木工程專業而言，建筑技術模塊中營造技術子模塊的相關課程，如材料、結構、施工技術方面的課程已是該專業的核心課程。因此，對于土木工程專業中建筑方向的學生而言，建筑理論及建筑設計方法模塊是其認知建筑學問題的角度。

非建筑學專業的建筑類課程知識模塊深度按照由淺入深的順序依次可分為4個級別：知、會、融、踐。知是對所學知識達到認識和了解的深度。會，是對所學知識達到領會的程度，在需要之時，知道用這種知識做簡單的專業應用，而更深入的應用則由建筑學專業人士解決。融，是能將所學知識融入本專業所從事的工作，在需要之時，能靈活運用知識，輔助完成本專業的工作。踐，是能將所學知識學以致用到從事與這方面知識有關的建筑設計上，指導工程施工等專業實踐技能的程度，且在這方面達到建筑學專業的水平。

本研究從鄭瑋鋒(2014)的研究所提示的非建筑學專業建筑類課程模塊構成中，節選出土木工程專業的內容，并結合作者所屬高校的培養計劃制定了下表中各課程的模塊深度要求(表2和圖2)。

表2 建筑知識模塊構成

圖2 本校建筑類課程

上述土木工程專業建筑類課程的定位和教學內容如下。

1.建筑概論：課程定位為了解建筑學的基本知識和一般原理，為專業課的學習打下初步理論基礎。作為建筑入門課程，建筑概論講授與建筑相關的各個領域基礎知識，學生第一次接觸建筑，了解什么是建筑、建筑屬性、建筑技術、建筑造型、建筑歷史，以及城市設計中的建筑等與建筑相關的領域。

2.房屋建筑學：該課程是建筑工程類學生必修的一門專業課。其目的在于使學生掌握建筑設計的基本原理和方法，使學生掌握建筑設計從總體到細部、從平面到空間的設計程序和方法。房屋建筑學是土木工程、工程管理等土建類專業一門重要的綜合性、實踐性課程，包括課程教學、現場教學、課程設計3個環節。

通過課程教學(教學和課程設計)，使學生理解建筑設計的主要內容與程序，能正確選用現行規范和標準圖集，掌握建筑設計和建筑構造的基本原理和方法，掌握工程語言和圖形表達的基本方法和技能。培養學生初步的設計能力，并能在掌握理論知識的基礎上創造性地進行建筑設計、構造設計，同時為學習結構工程和建筑施工等后續課程打下基礎。

3.建筑設計(理論)：是面向土木工程、建筑環境和建筑管理專業學生講授建筑設計的理論課程，包括建筑設計程序、相關規范解釋以及建筑繪圖等知識點。通過課程內容提高學生對功能較為復雜的公共建筑的設計能力，形成畢業設計所需的整體知識體系。

(二)本校建筑類課程一體化教學情況

與建筑工程類畢業設計相關的課程可分為建筑設計和結構設計兩大模塊，近幾年本校與其相關的課程設置如圖3所示。本校在近期人才培養轉型過程中未將建筑概論課程納入培養計劃，繼而未能積累該課程數據，不再列入后述研究中。

圖3 本校建筑工程類課程設置情況

在課程的建議選修學期上，不同學級的培養計劃有所不同。選修學期的不同，影響學生選修該課程前形成的專業知識體系的完整度，因此,建筑設計和工程結構抗震設計在不同的學年講授，會影響課程的學習成效，進而影響畢業設計的質量。

三、一體化教學與畢業設計質量的關系

新工科教育是面向新工業革命的工程教育全面創新，是一種工程教育的新范式，要整體設計培養目標、培養標準、培養方案和培養模式，形成以培養目標為統領、畢業要求為依據、培養標準為基準，突出“品格——知識——能力——技能”全面融合培養，課程目標、課程大綱、內外教學、課程評價密切關聯，教學制度、教學資源、教學平臺貫通協同的全新人才培養體系。

本研究為分析建筑類課程教學對畢業設計質量的影響，對2016—2020屆畢業設計質量和選修課程之間的關系進行了研究。因設計無法定量評價，本文通過學生成績區段變化趨勢來綜合評價各課程對畢業設計質量的影響。

(一)建筑工程類畢業設計要求和特征

本校的土木工程專業畢業設計分為工程設計類和理論研究類，其中,設計類又分為基坑和隧道等地下工程、橋梁及路面工程，以及建筑工程設計。本研究對本校2016～2020屆5年土木工程專業的畢業設計(論文)選題進行了統計，以此了解畢業設計課題選題的趨勢。在工程設計類和理論研究類的畢業設計中，前者的比重均在70%以上，所參與的教師比例也是偏重于工程設計類，如圖4所示。

圖4 2016—2020屆畢業設計(論文)課題類型比例

而在工程設計類中，建筑工程的比例也是大于其他工程，見表3。學生建筑工程設計采用的結構形式也是鋼筋混凝土框架結構為主，剪力墻結構和鋼結構設計的比重較低。個別指導老師名下既有工程設計類和理論研究類課題，同時也有鋼筋混凝土框架結構和其他結構形式的建筑工程，因此，表中指導老師之和并非該年度指導老師總人數。如表所示，平均每年153.4名學生參與畢業設計，其中平均71名學生完成建筑工程設計，占46.3%。同時，平均每年13.8名教師參與建筑工程類的指導，占53.1%。

表3 工程設計類課題統計

建筑工程設計一般包括設計前期工作、建筑設計和繪制建筑圖紙，同時對其進行結構設計和計算，并繪制結構圖紙。因此，學生需要掌握畢業設計課題相關的現行建筑和結構規范，綜合應用建筑設計和結構知識完成設計和計算，并要求采用計算機輔助軟件進行圖紙繪制和結構計算。與建筑工程類畢業設計相關的本校建筑類課程包括房屋建筑學及其課程設計、建筑設計課程，學生對該課程內容的掌握和應用能力直接影響畢業設計中建筑設計的質量。

(二)研究對象

如上所述，畢業設計選題中鋼筋混凝土框架結構建筑工程設計占比最大，故本研究將分析對象選取為近幾年鋼筋混凝土結構的建筑工程類畢業設計課題。

同時，為排除指導老師的研究方向、精力分配，以及學生的知識掌握(參考表1)等主觀因素對畢業設計質量的影響，選定建筑類課程任課老師T和其指導的2017—2020屆建筑工程類畢業設計課題組26名學生作為研究對象，追溯學生選修課程情況和質量，以此分析建筑類課程和畢業設計質量之間的關系。本校畢業設計評價體系中，無法獨立量化建筑設計部分在畢業設計評價中的占比，故從學生成績在整學年中的區段升降趨勢來進行課程與畢業設計的相關關系分析。教師T參與2013—2016級的建筑類課程教學和歷屆畢業設計組學生人數，以及學生選修建筑類課程情況如圖5所示。

圖5 研究對象概要

通過一體化培養計劃，各建筑類課程的教學內容和學生成果如圖6所示，課程之間有理論到實踐(構思到設計)、由淺入深、綜合及深化的相關關系。

圖6 課程教學內容及學生成果

(三)房屋建筑學及課程設計

參考表2，房屋建筑學要求“會”建筑設計原理和營造技術，其課程設計要求“融”建筑工程制圖和房屋建筑知識以及設計規范來完成單體建筑設計，本校的要求是完成低層單體別墅設計和繪圖。研究對2019—2020學年第一學期2017級學生的房屋建筑學課程閉卷考試的考核情況進行了分析，見表4。

表4 2017級房屋建筑學考核結果

在授課內容、授課模式，以及任課老師(教師T)一致情況下，兩個班級的期末考試成績均在綜合題部分為滿足及格要求。這說明學生對理論到實踐的轉換能力低，驗證了理論到實踐課程設置的必要性。

課程設計是土木工程本科專業重要的實踐教學環節，是對課堂教學知識的鞏固和工程實踐的應用，是培養學生理論聯系實際、綜合應用所學知識解決工程實踐問題的有效手段。課程設計對加強學生創新能力至關重要，是畢業設計的初步演練。本校課程設計包括房屋建筑課程設計、鋼筋混凝土框架結構設計、鋼結構設計等。其中，房屋建筑課程設計是與房屋建筑學理論課程配套的實踐課程，具有承上啟下的教學關系，學生的考核結果也證明了實踐類課程教學的必要性。

本文將2019—2020學年第二學期2017級77名學生的房屋建筑課程設計成果進行了分析(除去留學生和非2017級學生)，任課老師為T。學生成果為2～3層的單體別墅設計和繪圖，要求滿足現行的相關設計和制圖規范見表5。

表5 2017級房屋建筑課程設計考核結果

學生在設計原理的理解到實踐具有明顯的提高，但在規范的解讀到實踐中的應用上仍存在不足。同時，在制圖中尚不能有效地協調平、立、剖面圖之間的關系，保證圖紙信息的一致。2017級的混凝土與砌體結構設計和房屋建筑課程設計建議選修學期同為第6學期，而考核中學生對結構選型的理解不到位，說明學生將不同課程知識點“融”起來的能力偏低。建筑設計、結構，以及規范解讀是畢業設計必要的知識點，學生在后期學業中如無可以完善的教學環節，上述問題在畢業設計中仍會凸顯。本校培養計劃中的建筑設計作為拓展課程，由淺入深地深化學生對較復雜建筑的設計能力、規范解讀和應用能力。

(四)建筑設計對畢業設計質量的影響

本文從選修學年和選修與否兩方面分析建筑設計課程對畢業設計質量的影響。首先，就不同學年選修對畢業設計質量的影響，本文對學生成績區間的浮動和變化趨勢進行了比較分析。2013級的選修學年為第6學期，2014級開始改為第7學期，如圖7所示。選修學期的改動，影響學生選修該課程時的知識背景，這不僅影響課程的學習成效，也影響后期的畢業設計質量，如表6和圖8所示。

圖7 建筑設計選修學期變化

圖8 不同課程進修學期的課程成績對畢業設計的影響

表6 建筑設計選修學期對畢業設計質量的影響

建筑設計是畢業設計的第一個環節。如果建筑設計不到位，畢業設計就只是停留在紙上的“火柴盒”，不能稱作建筑工程。

本校畢業設計考核中對優秀學生的比例有所控制，因此成績區段從優到良，不能客觀地體現學生成績變化，故單獨列出。從學生第8學期完成的畢業設計成績區段的變化可以看出，第7學期和第6學期選修的效果中，前者優于后者。結果表明，在沒有充分掌握其他專業知識的情況下所選修的建筑設計知識，并未能和其他課程形成有機結合，進而有效地應用到畢業設計中。

房屋建筑課程設計和建筑設計之間有知識深化關系，當置于同一學年去選修，阻礙學生對課程知識的掌握。而在第7學期選修建筑設計，保障了學生深化理解各課程的知識點。

其次，分析比較了2014—2016級學生的課程選修與否對畢設設計質量的影響，見表7。學生成績變化趨勢表明，建筑設計對提高畢業設計質量是有效的。選修該課程的學生，通過課程成果(參考圖5)的完成，學生的畢業設計質量也得到了提高。其原因是學生在課程中第一次系統而全面地完成了較為復雜的公共建筑設計和繪圖，為后期畢業設計提供了步驟化的預演。

表7 建筑設計對畢業設計質量的影響

(五)小結

基于CDIO理念，本文探討了建筑類課程一體化教學設計對土木工程專業建筑工程方向學生的畢業設計質量和執業能力提高的影響。

首先，在建筑類課程一體化教學的必要性上，建筑工程是不同專業和工種共同協作來完成的創造過程，需要對建筑有整體的認識，并認識到建筑是不同專業群體有機結合完成的復雜工程。在專業分類過度細化的過程中，對建筑未能形成全面的認識，專業培訓將停留在眾人摸象的階段，影響學生的執業能力。

其次，就一體化教學設計效果，房屋建筑學及其課程設計的考核結果表明，建筑工程類的理論課程應結合實踐機會，讓建筑理論從“紙上談兵”變成實際操作，進入個人獨立創造階段。選修建筑設計課程中學生畢業設計質量的提高，也見證了從簡單的課程設計到深化階段的建筑設計，再到畢業設計的由淺入深、從簡到繁這一循序漸進的一體化教學設計過程，有效地提高了學生對建筑知識的全面掌握。

第三，就教學團隊對一體化教學設計和操作能力，通過培養計劃、每門課程的教學目的和內容，可知教學團隊(單位)從“授”的角度對建筑類課程間的連貫性具有明確的認知，這與CDIO標準3的一體化教學計劃也吻合。

最后，學生從“受”的角度，對課程間的連貫性認知不是很明確，停留于對每門課程內容的掌握(參考表5)，未能達到標準7一體化學習經驗(Integrated Learning Experiences)的實踐，進而并未能通過知識點的連貫性來形成自身完整的“建筑知識體系”。在指導教師的帶動下，如果學生能提前認知課程間的相關關系，除了被動聽取課堂教學內容之外，還能主動參與學習、完成課程預習等。這也符合CDIO工程教育模式標準8主動學習 (Active Learning)里所倡導的“學生主動參與、探究發現、交流合作的學習方式”。

四、結語

教育，是獲取知識和培養在相關情況中運用知識能力的有意識過程。發展和利用知識是教育的終極目標，各項原則是教育的指導方針。

土木工程專業畢業設計(論文)中建筑工程設計類占比較大，其相關課程教學質量的提高直接影響畢業設計質量和學生的執業素質。本文就建筑類課程的一體化教學設計與建筑工程類畢業設計之間的相關關系進行了分析，以求通過一體化教學改革和培養計劃的修訂來提高學生的整體素質。研究結果表明，一體化教學設計提高了師生對課程在專業知識體系中的地位和作用，避免課程之間的斷層，并為學生提供由淺入深的知識深化過程和機會，進而提高了畢業設計質量。

畢業設計的質量和執業素質，除本文所探討的課程教學模式之外，也和學生的主動學習態度等主觀因素和評價體系等管理體系相關，但這些因素未能量化并反映到本文研究中，留作進一步思考和探討的問題。