建筑工程計算機輔助設計課程模式的探討*

李國東 楊海旭 徐嫚

（東北林業大學土木工程學院 黑龍江哈爾濱 150040）

建筑工程計算機輔助設計是建筑工程專業一門重要的專業課，課程以YJK（盈建科）、PKPM等專業軟件在工程結構設計上的應用為主要特征，課程知識點多、專業理論運用綜合，學生受限于工程經驗缺乏在課程學習中存在困難。目前，受限于理論課時的限制，學生以被動學習為主，教師注重講解軟件基本操作命令及結構建模流程，課堂缺少討論互動，實踐課也基本以驗證性試驗或簡單項目的建模分析為主，學生僅能掌握所學軟件的基礎操作技能，在從事軟件與具體的工程問題相關聯的工作時手足無措，難以完成綜合性強的工程結構設計，在一定程度上影響了課程學習的興趣。新工科時代及工程教育認證背景下需要全面提升倡導“以學生為中心”的教學理念，針對目前課程中存在的問題，探索基于構架主義教育理論的課程設計和以學生為中心的課堂教學模式，以期實現學生在課程學習中由被動學習向自主學習的改變。

一、課程特點及問題分析

建筑工程計算機輔助設計課程是本科高校及高職院校普遍開設的一門重要的土木工程專業的專業課程，課程對工程制圖、工程力學、建筑材料學、荷載及結構設計方法、結構體系、結構抗震等方面的專業知識有較高的要求。課程一般設置4年學制的第六學期或第七學期，學時在24—32課時之間。課程以培訓專業軟件應用技能為主要目的，課程教學由理論授課和上機實踐課兩部分組成。理論授課主要讓學生了解專業軟件中各種程序模塊的基本功能及基礎軟件操作方法，上機實踐課是配合理論授課的學生上機實踐。受限于課程的目標定位、任課教師的工程能力及經驗、課程內容及課程學時分配等多因素的影響，傳統的課程教學設計注重課程的“教”，重視專業設計軟件原理和操作命令及流程的講解，軟件應用技巧與專業知識之間，尤其是工程問題的聯系較弱，軟件學習與工程結構設計理論的系統性構架效果不佳，學生課程學習困難，課程的教學體驗不好，因此需要在明確課程目標及課程邏輯的基礎上探索新的課程形式，通過強化以學生為中心的體驗式、探究式課堂學習環節實現課程教學效果的顯著提升。

在人才培養方案中，建筑工程計算機輔助設計課程的教學目標是培養學生運用專業設計軟件實現工程結構設計的能力，具體的可概況為認知、能力、素質三個具體方面。其中的認知目標包括了解結構設計軟件的工作原理，掌握軟件的基本命令及操作方法；能力目標是具備較強的應用軟件分析工程問題的能力，具備利用計算機軟件程序從事工程結構設計工作的能力；素質目標是培養工程師責任感、終身學習等。這類課程本身具備較強的實用性和實踐性，在課程內容的組織上除了專業軟件相關的基本理論知識點的學習，要融入與軟件應用相關的工程場景以及關聯的力學、材料、結構設計理論等專業知識，要借助足夠數量和豐富內容的課程實踐環節鞏固學生所學的基本理論，提高利用軟件解決工程實際問題的能力。針對課程的教學特點，可以借鑒建構主義教學理論，清晰課程目標的基礎上對課程教學的教學設計、實施方案、評價考核等關鍵環節進行改革。

二、基于支架式教學模式的課堂教學設計

建構主義教學理論是一種注重學生過程控制管理的教學模式，目前在教學應用上有3種實施模式：支架式、隨機進入和拋錨式教學模式[1]。建構主義教學理論教學環節的設計和實施時強調以學生為中心，通過情景的設置及任務的引導，讓學生在既有的知識的基礎上自主實現新知識的構建。建構主義教學理論強調在課程教學活動中重視教師與學生、學生與學生的互動活動，教師可以通過情境性問題的交流和探索，獲知學習參與者的狀態和感受，學生可以通過情境參與，從自己及參與者的學習經驗中獲取新知識。其中的支架式教學模式可借鑒至建筑工程計算機輔助設計課程的教學設計中，支架式教學模式認為學生的認知是基于學習的交流和經驗的反思而主動構建的，為了實現要先給學生搭建支架，幫助學生理解的特定知識，學生在支架的幫助下能夠進行獨立的探索，通過交流、質疑、思考等主動行為形成認知，實現課程知識和專業能力的構建[2]。

將建構主義教學模式遷移到“建筑工程計算機輔助設計”課程教學，要依據土木工程專業的學科特點，創造與課程目標相符的教學情景，重視支架式教學模式關鍵要素的實現。支架式教學模式包括5個過程：搭腳手架、進入情境、獨立探索、協作學習和效果評價。在課程教學設計時，開始新課程前教師需要開展學情分析，根據授課內容評估學生對于所要解決的問題和原有能力之間存的差異，也就是掌握建構主義理論中“最近發展區”的關鍵，并建立基本知識和理論的框架，引導學生利用線上課程平臺或學習資料開展課前的自主學習，并將課堂中的工程問題引入到學習情境中。課前，通過課程通告發布學習任務、明確所搭建的知識框架相關的問題。課上，教師通過教學情境的設置和教學流程的控制，對提出的問題開展討論，并引領學生對相關知識理論進行梳理和分析，幫助學生掌握課堂所構建的知識系統。課后，通過線上作業的測試，鞏固重要知識點并進一步拓展課程知識，通過學生自我評價或師生、生生相互評價反饋出課程學習的實際效果，掌握學情并進行課程授課的調整，實現持續改進。

三、課程模式的實施要點

筆者認為，教師在“建筑工程計算機輔助設計”課程教學中進行建構主義教學模式的課程設計時，需要結合課程的特點和建構主義教學理論的實現要素，在教學的實施環節中重視以下問題。

1.明確搭建腳手架的意義

如何根據課程的目標，給學生提供可進一步形成知識和能力的知識框架是課程中支架式教學模式應用的前提條件。課程中的“新知識”是專業軟件運行的邏輯原理以及實現軟件計算邏輯所必須的操作方法，實現課程目標更重要的是學生已經學習的土木工程方面的專業知識等“舊知識”，限于學生工程經驗的欠缺，學生開展課程學習所面臨最大困難是龐雜的專業知識“用什么”“怎么用”，課程中“腳手架”的搭建不是給學生提供直通課程知識目標的工具，而是幫助學生篩選出符合課堂活動需求的專業知識。例如，在進行樓板設計主題的課堂學習時，要讓學生明確樓板是屬于結構體系中的豎向結構體系，要明確樓板傳遞豎向荷載時的受力特征及內力分布規律，要了解常規樓板設計時的樓板厚度、配筋方式以及構造性的要求。明確了以上知識范疇后，在課程的腳手架搭建階段，只需要提供給學生結構體系、受彎構件設計理論的知識提綱，讓學生通過復習已掌握的知識和理論實現進入新知識領域的“最近發展區”的知識要求。因此，課程中腳手架的設置的意義是幫助學生發現新課程學習的必要性，幫助學生在完整的課程情境中確定學習目標[3]。

2.設計進入情境的流程

實踐性是“建筑工程計算機輔助設計”課程的重要屬性特征，實際的工程項目為課程情景設置提供了豐富的選擇，結合課程目標的課程情景的構建和多次課程情景的銜接是課程情景設計中需要重點解決的問題。在具體實施時，可以以一個具體的工程項目為宏觀背景，將需要解決的工程項目中某一個關鍵的工程問題或重要的設計分項任務作為每次課程的微觀情景，具體的教學活動僅需圍繞微觀場景展開。在實施教學活動時，要根據微觀場景與宏觀背景的協調性合理設置情景進入的順序和方式，在實施中最符合認知規律的方法是以項目中結構設計流程中的若干具體問題為導向的情景引入方式。例如，在樓板設計中，通過腳手架的搭建，學生明確了樓板相關的體系方面的知識概念，展現給學生的學習情景是某一個復雜項目的樓板設計及建造的工作流程，通過以下預設的實際問題來實現情景學習的帶入。首先，通過展現實際工程中樓板的體量、施工過程、質量及工程問題的圖片直接引發學生對理論上設計的樓板與工程項目中的樓板的差異性的思考，在感性認識的基礎上逐步開展較深層次的問題的引領。比如，通過樓板傳力途徑及力學模型的歸納，讓學生以專業知識在工程設計中的著手點，通過墻梁柱的體量及實際中對樓板設計條件的影響，引發學生思考力學模型在實際工程中的偏差水平，討論樓板的荷載的真實來源以及施工、檢修等偶發問題的考慮方式以及設計時恒載及活荷載取用的依據等。最后將課程學習的思考上升到專業知識與工程項目的聯系性等開放性問題。比如，通過板中彎矩、剪力的分布規律的探究，討論樓板中下部受力鋼筋及支座處受力鋼筋的分布特征，討論保證樓板正常承載要求的鋼筋的錨固要求及分布規律等。所有的課程問題未必一定在課堂中解決，課程上無法完成內容可以延展到課外，以作業、討論的方式由學生自主完成[4]。

3.獨立探索和協作學習的設計

建構主義教學模式引入課程的重要目的之一，是要實現以學生為中心的課程教學模式的轉變，要在掌控課程流程的基礎上賦予學生充分自主學習的空間和時間，讓學生能獨立地對知識進行探究，掌握相關的知識技能。教師在課程的實驗課及課外作業環節上可采用項目式實踐教學方法，給學生獨立探索的權限和自由。課程的案例式時間教學內容可參考建構主義教學模式，教學以完成綜合性較強的工程項目的設計成果為導向，學生根據項目相關的工程條件，用結構設計軟件完成建模、分析、校核、優化、繪制結構施工圖的全過程。學生可以在設計工作的情境中獨立探究工程中的各類問題，通過教師情景框架的搭設和引導，以及項目設計實施的過程中問題的交流、探討和分享活動，將學習的體驗和經驗內化為解決復雜工程問題的能力，實現課程學習的自主性、協作性、探索性等高階的學習效果。項目式教學在實施時，課程給學生提供某一真實項目的所有工程資料，包括建筑圖、地勘報告、規范及圖集等，在實施項目的結構設計前，教師引導學生解讀建筑圖、工程地質勘察報告等設計資料，分析項目的技術重難點等幫助學生搭設“腳手架”。通過給定項目的設計目標、質量標準及成績的評定依據，明確學習的內容和工作目標。通過具體任務的分解及階段性驗收確保學習的合理進度。定期的交流活動和階段成果分享是保持學生學習的熱情和學習效果的反饋重要課程管理措施。在整個課程教學設計中，教師要確保學生項目實施正常運行，其中適時學習指導是必要的，可避免學生在項目實施中遇到困難而導致項目實施的中斷以及由此而來的不良的學習體驗。另外，要注重課程中項目式學習的特點，學生在獨立探究項目時，所考慮的問題各有側重、解決問題的方法不一而同，通過有組織的項目匯報、成果展示等活動可以建立起相對豐富完整的群體經驗，實現相同認知水平下的最佳學習效果，同時有利于激發學生課程學習的興趣和動力。

4.改變教學評價方法

課程中建構主義教學模式引入后，課程的評價方法要實現結果考核到過程考核的轉變。在課程改革前，課程成績的組成是平時表現成績10%，實驗作業占30%，期末考試筆試占60%。這種評價模式過分關注最終的考試或考查的成績，無法實現對學生學習過程的評價，不能及時發現課程教學中的問題和不足，難以實現及時反饋學生學習狀態。

針對課程教學根據建構主義理論的理論授課及實踐課程的教學過程，建立一套以在線課程資源學習時長、在線作業測試、實踐性作業評定、筆試成績為組合的綜合性考核方法。考核方式涵蓋了課程學習的全教學過程，注重過程性評價。調整后的評價方法，平時成績占20%，由思考題書面作答、分組討論表現、線上微課學習學習時長、在線單元測試、在線討論、作業互評等構成。實驗作業占40%，由2次小作業加1次綜合作業的考查成績給出。期末筆試的成績占40%。

通過課程的教學實踐，采用多階段過程性的考核方式后，尤其是注重學生在線資源應用效率的教學管理后，學生學習的自主性、主動性顯著提升，完成綜合作業的能力和水平大幅提高[5]。

結語

新工科時代對高校培養的人才提出了更高的要求，土木工程專業的課程目標和課程效果也要與時俱進。從培養學生自主學習、終身學習的意識和能力出發，將構建主義學習理論引入到建筑工程計算機輔助設計的課程中，結合課程的特點對構建主義學習理論與課程的融合方法進行了探討，給出了課程教學過程的設計思路，給出了基于學習過程管理和評價的課程考核評價方法。教學效果表明，依據構建主義學習理論的課前、課上、課后的教學環節能促使學生開展自主學習和協作學習，項目式實踐教學能夠激發學生探究工程問題的學習興趣，在工程項目的結構設計過程中訓練了學生專業軟件的操作技能，提高了學生運用專業知識解決復雜工程問題的能力，培養了學生的工程師責任心，鍛煉了團隊協作、溝通交流能力，較好地實現了課程目標。