OBE理念下 “鋼結構課程設計” 教學改革研究★

張春玉，陳 勇，左敬巖

（黑龍江科技大學建筑工程學院，黑龍江 哈爾濱 150022）

0 引言

“OBE” 是成果導向教育（Outcome-Based Education）的簡稱，是指以預期學習成果為中心來組織、實施和評價教學的過程。OBE強調 “教育是一種能力培養(yǎng)、能力訓練” 的過程。OBE是世界高等教育的發(fā)展趨勢，也是中國工程教育改革的主要方向之一。隨著中國加入《華盛頓協(xié)議》并成為簽約成員，標志著中國開始了工程教育認證國際化之路，繼而以成果為導向和以學生為中心成為工程教育認證的核心理念［1-4］，這些理念為國內高校工科課程進行教學改革提供了新的思路。

在2021年的兩會上 “碳達峰” “碳中和” 被首次寫入政府工作報告，標志著我國節(jié)能減排工作進入快車道。目前，我國在建造中所產生的建筑能耗占社會總能耗的1/3（不包括生產建筑材料所產生的能耗），每年城鄉(xiāng)新建房屋面積80%以上、既有建筑95%以上為高能耗建筑，每年建筑垃圾資源化率不到5%，每年建筑施工和建筑垃圾運送對空氣污染的貢獻率達20%。可見，建筑行業(yè)是節(jié)能減排工作的重災區(qū)。鋼結構建筑具有工業(yè)化程度高、施工周期短、性能優(yōu)越、造型優(yōu)美等一系列的優(yōu)點，最主要的是鋼結構屬于綠色建筑，該結構可減少施工污染，拆除時也可最大限度減少建筑垃圾，實現(xiàn)建筑材料的重復利用［5］。2016年我國粗鋼產量約占全球粗鋼總產量的50%，產能嚴重過剩，而鋼結構的應用可提高鋼鐵的利用率、緩解產能過剩、實現(xiàn)鋼鐵的戰(zhàn)略儲備。同時，我國鋼結構工程建筑面積占總建筑面積的5%左右，與美國、日本等發(fā)達國家40%以上的占比相距甚遠［6］。可見，鋼結構在我國各個領域的應用和發(fā)展具有廣闊的前景。

為了提升人才培養(yǎng)質量，切實考慮畢業(yè)生的就業(yè)需求，推進我校工程教育認證工作，土木工程專業(yè)鋼結構教學團隊在深刻理解 “學習產出” “教學策略” 和 “評價方法及策略” OBE理念三要素的基礎上，針對鋼結構課程設計進行了 “成果為導向” “學生為中心” 的改革探索。

1 以往課程設計存在的問題

我校位于東北老工業(yè)基地，出于服務地方經濟的角度考慮，鋼結構課程設計主要以廠房鋼結構的普通鋼屋蓋為主，該結構具有布置簡單、傳力明確、計算簡便等優(yōu)點，因此多年來被用于課程設計的對象。但是隨著社會的進步、專業(yè)的發(fā)展，該設計題目的不足逐漸顯現(xiàn)。

1.1 應用廣泛的工程占比較少

為了進一步明確讓學生在鋼結構課程設計中 “做什么” 的問題，課程教學團隊對2002年畢業(yè)以后從事鋼結構設計、施工和監(jiān)理工作的學生進行了調查。經過對119名受訪者進行網絡問卷調查發(fā)現(xiàn)，從業(yè)未超過五年的畢業(yè)生接觸過普通鋼屋蓋的有1人（工程數(shù)量僅為2），在從業(yè)五年（不含）到十年的受訪者中接觸過普通鋼屋蓋的有6人（工程數(shù)量10），在從業(yè)十年（不含）以上的受訪者中接觸過普通鋼屋蓋的有11人（工程數(shù)量為15），而調查問卷中為了對比而設置的網架結構、門式剛架結構、框架鋼結構等結構形式，幾乎所有受訪者均有所接觸，且工程數(shù)量遠遠高于鋼屋蓋。不同鋼結構形式的工程數(shù)量占比圖如圖1所示。由圖1可知，我校畢業(yè)生接觸普通鋼屋蓋的總量不超過鋼結構總量的2%，這種情況說明，當前形勢下鋼結構課程設計的選題確實有必要進行調整，且刻不容緩。

圖1 不同鋼結構形式工程數(shù)量占比圖

1.2 基本理論運用范圍小

作為鋼結構課程的實踐環(huán)節(jié)，將鋼結構的基本原理運用于工程實際是鋼結構課程設計最直接的目的。但是，普通鋼屋蓋的構件類型較單一（主要是軸心受力構件），計算僅涉及到拉壓桿的強度、剛度和穩(wěn)定理論，很少涉及到受彎構件、偏心受力構件的基本理論。事實上，受彎構件和偏心受壓構件的整體穩(wěn)定問題同樣是鋼結構基本理論的重要組成部分，學生都需要借助實踐環(huán)節(jié)進一步理解和吸收，尤其是偏心受壓構件的整體穩(wěn)定問題又分為彎矩作用平面內的穩(wěn)定和彎矩作用平面外的穩(wěn)定，理論公式難以理解、計算過程極其復雜，更加需要在課程實踐環(huán)節(jié)加以訓練，以往課程設計中對該部分內容的缺失，不利于學生鋼結構工程素養(yǎng)的提升。

1.3 計算方法及設計手段落后

以往鋼結構課程設計進程中，鋼屋蓋設計時屋架內力計算多采用手算法或圖解法，由于近似因素較多，導致計算結果誤差較大。同時，要求學生設計文稿采用手算、繪圖采用CAD的設計方式也飽受學生的詬病，這讓指導教師深刻認識到僅僅讓學生脫開圖板是不夠的，應該支持和鼓勵學生適應行業(yè)的發(fā)展，允許在課程設計過程中采用PKPM，3D3S或MTS等相關的專業(yè)設計軟件，以利于學生提高專業(yè)能力、縮短就業(yè)適應期。

2 基于OBE理念的改革及成效

學生取得什么樣的學習成果，如何有效地取得這些學習成果，以及如何確定學生取得了這些學習成果，是以學生為中心的教學理念的重要體現(xiàn)［7］。為了在教學中有效落實OBE的理念，結合鋼結構課程設計的課程目標及其支撐的畢業(yè)要求，課程教學團隊借鑒了建設工程項目施工管理模式，根據(jù)設計題目將學生按 “項目組” 進行劃分，并按照 “項目管理式” 的運行模式進行了探索與實踐。

2.1 “一人一題” 的獨立選題

結合我校土木工程專業(yè)畢業(yè)生的反饋意見，鋼結構教學團隊對課程設計的選題進行了優(yōu)化調整，實現(xiàn)了 “一人一題” 。設計題目優(yōu)化過程中，既要考慮到題目多樣化，又要便于指導和管理，同時考慮后續(xù)混凝土結構、地基基礎等課程設計的要求（各門課程設計的對象一致性要求），最終確定每名同學均需要為多層混凝土框架設計頂部結構的任務。經過詳細分析對比，優(yōu)化后設定的混凝土框架結構建筑方案有三種，通過變化橫向軸距（L）、縱向軸距（S）可以得到不同尺寸的建筑方案，再通過頂部結構形式選用普通鋼屋蓋、網架鋼屋蓋或輕型門式剛架結構（框架結構）的變換，最終實現(xiàn) “一人一題” 的設計任務。學生可根據(jù)學號在任務確定表中找到自己對應的建筑方案和結構尺寸序號，任務確定表如表1所示。

表1 設計任務確定表

學生按照表1中的結構尺寸序號在結構設計對象信息表中可以進一步明確設計信息，設計信息表如表2所示。

表2 設計對象信息表

在表2中，對應相同序號二的同學設計對象一致（見表2），為同一組別，即同一 “項目組” ，設計任務的交流、討論等環(huán)節(jié)主要集中在組內進行。為便于管理， “項目組” 成員需推舉一名理論基礎好、認真負責的同學任組長，組長將以 “項目經理” 的身份管理小組的設計進程，指導教師全程起到引導及輔助的作用。

2.2 “技術交底式” 的知識點講解

為了突出學生學習的主體地位，激發(fā)學生的學習熱情，提高理論聯(lián)系實際的能力，鋼結構教學團隊在 “項目組” 內采用了 “技術交底式” 的翻轉課堂教學法，即每階段所用到的設計要點完全由學生依照建設工程施工項目 “早會” 的形式進行。在設計任務下發(fā)后，各組長提前組織本組成員對設計任務以時間為節(jié)點進行階段性的劃分，梳理每階段所用到的核心知識點，并指定對應的主講人，主講人在知悉主講內容后，認真制作PPT講稿，在對應日期向組內同學進行講解，然后大家據(jù)此完成階段任務。由于課程設計所用到的全部知識點在前續(xù)課程中均已講授完畢，學生只需細心整理、認真理解即可，因此該教學方法具有可操作性，且教學運行也說明了該方法成效顯著，現(xiàn)以2019年課程設計第五組學生題為 “門式剛架結構變截面鋼柱整體穩(wěn)定技術交底” 的PPT內容為例進行說明。

門式剛架的變截面楔形鋼柱屬于壓彎構件，其剛架平面內整體穩(wěn)定性能影響因素多、公式繁雜，學生在PPT中首先給出了GB 51022—2015門式剛架輕型房屋鋼結構技術規(guī)范的穩(wěn)定公式（如式1所示），然后采用類似β→kσ→λρ→ρ→he→Ae1（計算鋼柱大端有效截面面積Ae1）流程圖的方式給出了式中參數(shù)的計算步驟，而并未采取羅列眾多參數(shù)計算公式的方法，重點突出、一目了然，體現(xiàn)了理順思路、重在應用的特點。同時，學生在知識點講解時，還給出了CECS 102—2002門式剛架輕型房屋鋼結構技術規(guī)程中的設計公式（如式（2）所示）。經過了解得知，學生在制作PPT查閱資料過程中，發(fā)現(xiàn)部分參考資料設計依據(jù)為舊規(guī)程，因此在階段任務展開前進行了特別提示。

由此可見，采取建設工程施工項目技術交底的方式，由學生講解設計任務所需知識點，每位主講人既要做到對相關知識點理解透徹，還要站到學生的視角考慮如何運用的問題，因此實際效果要優(yōu)于指導教師的課堂教學。

2.3 “項目薪水式” 的成果考核

鋼結構課程設計的成果考核包括過程考核和設計成果考核兩部分，過程考核主要體現(xiàn)學生的設計表現(xiàn)和答辯質量，設計成果考核體現(xiàn)學生的計算書和施工圖的質量。設計表現(xiàn)成績由 “項目經理” 根據(jù)成員的知識點講解質量、出勤情況、交流討論等情況給出，答辯質量成績由各組的 “項目經理” 聯(lián)合答辯給出。答辯時每位組長問一道與本組結構形式相關的題目，這種組間聯(lián)合的答辯方式，既可以保證公平和公正，也可以促進小組間的學習交流，利于提升學生的理論水平和專業(yè)素養(yǎng)。在指導教師給出設計成果的質量評定標準之后，計算書和施工圖的成績，也由 “項目經理” 聯(lián)合評定給出。

在課程設計的進程中，指導教師應及時引導學生解決技術難點，指導學生按時間節(jié)點完成設計任務。同時，指導教師應積極引導學生建立 “分值即薪水” 的思想，讓學生產生課程設計即為工程項目的感覺，促使學生端正設計態(tài)度，養(yǎng)成良好的工作習慣，提高鋼結構職業(yè)素養(yǎng)。

2.4 改革成效對比分析

課程教學團隊從2019年開始，在建筑工程學院和國際合作教育學院的土木工程17級（7個班級201人）和18級（7個班級211人）鋼結構課程設計教學中運用了基于 “OBE” 理念的教學模式，并與土木工程16級（7個班級205人）的設計成績進行了對比。土木16級、17級和18級的平均成績分別是70.5分，82.5分和85.5分，17級相對于16級整體提升了十余分，18級相對于17級提升幅度較小，但是仍有進步。值得一提的是，在17級設計成果收繳之后，學科部全體教師進行了質量復核，復核過程中大家都驚嘆設計質量提升幅度之大。可見，在教學中運用 “一人一題” 的選題方式和 “項目管理式” 的成績評定方法，可以真正激發(fā)學生的設計熱情、大幅提升課程設計質量。

3 結語

我校土木工程專業(yè)認證工作推進以來，基于OBE理念以 “一人一題” 和 “項目管理式” 為特征的鋼結構課程設計已經運行三屆，經過 “教學反饋” 和 “持續(xù)改進” 等環(huán)節(jié)的優(yōu)化調整，目前改革已經取得非常明顯的效果。

實踐證明，教學過程中突出學生的主體地位，通過合理選題將學生提前置身于就業(yè)崗位，可以大幅提高學生學習的主動性和積極性，利于學生理論聯(lián)系實際能力的培養(yǎng)。通過項目管理式的過程考核，可以讓學生切實體會大學階段的 “學習成果” 與畢業(yè)后工作階段的 “工作成果” 同樣具有 “效益” 。鋼結構課程設計改革的成功實踐，促使學生更加重視團隊合作、重視溝通交流，利于學生專業(yè)素養(yǎng)、語言表達、合作溝通等能力的全面發(fā)展，為OBE理念在高校的推廣應用提供了參考經驗。