基于CDIO教育模式的基坑與邊坡工程課程教學改革研究

楊慶光 劉峰 劉杰 梁斌 唐西婭

［摘 要］CDIO教育模式是當今被廣泛采用的一種工程教育模式，其應用價值和應用效果都已經被證實。基坑與邊坡工程課程是一門實踐性極強的綜合性課程，無論是在實踐性、應用性還是在創新性上，均符合CDIO教育模式的內涵要求。文章通過課程教學構思、設計、實施和反思與改進，構建適合CDIO工程教育的課程體系，并在課程基本理論教學的基礎上，構建實踐教學體系和實踐提升模塊，培養學生對知識的綜合應用能力，培養適應社會需求和行業發展需要、具有團隊精神的設計人才。

［關鍵詞］CDIO教育模式；教學改革；基坑與邊坡工程；土木工程

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 2095-3437（2023）04-0085-03

CDIO是一種被廣泛采用和普遍接受的工程教育模式，涵蓋產品構思（Conceive）、設計（Design）、實施（Implement）和運行（Operation）的全生命周期[1-3]。該教學模式通過提供與實際工程有機關聯的教學情景，促進學生主動進行學習，從而提升學生的專業知識水平、個人專業素養、團隊協作精神和工程意識[4-6]。傳統教學模式以教師的“教”和學生的“學”為主，但是重點仍然放在教師的“教”上面，忽略了“教”與“學”作為一個有機整體的最基本規律。此外，傳統教學方法實踐環節效果不夠理想，教學方法相對單一，人才培養缺乏探索性和創新性，更不用說培養學生的團隊精神和工程意識了[7-8]，因此課程教學改革迫在眉睫。

基坑與邊坡工程課程是土木工程專業城市地下工程方向的一門專業必修課。該課程具有極強的實踐性、應用性和創新性，而采用傳統教學方法難以達到預期的教學效果和教學目標，會影響后續課程的學習和學生今后的發展。盡管筆者在該課程的教學過程中開展過一些教學改革方面的探索研究，但是效果并不理想。本文將CDIO教育模式應用于基坑與邊坡工程課程的教學當中，針對該課程教學過程中存在的突出問題，結合工程教育目標和人才培養的辦學定位，對基坑與邊坡工程課程教學改革展開深入研究，希望對廣大土木工程專業教師的教學有一定的參考作用。

一、課程教學改革的必要性

基坑與邊坡工程課程作為土木工程專業城市地下工程方向的一門專業核心課程，要求學生在掌握基坑與邊坡設計相關基本理論的基礎上，根據實際工程問題制訂相應的基坑與邊坡支護和加固方案，并通過選擇合理的巖土物理力學參數，完成支護結構的設計以及施工圖設計和繪制工作。根據課程設置的內在關系，要達到該課程的理想教學效果，學生必須完成工程地質、土力學、巖土工程勘察、巖土軟件設計和工程制圖等課程的學習。但是，由于存在教學任務分配和開課時間安排不一等實際問題，上述課程一般由不同教師在不同學期進行授課，課程之間缺乏必要的聯系，嚴重影響課程教學效果。基坑與邊坡工程課程能夠有效地將上述課程有機地結合為一個整體，使學生在掌握課程基本理論的基礎上，全面提升知識綜合應用能力。傳統教學模式過于注重教師的“教”，教學中仍然以灌輸式教學方法為主，教師和學生之間缺少必要的交流與反饋，因而難以調動學生學習的主動性和積極性。盡管在以往的教學過程中，一些教師也引入過具體工程案例，但是所用案例相對實際工程而言過于簡化、陳舊，無法讓學生了解最新的一些技術和方法，跟不上行業的發展。這樣的教學方法難以培養學生獨立思考的習慣和利用所學知識對實際問題進行分析的能力，難以達到人才培養的最根本目的。因此，需要從教師和學生的角度對該課程進行重新定位和重新設計，在引入新的元素來豐富課程知識體系的同時，還需要大力更新教學方法，從而實現由“教”為主向以“學”為主轉變。CDIO教育模式能夠實現全生命周期的“教”與“學”過程，能夠全面提升教學效果，極大地發揮學生學習的自主性和創新性。將CDIO教育模式應用到基坑與邊坡工程課程教學當中，不僅可以有效地避免教學過程中師生之間以及課程之間的“失聯”現象，使學生在掌握廣博的專業基礎知識的前提下，進一步提高知識綜合應用能力，適應行業發展需要，增強團隊協作精神，滿足社會對人才培養提出的新要求。

二、課程教學改革的過程

（一）教學構思

CDIO教育模式的第一個環節就是構思，其重點是分析產品設計應考慮的功能、市場需求以及企業生產能力等方面的問題。基坑與邊坡工程課程是一門綜合性極強的課程，需要針對行業動態，在學生掌握基本理論的基礎上，重點培養學生對基礎知識的綜合應用能力，增強學生的團隊協作精神，使學生形成較強的工程意識等。傳統的教學方法往往著眼于某一章節的具體教學內容，關注該章節的教學，而忽略了該章節在整個課程中的地位、市場對人才能力培養的要求、教學軟硬件現狀等方面的問題，從根本上反映出課程教學整體構思的缺乏。根據CDIO教育模式的要求，要在傳統教學模式的基礎上提高該課程的教學效果，具體可從以下四個方面入手。

第一，重新評估基坑與邊坡工程課程在人才培養方面的地位。在培養方案制訂環節要充分考慮工程地質、土力學、巖土工程勘察、巖土軟件設計和工程制圖等課程的內在聯系和差異，確定排課的先后順序和對應的學時分配，盡可能地降低授課內容的重復率，將課程授課內容和要求具體化。同時，通過設計不同的授課場景等方法，爭取讓學生將需要掌握的內容一次性掌握，而不是通過重復教學的方法達到教學效果。

第二，改進部分課程的教學方法。上述幾門課程均為理論與實踐并重的課程，為達到基坑與邊坡工程課程的教學目標，需要改進其中一些課程的教學方法。例如，工程地質課程教學中心應該逐步向實地考察轉移，通過教師教室和現場講解相結合、典型工程地質地貌的實地考察、師生互動和現場作業的工程地質實習方式，使學生掌握基坑與邊坡巖土層類別和分層的判別、巖層產狀測量、巖土層剖面繪制等知識和技能。對于土力學和巖土工程勘察課程，可以通過優化教學內容，重點進行土壓力計算、邊坡穩定性分析、室內土工試驗和現場原位測試方面的教學，并要求學生完成常見的室內土工試驗和原位測試試驗，在試驗中學習和思考，從而逐漸掌握巖土層參數的試驗和具體取值方法。

第三，培養學生對實際工程案例進行簡化并建模的能力。進行基坑與邊坡工程設計需要運用一些軟件工具，教師應結合工程案例讓學生掌握相關軟件的應用方法，培養學生對實際工程案例進行簡化并建模的能力。工程制圖是基坑與邊坡工程設計成果表現的重要方式，傳統的工程制圖教學并未過多涉及基坑與邊坡工程的施工圖設計內容，因此教師需要結合工程案例，采用實訓的方式來強化這方面的教學、示范和練習。

第四，根據實際工程設計教學案例，設計不同的教學場景，引導學生完成工程設計。在課堂理論教學基礎上，采用獨立和分組研討相結合的方法，針對實際基坑或邊坡工程，通過工程勘察報告識讀、基坑與邊坡工程支護方案選取、巖土工程參數取值、支護結構設計建模、施工圖設計及繪制等環節，完成實際基坑與邊坡工程設計，并在該過程中緊扣行業現狀，培養學生的自主思考能力和團隊協作精神。

（二）教學設計

根據CDIO教育模式可知，教學設計是教學效果實現的根本。傳統的教學設計專注于課堂知識點的講授時間安排、板書設計和多媒體課件制作等方面內容。筆者以往在基坑與邊坡工程課程的教學中曾多次嘗試將工程案例設計到課堂教學場景當中，但仍然是以教師的“教”為主，未能深入挖掘工程案例的內在價值，并且學生的參與度較低，無法真正地發揮學生學習的自主性和創新性。CDIO教育模式強調理論、實踐和團隊精神“三位一體”的培養模式，筆者基于CDIO教育模式要求，針對基坑與邊坡工程課程設計了如下三個教學模塊。

第一，綜合能力培養的理論體系模塊。根據教學目標，基于項目化教學方法，對課程知識點進行系統分析，并將課程理論知識體系劃分為支護方案制訂基本理論知識體系、設計參數取值的理論知識、設計計算方法理論知識等模塊，針對不同的理論知識模塊，采用不同的教學方法，以達到相應的教學效果。

第二，自主學習和探索能力培養的實踐體系模塊。基坑與邊坡工程課程是一門實踐性極強的綜合性課程，課程教學目標是通過知識的綜合應用能力培養來體現的。根據難度分級的原則，遴選適合不同學習階段的工程實際案例，構建適合逐步提升學生自主學習和探索能力的實踐體系模塊。根據該課程的特點，將實踐體系模塊具體劃分為工程現場踏勘、勘察資料分析與加工、支護方案比較與選擇、支護結構建模與計算和施工圖設計與繪制五個模塊。

第三，團隊協作能力培養的實踐提升模塊。傳統的基坑與邊坡工程課程過于強調個人能力的培養，盡管在以往課程設計實踐教學環節中多采用分組的方法，但仍然流于形式，對學生團隊協作能力的培養效果并不明顯。隨著我國基坑與邊坡工程數量與規模的逐年增加、基坑與邊坡設計理念的更新，建設單位對設計成果的要求、設計提交時間等提出了新的要求。因此，為社會培養更多符合市場需求的基坑與邊坡工程設計人才，在上述兩個模塊教學的基礎上，設計促進團隊協作能力培養的實踐提升模塊十分必要。通過該模塊的教學，可以提高設計團隊全體成員參與度，還可以提升設計成果品質。BIM技術由于能夠實現建筑全生命周期信息集成，達到提高工作效率和降低成本的目的，已經被廣泛應用于國內外建筑行業當中[9]，但是BIM技術在基坑與邊坡工程課程中的應用尚處于起步階段。因此，筆者通過將BIM技術引入實踐提升模塊，進行實踐教學體系提升，在提高設計成果品質的同時達到團隊精神培養的目的。

（三）教學實施

傳統教學模式是以教師的“教”為主的教學模式，不利于學生自主學習和創新能力的培養。CDIO教育模式有別于傳統教學模式，其主要特點是學生自主學習的全生命周期教學模式，但又不完全拋棄傳統教學方法。基坑與邊坡工程課程教學的具體實施，可通過以下三個方面來展開。

第一，改善傳統課堂教學效果。通過多年的研究和發展，傳統教學已經形成一整套完整的教學體系，在人才培養方面起到了不可估量的作用。因此，在CDIO教育模式改革過程中，不僅要繼承傳統教學的優點，也要走出傳統教學模式中以“教”為主的誤區，促進教師角色的轉型，使“灌輸式”教學向“啟發式”教學轉化。因此，可以根據基坑與邊坡工程課程的三個教學模塊，有針對性地設計一些小試驗、小項目、課堂測試和課堂討論環節，從而改善傳統課堂教學效果。

第二，引入任務驅動、案例式和項目化教學模式。CDIO教育模式強調實踐環節的重要性，而基坑與邊坡工程課程教學與CDIO教育模式的吻合度高，且基坑與邊坡工程課程實踐體系模塊和實踐提升模塊均建立在實際工程案例的基礎上，更加有利于CDIO教育模式的實施。此外，根據工程案例，采用由簡單到復雜、循序漸進的方式對工程案例進行不同程度的加工，以任務驅動、案例式和項目化教學模式引導學生參與實際工程項目的全過程，激發學生的學習主動性和探索熱情，使學生在掌握基本理論知識的基礎上，全面提升基坑與邊坡工程設計的基本技能和解決實際問題的能力。

第三，探索基坑與邊坡工程設計的新方法，強化團隊協作能力培養。隨著我國城市化步伐的加快，大型基坑與邊坡工程數量與規模與日俱增，市場對基坑與邊坡支護方法和設計成果提出了新的要求，而傳統的基坑與邊坡工程設計方法已經無法滿足當前市場對基坑與邊坡工程設計的需求。為促進基坑與邊坡支護行業的健康發展，切實提高設計團隊成員的參與度，課程教學中可以引入BIM技術，對基坑與邊坡設計過程進行BIM建模，在傳統的基坑與邊坡工程設計成果的基礎上，實現基坑和邊坡工程全生命周期信息集成，在提升設計成果品質的同時，達到強化團隊協作能力培養的效果。

（四）教學反思與改進

根據CDIO教育理念可知，教學反思與改進是教學設計中不可缺少的一個環節，也是檢驗之前各環節效果的關鍵。對教學構思、教學設計和教學實施效果的綜合評價以及必要的反思分析，有助于課程與教學有序和健康發展，培養適應工程發展和社會需求的工程技術人才。評價基坑與邊坡工程課程教學效果，需要采用合理的考核方法，建議課程考核成績包括平時成績（10%）、課堂理論教學（10%）、基本實踐教學（10%）、實踐提升教學（10%）、期末考試成績（60%）五部分，其中期末考試成績又由卷面考試成績（50%）和實踐設計成果（50%）兩部分構成。通過對考核成績分模塊統計分析，明確各模塊的分值分布規律，并對之前的模塊進行反饋，對教學方法進行調整，從而達到教學反思與改進的目的。

三、結語

基坑與邊坡工程課程是土木工程專業城市地下工程方向的一門專業核心課程，其教學目標是培養專業技能扎實、富有團隊協作能力的現代基坑與邊坡工程設計人才。本文基于CDIO教育模式，從基坑與邊坡工程課程構思、設計、實施和反思與改進四個環節出發，優化教育方法，全面提高學生綜合知識應用能力，并依托實際工程案例，構建培養適應市場需求、具有自主學習和創新能力的人才的教學模式，以期為土木工程專業人才培養提供借鑒。

［ 參 考 文 獻 ］

[1] 董康興，尹義方，宋微.“CDIO+PBL”教學模式在機電一體化課程教學的應用[J].機械設計，2018，35（S2）：253-254.

[2] 莊宏，陳忠，唐文獻，等.CDIO項目式教學研究與設計：以面向工程教育專業認證的工程圖學課程為例[J].大學教育，2019（3）：18-21.

[3] 劉杰，唐西婭，楊慶光，等.基于CDIO理念的土木工程專業教學研究[J].大學教育，2021（2）：87-89.

[4] 胡文龍.基于CDIO的工科探究式教學改革研究[J].高等工程教育研究，2014（1）：163-168.

[5] 王鈞，趙金友，徐嫚，等.基于CDIO理念的土木工程專業實踐教學體系構建[J].教育探索，2016（1）：79-81.

[6] 薛永兵，趙風琴，劉振民.基于CDIO教育理念的應用型本科大學實踐教學體系的構建：為激發大學生創新動力的實踐教學研究[J].大學教育，2019（10）：176-179.

[7] 高林徐，國強，衣麗芬.CDIO模式下創新型土木工程人才培養策略探討[J].中國校外教育，2014（24）：17.

[8] 張煜敏，劉振華，崔瑩.土木工程專業基于CDIO工程教育模式的優化改革[J].教育教學論壇，2017（23）：124-125.

[9] 張璐.BIM技術應用人才需求調研與分析[J]. 黑龍江工業學院學報（綜合版），2018，18（10）：19-23.

［責任編輯：周侯辰］