基于“講授、研討、上機、制作”四位一體的模型制作課程教學(xué)模式改革與實踐

張營營， 葉繼紅， 李慶濤， 賈福萍， 范 力， 杜健民， 李 賢

（中國礦業(yè)大學(xué) 力學(xué)與土木工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116）

在“深化本科教育教學(xué)改革，全面提高人才培養(yǎng)質(zhì)量”視域下，提升學(xué)生綜合素質(zhì)，培養(yǎng)多方面協(xié)調(diào)發(fā)展的社會主義建設(shè)者和接班人，已成為中國高等教育改革的重要議題［1-2］。然而，高校中仍普遍存在重科研輕教學(xué)、重理論輕實踐的思維，本科實踐教學(xué)體系構(gòu)建尚不完善、實踐教學(xué)資源匱乏等問題束縛了其進一步發(fā)展［3-4］。隨著土木工程從勞動密集型行業(yè)轉(zhuǎn)向技術(shù)化、信息化、工業(yè)化、綠色化發(fā)展，培養(yǎng)具有專業(yè)素養(yǎng)、解決復(fù)雜工程問題能力、注重實踐應(yīng)用的專業(yè)人才迫在眉睫，探索和搭建多方位實踐教學(xué)體系刻不容緩。高校教學(xué)分為3 種模式：教師主動教學(xué)模式、學(xué)生主動模式和師生互動模式［5］。現(xiàn)階段，高校的教學(xué)活動大多采用傳統(tǒng)的教師主動模式，教學(xué)效果一般。在學(xué)生主動教學(xué)模式下，教師合理運用各種教學(xué)手段，給予學(xué)生自主學(xué)習(xí)的自由，根據(jù)學(xué)生自身的需要和能力開展興趣研究、實踐學(xué)習(xí)和個性化學(xué)習(xí)，這種教學(xué)模式是教師所期待的。但是，在學(xué)生主動教學(xué)過程中，學(xué)生的基礎(chǔ)、興趣和能力大不相同，很難保證教學(xué)目標的順利達成，故很難大規(guī)模采用。在模型課的教學(xué)過程中，筆者積極探索基于師生互動的學(xué)生主動式教學(xué)模式，以期更好地發(fā)揮專業(yè)特色，更深入地結(jié)合教學(xué)要求培養(yǎng)學(xué)生專業(yè)學(xué)習(xí)興趣。

一、傳統(tǒng)課程教學(xué)模式存在的問題

傳統(tǒng)理論課程教學(xué)模式中，教師作為教學(xué)主體進行知識輸出，學(xué)生作為被動接受者學(xué)習(xí)效果難以評測，同時填鴨式的教學(xué)也有埋沒學(xué)生學(xué)習(xí)積極性之嫌。類似地，傳統(tǒng)實踐課程以演示性實驗或者驗證性實驗為主，一定程度上能培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力和專業(yè)視野，但本質(zhì)上學(xué)生依舊是知識的被動接受者，未能成為實踐主體和創(chuàng)新主體。

因此，教育部印發(fā)的“新高教40 條”中提出，進一步提高實踐教學(xué)的比重，切實加強實習(xí)過程管理，健全合作共贏、開放共享的實踐育人機制［6］，由此可見實踐教學(xué)在高等教育人才培養(yǎng)過程中的重要作用。土木工程是一門應(yīng)用性和實踐性較強的學(xué)科，實踐是日常專業(yè)課教學(xué)的重要組成部分，合理且順利地開展實踐活動能豐富教學(xué)并有效提高學(xué)生的專業(yè)素養(yǎng)。但是，在土木工程專業(yè)教學(xué)過程中，受到學(xué)生人數(shù)較多、經(jīng)費不足、時間緊張、教師配置不足等客觀因素限制，教學(xué)效果往往不盡如人意。此外，模型課實踐教學(xué)仍存在諸多問題，導(dǎo)致實踐教學(xué)體系和人才培養(yǎng)目標難以充分實現(xiàn)［7-8］，主要包括：（1）學(xué)校特色實踐教學(xué)體系尚未完善，理論和實踐教學(xué)環(huán)節(jié)未能有機統(tǒng)一；（2）實踐教學(xué)從屬性質(zhì)突出，重理論輕實踐的教學(xué)思維尚未完全轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致實踐不深入、不集中，學(xué)生不積極、專業(yè)技能訓(xùn)練匱乏；（3）具有工程實踐能力的教師資源匱乏，實踐教學(xué)資源不足；（4）實踐教學(xué)模式單一，教學(xué)效果評價標準不明確，學(xué)生實踐積極性和目的性不足。

總之，傳統(tǒng)的理論和實踐教學(xué)模式雖然廣泛應(yīng)用于各大高校教學(xué)活動中，但無法將各教學(xué)環(huán)節(jié)緊密聯(lián)系，也無法順應(yīng)專業(yè)復(fù)合型人才培養(yǎng)的需求。因此，有必要根據(jù)土木工程專業(yè)的特點和學(xué)校學(xué)科特色，探索基于傳統(tǒng)教學(xué)的新型專業(yè)實踐教學(xué)模式，旨在通過實踐教學(xué)建立學(xué)生的專業(yè)知識體系和素養(yǎng)。

二、模型設(shè)計課程教學(xué)體系搭建

根據(jù)專業(yè)課程特點和學(xué)校學(xué)科特色，在實踐課程教學(xué)中對提高教學(xué)質(zhì)量進行探索，以學(xué)科競賽為載體，以課程建設(shè)和大創(chuàng)項目為抓手，以制度保障為后盾，以課程建設(shè)促進學(xué)科競賽，以大創(chuàng)項目提升人才培養(yǎng)質(zhì)量，以學(xué)科競賽推動課程建設(shè)，以制度保障作為堅實后盾，形成一套“學(xué)科競賽+課程建設(shè)+大創(chuàng)項目+制度保障”四驅(qū)動模式的課程競賽組織管理體系，力圖實現(xiàn)“人人搞科創(chuàng)、班班有成果、個個能成才”，為培養(yǎng)一流土木類創(chuàng)新人才奠定基礎(chǔ)，創(chuàng)新性實施“教學(xué)、研討、上機、制作”四位一體的教學(xué)模式，環(huán)環(huán)相扣、相互融合，著手培養(yǎng)創(chuàng)新應(yīng)用型專業(yè)人才。

（一） 課堂教學(xué)

傳統(tǒng)理論教學(xué)方式難以滿足實踐教學(xué)的需要，而現(xiàn)有模型課程大多延續(xù)了傳統(tǒng)教學(xué)方式，教師講解工程示例和操作方法，學(xué)生被動接收并進行機械性模仿，倘若學(xué)生空間幾何想象能力缺乏，則難以對模型結(jié)構(gòu)深入理解，甚至?xí)δＰ驼n產(chǎn)生厭倦心理，教學(xué)效果甚微。此外，在該種教學(xué)模式下，割裂了理論知識體系和案例實踐的聯(lián)系，倒向重實踐輕理論的一端，且通常受限于教學(xué)場地而無法深入開展實踐教學(xué)，只能淺嘗輒止。為此，模型課程從多維度進行課堂教學(xué)內(nèi)容改革，如圖1所示。

圖1 多維課堂改革示意圖

（二） 團隊研討

實踐教學(xué)中，選取實際工程或者結(jié)構(gòu)競賽題目作為教學(xué)情境貫穿整個教學(xué)過程，使學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中清晰明確地知道：這個知識我為什么學(xué)，學(xué)了如何用。采用“教師引在前，講在后；學(xué)生想在前，聽在后”的方法，引導(dǎo)學(xué)生去讀去想，在充分研讀的基礎(chǔ)上交流，讓學(xué)生講解自己的想法和思路。如圖2所示，設(shè)置課程研討環(huán)節(jié)，引導(dǎo)學(xué)生對可能出現(xiàn)的問題和風(fēng)險進行充分研討和論證，營造良好的課堂氛圍，最大程度激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性。

圖2 師生研討示意圖

（三） 上機操作

隨著計算機輔助計算技術(shù)在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計領(lǐng)域的不斷發(fā)展，逐漸涌現(xiàn)出各類計算機輔助設(shè)計（computer aided design，CAD）系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)設(shè)計從手算階段進入到計算機電算時代［9］。上機實踐是本課程的教學(xué)特色之一，鼓勵學(xué)生拓展電算本領(lǐng)，引導(dǎo)學(xué)生正確操作Midas、PKPM、3D3S、ETABS、SAP2000 等結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計軟件，以提高他們對工程問題的分析能力和實際工作的適應(yīng)能力。通過學(xué)習(xí)各種軟件的操作方法，掌握結(jié)構(gòu)建模與設(shè)計的基本內(nèi)容，包括結(jié)構(gòu)布置原則、結(jié)構(gòu)形式選擇、截面形式選擇、結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法以及相關(guān)案例分析等，使學(xué)生具備快速分析復(fù)雜結(jié)構(gòu)體系合理性的能力，以及對于結(jié)構(gòu)施工圖的讀圖識圖能力。授課過程中秉承“少講多練”的教學(xué)理念，花小部分時間邊講邊操作，學(xué)生可以邊聽邊看邊練習(xí)，再讓學(xué)生用大塊時間獨立練習(xí)，輔以相關(guān)教材或?qū)W習(xí)手冊，提高學(xué)生的積極性，達到高效學(xué)習(xí)的目的。通過上機學(xué)習(xí)，學(xué)生掌握結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件的基本流程，理論結(jié)合實踐，培養(yǎng)學(xué)生熟練運用相關(guān)軟件的能力，增進對相關(guān)規(guī)范的了解，鍛煉識圖畫圖能力，為畢業(yè)設(shè)計和工作實踐打下基礎(chǔ)。

（四） 模型制作及加載

建筑結(jié)構(gòu)模型制作是“四位一體”教學(xué)模式的最后一個階段，也是整個教學(xué)環(huán)節(jié)的重中之重，要求學(xué)生將前三步緊密聯(lián)系起來，制作出實體模型以真實模擬工程受荷狀態(tài)。在這個階段，學(xué)生不僅要做出與實際工程外觀相似的模型，還需要從材料選取、構(gòu)件形狀、構(gòu)件安裝與連接方式等方面反映設(shè)計內(nèi)容，盡可能真實地模擬實際工程。

在模型材料選取方面，應(yīng)從材料的力學(xué)性能（強度、剛度）、外觀、類型等方面保持與真實工程材料的相似性。例如，木塊、板材便于切割挖孔，具有輕質(zhì)高強的性能，可用于模擬混凝土構(gòu)件，鐵絲用來模擬鋼筋、鋼桿件等。構(gòu)件形狀選擇計算，需要盡可能按照真實工況下的荷載經(jīng)過手算或軟件計算后的結(jié)果確定試件的長寬、截面大小等尺寸，構(gòu)件的安裝連接也要貼近工程實際，注重細節(jié)把控。模型制作和加載過程中，有相當一部分學(xué)生忽視細部構(gòu)造導(dǎo)致模型受荷后很快失效。可見，模型制作對于工藝細節(jié)把控要求極高，借此也能打磨學(xué)生心性，培養(yǎng)其注重細節(jié)的習(xí)慣。

建筑模型設(shè)計是一門實踐課題，設(shè)計過程的實際操作是本課程有別于傳統(tǒng)教學(xué)的重要環(huán)節(jié)之一。通過真實結(jié)構(gòu)試驗驗證其合理性，具有直接性和真實性，是上機操作無法替代的。學(xué)生可以體驗建筑模型設(shè)計實踐的全過程，從過程中獲得設(shè)計創(chuàng)新的情感、概念和價值取向。此外，學(xué)生通過收集資料、現(xiàn)場調(diào)研后進行類比、計算、選材、加工、安裝，從中了解實際工程的施工方法，加深對相關(guān)知識的理解與應(yīng)用，鍛煉學(xué)生的動手能力，培養(yǎng)和提高了團隊合作意識。通過無標準答案的考核方式，鼓勵學(xué)生個性化發(fā)展，全面鍛煉學(xué)生的綜合創(chuàng)新能力。

三、模型設(shè)計課程教學(xué)實踐與探索

（一） 模型課教學(xué)實踐分析

本模型課程為專業(yè)選修課，3學(xué)分，共有4次集中授課，每次課12學(xué)時。講授、研討、實驗和上機等多種教學(xué)方法相結(jié)合，主要講授和研討結(jié)構(gòu)選型優(yōu)化與設(shè)計方法、常規(guī)設(shè)計軟件的基本運用、結(jié)構(gòu)試驗方法和設(shè)計以及結(jié)構(gòu)模型的制作方法。通過該課程的理論學(xué)習(xí)與實踐活動，鍛煉學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力，全面提高學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計能力、動手實踐能力和綜合素質(zhì)，培養(yǎng)富有創(chuàng)新精神、實踐能力和合作精神的創(chuàng)新應(yīng)用型一流拔尖人才。

1. 工程背景

課程教學(xué)主題圍繞梁式構(gòu)件設(shè)計分析與制作、柱式構(gòu)件設(shè)計分析與制作、屋蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計分析與制作、綜合結(jié)構(gòu)設(shè)計分析與制作展開，先易后難，由淺入深。以屋蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計分析與制作為例，首先由工程背景引入教學(xué)主體，點明隨著社會的發(fā)展需求和工程應(yīng)用的增大，大跨度結(jié)構(gòu)的需求量逐年增加，這種大跨度結(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用于劇場、大型體育館、候機樓、展覽中心、客運站以及各類工業(yè)廠房中。這對于我國大跨度結(jié)構(gòu)的發(fā)展既是機遇又是挑戰(zhàn)，要充分做好準備，把握發(fā)展契機，應(yīng)對大跨度結(jié)構(gòu)技術(shù)的更高要求。

授課過程中，重點教授學(xué)生該類結(jié)構(gòu)的荷載傳力過程，學(xué)習(xí)在大跨空間結(jié)構(gòu)中荷載的傳遞方式及結(jié)構(gòu)簡化計算方式，學(xué)生可利用材料力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)的理論知識對大跨空間結(jié)構(gòu)的內(nèi)力進行計算，并有針對性地進行模型結(jié)構(gòu)設(shè)計。引導(dǎo)啟發(fā)學(xué)生分析屋蓋結(jié)構(gòu)簡化模型在荷載作用下的內(nèi)力情況，并根據(jù)屋蓋結(jié)構(gòu)各部分內(nèi)力的大小進行結(jié)構(gòu)的細節(jié)設(shè)計。

2. 設(shè)計思路討論

選用張弦結(jié)構(gòu)作為本次課程的主要講解結(jié)構(gòu)，其受力機理如圖3所示。

圖3 張弦結(jié)構(gòu)受力機理示意圖

3. 師生互動

教師引導(dǎo)學(xué)生獨立思考，并讓學(xué)生講解自己的想法和思路，從而得到第一則歸納素材，整體感知蘊含的規(guī)律，讓學(xué)生再舉例分析屋蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計要點，豐富素材。而后，在小組內(nèi)討論，并進行簡要總結(jié)，匯報小組觀點，其他學(xué)生進行糾正，教師揭示準確的結(jié)論。

4. 實戰(zhàn)模型制作加載及匯報

學(xué)生以小組為單位針對設(shè)計的屋蓋結(jié)構(gòu)進行實戰(zhàn)模型制作，具體流程如圖4所示。

圖4 模型制作過程要求及注意點

抽簽隨機分組，3人一組，合作完成模型制作與加載，要求以小組為單位對提交的模型進行加載測試，對制作的模型設(shè)計方案、力學(xué)性能和制作要點等進行匯報。模型加載采用靜加載的形式完成，所加荷載為屋面全跨均布荷載，荷重用軟質(zhì)塑膠運動地板模擬。評定標準參考數(shù)值模擬結(jié)果，模型制作的完成時間、工藝水平、結(jié)構(gòu)的效率比（根據(jù)模型的承載力、加載點位移和模型重量綜合評定）等。

最終，教師根據(jù)小組模型加載和匯報情況，對每組的結(jié)構(gòu)模型進行點評梳理，進一步提高學(xué)生對屋蓋結(jié)構(gòu)的認識，實現(xiàn)對相關(guān)結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的融會貫通。

（二） 模型課教學(xué)反思

通過模型課教學(xué)，旨在讓學(xué)生掌握、理解各類結(jié)構(gòu)模型的力學(xué)特點，掌握結(jié)構(gòu)的基本設(shè)計思路和模型制作技巧，通過訓(xùn)練，鞏固和加強對所學(xué)結(jié)構(gòu)知識的理解，提高學(xué)生對各類結(jié)構(gòu)的設(shè)計、計算、繪圖能力。此外，以實際賽題為教學(xué)背景，促進學(xué)生理解相關(guān)賽題的要求和評價標準，正確解決相應(yīng)的實際問題。然而，模型設(shè)計課程也存在些許難點，從知識架構(gòu)而言，需要學(xué)生結(jié)合結(jié)構(gòu)力學(xué)和材料力學(xué)知識，并能熟練應(yīng)用到模型設(shè)計中，涉及知識點較多，如何在知識的生成過程中達到培養(yǎng)學(xué)生觀察分析問題的能力及邏輯思維訓(xùn)練亦是本節(jié)課的難點。在求解問題的過程中，培養(yǎng)學(xué)生面對困難堅韌不拔的意志品質(zhì)，鍛煉學(xué)生實事求是、敢于批判的大國工匠精神。

四、結(jié)語

作為土木工程專業(yè)人才實踐能力培養(yǎng)的重要方式和實踐教學(xué)的基本途徑，模型制作課程將學(xué)生的“平面設(shè)計”思維轉(zhuǎn)化為“三維立體”設(shè)計思維。學(xué)生通過課程學(xué)習(xí)掌握了理論知識，加強了實際操作技能，增強了動手能力、創(chuàng)新能力，培養(yǎng)了團隊合作意識和專業(yè)綜合素養(yǎng)。“四位一體”教學(xué)模式，即課堂教學(xué)、團隊研討、上機操作和模型制作有機結(jié)合的模型制作課程教學(xué)模式深受學(xué)生歡迎，通過課程學(xué)習(xí)增進了師生之間的互動交流，培養(yǎng)了學(xué)生的團隊協(xié)作能力與個人創(chuàng)新能力，在教學(xué)質(zhì)量、學(xué)習(xí)效率上都取得了良好的效果，因此，開展“四位一體”綜合教學(xué)模式對培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新和實踐能力具有深遠影響。這也進一步使模型課程成為學(xué)生專業(yè)學(xué)習(xí)的重要輔助工具，為學(xué)生未來的工作實踐打下堅實基礎(chǔ)。