新工科背景下“水工鋼結(jié)構(gòu)”一體化教學(xué)模式的探索與實踐

陳菊香，黃銘，魏松，朱亞林 （合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

1 引言

習(xí)近平總書記指出，“進(jìn)入21 世紀(jì)以來，全球科技創(chuàng)新進(jìn)入空前密集活躍的時期，新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革正在重構(gòu)全球創(chuàng)新版圖、重塑全球經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)[1]”。為主動應(yīng)對新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革，自2017 年2 月以來，教育部積極推進(jìn)新工科建設(shè)，先后形成了“復(fù)旦共識”“天大行動”和“北京指南”，指出高等工程教育的目標(biāo)已轉(zhuǎn)變?yōu)榕囵B(yǎng)多元化、創(chuàng)新型卓越工程人才，教育范式也從“技術(shù)范式”“科學(xué)范式”又轉(zhuǎn)換成為注重實踐的“工程范式”[2-8]。為適應(yīng)新工科建設(shè)的要求，各級高校的教育工作者從本校、本專業(yè)或所教課程出發(fā)，進(jìn)行了一些有意義的探索研究，提出了不少改革措施[9-15]。

水利水電工程專業(yè)是一個傳統(tǒng)的工科專業(yè)，“水工鋼結(jié)構(gòu)”課程是水利水電工程專業(yè)的主要專業(yè)課程之一。為適應(yīng)新形勢下水利行業(yè)對水利工程技術(shù)人才的新需求，有必要對“水工鋼結(jié)構(gòu)”課程的教學(xué)模式進(jìn)行改革，以實現(xiàn)新工科復(fù)合創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)目標(biāo)。

2 “水工鋼結(jié)構(gòu)”課程的特點與存在的問題

新工科建設(shè)要求工程人才具有相關(guān)學(xué)科知識的交叉與融合能力、較強的理論與實踐相結(jié)合的能力和較高的創(chuàng)新能力。“水工鋼結(jié)構(gòu)”課程是一門理論性及實踐性都較強的專業(yè)基礎(chǔ)課程，同時也是一門建筑材料、材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)設(shè)計等多學(xué)科知識交叉的課程。因此，在“水工鋼結(jié)構(gòu)”課程的教學(xué)過程中，必須進(jìn)一步加深理論知識與工程實踐聯(lián)系的緊密程度，并開拓視野，將學(xué)科發(fā)展前沿新知識、新技術(shù)引入課堂，培養(yǎng)學(xué)生自主創(chuàng)新的意識和能力，才能實現(xiàn)新工科創(chuàng)新型卓越工程人才的培養(yǎng)目標(biāo)。

但是，目前合肥工業(yè)大學(xué)“水工鋼結(jié)構(gòu)”課程教學(xué)存在以下四個問題。

①理論知識與工程實踐結(jié)合不夠緊密。“水工鋼結(jié)構(gòu)”課程存在知識點多而學(xué)時少，工程實踐性強但實踐學(xué)時不足的客觀矛盾。同時，由于學(xué)期內(nèi)排課的影響，理論教學(xué)與課程設(shè)計的間隔時間較長，導(dǎo)致理論學(xué)習(xí)在前、實踐訓(xùn)練在后，理論與實踐的時間界限分明，結(jié)果造成學(xué)生理論知識學(xué)習(xí)與實踐能力培養(yǎng)的客觀分離現(xiàn)象。

②教學(xué)方法上仍以教師為主，形式不夠靈活多樣。

③教材內(nèi)容更新較慢，缺乏與工程實際相結(jié)合的案例。

④理論課程的考核方式主要以期末考試為主，不能體現(xiàn)實踐能力的考核。

因此，對“水工鋼結(jié)構(gòu)”課程的教學(xué)模式、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、學(xué)生成績評價機制等進(jìn)行改革，實行理論與實踐結(jié)合更加緊密的一體化教學(xué)，是適應(yīng)“新工科”建設(shè)要求的工科專業(yè)基礎(chǔ)課程教學(xué)改革的新途徑。

3 “水工鋼結(jié)構(gòu)”理論與實踐一體化的教學(xué)模式

合肥工業(yè)大學(xué)“水工鋼結(jié)構(gòu)”課程組秉承“以學(xué)生為中心”的基本理念，對標(biāo)新工科建設(shè)的要求，調(diào)整了理論知識與實踐環(huán)節(jié)的教學(xué)順序，提出基于雨課堂實行線上線下混合式教學(xué)，建立與主要理論知識相對應(yīng)的工程案例庫，進(jìn)行了學(xué)生成績評價機制的改革。通過這些改革措施，將理論知識與工程實踐深度融合在一起，初步形成了“水工鋼結(jié)構(gòu)”理論與實踐一體化的教學(xué)模式。

3.1 理論與實踐一體化的教學(xué)順序調(diào)整

為實現(xiàn)理論與實踐一體化的教學(xué)，合肥工業(yè)大學(xué)“水工鋼結(jié)構(gòu)”課程組對理論課程和課程設(shè)計的教學(xué)順序進(jìn)行了調(diào)整，將課程設(shè)計內(nèi)容作為理論學(xué)習(xí)的課后習(xí)題，要求學(xué)生結(jié)合新學(xué)習(xí)的理論知識，立即開展實踐環(huán)節(jié)的學(xué)習(xí)。具體實施步驟如下。

①將“水工鋼閘門”的前四節(jié)內(nèi)容提前至“鋼梁”之后、“鋼柱和鋼壓桿”之前。在講解完鋼梁的主要理論知識之后，緊接著進(jìn)行水工鋼閘門的概述、結(jié)構(gòu)組成和主次梁設(shè)計計算的教學(xué)，然后下發(fā)《“水工鋼結(jié)構(gòu)”課程設(shè)計任務(wù)書》。學(xué)生依據(jù)自己拿到的各不相同的設(shè)計參數(shù)，開始水工鋼閘門的面板、次梁和主梁的設(shè)計。

②在這三個部分的設(shè)計完成之后，進(jìn)行鋼柱、鋼壓桿的理論教學(xué)。待學(xué)生掌握鋼柱、鋼壓桿的截面設(shè)計、強度和穩(wěn)定等計算方法之后，又讓學(xué)生完成鋼閘門的縱橫向聯(lián)結(jié)系、邊梁等構(gòu)件的設(shè)計作業(yè)。通過這種方式，在理論課程結(jié)束之時，每位學(xué)生都完成了鋼閘門課程設(shè)計70%以上的內(nèi)容，而且其中的主要難點問題都已經(jīng)在理論教學(xué)過程中得到了解決。

③在實踐教學(xué)時，學(xué)生主要通過師生交流、分組討論的形式對個人設(shè)計成果進(jìn)行改進(jìn)和完善，并完成剩下不到30%的課程設(shè)計內(nèi)容。

這種教學(xué)順序的調(diào)整，從時間上拉近了“水工鋼結(jié)構(gòu)”理論與實踐這兩個環(huán)節(jié)的距離，從內(nèi)容上將設(shè)計計算習(xí)題與課程設(shè)計聯(lián)系了起來，從目的上也實現(xiàn)了理論知識與工程實踐的更緊密結(jié)合。這種通過課程設(shè)計問題來驅(qū)動的“做中學(xué)”教學(xué)模式，可以實現(xiàn)理論與實踐實質(zhì)性的一體化教學(xué)。在不增加課內(nèi)學(xué)時的情況下，通過這種碎片化學(xué)習(xí)方式，學(xué)生可以保質(zhì)保量地完成理論學(xué)習(xí)和設(shè)計實踐任務(wù)。這樣將一個課程設(shè)計分成三個階段循序漸進(jìn)地進(jìn)行，可以緩解學(xué)生對鋼結(jié)構(gòu)課程學(xué)習(xí)的畏難情緒。

“水工鋼結(jié)構(gòu)”理論與實踐一體化的教學(xué)順序如圖1所示。

圖1 “水工鋼結(jié)構(gòu)”理論與實踐一體化的教學(xué)順序

3.2 基于雨課堂的線上線下混合式教學(xué)方法

利用清華大學(xué)研發(fā)的長江雨課堂在線教學(xué)平臺系統(tǒng)，結(jié)合“水工鋼結(jié)構(gòu)”理論與實踐并重的課程特點，設(shè)計了包含“課前自學(xué)、課中強化、課后升華”三個階段教學(xué)過程且具有“翻轉(zhuǎn)課堂”特性的線上線下混合式教學(xué)方法。

在課前自學(xué)階段，教師將事先制作好的課件通過雨課堂平臺發(fā)送給學(xué)生，上傳課前測試題，布置預(yù)習(xí)任務(wù)。學(xué)生根據(jù)要求，預(yù)習(xí)相關(guān)鋼結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)知識，對即將學(xué)習(xí)的新知識有一個初步了解。通過課前測試，學(xué)生可以發(fā)現(xiàn)自學(xué)過程中存在的不足，為下一步帶著問題進(jìn)入課堂做準(zhǔn)備。

在課中強化階段，教師主要完成如下三方面的工作。

①根據(jù)雨課堂中課前測試的統(tǒng)計結(jié)果，收集學(xué)生在課前測試中存在的問題。在課堂中除了講授內(nèi)容的重難點知識之外，教師對這些問題反映出來的薄弱知識點進(jìn)行有針對性的講解。

②按照5～6 人一組，將全班分成多個討論小組，向?qū)W生拋出一些具體的工程實例和熱點問題，讓學(xué)生結(jié)合已經(jīng)學(xué)習(xí)和掌握的知識進(jìn)行分組討論。然后每組選派一名代表進(jìn)行匯報演講，向其他同學(xué)闡述自己的研究成果和見解。這種課堂演講方式可以引導(dǎo)學(xué)生對所學(xué)的知識點進(jìn)行更深層次的思考。

③教師最后對知識點和討論的問題進(jìn)行梳理，以加深學(xué)生對知識點與實際工程問題之間聯(lián)系的理解。緊接著在雨課堂平臺發(fā)布課堂測試任務(wù)，要求學(xué)生在限定時間內(nèi)完成，及時評測學(xué)生對課堂知識的理解與掌握程度。

課后升華階段，在學(xué)生對課程章節(jié)知識點已基本理解并掌握的基礎(chǔ)上，在每一章內(nèi)容結(jié)束時，通過雨課堂平臺發(fā)布含有階段性鋼結(jié)構(gòu)課程設(shè)計內(nèi)容的作業(yè)，并預(yù)告與下一章將要學(xué)習(xí)內(nèi)容相關(guān)的前沿科學(xué)問題。含有設(shè)計內(nèi)容的作業(yè)可以讓學(xué)生將課程中學(xué)到的知識與工程實踐融合在一起，使學(xué)生“知其然，知其所以然”，增進(jìn)對所學(xué)知識點的理解和掌握。前沿科學(xué)問題可以促使學(xué)生課后進(jìn)行思考和自主探究，促進(jìn)知識從單一的“點”擴(kuò)大到“面”并產(chǎn)生新的知識創(chuàng)新點。

基于雨課堂的線上線下混合式教學(xué)方法如圖2所示。

圖2 基于雨課堂的線上線下混合式教學(xué)方法

圖3 “水工鋼結(jié)構(gòu)”理論與實踐一體化教學(xué)的學(xué)生成績評價機制

3.3 以案例為主線的理論與實踐一體化教學(xué)內(nèi)容改革

為了實現(xiàn)理論與實踐一體化教學(xué)，以滿足教學(xué)需要為前提，以實用、夠用為原則，以學(xué)生應(yīng)用能力培養(yǎng)為核心，課程組收集整理了大量與教學(xué)內(nèi)容相適應(yīng)的教學(xué)案例，主要包括如下內(nèi)容。

①體現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)特點與適用范圍的工程案例：廣州新白云國際機場、哈利法塔、馬鋼平爐改轉(zhuǎn)爐工程鋼結(jié)構(gòu)廠房、廣州塔、日本明石海峽大橋、三峽工程永久船閘、合肥工業(yè)大學(xué)工程管理與智能制造研究中心等體現(xiàn)大跨度結(jié)構(gòu)、高層建筑、工業(yè)建筑、高聳建筑、鋼橋、水工結(jié)構(gòu)、住宅等20 多個實際鋼結(jié)構(gòu)工程實例。

②體現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展方向的新技術(shù)案例：高強度鋼、鋼結(jié)構(gòu)防火、裝配式鋼結(jié)構(gòu)、BIM技術(shù)在鋼結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用實例等。

③與鋼結(jié)構(gòu)連接相關(guān)的案例：焊接新工藝、焊縫無損檢測新技術(shù)、組合結(jié)構(gòu)螺栓連接節(jié)點受力性能分析、螺栓位置優(yōu)化設(shè)計方法等。

④鋼梁：平臺梁結(jié)構(gòu)組成動畫演示、H 形鋼梁受壓翼緣寬厚比限值分析、蜂窩鋼梁正截面受彎性能試驗、U型鋼-混凝土組合梁抗彎性能試驗等。

⑤鋼柱和鋼壓桿：實腹式軸心受壓構(gòu)件整體失穩(wěn)、局部失穩(wěn)試驗動畫演示、一種可更換消能搖擺鋼柱柱腳節(jié)點性能研究等。

⑥水工鋼閘門：鋼閘門結(jié)構(gòu)組成的三維建模動畫演示、平面鋼閘門ANSYS三維有限元結(jié)構(gòu)受力分析、鋼閘門主梁梁高優(yōu)化、不同底緣型式對鋼閘門啟閉力影響的案例分析等。

實際上，每位同學(xué)獨立完成的課程設(shè)計，本質(zhì)上也是一份自己可以親身體驗的教學(xué)案例。

將鋼結(jié)構(gòu)課程絕大部分理論知識點與實際工程案例直接串連起來，使理論知識與設(shè)計實踐之間的銜接更加緊密，使理論教學(xué)與實際應(yīng)用之間過渡得更加自然，從而改變傳統(tǒng)教學(xué)中知識點零散且相互間無聯(lián)系、理論環(huán)節(jié)與實踐環(huán)節(jié)脫節(jié)的現(xiàn)狀。

3.4 學(xué)生成績評價機制改革研究

因為采用了線上線下混合式教學(xué)方法和理論與實踐一體化教學(xué)模式，與傳統(tǒng)線下教學(xué)模式差異較大，學(xué)生成績評價機制也必須進(jìn)行相應(yīng)改革。建立全面、科學(xué)的學(xué)生成績評價機制，才能對學(xué)生學(xué)習(xí)效果進(jìn)行合理評價，引導(dǎo)學(xué)生注重實踐創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，達(dá)到提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的目的。

在確定學(xué)生學(xué)習(xí)成績評價機制時，考慮到“水工鋼結(jié)構(gòu)”理論和實踐并重的特性，在理論課程的學(xué)生成績評估方式中，改變以往主要以理論知識掌握程度來反映學(xué)生學(xué)習(xí)情況的現(xiàn)狀，增加與實踐相關(guān)的考核內(nèi)容，從卷面考試、作業(yè)、課堂表現(xiàn)等方面來綜合評價學(xué)生的學(xué)習(xí)能力。總體上，按照學(xué)校要求，設(shè)定“卷面40%+平時60%”的成績評定體系，每個部分又進(jìn)一步細(xì)化量分。將卷面部分細(xì)分為基本原理、設(shè)計計算、鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計能力測試三個部分，分值比例大致為“50%+40%+10%”；平時部分細(xì)分為雨課堂測試（包括課前與課中）、課堂討論及演講、作業(yè)撰寫三個部分。其中，課堂討論及演講直接反映學(xué)生將理論知識與前沿科學(xué)進(jìn)展、工程實踐等相聯(lián)系的能力，作業(yè)包含需要學(xué)生動手進(jìn)行課程設(shè)計的實踐內(nèi)容，這三部分的分值比例為1:1:1，即各占總分的20%。

在“水工鋼結(jié)構(gòu)”課程設(shè)計中，從設(shè)計報告、實際操作能力、提問及討論三個方面進(jìn)行學(xué)生實踐環(huán)節(jié)成績的綜合評價，比例為“50%+30%+20%”。其中，設(shè)計報告主要從計算結(jié)果正確性、內(nèi)容完整性、格式排版規(guī)范性等方面來考察，權(quán)重分別為0.6、0.3、0.1。實際操作能力主要從規(guī)范等文獻(xiàn)查閱、軟件運用或程序編制、圖紙規(guī)范化繪制等方面來考察，權(quán)重分別為0.2、0.2、0.6。提問及討論這一項主要從設(shè)計思路、語言表達(dá)能力方面來考察，權(quán)重分別為0.7、0.3。

4 應(yīng)用情況與實施效果分析

為了驗證“水工鋼結(jié)構(gòu)”理論與實踐一體化教學(xué)模式的可行性，課程組對2018 級、2019 級水利水電工程專業(yè)學(xué)生的“水工鋼結(jié)構(gòu)”教學(xué)過程進(jìn)行了實踐檢驗。學(xué)生們對這種教學(xué)模式改變的接受度較高，普遍反映對順利完成課程設(shè)計的信心大大增強。有些學(xué)生甚至在理論課程結(jié)束之前，就已經(jīng)完成了全部課程設(shè)計的任務(wù)。

通過“水工鋼結(jié)構(gòu)”理論課程的學(xué)生成績統(tǒng)計結(jié)果對比研究，發(fā)現(xiàn)2018、2019 級學(xué)生平均成績分別為76.09 分、76.51分，低于2017級單一線上教學(xué)、線上考試的81.55 分，高于2016 級、2015級單一線下教學(xué)的73.64、74.58 分。而從這五年的“水工鋼結(jié)構(gòu)”課程設(shè)計的學(xué)生成績統(tǒng)計表可以看出，2018、2019 級平均成績分別為80.78 分、81.38 分，與2015-2017 級的平均分基本持平，優(yōu)秀率分別為28.6%、27.9%，均高于此前三個年級。由此可見，學(xué)生對理論與實踐一體化教學(xué)的適應(yīng)性較好，不管是理論知識的掌握，還是實踐操作的能力，均得到了提高，說明理論與實踐一體化教學(xué)模式是合理可行的。

2015-2019 級“水工鋼結(jié)構(gòu)”理論和實踐環(huán)節(jié)成績?nèi)鐖D4所示。

圖4 2015～2019級“水工鋼結(jié)構(gòu)”理論和實踐環(huán)節(jié)成績

5 結(jié)語

為滿足新工科的要求，以“水工鋼結(jié)構(gòu)”課程為例，利用雨課堂教學(xué)平臺進(jìn)行線上線下混合式教學(xué)，調(diào)整教學(xué)內(nèi)容順序，進(jìn)行以案例為主線的教學(xué)內(nèi)容改革研究，提出了一體化教學(xué)的學(xué)生成績評價方法，初步形成了理論與實踐一體化的“水工鋼結(jié)構(gòu)”課程教學(xué)模式。這種理論與實踐深度融合的教學(xué)模式，可為新工科背景下工程教育相近專業(yè)的教學(xué)改革提供參考借鑒。