基于成果導向的實踐類課程設計教學創新研究

周曉青 王剛

摘 ?要：實踐類課程設計教學是土木工程專業本科生培養的重要環節。傳統的課程設計對手算要求過高，而對電算的要求較低，并且存在兩者聯系不足的缺點。文章基于工程認證的成果導向教育理念，提出一種實踐類課程設計教學新思路。以框架結構課程設計為載體，在原有手算的基礎上，增加商業軟件電算和有限元編程計算，旨在幫助學生理解電算和手算在基本假定和計算方法上的區別和聯系，培養學生對力學知識的深入理解，激發學生對有限元軟件的編程興趣。新思路既能滿足用人單位對電算的較高要求，也保證了學生對結構知識和結構概念的掌握。該指導方法已在深圳大學土木工程系實施，并取得了良好的教學效果。

關鍵詞：土木工程；成果導向；課程設計；框架結構

中圖分類號：G642 ? 文獻標識碼：A ? ?文章編號：1673-7164（2024）02-0161-04

在各類教育模式中，成果導向教育OBE（Outcomes Based Education）模式對培養創新人才發揮了非常積極重要的作用［1］。Spady于1981年首次提出了OBE理念，并將“成果導向教育”定義為“清晰地聚焦和組織教育系統，使之圍繞著確保學生在未來生活中獲得實質性的成功經驗”［2］。隨后OBE教育理念很快在世界范圍內得到了人們的重視［3］。

OBE教育理念是以成果導向為要求的教育目標，以學生能力培養為宗旨的教育理念，以持續改進為機制的質量文化，被認為是“追求卓越教育的正確方向”［4］。而且，利用OBE理論與方法建構起來的成果導向教學模式（Outcomes-Based Teaching and Learning，OBTL），被認為是“一種教育范式的革新”［5］。OBTL主要是通過預期學習結果、教學活動和成果評估三個要素的教學創新應用［6］，來推動傳統教學模式在內容和形式上由“課程導向”向“成果導向”轉變，進而向“以學生發展為中心、以學生學習為中心，以學習成果為中心”的教學范式轉變［7］。

美國工程教育認證協會（A-BET）全面接受了OBE理念，并將其貫穿于工程教育認證標準的始終。英國、加拿大、澳大利亞等國家也都將OBE理念發展成為教育改革的主流理念［8］。用OBE成果導向教育理念引導我國工程教育改革，具有重要的現實意義。近年來，我國的工程教育認證也是以OBE理念為基本前提，基于OBE成果導向教育理念，工程教育認證要求畢業生不僅具有扎實的基礎理論知識以及深厚的專業知識，還要具有終身學習的能力，掌握科學的學習方法，具備分析解決實際工程問題的能力，具有良好的團隊合作精神，并能使用現代工具，適應社會發展［9］。

一、培養目標、課程體系及課程設計簡介

基于工程教育認證的OBE理念教學應專注能力培養，關注學生在本科教育過程中對學習目標的達成。深圳大學土木工程專業本科教育的培養目標是培養掌握土木工程學科的基本理論和專業知識，經過工程師良好訓練，基礎知識扎實、專業知識寬厚、實踐能力突出，能勝任土木工程領域的勘測、設計、施工、管理和科學研究等方面工作，具有創新能力、組織協調能力、團隊精神和國際視野、終身學習能力的高級專門人才。

為實現培養目標，土木工程專業本科教育大體上可分為公共基礎教育、專業基礎教育以及專業知識教育三大部分，如圖1所示。三部分循序漸進，構建了完整的教育體系。基礎教育為專業知識教育奠定基礎，而專業知識教育保證培養目標達成。課程設計是專業知識教育實踐環節，是本科實踐教學的重要組成部分，是土木工程專業教學的關鍵環節。課程設計在培養學生建立結構設計的基本知識體系、綜合設計能力、分析復雜工程問題能力、應用現代工具以及土木工程施工圖表達能力等方面有著非常重要的地位。因此，課程設計實踐環節的教學對學生實際能力的培養至關重要。與此同時，土木行業正面臨著前所未有的技術改革。在新工科背景下，創新型工程信息化人才匱乏［10］，傳統的課程設計模式難以跟上時代發展。為了更好地培養社會需求的人才，確保以學生為中心、確保教學效果、確保學習目標的達成，教學改革勢在必行。

“框架結構課程設計”是一門非常重要的必修課程設計，要求學生復習、歸納和總結前期所學專業知識，并基于此完成一棟框架建筑結構的設計。該課程設計是畢業設計的基礎，是培養合格的土木工程專業人才的關鍵環節。其主要任務是通過框架結構設計，培養學生綜合運用所學結構設計的理論基礎知識和專業技能，掌握鋼筋混凝土框架結構設計內容、方法和步驟。設計工作包括設計計算和施工圖繪制兩部分。通過此設計，學生能熟練使用與結構設計相關的規范、規程、標準圖集及設計計算手冊［11-15］，能夠熟練運用已學的專業知識，完成一棟多層框架結構設計和計算，并繪制整潔明晰且滿足規范要求的結構施工圖。完善的課程設計可以提高學生分析問題和解決問題的能力，促使其掌握相關結構設計分析軟件的操作技能，為學生未來的建筑結構設計、施工、工程管理等工作打下堅實基礎。

二、課程設計現狀

目前本科教學的課程設計大多仍沿用二十年前的模式。以“框架結構課程設計”為例，學生需要根據任務書的要求進行多層框架結構布置，手工計算荷載及內力，手工進行內力組合和計算框架梁柱配筋。同時要求學生能夠根據設計計算結果，繪制結構布置圖和構件配筋詳圖，理解施工圖應包含的基本內容和結構制圖要求等。盡管近年來課程設計增加了一些計算機的應用，如使用Excel表格完成部分手算工作，采用AUTOCAD進行施工圖的繪制，但是模式仍然守舊，主要存在以下問題：

1. 任務書確定的設計任務單一。所有學生均須獨立設計一棟五層樓的大學學生宿舍框架樓，給定建筑平面圖、剖面圖和樓面屋面做法，限制了學生的設計靈活性。

2. 學生間交流不足。每個學生都須獨立完成結構布置、手工計算荷載和內力、內力組合及梁柱配筋等，并繪制施工圖，缺乏溝通與交流。

3. 設計內容過時、繁瑣且單一。一方面，手算內容量大且重復，比如豎向荷載的恒載和活載作用下均需采用分層法計算內力，水平荷載采用D值法計算內力，計算工作量大容易出錯，設計過程中常見錯誤見表1。缺乏比較分析，手算錯誤難以檢查。另一方面，計算機應用能力得不到鍛煉，與社會對人才的需求脫節。

4. 設計過程指導略顯不足。學生習慣依葫蘆畫瓢完成任務，對錯誤缺乏分辨能力，對設計的理解不足，對規范的掌握不足。

5. 考核方式單一。主要通過簡單的答辯，檢查計算書和圖紙確定成績。除了非常明顯的不合理計算和設計結果，指導教師有時候也難以判斷手算的正確性。

三、課程設計改革方案

針對上述問題，為了更好地培養社會需要的人才和提高學生解決工程問題的能力，深圳大學對“框架結構課程設計”進行了教學改革，如圖2所示。改革內容涵蓋結構設計要求、內力計算、內力組合、配筋計算及繪圖等。在結構設計方面，允許學生自由發揮，2～3名學生組成設計小組，合作確定建筑圖。隨后在建筑圖的基礎上進行結構布置，繪制結構平面布置圖；采用PKPM軟件進行三維建模設計分析計算和優化；確定手算二維計算簡圖，計算各種荷載，繪制荷載圖。在不同荷載作用下的內力計算方面，增加Python有限元編程計算部分，進行手算和編程計算以及軟件計算的分析和比較。手算和編程計算采用二維計算模型，PKPM軟件計算則采用二維三維有限元模型分別計算。通過比較分析不同模型和算法，找出手算可能出現的錯誤，培養學生對力學知識的深入理解，激發學生對有限元軟件的編程興趣。其中，編程部分有限元法分析思路流程圖見圖3。將矩陣位移法跟有限元法相結合，加深學生對有限元知識的理解，并且通過實際編程訓練提高編程能力。內力組合以及配筋方面，分別采用手算和PKPM電算，比較分析兩者產生差異的原因。結構施工圖繪制方面，要求繪制結構平面布置圖和框架立面配筋圖、梁柱截面詳圖。施工圖參考22G101圖集［14］，需要認真繪制梁柱箍筋加密區、非加密區，連接區以及梁的鋼筋截斷位置，確保掌握有關規范的構造要求，并且要求跟PK繪制的施工圖進行比較，找出其中的錯誤。

改革后的框架課程設計具體實施方法見圖4，具體如下：

1. 修改任務書，明確具體要求和課程設計目標。通過線上線下結合的方式布置任務，講解要求，并拆分設計任務。除保留原設計任務書的計算內容和圖紙要求外，增加電算和編程部分要求，要求學生掌握相關規范、圖集和專業基礎知識，加強學生理解并遵守土木工程實踐相關的法律法規、專業規范、技術規程和職業道德準則。

2. 采用小組分工合作方式完成課程設計。在學生自愿的基礎上確定各小組組長及成員，組長統籌協調小組設計工作，組員共同商量具體分工，確保分工合理，工作量相當，并且盡可能涉及較多知識點。

3. 強調過程性指導。指導教師參與設計的整個過程，跟蹤每個設計小組的設計進度，課程設計過程中講解有限元軟件，指導有限元編程，激發學生對有限元編程的興趣。引導學生深層次理解不同計算方法因基本假定的區別而產生的計算結果的誤差，并進一步引導學生思考，培養學生對本專業的興趣。采用線上線下相結合的方式進行答疑，線上采用微信、QQ結合騰訊會議完成指導。整個設計過程由小組組長匯報進度計劃。

4. 設計完成后的答辯環節各小組成員均須匯報自己的工作，教師和學生可提問，各組學生互評，教師評分，最終綜合計算書和圖紙的質量給出設計評分，具體評分標準見表2，從計算書、圖紙和答辯三個環節分別評分。

四、實施效果

（一）激發學生對專業的學習興趣

框架課程設計改革之前，要求每位學生都必須完整計算整個框架，從結構布置，計算簡圖，水平荷載、豎向荷載的計算，分層法豎向荷載的內力計算，D值法水平荷載的內力計算，到內力組合和梁柱配筋，要求手算的完整性，整體工作量大，時間緊張，很多學生只是跟著模板做，而不去思考，甚至不檢查計算的正確性。本研究的教學改革在傳統的框架課程設計的基礎上結合智能建造班的特色進行改進和修改，尤其增加了采用商業軟件PKPM電算和采用有限元編程計算內力的部分，融入了現代信息化技術，激勵學生接觸前沿領域，讓學生不再過于專注手算，提升了學生的認知，激發了學生對專業的學習興趣。

（二）加強團隊合作能力的培養

雖然改革后的課程設計總體難度、廣度和深度均有較大程度的增加，整體工作量增加，但是將獨立完成改為小組合作完成，個人的工作量減少，重復性工作減少。學生增加了設計的討論，從建筑圖的選擇，到結構布置和計算簡圖，均為組員共同商量討論后確定，增強了團隊分工合作的能力。

（三）電算水平顯著提高

在改革之前，由于沒有電算要求，部分學生對結構設計軟件PKPM的電算僅掌握了皮毛。任務要求改革之后，學生不得不增加電算的比重，從建模、參數輸入，中間數據（包括荷載、內力以及組合配筋等）的獲取，到整體指標的分析以及具體配筋文件，都要求掌握和理解，因此整體電算水平有了很大的提高。

（四）激發學生對編程的興趣

因為增加了簡單有限元編程的要求，學生用Python編制了簡單的二維有限元程序，用于二維框架的內力計算。確定計算簡圖后施加手算的荷載，然后進行內力計算，并繪制內力圖，包括彎矩圖、剪力圖和軸力圖。將矩陣位移法跟有限元法相結合，增進學生對有限元知識的理解，并且通過實際編程訓練提高編程能力。

（五）提高計算的準確性

多種方法的比較有利于檢查不同方法可能出現的錯誤。之前大部分學生過于專注于手算，大量的時間用于保證整個手算的完整性，而缺乏必要的檢查，有時候因為粗心，有時候因為對概念的理解不足，經常出現荷載和內力以及配筋的計算錯誤。手算、電算以及編程計算三者的比較要求大大提高了計算的準確性。設計過程中，有學生通過比較PKPM二維荷載和手算荷載的區別找到了手算因粗心產生的錯誤，有學生發現電算不小心重復計算了作為結構構件的板的自重，電算自動計算的同時又增加了此部分恒載引起手算電算的差距過大，還有學生通過三者彎矩圖的區別發現編程計算的過程中梁的剛度輸入錯誤導致彎矩圖的形狀有明顯區別，具體表現在反彎點位置的不合理。通過認真的比較分析，極大地提高了計算的準確性。

（六）加深對力學概念的理解

二維三維的計算假定有可能產生不一樣的計算結果，不同的計算方法也會有區別，在分析比較過程中進一步促進了學生的思考。通過對各種方法的區別進行認真比較分析，加深了學生對力學概念的理解。比如有學生發現三維空間計算假定情況下平面內的彎矩不能平衡，指導教師引導學生分析空間作用扭矩產生的原因，增加了對空間變形協調概念的理解；還有學生通過改正錯誤進一步加深了對所學知識的理解，比如發現了反彎點位置跟梁柱相對剛度之間的影響；通過對手算和電算在梁和柱內力組合和配筋方面的比較，學生理解了手算的局限性，更深層次地理解了電算內力組合種類多的原因和必要性。

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（責任編輯：鄒宇銘）