“土木工程運維與性能提升”課程教學探討

［摘 要］ “土木工程運維與性能提升”課程是土木工程專業(yè)院校的新增課程，內容涉及三大力學、所有專業(yè)課和各類新興技術，受眾面廣泛，“小土木”所有班級都是聽課群體。該課程的教學內容和考核模式都需要結合實際情況和時代背景進行研究。從理論教學和實踐教學兩方面進行了探討，致力于解決新興信息技術與專業(yè)知識存在割裂的矛盾，以及考核手段中學生不能靈活運用專業(yè)知識和學習跨學科知識的問題。期望學生能夠積極學習新興信息技術，靈活運用已學知識解決實際工程問題和提出有意義的科學問題。

［關鍵詞］ 人工智能；土木工程；運維；教學內容；教學模式

［基金項目］ 2023年度北京工業(yè)大學“研究生思政教育進科研團隊”項目“土木工程運維與性能提升課程教學研究”（CJ20230016）

［作者簡介］ 邱燦星（1987—），男，江西撫州人，工學博士，北京工業(yè)大學建筑工程學院教授，主要從事地震工程研究；王佳雯（2001—），女，河北保定人，北京工業(yè)大學建筑工程學院2023級土木水利專業(yè)碩士研究生，研究方向為抗震結構的碳排放。

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2024）47-0113-04 ［收稿日期］ 2023-12-06

我國基礎設施（包括軌道交通、重大能源工程、市政與公共建筑等）體量巨大、造價與運營成本昂貴，其安全關系著國計民生［1］。隨著大數(shù)據(jù)、云計算、區(qū)塊鏈和人工智能等新興技術的不斷涌現(xiàn)和快速發(fā)展，我國基礎設施建造與運維的任務正處在產業(yè)現(xiàn)代化、信息化轉型升級的關鍵時刻［2］。中央目前高度重視“新基建”，要求加快5G網(wǎng)絡、數(shù)據(jù)中心等新型基礎設施建設進度，進一步統(tǒng)籌好新型和傳統(tǒng)基礎設施的協(xié)同融合發(fā)展，打造現(xiàn)代化的基礎設施體系［3］。“土木工程運維與性能提升”課程是近年來國內外重要學術會議的熱點討論內容。

隨著城市建設的可持續(xù)發(fā)展，遇到的運行和維護問題日益增多，且越來越復雜［4］。近年來的典型案例包括深圳賽格廣場大廈的振動問題和佳木斯體育館坍塌事故。國內許多兄弟院校增設了“土木工程運維與性能提升”課程。該課程中的理論知識主要涉及三大力學等基礎課程；鋼結構、鋼筋混凝土結構、磚混結構、砌體結構和土木工程施工等專業(yè)課程；同時涉及“結構動力學”“地震工程”“風工程”等高年級專業(yè)課程。該課程具有知識面廣、理論深厚、實踐性強等特點。

根據(jù)筆者調研結果，由于缺乏教材，國內講授該課程的高校教師都處于探索階段，幾乎都是根據(jù)自己的專長來教學。如何在極其有限的教學時間內讓學生領會和全面掌握土木工程運行、維護和性能提升的基本理論、常見手段和前沿技術，并能較好地將其應用于實際工程設計中，是值得探究的問題。同時，傳統(tǒng)考試和考查方式存在諸多弊端。為此，本文針對土木工程專業(yè)基礎工程學課程理論和課程設計實踐教學中存在的問題進行討論并探索相應的解決辦法。

一、“土木工程運維與性能提升”課程的現(xiàn)狀研究

（一）教學模式

該課程涉及了幾乎所有的基礎課程和專業(yè)課程。學生能學好這門課的前提在于是否已經(jīng)準確掌握了以往的專業(yè)知識。然而，在創(chuàng)新型培養(yǎng)模式下，理論知識講授學時被大量壓縮。由于學時量不足，教師一般將教學重點用于回顧專業(yè)知識上，對于如何融會貫通地運用知識只能簡單講述。雖然這種模式有助于鞏固既有知識，但起不到運用知識的效果，更是難以結合日益涌現(xiàn)的新興信息技術，使得該課程無法與時俱進，無法滿足現(xiàn)代社會對全面發(fā)展的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)高層次工程技術人才的需求，也不能實現(xiàn)創(chuàng)新型人才培養(yǎng)模式的目的。課程涉及的前序內容太多，知識點之間有關聯(lián)，卻又不能過多過細，使得學生對課程的講解內容一知半解。特別是對于涉及的理論知識和推導公式，學生常常感覺不適和迷茫，就會加大課程的理解難度，學生不能很好地將所學知識用來解決實際工程問題，從而缺乏學有所用的成就感，對學習失去興趣，削弱教學效果。這要求課程理論教學的手段必須進行改革，在適應新的人才培養(yǎng)模式下，提高學生的學習興趣。

（二）課程內容

隨著新理論、新方法和新技術的不斷出現(xiàn)，教學內容也在不斷增加。特別是近年來新興技術的涌現(xiàn)，與固有知識形成了碰撞和交叉。在新的培養(yǎng)模式下計劃安排的教學學時不斷減少，課程的服務對象又涉及土木專業(yè)的所有班級。因此，以固有知識為主要內容的傳統(tǒng)教學模式使課程講授內容偏陳舊，不能與時俱進，不利于對知識點進行學習和引入有關的新理論與新技術，致使培養(yǎng)出的專業(yè)技術人才知識面狹窄，解決實際問題的能力單一，甚至降低對本學科的興趣。為了實現(xiàn)培養(yǎng)全面發(fā)展的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)型卓越專業(yè)技術人才這一目標，如何在有限的課時內，解決既有專業(yè)知識與日益涌現(xiàn)的新興知識之間的矛盾，進一步提高教學效果與質量，成為教師面臨的一個重要問題。

（三）考核方式

在傳統(tǒng)的考核方式中，主要包括考試和考查兩大類。考試是對學生的量化評價，尤其是傳統(tǒng)的考試主要以紙筆為主，對學生起決定作用的只是一次或幾次的考試成績，這種紙筆測驗的方法片面、單一，容易僵化，只能考查學生對自己所學的基礎知識的掌握程度，考查學生對公式、概念定義、法則等的記憶能力，而不能深入、真實、再現(xiàn)評價對象的特點和發(fā)展趨勢。所以，它不適合學生個性的發(fā)展。因為人的發(fā)展有個體差異，如態(tài)度、情感、興趣等，是不能用定量的方法去評價的。所以，我們只有用多層次化的評價方法去評價學生的不同方面，用多樣化的評價方法去評價不同的個體，才能使每名學生充分發(fā)展自己的優(yōu)勢領域，同時促進自己劣勢領域的發(fā)展，從而達到學生全面發(fā)展的目的。另外，新的“土木工程運維與性能提升”課程的教學計劃還應該增加一些與工程實際密切相關的課程設計題目。在實踐教學的過程中，如何充分發(fā)揮學生的主觀能動性，通過自主計算和設計工程項目培養(yǎng)學生的創(chuàng)新和創(chuàng)造能力，成為教師面臨的又一個教學問題。

鑒于上述原因，我們亟須對目前的“土木工程運維與性能提升”課程進行全面的思考，合理安排教學內容，制定完善的考核等管理機制，采用理論教學體系連貫、實踐教學輕松、靈活考核的方式，有效地將理論知識與工程實踐相結合，調動學生的積極性和主動性，激發(fā)學生的創(chuàng)新能力，特別是學生解決實際問題的動手能力。最終，達到增強學生綜合素質與能力的目的。

二、理論教學方面

（一）自編教材和課件

市場上缺乏“土木工程運維與性能提升”課程的教材。在課時有限的條件下，如何選好教材成為教學改革的第一步。根據(jù)筆者的調研結果可知，市面上暫無正式出版的教材，都是授課教師結合自身的專業(yè)特長開展教學。各個高校使用的課件五花八門，參差不齊。此外，要想形成系統(tǒng)性的教學資料，應結合各個國家和地區(qū)不同類型土木工程結構或設施的實際情況，還要考慮時代發(fā)展背景。在貼合本專業(yè)教學大綱和學時數(shù)的同時，內容應豐富新穎、編排具有條理性和系統(tǒng)性。學習和運用是相輔相成的，制作課件和準備教材時要側重學生綜合素質的培養(yǎng)，切忌死記硬背。遴選具有代表性的工程案例，結合日常生活中的經(jīng)歷，盡量使得理論講解通俗易懂、深入淺出。

（二）跨學科的有機結合

“土木工程運維與性能提升”課程具有很強的交叉學科特點。該課程既要求學生掌握基本的理論知識，又要求學生做到理論聯(lián)系實際；既要求學生扎實掌握本專業(yè)知識，又要求學生能夠快速學習新興信息技術。因此，根據(jù)不同的教學內容選擇不同的、合理的教學手段十分重要。結合本課程的教學特點，在該課程的理論和公式方面，使用板書推導公式和啟發(fā)性的提問，更加有助于學生回顧和加深相關知識點，從而吸引學生在課堂上的注意力，調動學生的積極性。而對于學生需要快速認識和理解的新興信息技術，則適合運用多媒體講授這些知識。教師可以把平時收集到的實際工程的土木工程基礎設施的運行狀態(tài)、維護方式以圖片和視頻的方式進行整合，方便學生理解。對于不同專業(yè)的知識采用不同的教學方式，可以豐富教學活動，活躍課堂氛圍，有利于學生直觀認識所學知識內容中的重點和難點，深入認識抽象的問題，有利于學生思維能力和分析、解決問題能力的提升。

（三）利用開放教學平臺促進學生自學

隨著現(xiàn)代媒體和網(wǎng)絡開放課堂的不斷發(fā)展，提供免費資源的開放教學平臺十分強大。教師應該積極將這些資源靈活運用到教育教學活動中，這是提高教學質量的重要途徑。因此，教師應主動了解國內外相關課程的開設情況，以及新興信息技術的發(fā)展現(xiàn)狀，從而提高教學質量。具體的，應該在教改過程中與全國精品課程建設相結合，優(yōu)化整合國內外的教學資源，引導學生去主動發(fā)現(xiàn)與該課程相關的知識網(wǎng)絡平臺。這樣，學生可以利用課余時間在平臺上學習，同時邀請任課教師在線與學生交流、互動，為學生答疑解惑，進一步拓展教學內容，提高學生學習的主動性和積極性。結合現(xiàn)實生活，將生活中的案例分析引入學習平臺，使學生認識到本課程與生活的緊密關系，將所學知識熟練運用到實際生活中，如北京工業(yè)大學的校園建筑目前應該如何運行和維護，以及是否需要性能提升。

三、實踐教學方面

一般而言，實踐教學和理論教學是相輔相成、互相協(xié)調的關系，兩者在教學過程中都是必不可少的重要環(huán)節(jié)。實踐教學主要是對學生的專業(yè)基本技能進行有效培養(yǎng)，有利于學生團隊合作意識、創(chuàng)新意識、職業(yè)素養(yǎng)等綜合素質的提高，有利于增強實踐教學的效果，可以為學生的創(chuàng)新發(fā)展奠定良好的基礎。筆者圍繞該課程的特點從以下三方面進行實踐教學改革。

（一）豐富課程設計題目

課程設計的出發(fā)點是促進學生在使用中掌握所學知識。如果全班學生（本課程的選課人數(shù)達119人）使用同一個題目，會導致課程內容單調、枯燥，課程教學模式單一、刻板，限制學生個性和思維的發(fā)展，甚至出現(xiàn)學生之間相互抄襲的后果。因此，豐富的課程題目設計是十分必要的。課程設計題目可以從學生身邊的建筑、橋梁和地鐵車站等結構中遴選，結合選取結構的實際情況在實踐中完成。通過形式豐富的課程設計，讓學生得到真實而全面的訓練，有利于學生綜合運用所學知識解決實際工程問題能力的提高。

（二）轉換課程設計指導方式

對于大多數(shù)課程的設計，一般都是由本班的授課教師單獨指導完成，這使得指導形式呆板、理念單一、評價標準唯一，最終教學效果不理想，無法更加全面地評估學生的完成水平。同時，學生缺少公開演講的機會，不能充分闡述他們作業(yè)的創(chuàng)新性。因此，改革后的課程設計可以由我院土木工程專業(yè)相關任課教師聯(lián)合指導，提倡學生上臺充分闡述，這不僅增加了學生和教師的溝通機會，而且提高了學生的學習熱情，最終提高學生作業(yè)的完成質量。

（三）改革課程設計考核方式

傳統(tǒng)的課程設計考核方式是讓學生將設計和作業(yè)統(tǒng)一裝訂和上交，然后教師進行統(tǒng)一的評閱和打分，這種方式通常存在以下幾個問題：（1）對于部分抄襲其他學生成果的學生，如果教師沒能及時辨別出來，往往可能會給出高分，導致評分缺乏客觀性；（2）學生與教師不能及時交流、解決評閱后設計成果中出現(xiàn)的問題，學生設計水平最終并沒有得到提高。為了有效解決上述問題，教師可以在設計結束后利用一段時間，采用當面評閱設計成果的方法，對學生作業(yè)提出相應的問題。該過程不僅能夠檢驗作業(yè)的真實性，還進一步給學生提供了表達機會，這可使評分更加客觀，同時可以對成果中存在的問題進行及時解決。最終學生將學到更多的知識，也能有效鞏固并提高自身的綜合水平。

結語

本文針對“土木工程運維與性能提升”課程在理論教學和實踐教學等方面的教學現(xiàn)狀，討論其教材選擇、課件制作、教學方式、考核手段等存在的問題，研究提高本課程教學質量、培養(yǎng)學生綜合素質與能力的有效方法；強調根據(jù)教學內容采用不同的教學方式，并結合實際工程案例，豐富本工程實踐教學內容，有效地將理論知識與工程實踐相結合，積極學習新興技術，靈活實現(xiàn)土木工程知識與新興信息技術和理論的有機結合，提高學生創(chuàng)新思維能力和工程實踐能力。

參考文獻

［1］楊靜，李大鵬，岳清瑞，等.建筑與基礎設施全壽命周期智能化的研究現(xiàn)狀及關鍵科學問題［J］.中國科學基金，2021（4）：620-626.

［2］徐陽，金曉威，李惠.土木工程智能科學與技術研究現(xiàn)狀及展望［J］.建筑結構學報，2022（9）：23-35.

［3］李曉華.面向智慧社會的“新基建”及其政策取向［J］.改革，2020（5）：34-48.

［4］《中國公路學報》編輯部.中國交通工程學術研究綜述·2016［J］.中國公路學報，2016，29（6）：1-161.

Exploring the Teaching Method of the Course Civil Engineering Operation and Maintenance and Performance Enhancement

QIU Can-xing， WANG Jia-wen

（School of Civil Engineering， Beijing University of Technology， Beijing 100124， China）

Abstract： Civil Engineering Operation and Maintenance and Performance Enhancement has gradually become a new course in civil engineering colleges and universities， which has the following characteristics： The content of the course involves the three major mechanics， all the specialized courses and all kinds of emerging technologies， the content is comprehensive and difficult; It reaches a wide range of audiences， covering all the classes of civil engineering， and the audience has different background.Therefore， both the teaching content and assessment mode of this course need to be studied in the context of the actual situation and the era.This study explores both the theoretical and practical teaching of the course， and is committed to solving the contradiction between the emerging information technology and the professional knowledge in the course content， as well as the problem that it is difficult to promote students to flexibly use their professional knowledge and learn interdisciplinary knowledge in the assessment process. Through this study， it is expected that students can actively learn emerging information technology and flexibly utilize what they have learned to solve practical engineering problems and raise meaningful scientific questions.

Key words： artificial intelligence; civil engineering; operation and maintenance; teaching content; teaching models