以未來工程需求為牽引的新工科產教融合項目式課程建設研究

摘" 要：隨著全球“新工科運動”的興起，面向國際工程教育發展，開展以未來工程需求為牽引的新工科產教融合項目式課程建設具有重要意義。相比傳統的課堂授課教學模式，基于物理模型的教學方法更易被工程類學生接受，可使學生更直觀地理解結構概念和實際工程問題，激發學生的學習動力。為了進一步推動新工科教育教學要素式改革，天津大學土木工程系和天津大學空間結構研究中心開設了面向未來工程需求的產教融合項目式課程裝配式空間結構設計與建造，為學生打造主動學習環境，探索基于物理模型的教學方法在土木工程專業教育中的有益效果。該文從教學理念與教學模式、教學特色與創新、教學實踐與教學評價等方面系統地介紹裝配式空間結構設計與建造項目式課程建設的相關成果，為工程類專業項目式課程建設提供示范性引領。

關鍵詞：新工科；產教融合；項目式課程；物理模型；土木工程

中圖分類號：G640" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2096-000X（2025）11-0096-04

Abstract： With the rise of the global \"New Engineering Movement\"， it is of great significance to carry out industry and education-integrated project-based course construction to satisfy the future engineering needs towards the development of international engineering education. Engineering students usually show a greater interest in topics demonstrated physically rather than those explained using the so-called 'chalk and talk' methods. Also， students are motivated by hands-on experience and by linking concepts and physical models to real engineering problems. To further promote the elemental reform in the New Engineering education， an industry and education-integrated project-based course has been opened by the Department of Civil Engineering and the Research Center of Large-span Spatial Structures， Tianjin University， to provide an active learning environment for civil engineering students. The potential benefits of full-scale physical models in engineering education are investigated. This paper systematically introduces the relevant achievements of the project-based course construction of Design and Construction of Prefabricated Spatial Structures from the aspects of teaching concepts and models， characteristics and innovation， and practice and evaluation， to provide guidance for the project-based course construction for engineering education.

Keywords： new engineering; integration of industry and education; project-based course; physical model; civil engineering

世界百年未有之大變局中，新一輪科技革命和產業變革加速演進，對工程人才培養提出新要求，世界掀起工程教育改革創新浪潮。2017 年4 月8 日， 教育部召開新工科建設研討會，“新工科”概念應運而生[1]。2019年4月25日，天津大學與美國佐治亞理工學院聯合舉辦中美新工科教育研討會，正式發布“天津大學新工科建設方案”，同時成立國際新工科教育聯盟，推動新工科教育進入國際化新階段[2]。2020 年，教育部印發了關于新工科建設的系列文件，明確了新工科建設的若干關鍵點[3-4]。天津大學校黨委書記楊賢金在光明日報出版社《教育家》發表文章《“從未來到未來”培養拔尖創新人才》， 提出高校必須緊緊把握新質生產力未來發展方向，樹立“從未來到未來”的人才培養理念，即按照未來對人才的需求，培養能夠主動擁抱未來、與未來合作的拔尖創新人才[5]。

為深入落實《天津大學新工科建設方案2.0》[6]，天津大學按照“全面推進、重點突破”的原則，構建了多層次新工科人才培養平臺體系。同時，以新工科理念推動基層教學組織模式變革創新，實施新工科教育教學要素式改革。在此大背景下，面向未來需求的新工科產教融合項目式課程裝配式空間結構設計與建造應運而生。

區別于傳統的土木工程類專業課，裝配式空間結構設計與建造是一門以未來工程需求為牽引、以項目為鏈條的雙語選修課。課程特點包括學生主導、過程導向、基于物理模型、注重培養創新思維、國際視野和實踐能力等。在課程實踐環節，共設置了足尺空間網格結構設計、結構組裝及拆卸、成果展示等模塊，幫助學生了解裝配式空間結構的設計和建造過程，提升團隊合作、溝通協調和工程實踐等能力，熟悉和適應未來的工程實踐活動。學生在學習過程中，可以真實地體驗裝配式空間結構的設計及建造過程，實現由被動學習向主動學習的轉變。

本文從教學理念與教學模式、教學特色與創新、教學實踐效果與教學評價等方面，系統地介紹了裝配式空間結構設計與建造項目式課程建設的相關成果，以期為同類課程的項目式課程建設提供示范性引領，為新工科教育“中國方案”貢獻“天大智慧”。

一" 教學理念與教學模式

根據美國國家訓練實驗室提出的“學習金字塔”，主動學習的知識保留率要顯著高于被動學習，其中實踐學習的平均知識保留率為75%[7]。因此，對工程類課程開展項目式教學，并在教學過程中加入實踐環節十分必要。與此同時，相比傳統的課堂授課教學模式，基于物理模型的教學方法更易被學生接受，可以使學生更直觀地理解結構概念和實際工程問題，激發學生的學習興趣。為了給學生提供一個主動學習環境，天津大學土木工程系和天津大學空間結構研究中心開設了產教融合項目式課程裝配式空間結構設計與建造，探索基于物理模型的教學方法在土木工程專業教育中的有益效果。

課程由授課環節和實踐環節組成。授課環節主要知識模塊包括：空間結構的發展歷史、商品化空間結構體系、空間結構設計與建造、空間結構裝配與施工、張拉膜結構、可折疊展開與可開合結構、現代化空間結構等知識模塊。結合空間結構節點構造及實際工程裝配與施工演示動畫，幫助同學們了解裝配式空間結構的設計與建造過程。在授課環節，主要針對重點知識模塊——張拉膜結構開展項目式教學，分為知識學習、工程案例解析、軟件操作學習和張拉膜結構設計四個階段，最終形成張拉膜結構找形分析與裁剪分析設計圖紙。

課程實踐環節包括足尺空間網格結構的設計、建造與拆卸，同時考慮了小尺寸物理模型和足尺物理模型的使用。每組同學首先借助Mola磁性套件進行初始模型設計，然后借助Midas、CAD等軟件進行裝配方案設計和組裝拆卸過程模擬，隨后組與組之間進行“設計人員”與“施工人員”角色互換，針對對方模型的可裝配性和施工安全等問題提出修改建議，最后由裝配組參考最終設計圖紙進行模型裝配和拆卸。

二" 教學特色與創新

（一）" 三維課程目標

結合天津大學新工科建設“天大方案”[2，6]及工程教育專業認證要求，針對所設定的課程支撐的畢業要求，制定了知識傳授、能力培養和價值塑造相融合的三維課程目標[8]。以掌握裝配式空間結構的分類、體系組成、適用場景、受力特點、設計及施工方法等為知識目標；以培養創新思維，能夠在多學科和跨文化背景下進行溝通和交流，培養團隊合作、溝通協調及工程實踐能力等為能力目標；以具備“家國情懷、全球視野、創新精神、實踐能力”為價值塑造目標，突出課程目標對于畢業要求中“天大品格”的支撐。通過將課程德育目標與知識、能力目標有機結合，使學生在收獲知識的同時，鍛煉創新思維、拓展國際視野，提升團隊合作、溝通協調和工程實踐能力，塑造“興學強國、實事求是、嚴謹治學、愛國奉獻、矢志創新”的“天大品格”。

（二）" 新型教學手段和教學模式

1" 將課堂授課與實踐學習相結合

在授課過程中，改變傳統的灌輸式教學模式，將現代信息化教學手段與課堂教學深度融合，增加雨課堂、反轉課堂、混合式教學等新型教學方法。例如，在商品化空間結構體系知識模塊，要求學生針對給定的節點形式，通過文獻搜索、分組討論等方式，分析節點的類型和組成，明確裝配方法、優缺點及適用范圍。在空間結構設計與建造知識模塊，基于實際工程連續倒塌破壞案例，引導學生深入思考大跨空間結構倒塌破壞機理，幫助深化理解大跨空間結構的設計要點。在張拉膜結構設計知識模塊，要求同學們基于所學知識，對給定實際工程結構的受力特征、組成特點、支承體系等進行分析判斷，深化知識理解。結合工程實例和空間結構裝配、施工演示動畫，幫助同學們了解商品化空間結構體系的設計與施工過程。同時，以未來工程需求為牽引開展項目式教學，與美國Mpanel軟件公司簽訂校企合作協議，要求學生基于Mpanel設計軟件開展張拉膜結構找形分析和裁剪分析，并形成最終的設計施工圖。在此基礎上開設實踐課程，將學生從被動聽講的配角轉變為主動參與課堂的主角，設置“設計人員”與“施工人員”的角色轉換，真實還原實際工程的設計和施工過程，鍛煉創新思維，提升團隊合作、溝通協調和工程實踐等能力。

2" 采用基于物理模型的教學方法

在本課程的授課環節和實踐環節均采用了基于物理模型的教學方法，可以使學生更直觀地理解結構概念和實際工程問題，激發學生的學習興趣。在授課過程中，提供采用不同連接方式的足尺螺栓球節點教具，讓學生直接動手操作以直觀了解該類節點的組成和裝配拆卸過程。在實踐課程中，同時使用了小尺寸物理模型和足尺物理模型。其中，小尺寸物理模型有助于可視化并理解結構基本概念，而足尺模型則更有益于理解實際工程問題。

3" 采用雙語教材和雙語教學，拓展國際視野

使用Space Grid Structures[9]、European Design Guide for Tensile Surface Structures[10]等國際空間結構領域經典教材及參考書，與課程內容匹配度高、知識面廣，同時均有可參考的中文譯本，方便學生閱讀學習。授課過程中，所有多媒體課件、學習材料及視頻動畫等均使用英文原版資料，使學生在學習過程中顯著提高專業詞匯量和英文溝通能力。同時，注重國際合作，與世界一流大學開展聯合教學，邀請國際空間結構領域知名學者開展線上授課，為學生介紹空間結構領域最新進展，拓展國際視野，實現多學科和跨文化背景下的溝通和交流。

（三）" 制定科學完善的課程考核及評價體系

課程注重過程考核，將傳統的以期末考試為主要方式的課程考核，轉變為課堂表現占比10%、實踐項目占比90%。其中，課堂表現重點考核出勤率、小組討論的回答情況、大作業完成情況及自主學習能力等方面。實踐項目考核，包括模型設計、協調管理、安全防護措施和視頻匯報四個方面。其中，模型設計占比25%，重點考察結構的穩定性和剛度、結構的高度或跨度等技術挑戰、創新性、結構組件的最優選用等；協調管理占比25%，重點考核項目組長對于所有任務的統籌情況、討論會與模型組裝過程中的時間管理、所有組內成員的參與度及對于個人責任分工的理解、所有的連接構件是否安裝到位等；安全防護措施考核占比25%，主要考察全體組員尤其是組內安全員的施工安全意識和具體安全措施，如所有組員必須在需要的時候穿戴安全保障及防護服裝、清楚如何正確使用安裝工具、在起吊或移動物體或結構時應采取恰當的施工安全措施等；項目成果展示視頻占比15%，以1分鐘時長的視頻匯報形式呈現，將重點考察短視頻的音頻、視頻及編輯質量，培養學生的總結和表達能力。

同時，在實踐項目考核過程中，教師和學生將共同參與評價。在足尺模型組裝與拆卸階段，各小組之間針對協調管理和安全防護措施兩方面進行自評和互評。最后，教師參考自評和互評成績并結合課程目標達成考核評價標準（表1）進行最終的成績評定。課程結束后，教師結合課堂錄像回顧、學生評教、專家反饋和期末調查問卷等，對課程教學效果進行總結反思，優化課程設計，形成教學規范，實現課程教學效果的螺旋式提高。

三" 教學實踐與教學評價

以2024年春季學期為例，展示裝配式空間結構設計與建造項目式課程的教學實踐效果。本期課程共有36名大三學生參與。在實踐環節中，將學生分為4組，并為每組學生提供30根足尺預制鋼管構件、對應數量的連接件和組裝拆卸工具用于完成足尺模型組裝。學生將基于給定數量和規格的全部（或部分）構件進行結構設計并生成設計圖紙，并采用提供的包括鋼球和磁力棒在內的教學套件制作小尺寸物理模型，對設計的合理性和可裝配性進行檢驗。

實踐環節共分為以下五個階段。

第一階段：基于小尺寸教學套件完成初始模型設計，形成初步設計方案和圖紙（圖1）。

第二階段：組與組之間進行 “設計人員”與“施工人員”角色互換，雙方交換設計文件，并針對對方模型的可裝配性和施工安全等問題提出修改建議，形成成熟的設計方案和圖紙。

第三階段：裝配組進行必要的準備工作。通過足尺模型預裝配，使學生對節點構造、螺栓規格選取、裝配工具使用和安全風險控制措施等進行初步探索，對設計方案和裝配方案進行了調整與優化，深入思考了裝配誤差產生的原因，為正式裝配做好準備。在完成模型預裝配后，各組將提交最終的項目文件，包括完整的結構設計圖紙、人員分工情況、材料清單、安全風險評估表和詳細的裝配方案。

第四階段：由裝配組參考最終的設計方案與裝配方案完成模型的正式裝配與拆卸。裝配完成后，組與組之間進行施工質量“驗收”，確保桿件安裝角度正確、螺栓充分擰緊（圖2）。

第五階段：學生以視頻匯報形式展示各組的結構設計及裝配過程、安全防護措施、人員安排和學習感悟等，最后師生以不記名投票方式對各組的項目完成情況進行評價。

課程結束后，以期末調查問卷形式考察課程項目式教學實踐效果。調查結果表明，在此輪授課過程中學生獲得了良好的學習體驗并體現出較高的課程滿意度。學生的課后反饋包括：“作為小組的一員，我非常享受參與到實踐活動當中（90%）”“我感到很投入，融入到項目團隊當中（90%）”“通過課程學習，我的溝通技能得到了提升（79%）”“參與類似的結構體系實踐課程很有幫助（92%）”。部分同學表示，本實踐項目不僅有效提升了大家的專業技能和安全意識，還鍛煉了團隊協作和時間管理能力，使學生了解到理論與實踐結合的重要性，本次寶貴的經驗將對未來的學習和職業發展產生深遠的積極影響。

四" 結束語

為深入落實《天津大學新工科建設方案2.0》，推動新工科教育教學要素式改革，天津大學土木工程系和天津大學空間結構研究中心開設了產教融合項目式課程裝配式空間結構設計與建造。區別于傳統的土木工程類專業課，該課程是一門以未來工程需求為牽引、以項目為鏈條的雙語選修課。課程特點包括學生主導、過程導向、基于物理模型、注重培養創新思維、國際視野和實踐能力等。通過項目式教學，使學生從被動聽講的配角轉變為主動參與課堂的主角。采用基于物理模型的教學方法，使學生更直觀地理解結構概念和實際工程問題，激發學生的學習興趣。同時，開展雙語教學和國際聯合教學，幫助學生拓展國際視野，實現多學科和跨文化背景下的溝通和交流。本文從教學理念與教學模式、教學特色與創新、教學實踐與教學評價等方面系統地介紹了裝配式空間結構設計與建造項目式課程建設成果，具有一定的成果示范與輻射作用，可為工程類專業項目式課程建設提供參考。

參考文獻：

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[2] 新工科建設“天大行動”啟動[N].今晚報，2019-04-29（01）.

[3] 中華人民共和國教育部. 教育部辦公廳關于印發《未來技術學院建設指南（試行）》的通知（教高廳函〔2020〕6號）[EB/OL]. （2020-05-12）[2024-08-06].http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A08/moe_742/s3860/202005/t20200520_456664.html.

[4] 教育部辦公廳 工業和信息化部辦公廳關于印發《現代產業學院建設指南（試行）》的通知（教高廳函〔2020〕16號）[EB/OL].（2020-07-30）[2024-08-06].http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A08/s7056/202008/t20200820_479133.html.

[5] 楊賢金.“從未來到未來”培養拔尖創新人才[J].教育家，2024（30）：17-18.

[6] 六卓越一拔尖計劃2.0啟動大會在津召開[N].天津日報，2019-04-30（01）.

[7] BEHNEJAD A. Benefits of Full-scale Physical Models in Civil Engineering Education[C]// The 123rd Annual Conference of the American Society for Engineering Education.2016.

[8] 鞏金龍：開啟“新工科”課程思政建設新篇章[N]. 中國教育報，2020-06-06（02）.

[9] CHILTON J. Space Grid Structures[M]. Architectural Press，2000.

[10] BRIAN F， MARIJKE M. European Design Guide for Tensile Surface Structures[M].TensiNet， 2004.