周曉青 王剛

摘 ?要：實踐類課程設(shè)計教學(xué)是土木工程專業(yè)本科生培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的課程設(shè)計對手算要求過高，而對電算的要求較低，并且存在兩者聯(lián)系不足的缺點。文章基于工程認證的成果導(dǎo)向教育理念，提出一種實踐類課程設(shè)計教學(xué)新思路。以框架結(jié)構(gòu)課程設(shè)計為載體，在原有手算的基礎(chǔ)上，增加商業(yè)軟件電算和有限元編程計算，旨在幫助學(xué)生理解電算和手算在基本假定和計算方法上的區(qū)別和聯(lián)系，培養(yǎng)學(xué)生對力學(xué)知識的深入理解，激發(fā)學(xué)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(xué)生對結(jié)構(gòu)知識和結(jié)構(gòu)概念的掌握。該指導(dǎo)方法已在深圳大學(xué)土木工程系實施，并取得了良好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：土木工程；成果導(dǎo)向；課程設(shè)計；框架結(jié)構(gòu)

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

在各類教育模式中，成果導(dǎo)向教育OBE（Outcomes Based Education）模式對培養(yǎng)創(chuàng)新人才發(fā)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(dǎo)向教育”定義為“清晰地聚焦和組織教育系統(tǒng)，使之圍繞著確保學(xué)生在未來生活中獲得實質(zhì)性的成功經(jīng)驗”［2］。隨后OBE教育理念很快在世界范圍內(nèi)得到了人們的重視［3］。

OBE教育理念是以成果導(dǎo)向為要求的教育目標(biāo)，以學(xué)生能力培養(yǎng)為宗旨的教育理念，以持續(xù)改進為機制的質(zhì)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(gòu)起來的成果導(dǎo)向教學(xué)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(yù)期學(xué)習(xí)結(jié)果、教學(xué)活動和成果評估三個要素的教學(xué)創(chuàng)新應(yīng)用［6］，來推動傳統(tǒng)教學(xué)模式在內(nèi)容和形式上由“課程導(dǎo)向”向“成果導(dǎo)向”轉(zhuǎn)變，進而向“以學(xué)生發(fā)展為中心、以學(xué)生學(xué)習(xí)為中心，以學(xué)習(xí)成果為中心”的教學(xué)范式轉(zhuǎn)變［7］。

美國工程教育認證協(xié)會（A-BET）全面接受了OBE理念，并將其貫穿于工程教育認證標(biāo)準(zhǔn)的始終。英國、加拿大、澳大利亞等國家也都將OBE理念發(fā)展成為教育改革的主流理念［8］。用OBE成果導(dǎo)向教育理念引導(dǎo)我國工程教育改革，具有重要的現(xiàn)實意義。近年來，我國的工程教育認證也是以O(shè)BE理念為基本前提，基于OBE成果導(dǎo)向教育理念，工程教育認證要求畢業(yè)生不僅具有扎實的基礎(chǔ)理論知識以及深厚的專業(yè)知識，還要具有終身學(xué)習(xí)的能力，掌握科學(xué)的學(xué)習(xí)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(xiàn)代工具，適應(yīng)社會發(fā)展［9］。

一、培養(yǎng)目標(biāo)、課程體系及課程設(shè)計簡介

基于工程教育認證的OBE理念教學(xué)應(yīng)專注能力培養(yǎng)，關(guān)注學(xué)生在本科教育過程中對學(xué)習(xí)目標(biāo)的達成。深圳大學(xué)土木工程專業(yè)本科教育的培養(yǎng)目標(biāo)是培養(yǎng)掌握土木工程學(xué)科的基本理論和專業(yè)知識，經(jīng)過工程師良好訓(xùn)練，基礎(chǔ)知識扎實、專業(yè)知識寬厚、實踐能力突出，能勝任土木工程領(lǐng)域的勘測、設(shè)計、施工、管理和科學(xué)研究等方面工作，具有創(chuàng)新能力、組織協(xié)調(diào)能力、團隊精神和國際視野、終身學(xué)習(xí)能力的高級專門人才。

為實現(xiàn)培養(yǎng)目標(biāo)，土木工程專業(yè)本科教育大體上可分為公共基礎(chǔ)教育、專業(yè)基礎(chǔ)教育以及專業(yè)知識教育三大部分，如圖1所示。三部分循序漸進，構(gòu)建了完整的教育體系?；A(chǔ)教育為專業(yè)知識教育奠定基礎(chǔ)，而專業(yè)知識教育保證培養(yǎng)目標(biāo)達成。課程設(shè)計是專業(yè)知識教育實踐環(huán)節(jié)，是本科實踐教學(xué)的重要組成部分，是土木工程專業(yè)教學(xué)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。課程設(shè)計在培養(yǎng)學(xué)生建立結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本知識體系、綜合設(shè)計能力、分析復(fù)雜工程問題能力、應(yīng)用現(xiàn)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(shè)計實踐環(huán)節(jié)的教學(xué)對學(xué)生實際能力的培養(yǎng)至關(guān)重要。與此同時，土木行業(yè)正面臨著前所未有的技術(shù)改革。在新工科背景下，創(chuàng)新型工程信息化人才匱乏［10］，傳統(tǒng)的課程設(shè)計模式難以跟上時代發(fā)展。為了更好地培養(yǎng)社會需求的人才，確保以學(xué)生為中心、確保教學(xué)效果、確保學(xué)習(xí)目標(biāo)的達成，教學(xué)改革勢在必行。

“框架結(jié)構(gòu)課程設(shè)計”是一門非常重要的必修課程設(shè)計，要求學(xué)生復(fù)習(xí)、歸納和總結(jié)前期所學(xué)專業(yè)知識，并基于此完成一棟框架建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計。該課程設(shè)計是畢業(yè)設(shè)計的基礎(chǔ)，是培養(yǎng)合格的土木工程專業(yè)人才的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。其主要任務(wù)是通過框架結(jié)構(gòu)設(shè)計，培養(yǎng)學(xué)生綜合運用所學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計的理論基礎(chǔ)知識和專業(yè)技能，掌握鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)設(shè)計內(nèi)容、方法和步驟。設(shè)計工作包括設(shè)計計算和施工圖繪制兩部分。通過此設(shè)計，學(xué)生能熟練使用與結(jié)構(gòu)設(shè)計相關(guān)的規(guī)范、規(guī)程、標(biāo)準(zhǔn)圖集及設(shè)計計算手冊［11-15］，能夠熟練運用已學(xué)的專業(yè)知識，完成一棟多層框架結(jié)構(gòu)設(shè)計和計算，并繪制整潔明晰且滿足規(guī)范要求的結(jié)構(gòu)施工圖。完善的課程設(shè)計可以提高學(xué)生分析問題和解決問題的能力，促使其掌握相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計分析軟件的操作技能，為學(xué)生未來的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計、施工、工程管理等工作打下堅實基礎(chǔ)。

二、課程設(shè)計現(xiàn)狀

目前本科教學(xué)的課程設(shè)計大多仍沿用二十年前的模式。以“框架結(jié)構(gòu)課程設(shè)計”為例，學(xué)生需要根據(jù)任務(wù)書的要求進行多層框架結(jié)構(gòu)布置，手工計算荷載及內(nèi)力，手工進行內(nèi)力組合和計算框架梁柱配筋。同時要求學(xué)生能夠根據(jù)設(shè)計計算結(jié)果，繪制結(jié)構(gòu)布置圖和構(gòu)件配筋詳圖，理解施工圖應(yīng)包含的基本內(nèi)容和結(jié)構(gòu)制圖要求等。盡管近年來課程設(shè)計增加了一些計算機的應(yīng)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(wù)書確定的設(shè)計任務(wù)單一。所有學(xué)生均須獨立設(shè)計一棟五層樓的大學(xué)學(xué)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(xué)生的設(shè)計靈活性。

2. 學(xué)生間交流不足。每個學(xué)生都須獨立完成結(jié)構(gòu)布置、手工計算荷載和內(nèi)力、內(nèi)力組合及梁柱配筋等，并繪制施工圖，缺乏溝通與交流。

3. 設(shè)計內(nèi)容過時、繁瑣且單一。一方面，手算內(nèi)容量大且重復(fù)，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(nèi)力，水平荷載采用D值法計算內(nèi)力，計算工作量大容易出錯，設(shè)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(yīng)用能力得不到鍛煉，與社會對人才的需求脫節(jié)。

4. 設(shè)計過程指導(dǎo)略顯不足。學(xué)生習(xí)慣依葫蘆畫瓢完成任務(wù)，對錯誤缺乏分辨能力，對設(shè)計的理解不足，對規(guī)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(shè)計結(jié)果，指導(dǎo)教師有時候也難以判斷手算的正確性。

三、課程設(shè)計改革方案

針對上述問題，為了更好地培養(yǎng)社會需要的人才和提高學(xué)生解決工程問題的能力，深圳大學(xué)對“框架結(jié)構(gòu)課程設(shè)計”進行了教學(xué)改革，如圖2所示。改革內(nèi)容涵蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計要求、內(nèi)力計算、內(nèi)力組合、配筋計算及繪圖等。在結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，允許學(xué)生自由發(fā)揮，2～3名學(xué)生組成設(shè)計小組，合作確定建筑圖。隨后在建筑圖的基礎(chǔ)上進行結(jié)構(gòu)布置，繪制結(jié)構(gòu)平面布置圖；采用PKPM軟件進行三維建模設(shè)計分析計算和優(yōu)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(nèi)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(xiàn)的錯誤，培養(yǎng)學(xué)生對力學(xué)知識的深入理解，激發(fā)學(xué)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(jié)合，加深學(xué)生對有限元知識的理解，并且通過實際編程訓(xùn)練提高編程能力。內(nèi)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(chǎn)生差異的原因。結(jié)構(gòu)施工圖繪制方面，要求繪制結(jié)構(gòu)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(qū)、非加密區(qū)，連接區(qū)以及梁的鋼筋截斷位置，確保掌握有關(guān)規(guī)范的構(gòu)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(shè)計具體實施方法見圖4，具體如下：

1. 修改任務(wù)書，明確具體要求和課程設(shè)計目標(biāo)。通過線上線下結(jié)合的方式布置任務(wù)，講解要求，并拆分設(shè)計任務(wù)。除保留原設(shè)計任務(wù)書的計算內(nèi)容和圖紙要求外，增加電算和編程部分要求，要求學(xué)生掌握相關(guān)規(guī)范、圖集和專業(yè)基礎(chǔ)知識，加強學(xué)生理解并遵守土木工程實踐相關(guān)的法律法規(guī)、專業(yè)規(guī)范、技術(shù)規(guī)程和職業(yè)道德準(zhǔn)則。

2. 采用小組分工合作方式完成課程設(shè)計。在學(xué)生自愿的基礎(chǔ)上確定各小組組長及成員，組長統(tǒng)籌協(xié)調(diào)小組設(shè)計工作，組員共同商量具體分工，確保分工合理，工作量相當(dāng)，并且盡可能涉及較多知識點。

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

4. 設(shè)計完成后的答辯環(huán)節(jié)各小組成員均須匯報自己的工作，教師和學(xué)生可提問，各組學(xué)生互評，教師評分，最終綜合計算書和圖紙的質(zhì)量給出設(shè)計評分，具體評分標(biāo)準(zhǔn)見表2，從計算書、圖紙和答辯三個環(huán)節(jié)分別評分。

四、實施效果

（一）激發(fā)學(xué)生對專業(yè)的學(xué)習(xí)興趣

框架課程設(shè)計改革之前，要求每位學(xué)生都必須完整計算整個框架，從結(jié)構(gòu)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(nèi)力計算，D值法水平荷載的內(nèi)力計算，到內(nèi)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(xué)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(xué)改革在傳統(tǒng)的框架課程設(shè)計的基礎(chǔ)上結(jié)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(yè)軟件PKPM電算和采用有限元編程計算內(nèi)力的部分，融入了現(xiàn)代信息化技術(shù)，激勵學(xué)生接觸前沿領(lǐng)域，讓學(xué)生不再過于專注手算，提升了學(xué)生的認知，激發(fā)了學(xué)生對專業(yè)的學(xué)習(xí)興趣。

（二）加強團隊合作能力的培養(yǎng)

雖然改革后的課程設(shè)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(fù)性工作減少。學(xué)生增加了設(shè)計的討論，從建筑圖的選擇，到結(jié)構(gòu)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(xué)生對結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件PKPM的電算僅掌握了皮毛。任務(wù)要求改革之后，學(xué)生不得不增加電算的比重，從建模、參數(shù)輸入，中間數(shù)據(jù)（包括荷載、內(nèi)力以及組合配筋等）的獲取，到整體指標(biāo)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(fā)學(xué)生對編程的興趣

因為增加了簡單有限元編程的要求，學(xué)生用Python編制了簡單的二維有限元程序，用于二維框架的內(nèi)力計算。確定計算簡圖后施加手算的荷載，然后進行內(nèi)力計算，并繪制內(nèi)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(jié)合，增進學(xué)生對有限元知識的理解，并且通過實際編程訓(xùn)練提高編程能力。

（五）提高計算的準(zhǔn)確性

多種方法的比較有利于檢查不同方法可能出現(xiàn)的錯誤。之前大部分學(xué)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(jīng)常出現(xiàn)荷載和內(nèi)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(zhǔn)確性。設(shè)計過程中，有學(xué)生通過比較PKPM二維荷載和手算荷載的區(qū)別找到了手算因粗心產(chǎn)生的錯誤，有學(xué)生發(fā)現(xiàn)電算不小心重復(fù)計算了作為結(jié)構(gòu)構(gòu)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(xué)生通過三者彎矩圖的區(qū)別發(fā)現(xiàn)編程計算的過程中梁的剛度輸入錯誤導(dǎo)致彎矩圖的形狀有明顯區(qū)別，具體表現(xiàn)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(zhǔn)確性。

（六）加深對力學(xué)概念的理解

二維三維的計算假定有可能產(chǎn)生不一樣的計算結(jié)果，不同的計算方法也會有區(qū)別，在分析比較過程中進一步促進了學(xué)生的思考。通過對各種方法的區(qū)別進行認真比較分析，加深了學(xué)生對力學(xué)概念的理解。比如有學(xué)生發(fā)現(xiàn)三維空間計算假定情況下平面內(nèi)的彎矩不能平衡，指導(dǎo)教師引導(dǎo)學(xué)生分析空間作用扭矩產(chǎn)生的原因，增加了對空間變形協(xié)調(diào)概念的理解；還有學(xué)生通過改正錯誤進一步加深了對所學(xué)知識的理解，比如發(fā)現(xiàn)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(nèi)力組合和配筋方面的比較，學(xué)生理解了手算的局限性，更深層次地理解了電算內(nèi)力組合種類多的原因和必要性。

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（責(zé)任編輯：鄒宇銘）