約翰·霍普金斯大學土木工程專業課程設置與教學分析

袁煥鑫，杜新喜，郭耀杰

(武漢大學 土木建筑工程學院，湖北 武漢 430072)

隨著中國建筑業市場的蓬勃發展，以及“一帶一路”建設的實施[1]，參與中國土木工程項目建設的國際工程企業逐漸增多；同時國內工程企業也大力開拓海外市場，在此背景下，對具備國際競爭力的土木工程專業人才的需求進一步加大。土木工程專業已正式納入中國工程教育專業認證體系，以及國際工程教育學位互認協議《華盛頓協議》名單，這對土木工程專業人才培養質量提出了更高的要求，即必須達到國際認可質量標準[2]。武漢大學土木工程專業于2017年5月通過專業認證。學校貫徹“人才培養為本、本科教育是根”的辦學理念，在專業建設方面與國際領先水平接軌，不斷提高人才培養質量和國際認可度，著力提升工程教育的國際影響力。

根據中國工程教育專業認證協會的相關要求[3]，目前國內高校積極推進相關專業認證、專業建設和教學改革工作，有關教學和研究人員也著力開展教育教學的改革研究。董曉梅[4]介紹了德國、美國、法國和日本等發達國家具有鮮明特色的工程教育人才培養模式，闡述其對中國創新性工程人才培養的啟示。林健[5]從工程教育教學理念、工程專業人才培養和課程體系等多個方面，探究工程教育認證與工程教育教學改革和發展之間的關系，并提出可供借鑒的具體改革舉措。江學良等[6]結合學校專業認證特色，對土木工程專業人才培養體系以及專業發展進行分析和探索，旨在提高人才培養質量，增強人才的社會適應性。張云蓮等[7]分析了在土木工程國際化專業建設過程中的探索和實踐，著重探討國際化人才培養方案、全英文授課團隊建設以及留學生教學質量監控的相關措施。鄭夕健等[8]基于工程教育專業認證要求，圍繞鋼結構課程開展教學改革研究，提出課程教學設計思路，以及提升人才培養質量的改革舉措。徐燕敏和任令濤[9]梳理了美國麻省理工學院工程專業課程在前學院時期、學院時期和新學院時期三個階段的演變史，分析了該校處理工程教育復雜關系的方法，其相關經驗對中國工程教育改革有借鑒價值。此外，魯正和楊玉玲[10-11]對中國和主要西方發達國家的土木工程專業課程設置和教學內容進行了比較，提出了教學改革思路和建議。陳聰等[12]對專業主干課程混凝土結構在中國和德國高校的教學情況進行了比較，詳細分析了兩國在混凝土結構計算方法、計算原理等主要知識點上的異同，促進中外合作辦學的開展。李林瑾等[13]對比分析了中國和美歐26所高水平大學土木工程專業的培養方案和課程設置情況，從總學時數、課程結構、通識課程以及實踐教學四個方面進行了具體闡述，并針對中國工程師培養的薄弱環節給出了建議。

筆者受武漢大學“青年拔尖人才培養出國(境)研修計劃”資助，于2018年11月以訪問學者身份赴美國約翰·霍普金斯大學(Johns Hopkins University)土木工程系進行訪問學習與研究，合作導師為Ben Schafer教授。約翰·霍普金斯大學創立于1876年，是美國第一所研究型大學，2019年在美國新聞和世界報導的全球大學排名中居第12位[14]。在訪學期間，筆者對該校土木工程專業培養方案與課程教學進行了調研，旁聽了數門本科專業課程，并與其任課教師進行了交流。本文首先對約翰·霍普金斯大學的土木工程專業培養方案與課程設置進行介紹，對其本科專業課程教學進行分析和闡述，然后結合武漢大學土木工程專業培養方案和專業課程設置情況作比較分析，最后根據中國教育部“學生中心、產出導向、持續改進”的專業認證理念，結合國內土木工程專業建設情況，探討在當前形勢下工程教育和人才培養的問題。

一、約翰·霍普金斯大學土木工程專業培養方案

(一)培養目標

約翰·霍普金斯大學土木工程專業1936年通過由美國工程與技術認證協會ABET工程認證委員會(Engineering Accreditation Commission of ABET)開展的教育質量認證評估。學校人才培養目標：要求獲得土木工程學士學位的學生應熟練掌握土木工程學科的數學和物理基礎規律，充分了解創新性工程設計，有專業責任感，并具備以下具體能力：運用數學、科學和工程知識的能力；設計和開展工程試驗，以及對試驗數據進行分析評估的能力；在現實環境及需求下開展設計，能綜合全面考慮經濟、環境、社會、政治、道德、健康與安全、生產以及可持續發展等各個方面問題的能力；了解、分析和解決具體實際工程問題的能力；團隊協作和表達交流的能力；評估工程設計方案對經濟、環境和社會所產生影響的能力；具備職業道德素養；適應社會需求，進行終身學習的能力；具有運用技術手段、專業技能和工具開展實際工程實踐的能力。

(二)培養方案

約翰·霍普金斯大學土木工程專業本科畢業一般要求修滿128學分，包括34學分的專業基礎必修課程以及33學分的專業課程和實踐課程，還有20學分的基礎科學課程、16學分的數學課程、18學分的人文社科課程以及7學分的任選課程[15]。專業基礎必修理論課程設置情況見表1，可以看出該校結構設計課程包含了鋼筋混凝土結構、鋼結構和木結構等內容，有助于學生融會貫通地掌握專業知識，而主要專業課程均包含實驗環節，旨在著力培養和鍛煉學生的動手能力。

表1 約翰·霍普金斯大學土木工程專業基礎必修理論課程

此外，在修完專業基礎課程之后，學生在本科第四年初還需要通過工程基礎考試。土木工程專業培養方案專業選修課程細分為結構工程、工程力學、系統工程、環境工程、水資源和巖土工程共6個方向，學生需要根據所選擇的專業方向選修相關的后續課程。

二、與武漢大學土木工程專業培養方案的比較分析

(一)培養方案

武漢大學土木工程專業2012年入選教育部第二批“卓越工程師教育培養計劃”[16-17]，并于2017年5月通過工程教育專業認證，合格有效期6年。專業主要培養目標為：培養學生具有開闊的國際視野、強烈的社會責任感、良好的通識素養，以及數學、自然科學、力學和土木工程領域相關理論、專業知識和專業技能；獲得土木類工程師的基本訓練，具備相關領域注冊工程師從業所需的理論和基本實踐經驗，能夠從事土木工程領域及與力學相關的其他工程領域的項目規劃、工程設計、研究開發、施工與管理等工作，并具備終身學習能力；人格健全，能夠引領未來社會進步和人類文明發展。

專業培養方案要求修滿169學分(16學時/學分)，其中：公共基礎課程71學分(占比42%)，通識教育課程12學分，大類平臺課程14.5學分，專業必修課程47.5學分，專業選修課程24學分。除了畢業設計(論文)和必修實踐課程以外，土木工程專業基礎必修理論課程合計18門，38.5學分(表2)。后續課程細分為建筑工程、橋梁工程、巖土工程和工程管理4個方向，學生需要根據所選方向繼續修完相關的必修和選修課程。

表2 武漢大學土木工程專業基礎必修理論課程學分

(二)比較分析

通過對約翰·霍普金斯大學和武漢大學兩所高校土木工程專業培養方案的比較發現，后者要求的學分總數比前者多41學分，在專業基礎必修理論課程上后者則多出5.5學分，這與文獻[13]對部分美國和中國高校的比較結果是相似的。主要是因為中國高校開設有較多的公共基礎課程，如英語、思想政治課程等。此外，中國高校更加注重專業理論教學，所占學分較多；而美國高校往往更加注重學生橫向均衡發展，在培養學生主觀能動性和實踐能力方面提供了更多的時間。

在具體專業理論課程設置上，武漢大學土木工程專業培養方案涵蓋范圍更廣，除了基本的力學課程、結構設計原理課程以外，還有工程測量學、工程地質、基礎工程、土木工程施工、建筑結構抗震設計以及工程經濟與企業管理等專業主干課程，要求學生對土木工程的設計、施工和管理有全面的認識，不僅要深入掌握專業理論技術知識，而且要具備一定的經營管理能力。相對而言，約翰·霍普金斯大學在課程設置上更為簡單，主要強調力學和結構設計理論的學習，而施工和管理兩方面的內容并不作為專業主干課程內容，僅作為本科第四年的專業選修課程內容。

此外，武漢大學土木工程專業培養方案還包括公共基礎必修課程C++語言程序設計和專業選修課程MATLAB程序設計，對應約翰·霍普金斯大學的土木工程編程課程，說明當前中美高校均十分重視對土木工程專業學生計算機編程能力的培養。

三、土木工程專業課程教學分析

(一)課程教學內容

以工程結構發展演變和結構設計II兩門專業必修課程為例，對約翰·霍普金斯大學土木工程專業課程教學內容進行分析。工程結構發展演變課程主要結合世界建筑和橋梁的發展歷史，借助建筑設計、結構設計和結構藝術的概念，對世界近現代知名建筑和橋梁工程案例進行深度剖析，從效率、經濟和優雅三個方面對結構在科學、社會和象征意義上的作用進行評價，培養學生對建筑與結構概念的認知，提升學生對建筑美學的鑒賞能力和專業修養。

結構設計II課程是結構設計I課程(包括鋼結構、鋼筋混凝土結構和木結構基本構件設計)的后續延伸課程，著重分析結構所承受的荷載及組合作用，開展結構設計計算分析和連接節點設計，旨在培養學生的結構分析和設計能力。該課程包括鋼筋混凝土結構、鋼結構和木結構三種結構設計，可以直接對比分析三類結構設計計算方法的異同，結合實際工程項目的結構設計專題任務，培養學生進行結構設計的綜合能力。

(二)課程教學方法

工程結構發展演變和結構設計II兩門專業必修課程教學，主要以教師講授為主，同時輔以工程現場實踐、學生課堂展示等環節。課堂教學并無指定的統一教材，主要教學內容來自教師自備的講義，包括紙質講義和幻燈片文件，以及教師指定的大量參考書籍和相關現行規范等。根據教學大綱的課程主線，任課教師主要講述基本原理和公式的運用，并不注重公式推導過程。

在課堂教學中教師較重視教具與教學模型的運用。教具和模型的適當引入有助于將抽象的概念和內容具體化，增強學生課程學習的參與性，能有效提高教學效果。在工程結構發展演變課程教學中引入框架結構教學模型(圖1)，要求學生分成若干小組分別完成三層有支撐框架和三層無支撐框架結構模型的拼裝，對二者的抗側移性能進行比較測試，組織全班協作挑戰框架結構的層數記錄。在此過程中使學生對有支撐和無支撐框架結構形式和性能特點有更直觀的認識和理解，也能最大限度地激發學生學習興趣。此外，在課程教學中穿插的薄殼結構模型制作環節，從結構設計構思和設計兩方面加深學生對薄殼類結構的認知(圖2)，寓教于學，教學效果良好。

(三)工程現場實踐

工程結構發展演變課程和結構設計II課程內容與工程實踐密不可分，課程教學中均安排了工程現場實踐環節。由教師帶領學生參觀相關工程項目，引導學生通過現場觀察發現問題、分析問題，并采用相關專業理論知識對問題進行思考和解答，培養學生對實際工程的分析和動手能力。在工程結構發展演變課程中，安排有兩次工程現場實踐，第一次是參觀建于1878年的George Peabody圖書館；第二次是參觀校園內的San Martin人行橋(圖3)。在結構設計II課程中，同樣有兩次與課程教學內容緊密結合的工程現場實踐，實踐場地分別是建于1964年的鋼筋混凝土框架結構公寓Highfield House以及木結構/鋼結構桁架橋。教師組織學生到工程現場進行教學，要求學生對工程的結構類型和性能特點進行分析，并布置相關的課后作業，包括繪制結構受力分析圖等，以確保工程現場實踐教學效果。

(四)課程作業及課程考核

工程結構發展演變課程作業一般是隨堂作業、課后分析小論文以及案例分析論文。案例分析論文給予學生自由發揮的空間，充分調動學生的主觀能動性。在課程考核方面，除了隨堂穿插兩次課堂測驗以外，期末要求學生上交讀書報告，并獨立進行課堂匯報(Presentation)。由任課教師綜合平時作業和最終報告情況給出學生的課程成績。

結構設計II課程是側重設計的專業課，教師布置的平時作業分為兩類：結合具體知識點的計算作業和基于實際工程的設計專題作業(Project)。設計專題作業一般會選取現有的桁架橋梁工程實例，要求學生閱讀原設計圖紙，進行現場踏勘，結合課程所學的結構設計計算分析方法，對結構進行優化設計分析，最終提交完整的計算分析報告和設計圖紙。同時該課程設置有期末考試。任課教師根據期末考試和平時作業情況綜合給出課程最終成績。盡管結構設計II課程的授課內容側重基本原理，但設計專題任務要求學生查閱大量的課外資料、設計規范和設計手冊，有助于鍛煉學生熟練運用結構設計理論的能力。

四、啟示與建議

(一)精英教育培養模式

從培養方案和專業課程教學來看，約翰·霍普金斯大學土木工程專業注重在寬厚的通識教育的基礎上培育學生的專業素養，強調提升學生的創新能力、自主學習能力、工程實踐能力、合作溝通能力和語言表達能力。由于該專業本科生人數不多，每個學生都有安排專門的學術指導教師。指導教師則根據學生的具體情況，提供個性化的培養方案和一對一的學術指導，引導學生進行研究性學習，培養學生深厚的學術素養。這種精英教育培養模式具有高水平、高規格、高標準的特點，對精英人才提供的是個性化和差異化的高質量教育，這與當前我國的高等教育大眾化并不對立[18]，可以作為大眾化教育的一種分流教育，以實現對精英人才的高質量培養。

當前我國有土木工程專業的高校在入選“卓越工程師教育培養計劃”后，往往會優選部分學生設置卓越班。卓越班教育可適當借鑒上述精英教育模式，從改革培養方案著手，配置專門的學術導師，結合學生自身的特點，制定個性化的培養方案，著力培養創新實踐能力強、適應社會經濟發展需要的高水平專業人才。

(二)研究性學習模式

約翰·霍普金斯大學土木工程專業培養方案對課程學分要求不多，為學生系統的學術訓練提供了充足的時間。我國高校專業課程教學一般有指定教材，約翰·霍普金斯大學土木工程專業課程教學并無統一指定教材，任課教師要求學生大量閱讀相關的參考書籍和文獻資料。工程結構發展演變課程教師專門邀請圖書館學科館員開展文獻檢索培訓，有針對性地為學生講解紙質文獻和網絡數據庫文獻資源的檢索方法。同時指定學術指導教師對學生進行學術規范化訓練，要求各專業課程論文和報告均需符合專業學術手冊的規范要求。一般要求學生在本科高年級階段進入導師的課題組，直接參與導師的科研課題項目，開展專門的科研訓煉，使學生養成研究性學習的習慣。

當前我國高校專業課程理論教學往往缺乏對國外現行設計規范體系的介紹。在工程教育認證以及工程專業人才國際化背景下，應適當引導學生對美國和歐洲等國家和地區現行設計規范和工程建設法規的自主學習，拓展學生的國際視野，使學生了解和掌握國際規則，具備參與國際工程項目和國際工程競爭的能力。

(三)實踐鍛煉

約翰·霍普金斯大學本科教育十分重視專業理論知識與工程實踐的結合，在專業課程教學中穿插大量的實踐環節，將實踐完全融入各門專業課程教學中，以著力提高學生的專業實踐能力。如邀請在工程實踐領域具有較高知名度的技術專家擔任兼職教授，每個學期開設1～2門課程。技術專家結合自身所擅長的具體工程領域給學生講解專業問題，使學生知曉實際工程的運用需求，也了解當前工程實踐的前沿發展。

武漢大學土木工程專業培養方案的集中實踐(含實驗、實習、課程設計)課程有24.5學分，而課程間實驗或上機共計21學分，二者占總學分的26.9%，其目的在于充分保證實踐環節的教學時間。此外還設置了結合工程實踐的企業課程，包括土木工程施工、智慧城市和土木工程、綠色建造理論與實踐等，聘請具有較高學術聲譽的企業專家擔任兼職教師，以此將專業理論與工程實際有機結合，切實提高學生的實踐能力、創新能力和綜合素質，著力培養創新應用型專業人才。

五、結語

土木工程專業認證給專業建設帶來了新的機遇和挑戰。土木工程專業教育要與國際領先水平接軌，提升國際認可度和影響力，培養達到國際認可質量標準的專業人才，必須推進專業教學改革。在對美國約翰·霍普金斯大學與武漢大學土木工程專業培養方案的比較分析中發現，約翰·霍普金斯大學的培養方案學分要求較少，為培養學生主觀能動性和實踐能力提供了必要的時間；武漢大學的培養方案涵蓋范圍更廣，要求學生對土木工程的設計、施工和管理有全面的認識。約翰·霍普金斯大學在專業課程教學內容與教學方法上采用精英教育培養模式，在重視培養學生研究性學習習慣，以及提高學生專業實踐能力等方面所采取的具體措施，值得我國工程教育參考和借鑒。