“新工科”理念下的“地下結(jié)構(gòu)設(shè)計”教學(xué)模式探索

黃博 王昌勝 杜怡韓

[摘 要] 以“新工科”建設(shè)理念為指導(dǎo)，對“地下結(jié)構(gòu)設(shè)計”課程的教學(xué)模式進行了探索，形成了以“短視頻”輔助教學(xué)、工程設(shè)計案例教學(xué)、啟發(fā)式教學(xué)和串聯(lián)前序后續(xù)課程教學(xué)為主的教學(xué)模式。經(jīng)過兩輪的教學(xué)實踐，課程目標(biāo)總體達成度分別為0.7633和0.7618，取得了較好的教學(xué)效果，相關(guān)教學(xué)經(jīng)驗?zāi)軌驗橥愒盒Ｐ麻_該課程提供一些有意義的參考。

[關(guān)鍵詞] 地下結(jié)構(gòu)設(shè)計;教學(xué)模式;新工科;工程實踐

人才是發(fā)展壯大新經(jīng)濟的首要資源，但許多新經(jīng)濟企業(yè)都反映人才難求，最根本的原因是高校畢業(yè)生的學(xué)用脫節(jié)問題，因此提出了面向社會生產(chǎn)活動培養(yǎng)人才的“新工科”建設(shè)任務(wù)[1]。對于土木工程這樣的傳統(tǒng)工科專業(yè)而言，“新工科”建設(shè)的要求就是改革現(xiàn)有的培養(yǎng)模式，提高學(xué)生解決實際工程問題的能力，使之適應(yīng)社會發(fā)展需求。

為了迎合“新工科”建設(shè)這一契機，學(xué)院土木工程專業(yè)新增了城市地下空間工程方向，新方向的所有專業(yè)方向課都需要按照“新工科”的建設(shè)要求開展，“地下結(jié)構(gòu)設(shè)計”就是其中之一。由于地下結(jié)構(gòu)涉及面較廣，課程涵蓋的專業(yè)知識較繁雜，采用何種教學(xué)模式能有效提高學(xué)生對實際工程的認識、讓學(xué)生掌握相應(yīng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，是值得研究的問題。

宋洋等[2]在“地下建筑結(jié)構(gòu)”的課程教學(xué)中利用項目驅(qū)動的方法，讓學(xué)生參與設(shè)計，變被動講授成主動學(xué)習(xí)，也讓教學(xué)更貼近實際工程。鮑先凱等[3]認為多媒體教學(xué)有助于學(xué)生理解地下建筑的概念，但需要合理使用，同時提到了案例教學(xué)對于本課程的重要性。鐘祖良等[4]在本課程教學(xué)中注重引入近年來的工程實例，啟發(fā)學(xué)生主動學(xué)習(xí)，認為部分課本內(nèi)容與實際工程脫節(jié)，需要教師結(jié)合相關(guān)規(guī)范和實例拓展講解。吳月秀等[5]在本課程的教學(xué)中采用了視頻、多媒體等多種教學(xué)手段，并且介紹了與課程相關(guān)的數(shù)值計算軟件，幫助學(xué)生提高計算能力。徐平等[6]在教學(xué)中采用了多媒體教學(xué)、案例教學(xué)、實踐教學(xué)等多種教學(xué)模式，對課程考核等環(huán)節(jié)給出了自己的建議。

結(jié)合“新工科”建設(shè)理念，本文主要圍繞“地下結(jié)構(gòu)設(shè)計”課程的教學(xué)模式進行探索，介紹了開設(shè)本課程以來逐步形成的教學(xué)方式、方法以及取得的一些經(jīng)驗，旨在為同類院校開設(shè)本課程提供一些有意義的參考。

一、課程目標(biāo)的設(shè)定

以專業(yè)培養(yǎng)方案為基礎(chǔ)，“地下結(jié)構(gòu)設(shè)計”設(shè)置了3個課程目標(biāo)：（1）掌握地下建筑結(jié)構(gòu)的概念、不同的地下結(jié)構(gòu)類型及其作用。（2）理解并掌握地下結(jié)構(gòu)的荷載計算方法，以及荷載—結(jié)構(gòu)法、地層—結(jié)構(gòu)法等結(jié)構(gòu)計算原理，理解并掌握地下結(jié)構(gòu)的設(shè)計程序和內(nèi)容。（3）理解并掌握淺埋式結(jié)構(gòu)、地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)、盾構(gòu)法隧道結(jié)構(gòu)等常見地下結(jié)構(gòu)的設(shè)計內(nèi)容和設(shè)計方法，能夠獨立地進行常見地下結(jié)構(gòu)的設(shè)計。

3個課程目標(biāo)與本專業(yè)畢業(yè)要求、學(xué)習(xí)成果指標(biāo)點的對應(yīng)關(guān)系如下：課程目標(biāo)（1）對應(yīng)“畢業(yè)要求1.工程知識”，具體的學(xué)習(xí)成果指標(biāo)點為“1—3掌握專業(yè)基礎(chǔ)知識，具備解決復(fù)雜土木工程問題能力”。課程目標(biāo)（2）對應(yīng)“畢業(yè)要求3. 設(shè)計/開發(fā)解決方案”，具體的學(xué)習(xí)成果指標(biāo)點為“3—2能夠設(shè)計滿足安全、綠色、經(jīng)濟和高效等要求的結(jié)構(gòu)、構(gòu)件或施工流程”。課程目標(biāo)（3）對應(yīng)“畢業(yè)要求4.研究”，具體的學(xué)習(xí)成果指標(biāo)點為“4—2能夠基于科學(xué)原理并采用科學(xué)方法，對結(jié)構(gòu)、構(gòu)件、施工工藝制定設(shè)計方案”。

課程目標(biāo)的設(shè)置是按照層層遞進的原則，從基本概念的理解到設(shè)計理論和方法的掌握，最終到能夠利用所學(xué)設(shè)計方法進行獨立的設(shè)計工作，可見課程目標(biāo)（1）和（2）是基礎(chǔ)，而課程目標(biāo)（3）的達成度直接地反映學(xué)生解決實際工程問題的能力，是最為關(guān)鍵的課程目標(biāo)。

二、課程教學(xué)模式的探索

（一）“短視頻”輔助教學(xué)的應(yīng)用

由于“地下結(jié)構(gòu)設(shè)計”涉及較多的結(jié)構(gòu)形式，例如地下閉合框架結(jié)構(gòu)（地下通道、地鐵車站）、盾構(gòu)隧道、沉井等，導(dǎo)致知識面較廣、設(shè)計理論相差較大、設(shè)計方法也多種多樣。由于只有48學(xué)時的理論課時，傳統(tǒng)板書無法滿足課程進度要求，也無法形象地展示地下結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式，因此需要多媒體教學(xué)手段輔助。

傳統(tǒng)的課件教學(xué)常常由于翻頁快導(dǎo)致學(xué)生跟不上進度，因此，本課程采用了“短視頻”的方式輔助教學(xué)。“短視頻”主要包含兩種：一種是線上視頻資源，主要內(nèi)容為各類地下結(jié)構(gòu)的介紹，幫助學(xué)生建立相關(guān)概念，對地下結(jié)構(gòu)形式有初步了解;另一種是自制“短視頻”資料，用于向?qū)W生拓展一些設(shè)計院工程案例的介紹以及對課本重點知識的回顧，一方面幫助學(xué)生進一步了解所學(xué)知識和具體設(shè)計工作之間的聯(lián)系，另一方面幫助鞏固所學(xué)理論知識。

“短視頻”時間宜控制在5分鐘內(nèi)，學(xué)生容易接受、能夠完成學(xué)習(xí)，較長的視頻可以分成多個視頻分次發(fā)給學(xué)生，避免時間過長導(dǎo)致學(xué)生失去學(xué)習(xí)興趣。“短視頻”的展示，不宜占用上課過多的時間，大部分的視頻均通過學(xué)習(xí)通平臺提前分發(fā)給學(xué)生學(xué)習(xí)，這樣也便于保存、學(xué)生查看和學(xué)習(xí)情況的統(tǒng)計。

（二）工程設(shè)計案例教學(xué)

采用工程設(shè)計案例教學(xué)對于本課程而言是必要的，一方面由于本課程內(nèi)容相比于其他專業(yè)課，更貼近于畢業(yè)后可能會從事的設(shè)計工作，所以有必要在設(shè)計各類地下結(jié)構(gòu)之前，讓學(xué)生通過案例先了解要做哪些工作，包括設(shè)計理論、設(shè)計內(nèi)容、設(shè)計過程及構(gòu)造要求等;另一方面，課本由于篇幅限制基本上沒有具體的設(shè)計案例，僅會有針對單一知識點的例題，不利于學(xué)生串聯(lián)主要知識點、掌握設(shè)計流程。

因此，在課上和課后學(xué)習(xí)的自制“短視頻”素材中，展示了近年合肥、濟南、南寧等地的地鐵車站的設(shè)計圖紙和相應(yīng)的計算書，以具體的工程設(shè)計案例讓學(xué)生了解實際工程中的設(shè)計流程和形成的設(shè)計文件，建立學(xué)習(xí)相關(guān)知識的框架體系，再在此基礎(chǔ)上深入學(xué)習(xí)設(shè)計理論、計算過程、構(gòu)造要求等具體內(nèi)容，能夠取得較好的教學(xué)效果。尤其在學(xué)習(xí)地下結(jié)構(gòu)構(gòu)造要求方面，案例教學(xué)有較明顯的幫助，構(gòu)造要求在課本上往往都是分條敘述，脫離工程案例的直接講解學(xué)生是很難完全掌握的。設(shè)計案例能幫助學(xué)生對地下結(jié)構(gòu)各構(gòu)件尺寸、內(nèi)部配筋形式等建立初步印象，有助于掌握具體的構(gòu)造要求以及后期獨立地開展設(shè)計工作。

（三）啟發(fā)式教學(xué)

能夠獨立地進行地下結(jié)構(gòu)設(shè)計是課程的最終目標(biāo)，那就要在教學(xué)時注重啟發(fā)式教學(xué)，不能一味地灌輸知識，讓學(xué)生掌握“要設(shè)計哪些內(nèi)容” “要怎么樣開展設(shè)計”“要符合哪些設(shè)計要求”等，鼓勵學(xué)生自主查詢規(guī)范、課本等資料進行設(shè)計。

地下結(jié)構(gòu)設(shè)計最復(fù)雜的一部分內(nèi)容就是彈性地基梁相關(guān)的計算，牽扯到大量三角函數(shù)、方程組的計算，全靠手算既費時又費力。因此，上課時教師演示了利用Excel軟件編輯簡單的計算表格輔助計算的過程，鼓勵學(xué)生自己編制表格驗算結(jié)果的正確性。最終，就有學(xué)生編制了一張完整的用于地下閉合框架結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算的表格，反映出了這名學(xué)生已經(jīng)完全掌握了這一計算過程，并且編制過程與同學(xué)積極討論，帶動了整個班級的學(xué)習(xí)氛圍。在之后的每屆學(xué)生中，總會有這樣的學(xué)生出現(xiàn)，啟發(fā)式教學(xué)對于提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和本課程的授課效果發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。

（四）串聯(lián)前序后續(xù)課程教學(xué)

本課程前序課程為“城市地下空間設(shè)計”，后續(xù)課程為“巖土工程數(shù)值分析”，前序課程主要講授地下結(jié)構(gòu)建筑方案的設(shè)計，后續(xù)課程主要學(xué)習(xí)地下結(jié)構(gòu)相關(guān)計算軟件，聯(lián)系非常緊密。在本課程講授過程中，需要串聯(lián)前后兩門課程，讓學(xué)生的專業(yè)課學(xué)習(xí)形成體系，這樣也為學(xué)生獨立開展實際工程設(shè)計工作奠定基礎(chǔ)。

尤其是后續(xù)課程“巖土工程數(shù)值分析”涉及的SAP84軟件是畢業(yè)之后從事地鐵車站等地下結(jié)構(gòu)設(shè)計工作的常用軟件，因此“地下結(jié)構(gòu)設(shè)計”授課時，教師會提前介紹相關(guān)軟件，著重介紹與本課程計算理論方面的聯(lián)系，讓學(xué)生明白現(xiàn)階段的手算與隨后要學(xué)的軟件計算之間的關(guān)聯(lián)。教師通過“短視頻”的方式在課下向?qū)W生介紹軟件的基本操作，主要用于本課程手算的校核，一方面提高了本課程的授課效率，另一方面也為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)奠定了基礎(chǔ)，更有利于學(xué)生在校園內(nèi)盡可能全面地掌握相關(guān)軟件，縮短與畢業(yè)后工作之間的“距離”。

三、考核方式和課程目標(biāo)達成度的計算

（一）考核方式

在“地下結(jié)構(gòu)設(shè)計”的授課過程中，教師給出的平時成績主要依據(jù)出勤表現(xiàn)、平時作業(yè)和以閉合框架內(nèi)力計算為主要內(nèi)容的大作業(yè)，目標(biāo)分值分別為40分、30分和30分，平時成績總分100分。

期末考試以分析題和計算題為主要題型，分析題主要以近年來發(fā)生的一些事故為例，比如地下室上浮、結(jié)構(gòu)構(gòu)件開裂等問題，讓學(xué)生根據(jù)專業(yè)知識分析產(chǎn)生原因和應(yīng)對方法，也有針對一些錯誤設(shè)計案例的分析糾錯題;計算題主要考核荷載計算、抗浮驗算等相對簡單的計算。期末考試不再直接考查需要“死記硬背”的概念等內(nèi)容，而是將其融合在分析題中，讓學(xué)生學(xué)會利用所學(xué)知識分析常見工程問題，也不考查復(fù)雜的計算問題，而是將其放在后續(xù)課程設(shè)計環(huán)節(jié)，更容易讓學(xué)生理解和掌握計算方法，把課程知識真正做到融會貫通。

學(xué)生最終成績平時成績占30%，期末成績占70%。

（二）課程目標(biāo)達成度的計算

各個課程目標(biāo)的支撐環(huán)節(jié)已經(jīng)在教學(xué)大綱中確定，具體為：出勤表現(xiàn)和期末考試支撐課程目標(biāo)（1）;平時作業(yè)和期末考試支撐課程目標(biāo)（2）;大作業(yè)和期末考試支撐課程目標(biāo)（3）。這樣的對應(yīng)關(guān)系主要考慮學(xué)生出勤多與少直接反映學(xué)生對于課程的態(tài)度，也直接影響學(xué)生學(xué)習(xí)本課程基礎(chǔ)知識的質(zhì)量，因此將其對應(yīng)最基礎(chǔ)的課程目標(biāo)（1）;平時作業(yè)相對容易，基本上是圍繞土壓力、巖石壓力等荷載計算的問題，因此對應(yīng)課程目標(biāo)（2）;大作業(yè)以閉合框架內(nèi)力計算為主要內(nèi)容，難度相對較大，主要讓學(xué)生通過作業(yè)理解具體某一種地下結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法，因此對應(yīng)課程目標(biāo)（3）。

計算課程目標(biāo)達成度時，首先將每個學(xué)生的平時成績按照3個課程目標(biāo)分別統(tǒng)計、求平均值，平時成績平均值記為A，平時作業(yè)為B，大作業(yè)為C;再將每個學(xué)生的期末考試成績按照3個課程目標(biāo)分別統(tǒng)計、求平均值，分別記為D、E、F，相應(yīng)目標(biāo)分記為D0、E0、F0，則D0+E0+F0=100。

課程目標(biāo)（1）達成度為（A/40）×0.3+（D/D0）×0.7，記為R1;課程目標(biāo)（2）達成度為（B/30）×0.3+（E/E0）×0.7，記為R2;課程目標(biāo)（3）達成度為（C/30）×0.3+（F/F0）×0.7，記為R3;課程目標(biāo)總體達成度為（A+B+C）/100×0.3+（D+E+F）/100×0.7，記為R。通過以上方法得到了過去2年本課程的課程目標(biāo)總體達成度分別為0.7633和0.7618，其中最為重要的課程目標(biāo)（3）達成度分別為0.7697和0.8190，達成度較為理想。

四、存在的問題及持續(xù)改進

在兩輪的教學(xué)中，雖然課程整體達成度較好，但是也發(fā)現(xiàn)了一些亟待解決的問題，需要及時總結(jié)、分析原因，并提出持續(xù)改進的措施。

（一）主要存在的問題

1.在第二輪考核中發(fā)現(xiàn)，課程目標(biāo)（1）的達成度不足0.7，明顯低于其他2個課程目標(biāo)的達成度，反映出部分學(xué)生對于一些基本概念的理解不夠透徹，但卻能較好地完成相關(guān)的設(shè)計計算。這就說明，這些學(xué)生存在機械式的記憶行為，能將設(shè)計過程牢記，但卻忽略了其背后概念和理論的深入理解。

2.串聯(lián)前序后續(xù)課程的教學(xué)過程中，發(fā)現(xiàn)部分同學(xué)對于前序課程“城市地下空間設(shè)計”的主要知識點遺忘較快，掌握程度不足，導(dǎo)致無法很好地理解本課程知識的用途，說明在前序課程的授課過程中，學(xué)生尚未建立其學(xué)習(xí)城市地下空間工程方向?qū)I(yè)課的知識框架，對前序課程的內(nèi)容和與后續(xù)課程的關(guān)聯(lián)理解不足，成了學(xué)習(xí)后續(xù)課程的障礙。

3.平時成績占比有待提高，目前的比例還是主要看重期末考試成績。此類設(shè)計課程的學(xué)習(xí)功在平時，例如平時成績中的“大作業(yè)”較能考查學(xué)生掌握知識的程度和應(yīng)用知識的能力，作業(yè)中出現(xiàn)的問題能夠通過課上或課下與學(xué)生進行交流，較好地反饋給學(xué)生。而期末考試時間較短，能反映的問題有限，考完試很多學(xué)生都不再過問，試卷中出現(xiàn)的問題難以反饋給學(xué)生。

（二）持續(xù)改進的措施

1.在日常教學(xué)中重視經(jīng)常回顧基本概念和原理，隨機考查學(xué)生的掌握程度，同時考慮在今后計算部分考試中，加入對于公式的解釋或者考查其推導(dǎo)過程，不再僅僅簡單地考查計算能力。

2.注意前序后續(xù)課程授課教師之間的交流，共同商討聯(lián)系較為緊密的專業(yè)課的教學(xué)大綱和授課計劃，讓每門課在教學(xué)中都注重串聯(lián)前序后續(xù)的專業(yè)課程，幫助學(xué)生更好地建立完善的專業(yè)知識體系。

3.擬在下一輪考核中將平時成績占比調(diào)整至40%，加大在平時對設(shè)計“大作業(yè)”的考核和講解，讓學(xué)生真正做到“功在平時”，同時考慮在考后增加考試問題反饋的環(huán)節(jié)，對出現(xiàn)問題較多的題目進行集中講解，讓學(xué)生知道自己在本課程學(xué)習(xí)中存在的問題，并及時糾正。

五、結(jié)語

“地下結(jié)構(gòu)設(shè)計”課程在教學(xué)過程中以“新工科”理念為指導(dǎo)，形成了以“短視頻”輔助教學(xué)、工程設(shè)計案例教學(xué)、啟發(fā)式教學(xué)和串聯(lián)前序后續(xù)課程教學(xué)為主的教學(xué)模式，在兩輪的教學(xué)中課程目標(biāo)總體達成度分別為0.7633和0.7618，最為重要的課程目標(biāo)（3）達成度分別為0.7697和0.8190，取得了較好的教學(xué)效果。相關(guān)教學(xué)經(jīng)驗總結(jié)如下：

1.“短視頻”輔助教學(xué)能夠幫助學(xué)生在課上和課后加深對相關(guān)知識的理解，能夠讓學(xué)生更全面地了解畢業(yè)后可能從事的設(shè)計工作，但需要注意控制視頻時長，不宜超過5分鐘，以免學(xué)生失去學(xué)習(xí)興趣。

2.必須引入近年來的設(shè)計案例用于教學(xué)，能夠幫助學(xué)生建立學(xué)習(xí)相關(guān)知識的框架體系、串聯(lián)本課程的主要知識點、掌握設(shè)計流程。

3.啟發(fā)式教學(xué)是關(guān)鍵，鼓勵學(xué)生自主查詢規(guī)范、課本等資料進行設(shè)計，學(xué)會利用現(xiàn)代化工具解決復(fù)雜的計算問題，能夠讓學(xué)生更好地掌握設(shè)計方法，提高學(xué)習(xí)效率。

4.串聯(lián)前序后續(xù)課程教學(xué)，能夠讓學(xué)生的專業(yè)課學(xué)習(xí)形成體系，為學(xué)生將來獨立開展實際工程設(shè)計工作奠定基礎(chǔ)。

參考文獻

[1]吳愛華，侯永峰，楊秋波，等.加快發(fā)展和建設(shè)新工科 主動適應(yīng)和引領(lǐng)新經(jīng)濟[J].高等工程教育研究，2017（1）：1-9.

[2]宋洋，祝百茹，金佳旭，等.基于“項目驅(qū)動與主動探索”課程教學(xué)模式構(gòu)建研究——以“地下建筑結(jié)構(gòu)”課程為例[J].教育教學(xué)論壇，2018（4）：183-184.

[3]鮑先凱，張春梅，王英浩.地下建筑結(jié)構(gòu)課程教學(xué)模式改革[J].中國冶金教育，2014（6）：31-32.

[4]鐘祖良，王婷，劉新榮，等.地下建筑結(jié)構(gòu)課程教學(xué)模式探討[J].科教文匯，2018（9）：75-76.

[5]吳月秀，劉泉聲.淺談高校“地下建筑結(jié)構(gòu)”課程的教學(xué)改革[J].科技信息，2013（4）：139+134.

[6]徐平，蔡迎春.地下建筑結(jié)構(gòu)課程教學(xué)模式探討[J].高等建筑教育，2010，19（4）：74-77.