新工科背景下應用型高校課程改革探討
——以混凝土結構基本原理課程為例

湯永凈,管林波,吳 競,李 燕,童樂為

(1.同濟大學浙江學院,浙江 嘉興 314051;2.同濟大學 土木工程學院,上海 200092)

在全球科技產業不斷優化和我國工業迅猛發展的背景下,為適用新型工業發展的需要,我國教育部于2017年發布《教育部高等教育司關于開展新工科研究與實踐的通知》,正式提出“新工科”概念。相較于以前的工科,“新工科”有了新的內涵,即以應對變化、塑造未來的新理念為指導,通過繼承與創新、交叉與融合、協調與共享等新途徑,培養多元化和創新性的卓越工程人才。當前,學界對于“新工科”的基本范疇已達成共識,既包括如人工智能、大數據、區塊鏈等新興產業,也包括對傳統工科通過信息化、智能化的滲透轉型以及改造升級。

土木工程作為傳統工業的重要一環,同樣發生了新的變化,包括:(1)土木工程行業不可逆轉地向標準化、工廠化、機械化、信息化和裝配化方向轉型;(2)海綿城市、地下管廊、超高層建筑、大跨度結構、3D打印等新興業態向傳統土木工程技術提出新的挑戰;(3)國內龐大的建筑產能已隨著“一帶一路”倡議逐步邁向國際建筑市場;因此,土木工程專業同樣有著“新工科”建設的需要。在土木工程專業“新工科”建設過程中,對傳統課程的教學改革是必須完成的最基礎工作之一。筆者以混凝土結構基本原理課程的教學改革為例,對“新工科”背景下應用型本科土木工程專業專業課程改革思路進行探討。

一、應用型本科土木專業培養目標在“新工科”建設中的體現

中南大學土木工程學院結合新工科的要求,對中國中鐵、中國鐵建、中國建筑、中國交通和中國水利水電5家大型建筑企業展開走訪調研,提煉出土木工程專業人才應具備工程科學應用能力、工程疑難解決能力、工程管理協調能力、工程技術創新能力和工程國際適應能力5項工程核心能力。對于以上工程核心能力,木工程專業傳統課程顯然很難完成深層的培養目標,因此,改革勢在必行。

課程教學改革一定是基于培養目標和培養對象,針對應用型本科土木工程專業學生特點而展開的。應用型本科相對于重點本科,定位為培養應用型人才的地方高校。除了研究型大學以外,占據我國高等教育“半壁江山”的地方本科高校也是“新工科”建設的中堅力量。

隨著對學習主體性重視程度的提高,以“學”為中心的教學思想越來越受到業界認同。教師需要依據學習規律設計和組織教學活動,理解學生的學習行為,從而使得課堂教學能夠完全從學生的學習需求出發,適應學生的學習特征?！?0后”是近幾年本科土木工程專業入學新生中絕對主體,相對于其他年齡層,“00后”群體每天接觸的世界是前幾代無法想象的新天地,由此形成其獨特的審美和世界觀?！?0后”身處一個信息爆炸的年代,接受的知識信息早而全,所以“00后”是聰明的一代。筆者在一次本科土木工程專業招生宣傳片的準備過程中,對“00后”的高中應屆畢業生做過這樣的調查:希望宣傳片介紹“預制裝配式建造房屋的全過程虛擬仿真”還是希望介紹“BIM軟件的功能及應用”,前者主要展示房屋建造的全過程,專業性較強;后者是BIM軟件的功能解說,解說直觀、易懂,形式上比較生動,令人舒適,但專業性相對較弱。在了解相關背景后,大部分的調查對象選擇了后者。這說明學生在注重內容的同時,更加注重形式和審美。調查還發現,“00后”注重課堂效率,不喜歡題海戰術。現行的高考制度對進入大學的“00后”進行了分流,分流的主要標準即是對基礎學科知識(中學時代的數學、物理等)的掌握程度和運用能力。因此,進入應用型本科高校(相對于重點本科而言)學習的“00后”是一個聰明、有個性、有主見思想、開放、樂于接收新鮮事物的群體,但對基礎的科學知識掌握程度一般、僅具備基礎分析能力,其所在的高校基于這樣的生源特點和學校所處的地緣特點,通常將辦學目標定位于服務周邊地區的社會建設和經濟發展。因此,筆者認為在“新工科”建設進程中,應用型本科的土木工程專業應該重點聚焦土木工程人才5項核心工程能力中的工程技術應用能力、工程管理協調能力和工程技術創新能力。這即是應用型本科土木專業培養目標在“新工科”建設中課程改革的聚焦點。

隨著科技的進步和勞動力市場短缺,智能建造已成為土木工程未來發展的趨勢?；ヂ摼W+、5G、BIM、綠色建造、3D打印、大數據、云計算等新興技術已發展成為智能建造的科技支撐;因此,在當前土木工程新常態下,為更好地適應互聯網+、綠色建造等“新工科”環境,應用型本科高校土木工程專業應主動與信息、電子、機械、材料科學進行交叉融合,重點培養學生的工程技術創新能力,即培養學生土木工程新材料、新工藝、新設備、新結構的創新意識、創新思維、創新實驗和創新應用能力,使畢業生能夠勝任工程技術應用和管理相關工作?！靶鹿た啤笨缃缛诤习l展,是順應新宏觀環境的客觀需要,跨越不同領域、不同行業、不同文化等范疇所擁有的共性和聯系,把一些關聯度不高的元素進行融合,并由此引發新的思維方式和創新模式。

綜上,筆者認為在土木工程專業“新工科”建設中,對專業課程的改革應基于“跨界融合”或“交叉融合”的思路進行。

二、聚焦后的專業課程改革——以混凝土結構基本原理課程為例

(一)課程性質及特點

混凝土結構基本原理是土木工程專業的專業基礎課程,也是核心課程。數學、力學和建筑材料課程是它的前導課程,它也是后續混凝土結構設計、建筑結構抗震、課程設計、畢業設計,以及注冊結構工程師備考課程等專業課的基礎。課程集理論性、綜合性、實驗性和實踐性于一體,內容跨度廣、難度大,具有概念多、符號多、系數多、假定多、計算公式多、構造規定多和文字內容敘述多等特點。課程培養目標是通過學習促使學生掌握基本原理,提高分析解決實際問題的能力,培養結構設計觀念,提升創新能力。

(二)課程框架梳理及改革

1.改革目標

BIM技術是土木工程的一場數字化改革,裝配式建筑牽系建筑業轉型升級,以混凝土結構基本原理課程改革為契機,將BIM技術和預制裝配式混凝土結構施工技術引入混凝土結構基本原理課程教學中,強化新技術和傳統知識點的融合,讓教學充滿新意,讓學生因“學得進、用得上”而饒有興致,提高學生的工程技術創新能力和適應能力。

2.改革思路

為了讓學生循序漸進地了解和掌握混凝土基本原理的知識點,融合BIM技術與裝配式結構元素,筆者繪制了混凝土結構基本原理魚骨圖(圖1),對該課程的性質、特點及必須掌握的知識點進行剖析。從鋼筋和混凝土兩種材料協同工作原理出發,以材料性能、正截面、斜截面、預應力和使用性能為主線,構筑混凝土結構基本原理課程的主要知識框架(圖1a),并將主要知識框架縱向延伸到次生知識框架(圖1b);將材料性能歸結為鋼筋和混凝土的本構關系;將混凝土結構構件的正截面受力機理歸結到縱向鋼筋的配置;將斜截面受力機理歸結到橫向鋼筋的配置;在正截面、斜截面、預應力部分,增加BIM族建模、構件計算內容,讓學生多角度切實感受理解混凝土結構基本原理。同時,把基本概念、符號、系數、基本假定、實驗室試驗方法及結果、半理論半經驗公式等系統組合,與總體知識框架和次生知識框架共同構成整體課程框架(圖1c),通過對課程難點和重點的調整,提高教學效果。預應力混凝土結構構件是課程的難點,屬于課程的進階內容,知識點多,涉及高強鋼筋、高強混凝土、鋼筋張拉控制應力、施加預應力方法、各種預應力損失等,教學中對施工階段受力性能分析內容進行重點講述;結構使用性能內容也是課程的難點,考慮到學生剛進入專業基礎課程學習階段,且該部分內容零散,作者在教學中從介紹撓度和裂縫寬度計算入手,由淺入深,逐步讓學生對結構使用性能內容有所了解、有所掌握,但不作為本課程重點。

圖1 混凝土結構基本原理框架圖

為了幫助學生理解“基本原理”相關內容,在教學中,以鋼筋和混凝土兩種材料的性能為根本,以兩種極限狀態-承載力極限狀態和正常使用極限狀態為主干,以構件類型-受彎構件、受壓構件、受拉構件、受扭構件、預應力構件為樹冠,繪制知識樹(圖2),簡明形象闡述課程的主要內容,便于學生對知識點的理解和接受。按照教材的順序,第1章、第2章屬于基礎部分,第3章至7章屬于承載力計算分析部分,第8章是使用性能的分析,第9章是預應力混凝土構件,作為本課程的最后章節,集承載力計算和使用性能計算于一體。

圖2 混凝土結構基本原理知識樹

在對各類構件簡化為計算簡圖的教學中,引導學生從現澆混凝土結構和裝配式混凝土結構兩個角度著手分析,讓學生掌握不同結構形式對結構受力的影響,了解結構受力不同的情況下截面受力變化帶來的配筋變化,達到促進學生靈活掌握知識的目的。

(三)教學方法的改革

1.學習行為力學解構

學習如爬坡,教學也如爬坡(圖3)。學習中,由于內容自身具有難度(如概念、假定、符號、定義、構造…),難點猶如向下的摩擦力,阻礙學生前行,常會偶感倦怠,通過教學改革,授課教師順勢而為,給學生一個推力,及時幫助學生克服難點。更為重要的是,幫助學生提高向上的內驅力,只有內驅力足夠的強大,才能“會當凌絕頂,一覽眾山小”。

圖3 學習行為力學解構

2.“新工科”背景下的教學方法

線上線下相結合是當前疫情下的教學特色?！?0后”成長于網絡時代,他們的學習方式因此產生革新,也為教育革新源源不斷注入活力。很多在線教育平臺推出的手機APP提供了便利、高效的學習模式,借助互聯網,通過配置動圖、表情包,幫助學生更好地理解課程中的重難點知識,為學生提供一個能夠隨時隨地使用的學習平臺,以提高課堂學習效率。

在教學過程中融入“互聯網+”元素(圖4)具有積極的教學效果。通過在混凝土結構基本原理課程教學中融入彈幕互動、考勤,以及在習題冊中插入二維碼等“互聯網+”元素,提供線上交流平臺;在不影響正常教學的情況下,將雨課堂插入教學課件;在關鍵知識點處設置陷阱,插入選擇題,讓學生在不斷犯錯的過程中掌握知識;利用超星、智慧樹等教學平臺,建設混凝土結構基本原理網上習題庫和答疑平臺,為解答學生疑惑提供了新的途徑,同時也有利于學生課后復習并拓寬專業知識面。此外,利用其他高校已建成的網絡實驗室平臺,讓學生在學習混凝土結構基本原理相關知識的過程中,能夠通過網絡仿真試驗了解構件的受力全過程,包括截面的應力應變變化、構件的整體變形、裂縫開展過程等,讓學生深層次地了解受力狀態下構件的全過程受力特征,加深對知識點的掌握。

圖4 “互聯網+”教學方法

在教學中,應遵從學生知識內化的規律,要求學生做到課前預習、課上認真做筆記(圖5)、課后復習、練習,利用項目管理中的PDCA原理(Plan計劃、Do執行、Check檢查和Action查漏補缺四個環節)進行階段性學習。

圖5 PDCA原理用于課程學習示意圖

三、結語

應用型本科土木工程專業應緊密結合國家發展規劃和行業發展形勢,及時調整課程的教學內容和方法,在信息技術不斷向土木工程行業滲透的“新工科”時代凸顯。基于應用型本科辦學定位,課程教學要適應新的行業變化、滿足新的生源特點,培養學生具備工程技術創新能力是對專業課程改革的主要聚焦目標。而改革的基本思路即是在教學中主動將傳統的教學內容與信息、電子、機械、材料科學等學科新的基礎理論和應用進行跨界融合?；炷两Y構基本原理作為土木工程專業基礎課程,將BIM和預制裝配式建造等土木工程新技術主動納入課程教學中;通過多樣化的教學手段,線上線下相結合,利用彈幕互動、雨課堂、網絡答疑平臺和虛擬實驗室等互聯網元素,加深學生對混凝土結構基本原理知識的理解,提高其創新能力和分析解決問題的能力。