基于“講授、研討、上機、制作”四位一體的模型制作課程教學模式改革與實踐

張營營， 葉繼紅， 李慶濤， 賈福萍， 范 力， 杜健民， 李 賢

（中國礦業大學 力學與土木工程學院，江蘇 徐州 221116）

在“深化本科教育教學改革，全面提高人才培養質量”視域下，提升學生綜合素質，培養多方面協調發展的社會主義建設者和接班人，已成為中國高等教育改革的重要議題［1-2］。然而，高校中仍普遍存在重科研輕教學、重理論輕實踐的思維，本科實踐教學體系構建尚不完善、實踐教學資源匱乏等問題束縛了其進一步發展［3-4］。隨著土木工程從勞動密集型行業轉向技術化、信息化、工業化、綠色化發展，培養具有專業素養、解決復雜工程問題能力、注重實踐應用的專業人才迫在眉睫，探索和搭建多方位實踐教學體系刻不容緩。高校教學分為3 種模式：教師主動教學模式、學生主動模式和師生互動模式［5］。現階段，高校的教學活動大多采用傳統的教師主動模式，教學效果一般。在學生主動教學模式下，教師合理運用各種教學手段，給予學生自主學習的自由，根據學生自身的需要和能力開展興趣研究、實踐學習和個性化學習，這種教學模式是教師所期待的。但是，在學生主動教學過程中，學生的基礎、興趣和能力大不相同，很難保證教學目標的順利達成，故很難大規模采用。在模型課的教學過程中，筆者積極探索基于師生互動的學生主動式教學模式，以期更好地發揮專業特色，更深入地結合教學要求培養學生專業學習興趣。

一、傳統課程教學模式存在的問題

傳統理論課程教學模式中，教師作為教學主體進行知識輸出，學生作為被動接受者學習效果難以評測，同時填鴨式的教學也有埋沒學生學習積極性之嫌。類似地，傳統實踐課程以演示性實驗或者驗證性實驗為主，一定程度上能培養學生的實踐能力和專業視野，但本質上學生依舊是知識的被動接受者，未能成為實踐主體和創新主體。

因此，教育部印發的“新高教40 條”中提出，進一步提高實踐教學的比重，切實加強實習過程管理，健全合作共贏、開放共享的實踐育人機制［6］，由此可見實踐教學在高等教育人才培養過程中的重要作用。土木工程是一門應用性和實踐性較強的學科，實踐是日常專業課教學的重要組成部分，合理且順利地開展實踐活動能豐富教學并有效提高學生的專業素養。但是，在土木工程專業教學過程中，受到學生人數較多、經費不足、時間緊張、教師配置不足等客觀因素限制，教學效果往往不盡如人意。此外，模型課實踐教學仍存在諸多問題，導致實踐教學體系和人才培養目標難以充分實現［7-8］，主要包括：（1）學校特色實踐教學體系尚未完善，理論和實踐教學環節未能有機統一；（2）實踐教學從屬性質突出，重理論輕實踐的教學思維尚未完全轉變，導致實踐不深入、不集中，學生不積極、專業技能訓練匱乏；（3）具有工程實踐能力的教師資源匱乏，實踐教學資源不足；（4）實踐教學模式單一，教學效果評價標準不明確，學生實踐積極性和目的性不足。

總之，傳統的理論和實踐教學模式雖然廣泛應用于各大高校教學活動中，但無法將各教學環節緊密聯系，也無法順應專業復合型人才培養的需求。因此，有必要根據土木工程專業的特點和學校學科特色，探索基于傳統教學的新型專業實踐教學模式，旨在通過實踐教學建立學生的專業知識體系和素養。

二、模型設計課程教學體系搭建

根據專業課程特點和學校學科特色，在實踐課程教學中對提高教學質量進行探索，以學科競賽為載體，以課程建設和大創項目為抓手，以制度保障為后盾，以課程建設促進學科競賽，以大創項目提升人才培養質量，以學科競賽推動課程建設，以制度保障作為堅實后盾，形成一套“學科競賽+課程建設+大創項目+制度保障”四驅動模式的課程競賽組織管理體系，力圖實現“人人搞科創、班班有成果、個個能成才”，為培養一流土木類創新人才奠定基礎，創新性實施“教學、研討、上機、制作”四位一體的教學模式，環環相扣、相互融合，著手培養創新應用型專業人才。

（一） 課堂教學

傳統理論教學方式難以滿足實踐教學的需要，而現有模型課程大多延續了傳統教學方式，教師講解工程示例和操作方法，學生被動接收并進行機械性模仿，倘若學生空間幾何想象能力缺乏，則難以對模型結構深入理解，甚至會對模型課產生厭倦心理，教學效果甚微。此外，在該種教學模式下，割裂了理論知識體系和案例實踐的聯系，倒向重實踐輕理論的一端，且通常受限于教學場地而無法深入開展實踐教學，只能淺嘗輒止。為此，模型課程從多維度進行課堂教學內容改革，如圖1所示。

圖1 多維課堂改革示意圖

（二） 團隊研討

實踐教學中，選取實際工程或者結構競賽題目作為教學情境貫穿整個教學過程，使學生在學習過程中清晰明確地知道：這個知識我為什么學，學了如何用。采用“教師引在前，講在后；學生想在前，聽在后”的方法，引導學生去讀去想，在充分研讀的基礎上交流，讓學生講解自己的想法和思路。如圖2所示，設置課程研討環節，引導學生對可能出現的問題和風險進行充分研討和論證，營造良好的課堂氛圍，最大程度激發學生學習積極性。

圖2 師生研討示意圖

（三） 上機操作

隨著計算機輔助計算技術在建筑結構設計領域的不斷發展，逐漸涌現出各類計算機輔助設計（computer aided design，CAD）系統，結構設計從手算階段進入到計算機電算時代［9］。上機實踐是本課程的教學特色之一，鼓勵學生拓展電算本領，引導學生正確操作Midas、PKPM、3D3S、ETABS、SAP2000 等結構分析和設計軟件，以提高他們對工程問題的分析能力和實際工作的適應能力。通過學習各種軟件的操作方法，掌握結構建模與設計的基本內容，包括結構布置原則、結構形式選擇、截面形式選擇、結構優化方法以及相關案例分析等，使學生具備快速分析復雜結構體系合理性的能力，以及對于結構施工圖的讀圖識圖能力。授課過程中秉承“少講多練”的教學理念，花小部分時間邊講邊操作，學生可以邊聽邊看邊練習，再讓學生用大塊時間獨立練習，輔以相關教材或學習手冊，提高學生的積極性，達到高效學習的目的。通過上機學習，學生掌握結構設計軟件的基本流程，理論結合實踐，培養學生熟練運用相關軟件的能力，增進對相關規范的了解，鍛煉識圖畫圖能力，為畢業設計和工作實踐打下基礎。

（四） 模型制作及加載

建筑結構模型制作是“四位一體”教學模式的最后一個階段，也是整個教學環節的重中之重，要求學生將前三步緊密聯系起來，制作出實體模型以真實模擬工程受荷狀態。在這個階段，學生不僅要做出與實際工程外觀相似的模型，還需要從材料選取、構件形狀、構件安裝與連接方式等方面反映設計內容，盡可能真實地模擬實際工程。

在模型材料選取方面，應從材料的力學性能（強度、剛度）、外觀、類型等方面保持與真實工程材料的相似性。例如，木塊、板材便于切割挖孔，具有輕質高強的性能，可用于模擬混凝土構件，鐵絲用來模擬鋼筋、鋼桿件等。構件形狀選擇計算，需要盡可能按照真實工況下的荷載經過手算或軟件計算后的結果確定試件的長寬、截面大小等尺寸，構件的安裝連接也要貼近工程實際，注重細節把控。模型制作和加載過程中，有相當一部分學生忽視細部構造導致模型受荷后很快失效。可見，模型制作對于工藝細節把控要求極高，借此也能打磨學生心性，培養其注重細節的習慣。

建筑模型設計是一門實踐課題，設計過程的實際操作是本課程有別于傳統教學的重要環節之一。通過真實結構試驗驗證其合理性，具有直接性和真實性，是上機操作無法替代的。學生可以體驗建筑模型設計實踐的全過程，從過程中獲得設計創新的情感、概念和價值取向。此外，學生通過收集資料、現場調研后進行類比、計算、選材、加工、安裝，從中了解實際工程的施工方法，加深對相關知識的理解與應用，鍛煉學生的動手能力，培養和提高了團隊合作意識。通過無標準答案的考核方式，鼓勵學生個性化發展，全面鍛煉學生的綜合創新能力。

三、模型設計課程教學實踐與探索

（一） 模型課教學實踐分析

本模型課程為專業選修課，3學分，共有4次集中授課，每次課12學時。講授、研討、實驗和上機等多種教學方法相結合，主要講授和研討結構選型優化與設計方法、常規設計軟件的基本運用、結構試驗方法和設計以及結構模型的制作方法。通過該課程的理論學習與實踐活動，鍛煉學生發現問題、分析問題和解決問題的能力，全面提高學生的創新設計能力、動手實踐能力和綜合素質，培養富有創新精神、實踐能力和合作精神的創新應用型一流拔尖人才。

1. 工程背景

課程教學主題圍繞梁式構件設計分析與制作、柱式構件設計分析與制作、屋蓋結構設計分析與制作、綜合結構設計分析與制作展開，先易后難，由淺入深。以屋蓋結構設計分析與制作為例，首先由工程背景引入教學主體，點明隨著社會的發展需求和工程應用的增大，大跨度結構的需求量逐年增加，這種大跨度結構被廣泛應用于劇場、大型體育館、候機樓、展覽中心、客運站以及各類工業廠房中。這對于我國大跨度結構的發展既是機遇又是挑戰，要充分做好準備，把握發展契機，應對大跨度結構技術的更高要求。

授課過程中，重點教授學生該類結構的荷載傳力過程，學習在大跨空間結構中荷載的傳遞方式及結構簡化計算方式，學生可利用材料力學和結構力學的理論知識對大跨空間結構的內力進行計算，并有針對性地進行模型結構設計。引導啟發學生分析屋蓋結構簡化模型在荷載作用下的內力情況，并根據屋蓋結構各部分內力的大小進行結構的細節設計。

2. 設計思路討論

選用張弦結構作為本次課程的主要講解結構，其受力機理如圖3所示。

圖3 張弦結構受力機理示意圖

3. 師生互動

教師引導學生獨立思考，并讓學生講解自己的想法和思路，從而得到第一則歸納素材，整體感知蘊含的規律，讓學生再舉例分析屋蓋結構設計要點，豐富素材。而后，在小組內討論，并進行簡要總結，匯報小組觀點，其他學生進行糾正，教師揭示準確的結論。

4. 實戰模型制作加載及匯報

學生以小組為單位針對設計的屋蓋結構進行實戰模型制作，具體流程如圖4所示。

圖4 模型制作過程要求及注意點

抽簽隨機分組，3人一組，合作完成模型制作與加載，要求以小組為單位對提交的模型進行加載測試，對制作的模型設計方案、力學性能和制作要點等進行匯報。模型加載采用靜加載的形式完成，所加荷載為屋面全跨均布荷載，荷重用軟質塑膠運動地板模擬。評定標準參考數值模擬結果，模型制作的完成時間、工藝水平、結構的效率比（根據模型的承載力、加載點位移和模型重量綜合評定）等。

最終，教師根據小組模型加載和匯報情況，對每組的結構模型進行點評梳理，進一步提高學生對屋蓋結構的認識，實現對相關結構力學性能的融會貫通。

（二） 模型課教學反思

通過模型課教學，旨在讓學生掌握、理解各類結構模型的力學特點，掌握結構的基本設計思路和模型制作技巧，通過訓練，鞏固和加強對所學結構知識的理解，提高學生對各類結構的設計、計算、繪圖能力。此外，以實際賽題為教學背景，促進學生理解相關賽題的要求和評價標準，正確解決相應的實際問題。然而，模型設計課程也存在些許難點，從知識架構而言，需要學生結合結構力學和材料力學知識，并能熟練應用到模型設計中，涉及知識點較多，如何在知識的生成過程中達到培養學生觀察分析問題的能力及邏輯思維訓練亦是本節課的難點。在求解問題的過程中，培養學生面對困難堅韌不拔的意志品質，鍛煉學生實事求是、敢于批判的大國工匠精神。

四、結語

作為土木工程專業人才實踐能力培養的重要方式和實踐教學的基本途徑，模型制作課程將學生的“平面設計”思維轉化為“三維立體”設計思維。學生通過課程學習掌握了理論知識，加強了實際操作技能，增強了動手能力、創新能力，培養了團隊合作意識和專業綜合素養。“四位一體”教學模式，即課堂教學、團隊研討、上機操作和模型制作有機結合的模型制作課程教學模式深受學生歡迎，通過課程學習增進了師生之間的互動交流，培養了學生的團隊協作能力與個人創新能力，在教學質量、學習效率上都取得了良好的效果，因此，開展“四位一體”綜合教學模式對培養學生的創新和實踐能力具有深遠影響。這也進一步使模型課程成為學生專業學習的重要輔助工具，為學生未來的工作實踐打下堅實基礎。