土木工程KAQ三維教學模式改革探索

賈蓬 王述紅 康玉梅

摘 要：隨著我國新產業新經濟的蓬勃發展，對工程教育提出了更高的要求。文章針對目前土木工程專業人才培養中存在的問題，基于OBE（Outcome Based Education，成果導向教育）理念，從知識、價值、能力、實踐和創新5個方面，優化教學內容和課程體系，改革傳統教學模式，突出實踐創新能力培養，探索構建了以學生為中心，以成果為導向的“知識（Knowledge）”“能力（Ability）”“素質（Quality）”相結合的KAQ三維教學模式，培養滿足新工科要求的新時期土木工程高素質復合型人才。

關鍵詞：新工科；成果導向；教學改革；土木工程專業；課程思政

中圖分類號：G642? ?文獻標識碼：A 文章編號：1002-4107（2024）06-00? -05

一、引言

當前，我國正推動創新驅動發展，積極實施“一帶一路”“中國制造2025”“互聯網+”等一系列重大戰略，推動新技術、新業態、新模式、新產業的蓬勃發展[1-5]。這些舉措帶來的新經濟發展是國家經濟轉型的關鍵步驟，亦將工程教育和產業發展形成了密切聯系和相互支撐關系。新工科建設是我國工程教育迎接新技術和新經濟發展的重要舉措[6]，對工程教育改革提出了更高的要求。新工科培養的人才相較于傳統工科人才，應是兼具更強的工程實踐能力、創新能力和國際競爭力的高素質復合型人才，懂得將技術、經濟、社會、管理進行融合，對未來技術和產業起到引領作用[1]。因此，工程教育改革迫在眉睫，需要更加緊密地結合國家發展戰略，優化教學內容和課程體系，改革傳統教學模式，使學生具備扎實的專業知識，具備良好的創新思維、團隊協作、跨學科應用能力等綜合素質，為國家培養更多的滿足新工科要求的土木工程高素質復合型人才。

然而，長期以來的教育方式多以教師為中心，即關注教師教了什么，缺少以學生為中心，關注學生學會了什么，是否啟發了學生主動思考，是否激發了學生的內在潛能。土木工程專業是典型的傳統工科專業，需要面對快速發展變化的技術和行業需求，積極應對教學方式變革帶來的新挑戰，尤其需要教學改革創新。為此，東北大學土木工程專業基于OBE（Outcome Based Education，成果導向教育）理念[7-8]，優化教學內容和課程體系，改革傳統教學模式，構建以學生為中心，以成果為導向的“知識（Knowledge）”“能力（Ability）”“素質（Quality）”相結合的KAQ三維教學模式[9-10]，將知識傳授、價值引領、能力提升有機融合，促進學生知識向能力的有效轉化。

二、傳統教學中存在的問題及對策

（一）專業課教學模式單一，理論與實踐教學無法有效融合

相比傳統教學模式，新工科要求工程教育要更加注重學生實踐能力的培養，因此，應充分利用現代教育技術的優勢，將新技術、新工藝有效融入到課程教學中，提高學生學習的主動性、積極性，激發學生的學習興趣，培養學生的動手能力和創新精神。由于土木工程專業的實踐教學易受施工環境、施工條件和施工周期等各方面因素的限制，給與理論課相配套的實驗和實踐教學帶來了較大困難。為此，專業充分利用虛擬仿真技術和信息化平臺，建設虛擬仿真實驗，開展虛實結合的實踐教學，將以往難以在實驗室開展的實驗放在虛擬的環境中開展，從而使學生能夠自主地在虛擬仿真環境中開展高效、安全、經濟的實踐操作，做到理論與實踐相結合、現場教學與虛擬仿真教學相結合。

（二）傳統課堂教學以教師為中心，難以激發學生學習主動性

針對以往課堂教學中學生學習主動性不足的問題，在理論教學方面，教學團隊以學生為中心，采用“線上線下混合式教學+翻轉課堂”的教學模式開展教學，學生可以在課堂外先行學習課程內容，而課堂時間則更多地用于深入討論和解答問題。這種模式激發了學生學習的主動性和積極性，培養了解決問題的能力，激發了學生的潛能。

在實踐教學方面，教學團隊嘗試以“慕課+講授+虛擬仿真訓練+問題學習+研討”的引導式、項目式實踐教學模式將學習與實際問題解決相結合。學生不再是知識的被動接受者，而是在項目中扮演積極的角色，參與項目設計、數據收集、問題分析等過程，這樣不僅增強了學生的實踐能力，還培養了溝通技巧和團隊協作精神。同時，教師的角色不再局限于傳授知識，而是變成了引導者和輔導者，鼓勵學生自己尋找答案，思考解決方案。

（三）課程思政與專業教育不能有效融合

在以往教學過程中，課程思政與專業教育往往難以做到有效融合，存在“兩張皮”的現象，思政案例引入還做不到“潤物細無聲”。因此，教學團隊嘗試將思想政治教育和價值觀引領貫穿于教學課件設計、教材建設、教學模式、教學環節、考核方式、實踐教育等教育教學多環節和多過程。在課件設計和教材建設過程中有機融入思政元素，使教材和課件中的案例、問題、實例等能夠引導學生思考倫理道德、社會責任等問題，培養學生正確的價值觀和社會責任感。此外，還建立了土木工程課程思政虛擬教研室，通過虛擬教研室整合思政教育資源，深入挖掘課程思政元素，注重將思想引領落實到理論和實踐教學全過程，為師生提供學習和交流的平臺；通過與同行、學生的互動，教師也能更好地了解學生的需求，進而根據學生的反饋和問題調整教學的內容和方式。

（四）重理論、輕實踐，學生實踐創新能力不足

土木工程專業要求學生具備較強的工程實踐能力。但在以往專業課教學中，由于受現場實習實踐條件所限，對學生的工程實踐能力訓練不足。教學團隊嘗試從學生進入到專業課學習至畢業答辯的學習階段，采用“四步走”的實踐創新能力培養模式，即學生參加科研訓練、實踐基地實踐、創新創業大賽訓練、多樣化本科畢業設計“四步走”的方式，以校企產學研合作、實踐教育基地實習實踐、大學生創新訓練和大學生創新競賽為抓手，循序漸進培養和訓練學生的創新能力和工程意識，促進知識向能力轉化。

三、教學改革具體舉措

（一）構建現代化、信息化、立體化的課程體系和教學模式

為加強以學生為中心，以成果為導向，充分發揮學生學習的主動性和積極性，教學團隊針對土木工程的課程特點和實踐教學難點，對專業核心課開發建設了具有自主知識產權的虛擬仿真實驗平臺和線上慕課資源，形成開放共享的信息化課程體系。通過采用線上、線下教學相結合的個性化、智能化、泛在化的混合式教學模式，提升學生學習的自由度，激發學生的學習興趣和學習動力，促進知識向能力的轉化。

通過將虛擬仿真實驗平臺和線上慕課資源融入土木工程課程，推動學生獲取知識的同時，培養學生跨學科的綜合能力。學生可以根據自身的學習節奏和興趣，在任何時間、地點進行學習，打破了傳統教學中時間和空間的限制。通過虛擬仿真實驗平臺，學生可以在安全的環境中進行實際項目的模擬，探索不同情境下的解決方案，從而訓練和提高學生的實踐能力和問題解決能力。此外，線上慕課資源為學生提供了廣泛的學習資源，包括教學視頻、互動模擬、在線測驗等，這些資源豐富了學生的學習體驗，讓其能夠更好地理解課程內容。學生還可以根據自己的學習需求選擇適合自己的學習材料，加強薄弱環節，滿足了學生個性化學習需求。

以土木工程專業核心課程“隧道工程”為例，課程在講授深部隧道圍巖的典型破壞現象及發生原因時，學生僅根據教師的描述和有限的圖片，難以深入認識深部圍巖破壞發生的力學原因。但由于深部圍巖破壞失穩現象的實驗室實驗難度大，實驗周期長，實驗設備昂貴，給實驗教學帶來了極大的困難。為解決這一難題，教學團隊利用虛擬仿真技術和信息化平臺，構建了深部應力條件下巖石和隧道圍巖的破壞實驗[11]，再現了實驗過程和實驗現象，使學生能夠在虛擬的環境中親自動手設計實驗方案，完成了在實驗室有限時間內較難完成的真三軸巖石力學實驗和三維地質力學模型開挖實驗。通過虛擬仿真實驗，學生可以直觀地觀察實驗結果，并根據試驗結果調整實驗參數進行重復實驗，分析實驗結果的發生機制，從而深入理解深部三向高應力下巖石和隧道圍巖破壞的力學機制及其特點。該實驗緊密結合隧道工程建設中迫切需要學生掌握和了解的深部巖石力學和隧道力學知識，解決了深部巖石力學和隧道失穩破壞實驗教學的難題，使實驗不再受時間、空間、費用和安全方面的限制，大大提高了學生學習的自由度。在教學過程中，通過采用“線上線下混合式教學+翻轉課堂”“慕課+講授+虛擬仿真訓練+問題學習+研討”的教學模式，將以往學生的被動學習變為主動思考，將固定時間地點學習變為自主在網上學習，激發了學生的學習興趣和鉆研精神。

（二）開展課程思政多角度全方位融入的教學設計

課堂教學是教書育人的“主渠道”。教學團隊通過教學研討，深入挖掘課程思政元素，建立課程思政素材庫，將思政元素融入教學課件和新編教材。在教學模式上，采用啟發式和引導式的教學模式，將課程思政與專業教育相融合；課堂教學中教師通過課堂討論、課堂提問和互動等教學環節，對學生進行潛移默化的思想引領，幫助學生樹立新時代工程技術人員正確的價值觀和責任感；在進行專題討論和專題課堂展示時，教師要求學生就專業問題及專業問題可能造成的相關影響進行討論，引導學生主動思考工程問題與環境的關系、工程問題與附近居民的關系、工程問題與國家發展的關系、工程問題與民生的關系，激發學生作為未來工程師的強烈責任感和敬畏感，潛移默化培養學生看待和解決工程問題的思想高度和眼界寬度，培養學生的主人翁意識和工程責任感。

（三）建立多樣化、個性化、多層次的本科生創新能力培養體系

為培養學生的創新能力，促進知識向能力轉化，嘗試采用以導師制學生科研訓練、學徒制實踐基地實踐、創新創業大賽綜合能力提升、多樣化本科畢業設計“四步走”的實踐創新能力培養方式。鼓勵有科研興趣的學生從課程學習中引伸出研究課題，申報國家大學生創新性實驗計劃項目及本科生進實驗室計劃項目。教師指導學生自主選題設計、獨立組織實施，并進行信息分析處理和撰寫總結報告等工作。部分學生的科研成果發表在了相關學術期刊，或申請了專利。這種方式增強了學生的動手能力、團隊協作能力，以及提出問題、分析問題和解決問題的能力，大大提高了學生的學習科研興趣和創新能力。

通過校企融合，嘗試采用融入學徒制的本科生實習實踐模式。學生深入企業開展實習實踐，參與現場的工程項目；企業指導教師和校內導師采用“基于問題學習”的教學方法共同進行指導，將理論和具體實踐相結合，培養學生運用所學知識解決實際問題的能力、團隊協作能力和溝通能力，同時也增進了學生和用人單位間的相互了解。此外，注重將創新創業教育融入人才培養全過程，通過開設創業基礎課程，建立大學生創新團隊，開展本科生進實驗室和大學生創新訓練項目，參加“挑戰杯”“互聯網+”等大賽，以賽為馬，培養敢闖會創的新工科土木工程創新人才。

在畢業設計階段，結合專業特點和學科特色，考慮學生的個性特征和就業需求，以目標為導向，采用基于設計、施工、科研、創新創業、產學研合作的多樣化本科畢業設計模式。例如，如項目型畢業設計，即畢業設計與實際項目相結合，使學生的實踐能力、創新意識和能力得到充分發揮。實際項目可源于校企合作項目、學生實習單位所承擔的工作任務、指導教師的科研項目、社會實踐項目等；項目開發型畢業設計，即學生根據自己的興趣愛好與專業能力進行設計類相關項目的開發，包括程序開發、軟件開發等；學術論文型畢業設計，即學生依托教師的科學研究項目，開展實驗、數值模擬、物理實驗研究，并撰寫學術論文；創新創業型畢業設計，即學生在導師的指導下，獨立探索或解決實際問題，培養學生的創新和創業能力；技術發明型畢業設計，即鼓勵學生進行發明創造，引導學生通過對實際生活的觀察與分析，培養學生的知識產權保護意識，提高學生的專業能力、實踐動手能力、創新能力和科研能力等。

四、結語

土木工程專業作為典型的傳統工科專業，面對快速發展變化的技術和行業需求，教學內容、人才培養模式和理念、創新人才培養體系亟需改革。教學團隊基于OBE理念，針對以往教學手段單一、教學內容和課程體系設置未有效體現以學生為中心和以成果為導向，學生實踐創新能力不足等問題，以成果為導向，以立德樹人為根本，開展了“德、智、體、美、勞”五育并舉的新工科創新型人才培養模式改革，從課程體系、人才培養模式、創新能力培養體系3個維度進行了教學改革探索和實踐。

（一）以學生為中心，以成果為導向，強化知識向能力轉化。開發了自主知識產權的虛擬仿真實驗平臺和線上慕課資源，形成信息化課程體系。通過混合式教學模式，突破時間和空間上的限制，提高學生學習自由度，激發學生的學習興趣和學習動力，促進學生知識向能力的轉化。利用自主建設的虛擬仿真實驗平臺，解決了實驗教學的難題，使學生能夠在虛擬環境中設計實驗方案，深入理解理論知識。建設的線上慕課資源通過提供豐富的學習材料，滿足學生個性化的學習需求。采用“線上線下混合式教學+翻轉課堂”“慕課+講授+虛擬仿真訓練+問題學習+研討”的模式，使學生從被動學習轉為主動思考，從課堂學習到隨時隨地學習，提高了學生學習的積極性和興趣。

（二）將思想政治教育有機融入教學過程。以立德樹人為本，將知識、價值、能力、實踐和創新貫穿于課程設計、教材建設、教學模式、教學環節、考核方式、實踐教學等教育教學過程。通過建設課程思政素材庫，將思政元素有機融入教學課件和新編教材。在教學模式上，采用啟發式和引導式的方法，將課程思政與專業教育有機結合。通過教師潛移默化的思想引領，幫助學生樹立正確的價值觀和責任感，激發學生對工程環境、工匠精神、工程倫理等的深刻思考。該教學模式不僅培養了學生的主動學習和思考能力，更注重培養學生的主人翁意識和工程責任感，為更好地面對未來工程領域的挑戰做好準備。

（三）以校企融合和創新競賽為抓手，培養學生的實踐和創新能力。采取“四步走”的實踐創新能力培養方式，首先，通過導師制學生科研訓練，使學生在教師的指導下深入研究課題，培養學生的問題提出、分析和解決問題的興趣和能力，激發學生的創新意識。其次，通過學徒制實踐基地實踐，學生深入企業進行實習實踐，采用基于問題學習的方法，培養學生運用所學知識解決實際問題、團隊協作和溝通的能力，促進了學生和用人單位的深度了解。此外，將創新創業教育貫穿整個人才培養過程，通過參加各類大賽培養學生敢闖會創的創新創業精神。最后，在畢業設計階段，采用多樣化本科畢業設計模式發揮學生的實踐能力和創新意識。通過這些實踐創新能力培養方式，學生不僅增強了動手能力和團隊協作能力，還提高了學習興趣和科研創新能力，為學生未來在土木工程領域的發展奠定了基礎。

參考文獻

[1]王明振，高霖.“新工科”背景下3D打印技術在“土木工程結構實驗”課程教學中的應用[J].教育現代化，2018，5（23）：202-206；223.

[2]許國超，竇哲，倪曄，等.新工科背景下生物催化工藝學教改的探索和實踐[J].廣州化工，2021，49（12）：232-234.

[3]商澤進，鄧慶田，李新波，等.基于“新工科”理念的理工基礎學科實驗教學改革設計[J].實驗技術與管理，2019，36（9）：149-150；168.

[4]秦禮章.新工科與工程教育背景下數據庫課程考核評價體系設計[J].興義民族師范學院學報，2022（6）：116-124.

[5]杜毛毛，許斌.“新工科”背景下面向港澳臺僑學生的課程升級建設：以“混凝土結構基本原理”課程為例[J].福建建材，2023（2）：102-104.

[6]胡愛華，李建科，張鵬云，等.“互聯網+實踐教學”范式改革嘗試：以FPGA為例[J].實驗技術與管理，2020，37（4）：181-183；187.

[7]王寶慧，劉倡，王琪皓，等.OBE理念下的機器人產業人才需求調研分析[J].高等工程教育研究，2023（4）：65-72.

[8]姜兆華，古松. 一流專業背景下“土木工程施工與組織”課程的線上線下混合式實踐教學研究 [J]. 黑龍江教育（理論與實踐）， 2023，76（9）：46-48.

[9]王磊.高?？蒲袌F隊領導內隱追隨的維度與量表開發：基于KAQ理論的維度構建方法[J].運籌與管理，2020，29（8）：222-232.

[10]王軍，王和仁，師東菊，等.基于CBE教育理論衛生事業管理人才KAQ培養模式研究[J].中國衛生事業管理，2016，33（7）：538-540.

[11]賈蓬，趙文，王述紅，等.以慕課和虛擬仿真實驗為驅動的“隧道工程”混合式教學實踐[J].中國現代教育裝備，2022（5）：72-74.

編輯/王力

作者簡介：賈蓬，女，教授，博士，研究方向為隧道工程穩定性；王述紅，男，教授，博士，研究方向為非連續巖體力學與工程災害；康玉梅，女，副教授，博士，研究方向為混凝土結構。

基金項目：遼寧省普通高等教育本科教學改革研究項目“以產出為導向的土木工程專業KAQ三維教學模式研究與實踐”；遼寧省研究生教育教學改革研究項目“面向新時期產業創新需求的土木工程專業研究生核心課程教學改革探索與實踐：‘以高等隧道工程為例”（LNYJG2023094）；東北大學本科教育教學改革項目“資源礦業類專業完全學分制改革探索與實踐”（XJGZD202304）