基于工程能力培养的桥梁工程教学改革探索与实践＊

吴 鸣,熊光晶

(汕头大学土木工程系,广东汕头 515063)

基于工程能力培养的桥梁工程教学改革探索与实践＊

吴 鸣,熊光晶

(汕头大学土木工程系,广东汕头 515063)

工程能力是工程师最重要、最基本的素质之一,也是高等院校工程教育的薄弱环节。高等工程教育必须着力培养学生的工程能力。本文阐述了现代工程能力的内涵,分析了CDIO工程教育理念,在此基础上,从多方面探讨和提出了基于工程能力培养的桥梁工程课程教学改革的途径和方法,可以对国内高校其他类似课程或专业的教学提供一些参考和借鉴。

工程能力;CDIO;教学改革

我国现在是世界工程教育第一大国,工程能力是工程师最重要、最基本的素质之一。如何培养既能综合应用现代科学理论和技术手段,又具备现代工程能力的工程技术人才,是高等院校特别是高等工科院校急需研究解决的现实问题。研究报告表明,我国2005年的60万工程毕业生中只有不到10%适合在跨国公司工作,在走向世界的努力中,我国公司未来10-15年需要75000能在国际化环境工作的领导人才,而现在我们总共只有3000-5000这样的人才[1],主要原因是我国工科教育存在重理论轻实践,重个人学术能力轻团队协作精神及重既有科技轻创新进取的问题,即缺乏学生现代工程能力的培养,因此我们正面临巨大的挑战。21世纪的国际竞争更加激烈,但无论是综合国立的竞争,还是科学技术的竞争,归根结底是人才的竞争,人才问题是关系党和国家事业发展的关键问题。在这样的环境下,我们在工科教学中,如何培养学生的工程能力,培养学生的创新意识和探索精神;如何提高学生在今后的工作岗位上的工作能力,都是值得我们深入研究和探索的教学课题。而国际最新的工程教育理念CDIO,对现代工程教育所要达到的目标提出了系统和全面的大纲要求,并对理念的实施提出了全面的指引。本文根据新世纪工程教育的特点,结合CDIO工程教育理念和土木工程专业《桥梁工程》课程的教学,在培养学生的工程能力方面作了一些思考和实践,以便给国内高校其他类似课程或专业的教学提供一些参考和借鉴。

一、现代工程能力的内涵

所谓工程能力[2],是人脑对事物、经济环境、自然环境这个“大工程”的能动反应,就是在充分掌握自然规律的基础上,要有能够尊重自然、保护自然,合理合法地开发利用自然条件,去完成某项工程,创造出新的物质财富的能力。

从根本上来说,工程能力的内涵包含创新能力、实践能力、研究能力、团队能力、沟通能力、经济能力、管理能力、自学能力和道德能力等许多方面。工程能力是一个整体概念,只具备其中某一方面或某一种能力而缺乏其它方面能力的工程技术人员,不能称其具备工程能力。工程能力还具有鲜明的时代特征,在过去计划经济的年代,一名工科院校的毕业生走上工作岗位后,只要能按照那里一切既定的做法,遵循已执行多年的规程、工艺,把好质量关和安全关,便可以获得领导的赞赏和群众的认可,而用不着去考虑市场与效益、竞争与改革。当今世界已迈入知识经济时代,科学技术突飞猛进,国力竞争日趋激烈,这就要求现代工程技术人员具备“优化”、“团队”、“创新”、“沟通”、“管理”等更高更全面的能力。因此,工程能力的内涵是随着科学技术的发展和社会的进步而不断深化与发展的。

工程能力是工程师最重要、最基本的素质之一,也是当今高等工程教育的薄弱环节之一。因为工程中遇到的实际问题,往往是不确定的,有的甚至还包括未发现的科学,必须用解决工程问题特有的手段和方法来解决。所以,现代高等工程教育必须注重加强学生工程能力的培养,使他们能独立思考各种工程问题,抓住复杂多变的实际问题的主要矛盾,具备工程简化能力,提升以合理、经济、简便的方式解决实际工程的能力及结合实践自我学习、自我完善的能力,使他们成为合格的高级工程技术人才。

尽管工程能力的形成是一个长期积淀的过程,但是,一个人在学生时期最善于接受新事物、新思想,可塑性强,如果这时教师在授课中重视工程能力的培养,就可以取得事半功倍的效果,在大学生的思想深处形成工程素质优势。因而教师要从教育思想上认识到工程能力培养的必要性,把这方面的培养任务纳入整个课程授课计划之中,就能使学生在毕业时具备一定的现代工程能力。

二、CDIO工程教育理念

在当前高等工程教育中,存在着两种需求:一方面,对于毕业生专业技术知识的要求在不断提高;另一方面,越来越多的人们意识到工程人员必须拥有良好的团队能力、系统分析及实践能力,以便适应现代化工程团队、新产品及新系统的开发需求。大学工程课程除了教授学生技术知识外,同时还需要培养广泛的个人、人际与系统构建的能力。学生必须在规定的时间里,综合掌握这些领域的知识和技能。

表1 以能力培养为目标的CDIO教学大纲(压缩版)

CDIO工程教育模式是近年来国际工程教育改革的最新成果,由M IT(美国麻省理工学院)和瑞典皇家理工学院等四所大学组成的工程教育改革研究团队提出、并持续发展和倡导了全新的CDIO(Conceiving–Designing–I mplementing–Operation)即构思-设计-实现-运作工程教育理念和以能力培养为目标的CDIO教学大纲(表1),对工程教育应达到的能力目标作出全面、系统、具体的表述。它以产品研发到运行的生命周期为载体,让学生以主动的、实践的、课程之间存在有机联系的方式学习工程。

CDIO理念是:充分利用大学学科齐全、学习资源丰富条件,以尽可能接近工程实际、涉及技术、经济、企业和社会的团队综合设计大项目为主要载体,结合专业核心课程的教学,使学生在CDIO的全过程中不断地在理论知识、个人素质和发展能力、协作能力和集社会、历史、科技为一体的大系统适应与调控能力四个方面得到全面的训练和提高。即考虑了现代工程能力的培养。

三、基于工程能力培养教学中存在的主要问题

如今的工程师除了要牢牢掌握既有的知识,还必须具备终生学习的能力、不断的更新自己;必须具有良好的交流能力和团队精神;必须具备对本专业、本行业乃至社会、历史、文化、环境等方面的大系统的理解、掌控能力,即所谓的现代工程能力,由于受传统工程教育观念的影响,目前我国在教学中重视课堂理论教学、忽视工程能力培养的教育理念没有得到根本转变;实践教学环节相对薄弱,必要的工程训练条件尚未得到很好保证;专业教师队伍的工程实践经验与能力还不能很好适应学生工程能力培养的需要;学生组织管理能力、研究开发能力、社交能力、口语及文字表达能力较弱,工程意识、效益意识和质量意识不强。此外,对学生学习能力、思维方式、应用能力、创新能力、获取新知识能力、技术情报收集和检索能力重视不够。

作者对我国南方几所重点高校的土木工程专业毕业的工程人员做了问卷调查(发出78份,回收78份),这些人员都从事本专业的工作近10年,涉及到设计、施工、监理、管理、该预算、造价等土木工程的各个领域。调查内容为大学里教师应该着重讲授的内容及注重哪方面能力的培养。具体调查结果见表2。从一个侧面反映了我国在土木工程专业课教学中所面临的问题,即只注重理论教学,而轻视实践教学,课堂教学内容与实际工作严重脱节,以及在授课过程中加强工程能力培养的重要性。

表2 你认大学本科阶段专业课教学中应该着重讲授的内容及应该注重哪些能力的培养

由表2可以看出,有97.44%的被调查人员认为大学里专业课的教学应该注重基本理论、基本原理和基本方法的讲授,而对于一些很深的理论推导等却不需要化太多的课时(10.26%),只需要懂得基本原理和假设就好。相反在专业课的教学中应该特别注重结合实际工程(91.03%)、结合相关规范(84.62%)、结合设计软件(73.08%),同时教学内容应该反映当今国内外最新的前沿知识(93.59%),注意吸收国内外相关的新理论、新方法、新技术。在能力培养方面,分析和解决问题的能力、自学创新能力、交流沟通能力、团队协作能力分别有92.31%、94.87%、96.15%、80.77%被调查者认为应该加强,而这些能力恰恰是我国当前教学中所欠缺的,传统的教学模式难以培养学生分析解决问题和自学创新能力,交流沟通和团队协作能力等工程能力。

基于上面所述,我们选定了体现当今工程教育共识的CDIO国际组织的教学理念来引领现代工程能力的培养,作为我们教改的指导思想,制定了新的培养目标,并在土木工程专业《桥梁工程》课程中首先予以实施和体现。《桥梁工程》是土木工程专业重要的一门专业课,是一门实践性很强的课程,它包括规划、勘测、设计、施工、制造等许多环节,尤其是桥梁构造、施工方法等方面,都需要实践环节作为理论教学的支撑。然而课时少(48课时),没有实习环节是本门课的特点,因而要在教学中贯彻CDIO教学大纲,突出培养学生的工程能力,教学方法的创新显得尤为重要。为此,作者做了一些有益的尝试,以便给其他类似课程或类似专业的教学提供一些参考和借鉴。

四、以CDIO理念引领现代工程能力培养的教学改革实践

围绕工程能力的培养,桥梁工程课程具体的改革内容如下。

(一)细化与分解本课程所需具备的工程能力

以往对工程能力的分析一般都比较粗,如研究能力、实践能力、创新能力等,这种粗线条的能力结构分析既不利于工程能力的培养,也不利于对其科学认定。因此,根据实际工程项目的能力需求,对工程能力进行细化与分解,制成工程能力分解表,确立能力目标与实施途径,为切实培养和提高工程能力奠定良好的基础。

(二)探索工程能力的培养方法与途径

1.转变观念,提高认识,教学过程树立“工程化”的教育思想

在教学全过程中充分体现工程特色,突出实践,强化应用,突出工程教育的主体意识,并做到工程技术教育与工程实践训练并重,切实解决理论教学和工程实践教学的渗透和融合问题。

2.深化教学内容和教学方法的改革

本课程只有48课时,教学内容要能反映工程实际,以满用、够用为度。课程教学以工程为背景,引导学生面向工程,培养学生工程意识和工程思维方式,增加教学中的工程因素、工程内容。建立工程信息库,包括工程照片、工程图片、工程剪报、工程规范、工程案例、工程图纸、工程录像、工程软件等,并将其穿插应用于教学的始终,突出课程教学的工程特色,并通过介绍最新的工程建设成就,激发学生的学习兴趣及对专业和课程的热爱。

(1)加强文献和工程资料在教学中的应用

土木工程专业学生的就业单位集中在设计、施工、监理等部门,工程图纸和设计及施工规范是他们接触最多的东西。学生在学校学习期间培养设计图纸的规范化、专业知识的应用能力、理论与实践的联系能力,不是仅仅依靠短时间的现场实习来实现的,这是一个逐渐积累的过程,需要消化。目前大多数教师在教学过程中仍以教材为主,缺乏知识的拓宽和向实践性转化,仅仅依靠教师在课堂上口头举例子,让学生通过想象来与实际工程相结合。这种教学方式的效果是相当有限的,因为学生毕竟很少去工程现场去观看,实践经验缺乏甚至没有。因此,在教学中充分使用文献或工程资料,供大量的与之相关的工程实践资料,对于弥补上述提到的不足、保证教学效果是一种相当得力的手段,而且可以使所讲的专业知识更加切实、生动、易接受,同时可以提高学生的学习兴趣,培养他们的工程能力。文献和工程资料具体可以分为①竣工资料和图片。教师应收集大量的竣工资料、工程结构及实体图片,包括各种类型的桥梁、桥墩、施工等。在教学进程到了相应内容时,进行适当的穿抽,学生在课堂上就能完成参与实践的过程,将理论与实践结合起来,使得相应的教学内容有一定的拓展。大大提高了该课程的教学质量,深受学生欢迎。②设计图纸和资料。教师应从相关单位或图书室收集这些资料,尽量穷尽各种结构物的类型,融人课堂教学中,让学生熟悉他们的布置,用设计图纸作为主线贯穿整个课程的讲授,这样对所学的知识和内容就不会有零散的感觉,同时拓宽了学生的视野,扩大知识面,使理论知识具体化、实体化,不知不觉中培养了学生的工程能力。③规范和手册。正确使用规范和手册是相当重要的。在工程中我们不能仅限于满足“规范”要求,要根据工程的具体情况来合理使用相应技术指标,在教学过程中,教师可以适当将规范、手册的内容引人课堂,引导学生在学习期间不断地理解,以便今后在工作中切实做到“活学活用”。教师可以在课堂上穿插讲解,这样学生就必须去查阅,才能与讲述内容同步,带动学生扩大知识面,将教材中的知识进行拓展,从而让学生真正能够应对今后在工作中遇到的各种工程问题。④计算或制图软件。由前面的调查表可以看出,由73.08%的被调查者认为在大学专业课的教学中应该结合通用软件,特别是设计部分,针对这一情况,我们应在教学的相应环节中加强学生该方面能力的培养,让学生能熟悉使用现在常用的一些计算软件及制图软件,比如桥梁博士等,紧贴实际,学生不管在毕业设计或工作以后,如果从事这方面的工作将很容易上手。

(2)弘扬学生团队协作精神,培育工程实践能力

根据CDIO工程教育理念对教学方法的启示,一要改变“满堂灌”的教学方式,提倡“启发式”教学,充分利用现代信息技术,将“讲、做、讨论”有机结合,改进课堂教学。教师在授课中应创造条件,制定若干联系实际的“小课题”,将课内、课外结合好,提倡合作学习、小组学习,让学生在讨论中学习,锻炼学生在小组中为自己的学习负责,为小组的成果做出积极的影响。同时让学生在合作学习中交流经验,“做、学结合”,把理论学习与能力培养结合起来。二要研究学生的认知过程,在授课中从基本知识,原理逐步过渡到综合运用知识分析能力,解决一般的工程问题,加强培养学生的综合思维与系统思考能力和用基础理论去解决实际问题的方法与能力[3]。

①以工程实例为主线贯穿教学

针对本门课程的特点,在教学过程中自始至终结合一些学生熟悉的工程来讲,具体可以采用自主研究式学习,启发、讨论式教学等方法。比如讲完每一种类型的桥梁后,笔者都会介绍一些国内外著名的桥梁予以详细的讲解,增加学生的感性认识,巩固这类桥型的结构和构造,并播放一些著名的桥梁的视频,涉及桥梁的规划、设计、施工、管理,鉴定,维修等等,深受学生的欢迎,通过这种教学方式,加深了学生对专业知识的理解,激发了学生学习的兴趣和主动探索知识的欲望,同时也弥补了缺少实践环节的不足。再比如讲到箱型截面时候,首先问学生简支梁桥能否用箱行截面-讨论-为什么-最后我来点评。这样可以启发学生思考,让学生依次上讲台进行简要的分析讲解,或组织全班学生进行课堂讨论,使学生各抒已见,在不同观点纷呈、辩驳、争论、交锋中不仅使学生获得较为全面的知识,撞击出思想的火花,而且培养了学生独立思考能力和分析、解决问题的能力,调动了学生思维,激发了其学习热情,培养了独立思考能力,促进了个性发展,达到了很好的效果。

②加强行为导向教学法在教学中的应用

行为导向作为世界职业教育教学理论中的一种思潮,最早出现于20世纪80年代,此概念在德国首先得到了理解和应用。“行动导向”的职业教育是将认知过程与职业活动结合在一起,强调“为了行动而学习”和“通过行动来学习”,让学生通过“独立地获取信息、独立地制订计划、独立地实施计划、独立地评估计划”,在自己“动手”的实践中,掌握职业技能、习得专业知识,从而构建属于自己的经验和知识体系。它实际上包括任务教学法、项目教学法、角色扮演法、案例教学法、情境教学法、实验法、现代四阶段教学法等多种具体的教学方法,教师应该在授课中根据训练目标的不同而选择不同的教学方法。下面仅以以案例教学法和项目教学法为例:

a.案例教学主要通过案例分析和研究,来培养学生分析问题和解决问题的能力,并且在分析问题和解决问题中建构专业知识。在授课过程中,笔者会列举大量的实际工程案例,比如桥墩,护栏,桥型等(有好的和不好的),让学生结合专业知识来分析、讨论。由于教学中有了具体而实际的案例,所以学生感觉学习过程简单、直观,学习效果明显。这里要特别强调的就是一个案例可以存在多个解决问题的方法,应把重点放在讨论的质量上,而不是讨论的结论上,这样可以更有效地保护学生研究问题的积极性。

b.项目教学是一种将具体的项目或任务交给学生自己完成的教学方法,学生在收集信息、设计方案、实施方案、完成任务中学习和掌握知识,形成技能。其实施的流程如下:第一,明确项目任务。教师提出任务,同学讨论。第二,制订计划。学生制订,教师审查并给予指导。第三,实施计划。学生分组及明确分工,合作完成。第四,检查评估。学生自我评估,教师评价。第五,归档或应用。记录归档,应用实践。笔者准备近期在课程中开展桥梁结构大赛,安排在课外进行,不需占用课内学时,不受试验条件和时间的限制,活动成本低。初步打算用石膏代替混凝土,用钢丝代替钢筋,学生分组在规定的实践内完成配筋石膏桥梁的制作。在项目教学中,学习过程成为人人参与的创造实践活动,注重的不是最终的结果,而是完成项目的过程。学生在项目实践过程中,理解和把握课程要求的知识和技能,体验创新的艰辛与乐趣,培养分析问题和解决问题的思想与方法。通过实际操作,不但可以训练他们在工作中与其他同学协调、合作的能力,还可以充分发掘学生的创造潜能,并促进其个人能力和社会能力得以提高。因此,它可以看作是课堂教学的一种补充和延续,是一种开放的实践教学环节,是土木类专业学生对桥梁结构加深认识理解和进行实践的一次机会,也可以弥补本门课程没有安排实践教学环节的不足。

(3)专题讲座

教师应注意追踪学术最前沿,把新成果、新见解、新观点、新突破不断充实到教学内容当中去,向学生传授最先进的知识,最前卫的观点,最科学的方法,引导学生尽快进入学科前沿。对于桥梁工程课程尤其如此,知识更新速度十分快,在教学中可以结合工程,以专题报告的形式跟同学讲述,比如苏通大桥、杭州湾大桥、米约高架桥,桥梁设计新理念、桥墩的防撞技术等从设计、施工到管理向学生介绍,这样可以拓宽学生视野和知识面,具有时代性,前沿性,增加兴趣。

(三)探寻一种工程能力评价行之有效的机制

参照工程能力分解情况,建立课程工程能力评价考核体系,制定出基本原则、评价指标体系、评价方法、评价等级等,并应用于实际教学过程,对学生的工程能力进行综合、量化考核,便于工程能力培养的实际运行操作,使工程能力的评价有章可循。把工程能力培养、评价与学生成绩考核紧密结合起来,工程能力评价结果与学生最终成绩直接挂钩,唯能力而不唯纸质考试成绩,改变目前应试教育的局面,强调学生纸质考试成绩的同时也强调必须通过工程能力的评价与考核,以此使学生明确学习目标、能力培养目标,保证工程能力培养的有效性。目前本门课程的笔试成绩占70%,我们的目标是降到50%左右。

(四)提升教师工程素质

教师队伍的素质和水平对于教学效果起着决定性的作用。工科教师,不但要求具备扎实的理论知识,特别重要的是应具备一定的工程经验。否则,很难体会到工程工作的真正特点,也就不能在教学中突出工程问题的特殊性,不利于培养学生的工程能力。美国对工科学校的教师要求是:多元教育背景,工程经验,教学的经验和技巧,沟通的能力,学术水平,参加本专业的工程学会或是成为注册工程师[3]。这种教师与工程界的紧密联系,有利于理论与实践相结合,缩短了学校与工程实践的距离。

具体的说,教师除了要系统地掌握所授课程以及本专业其他课程教学内容外,还应该了解相关学科知识,并能结合目前的科研方向,把本专业最新的动态和发展、最新的科研成果引进课堂。因此,教师不断加强学习本学科及相关学科的新知识、新技术,逐步接受CDIO教育、教学思想,主动积极投身与教学改革和科研实践,提高教师的业务水平,才能担负起培养高素质人才的重任。

其次教师在教学中应注意到我国德育教育存在问题(而这也是实现CDIO理念、培养学生工程意识的基础),教学过程中将EIP(Ethics-Integrity-Professionalism)即道德-诚信-职业修养与CDIO进行有机结合,结合当前社会一些热点问题,比如路面早期损坏,造价高,教育学生树立良好的职业道德和科学工程观点。

五、结语

(1)工程能力是工程师最重要、最基本的素质之一,也是高等院校工程教育的薄弱环节。高等工程教育必须着力培养学生的工程能力,应以科学理念为指导,开辟全新的且行之有效的实践途径,全方位、多角度地快速提高学生的工程能力,实现“收集工程资料、建立工程概念、培养工程能力、突出工程特色”的课程教学目标,为社会培养更多能综合应用现代科学理论和技术手段的高素质工程技术人才。

(2)通过《桥梁工程》课程的教学实践,笔者认为基本上达到了以CDIO理念引领现代工程能力培养的教学目的,也深受学生的欢迎。在课程结束后课程学生意见的42份有效反馈中,有19份(45%)认为此次改革很好,比较好的有20份(48%)、只有3份(7%)认为一般,详细见下表3。对于学生的课堂效果评价,学生打出了综合分96.22的高分,而同样的指标系里和学校的平均分分别为90.19分和89.06分。

表3 课程改革问卷调查结果统计

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2010-01-23

全国教育科学“十一五”规划教育部重点课题资助(D I A060144);汕头大学教学改革项目

吴鸣(1975-),男,浙江东阳人,副教授。