“新工科”理念下的“地下结构设计”教学模式探索

黄博 王昌胜 杜怡韩

[摘 要] 以“新工科”建设理念为指导，对“地下结构设计”课程的教学模式进行了探索，形成了以“短视频”辅助教学、工程设计案例教学、启发式教学和串联前序后续课程教学为主的教学模式。经过两轮的教学实践，课程目标总体达成度分别为0.7633和0.7618，取得了较好的教学效果，相关教学经验能够为同类院校新开该课程提供一些有意义的参考。

[关键词] 地下结构设计;教学模式;新工科;工程实践

人才是发展壮大新经济的首要资源，但许多新经济企业都反映人才难求，最根本的原因是高校毕业生的学用脱节问题，因此提出了面向社会生产活动培养人才的“新工科”建设任务[1]。对于土木工程这样的传统工科专业而言，“新工科”建设的要求就是改革现有的培养模式，提高学生解决实际工程问题的能力，使之适应社会发展需求。

为了迎合“新工科”建设这一契机，学院土木工程专业新增了城市地下空间工程方向，新方向的所有专业方向课都需要按照“新工科”的建设要求开展，“地下结构设计”就是其中之一。由于地下结构涉及面较广，课程涵盖的专业知识较繁杂，采用何种教学模式能有效提高学生对实际工程的认识、让学生掌握相应的结构设计方法，是值得研究的问题。

宋洋等[2]在“地下建筑结构”的课程教学中利用项目驱动的方法，让学生参与设计，变被动讲授成主动学习，也让教学更贴近实际工程。鲍先凯等[3]认为多媒体教学有助于学生理解地下建筑的概念，但需要合理使用，同时提到了案例教学对于本课程的重要性。钟祖良等[4]在本课程教学中注重引入近年来的工程实例，启发学生主动学习，认为部分课本内容与实际工程脱节，需要教师结合相关规范和实例拓展讲解。吴月秀等[5]在本课程的教学中采用了视频、多媒体等多种教学手段，并且介绍了与课程相关的数值计算软件，帮助学生提高计算能力。徐平等[6]在教学中采用了多媒体教学、案例教学、实践教学等多种教学模式，对课程考核等环节给出了自己的建议。

结合“新工科”建设理念，本文主要围绕“地下结构设计”课程的教学模式进行探索，介绍了开设本课程以来逐步形成的教学方式、方法以及取得的一些经验，旨在为同类院校开设本课程提供一些有意义的参考。

一、课程目标的设定

以专业培养方案为基础，“地下结构设计”设置了3个课程目标：（1）掌握地下建筑结构的概念、不同的地下结构类型及其作用。（2）理解并掌握地下结构的荷载计算方法，以及荷载—结构法、地层—结构法等结构计算原理，理解并掌握地下结构的设计程序和内容。（3）理解并掌握浅埋式结构、地下连续墙结构、盾构法隧道结构等常见地下结构的设计内容和设计方法，能够独立地进行常见地下结构的设计。

3个课程目标与本专业毕业要求、学习成果指标点的对应关系如下：课程目标（1）对应“毕业要求1.工程知识”，具体的学习成果指标点为“1—3掌握专业基础知识，具备解决复杂土木工程问题能力”。课程目标（2）对应“毕业要求3. 设计/开发解决方案”，具体的学习成果指标点为“3—2能够设计满足安全、绿色、经济和高效等要求的结构、构件或施工流程”。课程目标（3）对应“毕业要求4.研究”，具体的学习成果指标点为“4—2能够基于科学原理并采用科学方法，对结构、构件、施工工艺制定设计方案”。

课程目标的设置是按照层层递进的原则，从基本概念的理解到设计理论和方法的掌握，最终到能够利用所学设计方法进行独立的设计工作，可见课程目标（1）和（2）是基础，而课程目标（3）的达成度直接地反映学生解决实际工程问题的能力，是最为关键的课程目标。

二、课程教学模式的探索

（一）“短视频”辅助教学的应用

由于“地下结构设计”涉及较多的结构形式，例如地下闭合框架结构（地下通道、地铁车站）、盾构隧道、沉井等，导致知识面较广、设计理论相差较大、设计方法也多种多样。由于只有48学时的理论课时，传统板书无法满足课程进度要求，也无法形象地展示地下结构的结构形式，因此需要多媒体教学手段輔助。

传统的课件教学常常由于翻页快导致学生跟不上进度，因此，本课程采用了“短视频”的方式辅助教学。“短视频”主要包含两种：一种是线上视频资源，主要内容为各类地下结构的介绍，帮助学生建立相关概念，对地下结构形式有初步了解;另一种是自制“短视频”资料，用于向学生拓展一些设计院工程案例的介绍以及对课本重点知识的回顾，一方面帮助学生进一步了解所学知识和具体设计工作之间的联系，另一方面帮助巩固所学理论知识。

“短视频”时间宜控制在5分钟内，学生容易接受、能够完成学习，较长的视频可以分成多个视频分次发给学生，避免时间过长导致学生失去学习兴趣。“短视频”的展示，不宜占用上课过多的时间，大部分的视频均通过学习通平台提前分发给学生学习，这样也便于保存、学生查看和学习情况的统计。

（二）工程设计案例教学

采用工程设计案例教学对于本课程而言是必要的，一方面由于本课程内容相比于其他专业课，更贴近于毕业后可能会从事的设计工作，所以有必要在设计各类地下结构之前，让学生通过案例先了解要做哪些工作，包括设计理论、设计内容、设计过程及构造要求等;另一方面，课本由于篇幅限制基本上没有具体的设计案例，仅会有针对单一知识点的例题，不利于学生串联主要知识点、掌握设计流程。

因此，在课上和课后学习的自制“短视频”素材中，展示了近年合肥、济南、南宁等地的地铁车站的设计图纸和相应的计算书，以具体的工程设计案例让学生了解实际工程中的设计流程和形成的设计文件，建立学习相关知识的框架体系，再在此基础上深入学习设计理论、计算过程、构造要求等具体内容，能够取得较好的教学效果。尤其在学习地下结构构造要求方面，案例教学有较明显的帮助，构造要求在课本上往往都是分条叙述，脱离工程案例的直接讲解学生是很难完全掌握的。设计案例能帮助学生对地下结构各构件尺寸、内部配筋形式等建立初步印象，有助于掌握具体的构造要求以及后期独立地开展设计工作。

（三）启发式教学

能够独立地进行地下结构设计是课程的最终目标，那就要在教学时注重启发式教学，不能一味地灌输知识，让学生掌握“要设计哪些内容” “要怎么样开展设计”“要符合哪些设计要求”等，鼓励学生自主查询规范、课本等资料进行设计。

地下结构设计最复杂的一部分内容就是弹性地基梁相关的计算，牵扯到大量三角函数、方程组的计算，全靠手算既费时又费力。因此，上课时教师演示了利用Excel软件编辑简单的计算表格辅助计算的过程，鼓励学生自己编制表格验算结果的正确性。最终，就有学生编制了一张完整的用于地下闭合框架结构内力计算的表格，反映出了这名学生已经完全掌握了这一计算过程，并且编制过程与同学积极讨论，带动了整个班级的学习氛围。在之后的每届学生中，总会有这样的学生出现，启发式教学对于提高学生学习的积极性和本课程的授课效果发挥了至关重要的作用。

（四）串联前序后续课程教学

本课程前序课程为“城市地下空间设计”，后续课程为“岩土工程数值分析”，前序课程主要讲授地下结构建筑方案的设计，后续课程主要学习地下结构相关计算软件，联系非常紧密。在本课程讲授过程中，需要串联前后两门课程，让学生的专业课学习形成体系，这样也为学生独立开展实际工程设计工作奠定基础。

尤其是后续课程“岩土工程数值分析”涉及的SAP84软件是毕业之后从事地铁车站等地下结构设计工作的常用软件，因此“地下结构设计”授课时，教师会提前介绍相关软件，着重介绍与本课程计算理论方面的联系，让学生明白现阶段的手算与随后要学的软件计算之间的关联。教师通过“短视频”的方式在课下向学生介绍软件的基本操作，主要用于本课程手算的校核，一方面提高了本课程的授课效率，另一方面也为后续课程的学习奠定了基础，更有利于学生在校园内尽可能全面地掌握相关软件，缩短与毕业后工作之间的“距离”。

三、考核方式和课程目标达成度的计算

（一）考核方式

在“地下结构设计”的授课过程中，教师给出的平时成绩主要依据出勤表现、平时作业和以闭合框架内力计算为主要内容的大作业，目标分值分别为40分、30分和30分，平时成绩总分100分。

期末考试以分析题和计算题为主要题型，分析题主要以近年来发生的一些事故为例，比如地下室上浮、结构构件开裂等问题，让学生根据专业知识分析产生原因和应对方法，也有针对一些错误设计案例的分析纠错题;计算题主要考核荷载计算、抗浮验算等相对简单的计算。期末考试不再直接考查需要“死记硬背”的概念等内容，而是将其融合在分析题中，让学生学会利用所学知识分析常见工程问题，也不考查复杂的计算问题，而是将其放在后续课程设计环节，更容易让学生理解和掌握计算方法，把课程知识真正做到融会贯通。

学生最终成绩平时成绩占30%，期末成绩占70%。

（二）课程目标达成度的计算

各个课程目标的支撑环节已经在教学大纲中确定，具体为：出勤表现和期末考试支撑课程目标（1）;平时作业和期末考试支撑课程目标（2）;大作业和期末考试支撑课程目标（3）。这样的对应关系主要考虑学生出勤多与少直接反映学生对于课程的态度，也直接影响学生学习本课程基础知识的质量，因此将其对应最基础的课程目标（1）;平时作业相对容易，基本上是围绕土压力、岩石压力等荷载计算的问题，因此对应课程目标（2）;大作业以闭合框架内力计算为主要内容，难度相对较大，主要让学生通过作业理解具体某一种地下结构的设计方法，因此对应课程目标（3）。

计算课程目标达成度时，首先将每个学生的平时成绩按照3个课程目标分别统计、求平均值，平时成绩平均值记为A，平时作业为B，大作业为C;再将每个学生的期末考试成绩按照3个课程目标分别统计、求平均值，分别记为D、E、F，相应目标分记为D0、E0、F0，则D0+E0+F0=100。

课程目标（1）達成度为（A/40）×0.3+（D/D0）×0.7，记为R1;课程目标（2）达成度为（B/30）×0.3+（E/E0）×0.7，记为R2;课程目标（3）达成度为（C/30）×0.3+（F/F0）×0.7，记为R3;课程目标总体达成度为（A+B+C）/100×0.3+（D+E+F）/100×0.7，记为R。通过以上方法得到了过去2年本课程的课程目标总体达成度分别为0.7633和0.7618，其中最为重要的课程目标（3）达成度分别为0.7697和0.8190，达成度较为理想。

四、存在的问题及持续改进

在两轮的教学中，虽然课程整体达成度较好，但是也发现了一些亟待解决的问题，需要及时总结、分析原因，并提出持续改进的措施。

（一）主要存在的问题

1.在第二轮考核中发现，课程目标（1）的达成度不足0.7，明显低于其他2个课程目标的达成度，反映出部分学生对于一些基本概念的理解不够透彻，但却能较好地完成相关的设计计算。这就说明，这些学生存在机械式的记忆行为，能将设计过程牢记，但却忽略了其背后概念和理论的深入理解。

2.串联前序后续课程的教学过程中，发现部分同学对于前序课程“城市地下空间设计”的主要知识点遗忘较快，掌握程度不足，导致无法很好地理解本课程知识的用途，说明在前序课程的授课过程中，学生尚未建立其学习城市地下空间工程方向专业课的知识框架，对前序课程的内容和与后续课程的关联理解不足，成了学习后续课程的障碍。

3.平时成绩占比有待提高，目前的比例还是主要看重期末考试成绩。此类设计课程的学习功在平时，例如平时成绩中的“大作业”较能考查学生掌握知识的程度和应用知识的能力，作业中出现的问题能够通过课上或课下与学生进行交流，较好地反馈给学生。而期末考试时间较短，能反映的问题有限，考完试很多学生都不再过问，试卷中出现的问题难以反馈给学生。

（二）持续改进的措施

1.在日常教学中重视經常回顾基本概念和原理，随机考查学生的掌握程度，同时考虑在今后计算部分考试中，加入对于公式的解释或者考查其推导过程，不再仅仅简单地考查计算能力。

2.注意前序后续课程授课教师之间的交流，共同商讨联系较为紧密的专业课的教学大纲和授课计划，让每门课在教学中都注重串联前序后续的专业课程，帮助学生更好地建立完善的专业知识体系。

3.拟在下一轮考核中将平时成绩占比调整至40%，加大在平时对设计“大作业”的考核和讲解，让学生真正做到“功在平时”，同时考虑在考后增加考试问题反馈的环节，对出现问题较多的题目进行集中讲解，让学生知道自己在本课程学习中存在的问题，并及时纠正。

五、结语

“地下结构设计”课程在教学过程中以“新工科”理念为指导，形成了以“短视频”辅助教学、工程设计案例教学、启发式教学和串联前序后续课程教学为主的教学模式，在两轮的教学中课程目标总体达成度分别为0.7633和0.7618，最为重要的课程目标（3）达成度分别为0.7697和0.8190，取得了较好的教学效果。相关教学经验总结如下：

1.“短视频”辅助教学能够帮助学生在课上和课后加深对相关知识的理解，能够让学生更全面地了解毕业后可能从事的设计工作，但需要注意控制视频时长，不宜超过5分钟，以免学生失去学习兴趣。

2.必须引入近年来的设计案例用于教学，能够帮助学生建立学习相关知识的框架体系、串联本课程的主要知识点、掌握设计流程。

3.启发式教学是关键，鼓励学生自主查询规范、课本等资料进行设计，学会利用现代化工具解决复杂的计算问题，能够让学生更好地掌握设计方法，提高学习效率。

4.串联前序后续课程教学，能够让学生的专业课学习形成体系，为学生将来独立开展实际工程设计工作奠定基础。

参考文献

[1]吴爱华，侯永峰，杨秋波，等.加快发展和建设新工科 主动适应和引领新经济[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“项目驱动与主动探索”课程教学模式构建研究——以“地下建筑结构”课程为例[J].教育教学论坛，2018（4）：183-184.

[3]鲍先凯，张春梅，王英浩.地下建筑结构课程教学模式改革[J].中国冶金教育，2014（6）：31-32.

[4]钟祖良，王婷，刘新荣，等.地下建筑结构课程教学模式探讨[J].科教文汇，2018（9）：75-76.

[5]吴月秀，刘泉声.浅谈高校“地下建筑结构”课程的教学改革[J].科技信息，2013（4）：139+134.

[6]徐平，蔡迎春.地下建筑结构课程教学模式探讨[J].高等建筑教育，2010，19（4）：74-77.