新工科工程教育体系下特色专业课建设

李岩 张建新 刘举

摘  要：在新工科的人才培养体系下，根据城市地下工程特色专业的工程教育目标和地下混凝土课程的“地下”特点，深入分析讨论了多种培养学生工程应用能力的方法，进而从教学内容、教学方法和考核途径等方面对课程进行了全方位探索和实践。课程建设改革后的学生反馈调查表明：学生对城市地下空间工程的认知理解程度明显提高，具备了一定的分析解决实际工程问题的能力。相关改进措施能够使学生在课程中更好地发挥主观能动性和创新能力，有利于实现新工科体系下的特色专业工程教育建设目标。

关键词：新工科;工程教育;地下混凝土结构;城市地下空间工程;课程建设

中图分类号：G640        文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2021）17-0072-04

Abstract： In the new engineering talents cultivation system， some methods of cultivating students' engineering application ability are analyzed and discussed， by which according to the engineering education goals of urban underground engineering specialty and the "underground" characteristics of underground concrete. Furthermore， the course is explored and practiced comprehensively from the teaching contents， teaching methods and assessment approaches. The feedback survey of students after the reform of curriculum construction shows that： the students' cognitive understanding of urban underground engineering has improved significantly， and their ability to analyze and solve practical engineering problems has also been improved. These measures can mobilize students' subjective initiative in learning this course. Therefore， curriculum construction is conducive to the realization of the special professional engineering education construction goals under the new engineering system.

Keywords： new engineering; engineering education; underground concrete structure; urban underground engineering; curriculum development

在新一輪产业变革和“中国制造2025”等重大国家战略实施的背景下，各类高校的人才培养方向逐渐向培养未来科技创新型、复合型和专业型人才发展，“新工科”建设应运而生，指引着各工科专业的改革方向。

城市地下空间工程专业是国内部分高校于本世纪初在土木工程专业基础上所设立的一门战略新兴专业，该专业的人才基本培养目标为：了解城市地下空间工程专业的发展与动态，掌握城市地下空间工程专业的设计、施工等最新发展的理论与技术，能承担本专业科研或工程生产的能力[1-2]。

地下混凝土结构设计课程是城市地下空间工程专业的专业核心课之一。该课程要求学生在已经掌握混凝土结构的材料性能，以及混凝土构件拉、压、弯、剪、扭等各种受力性能的基本原理及其计算方法的基础上，学习地下混凝土结构的设计计算、结构构造和施工图绘制等知识。因此，本课程是一门理论性与实践性并重的课程。其目标是使本专业学生能够掌握地下钢筋混凝土结构设计的基本原理，具有地下混凝土结构设计的初步能力，为城市地下空间工程专业学生掌握地下工程结构设计和工程实践能力打下基础。

一、传统授课方式的局限性及原因分析

基于“新工科”工程教育体系下的人才培养目标，该课程是城市地下空间工程专业学生将所学基础知识运用到实际地下工程中的关键环节。但在实际教学当中，个人体会该课程的教学目的并未完全体现。主要问题包括：

（一）理论与实际结合不够紧密，工程应用环节内容偏少

该课程中，理论体系复杂、计算公式繁琐、国家和部门规范标准要求众多，很多学生在学习过程中时常感到茫然，学习主观能动性也随之降低。事实上，地下混凝土课程属于实践性和应用性很强的课程，其理论体系与实践经验紧密相连。在教与学的过程中，如果一味地进行理论知识授课，加之脱离实际的灌输，很可能会使学生无法透彻理解地下混凝土结构所阐述的基本知识和基本理论，而无法达到所预期的教学效果。例如，在地下混凝土结构的课程设计中，许多学生由于不清楚基本概念和结构设计原理，只是简单地照搬设计模板，甚至抄袭其他同学的设计，致使设计书和图纸中出现很多明显的原则性错误。

（二）专业针对性体现不明显

地下混凝土结构虽然与地上结构有类似之处，但仍具有很多自身特点。比如：地下混凝土结构配筋计算时会着重考虑开裂影响;地下结构水平荷载以侧向水土压力为主，而地上结构水平荷载大多考虑风荷载;地下结构需要进行基坑底部的抗隆起和抗倾覆验算，而地上结构则较少考虑等[3]。然而，至今未见适用于城市地下空间工程专业混凝土课程的教材出版问世，地下结构工程的特点在本课程教学中并未得到明显体现。

（三）研究性、前沿性内容较少，部分授课内容偏旧

作为毕业之后主要从事地下结构设计和施工的本科生而言，有必要了解当前地下工程界的先进设计方法和施工技术。但目前地下混凝土设计课程中，教学内容仍以传统结构形式和经典解析法计算为主，而对现代地下工程设计领域广泛使用的数值分析方法，课上的讲解寥寥无几[4]。例如，国内外大型基坑工程中广泛应用大直径多层环撑等新式支护结构，但课堂中的支护结构设计实例还局限于传统的悬臂式挡土墙，教学内容显然已不能适应日益复杂的实际工程设计和施工要求。

（四）考核形式较为单一，考核范围主要局限在课本上的内容

考试中试题主要来源于普通混凝土结构教材中的章节习题，如梁板结构和框架结构设计等，而由于目前还没有专门的地下混凝土结构教材，使得考试题目缺乏针对性。另一方面，地下混凝土结构设计是一门实践与理论紧密结合的课程，仅通过考试分数来评价学生的优劣过于主观，而且不利于学生创新意识的培养。同时，学生分析问题的能力、绘制施工图的水平、理解运用规范等综合能力也无法通过简单的考试获得明显提升。

上述问题，都可能影响学生对地下混凝土结构设计知识的掌握、理解和運用。一方面，这与广大教师传统的“教与学”理念有关;另外，我们同样要关注课程的教学内容和教学方法。因此，作者认为深入探讨和改进地下混凝土结构设计课程的教学内容和教学方法具有很现实的研究意义。在此背景下，作者所在的教学团队，从教学内容、教学方法和考核途径等方面，对地下混凝土结构课程进行了持续四年的改进实践，使城市地下空间工程专业的学生通过学习本课程，能够有效提高自身专业能力。

二、课程建设改革内容

（一）改革思路

针对教学中存在的问题，作者所在的地下建筑结构课程组对地下混凝土结构设计课程的教学内容和方法进行了较为深入的研究，力求以问题为导向，对标工程教育标准，找出该课程的“特色”和“亮点”;反复探讨课程理论教学中适当引入混凝土结构相关试验的可能性;优化调整教材内容，提高地下空间专业授课内容的专业性和针对性;尝试在课程中增加施工新技术新方法等内容所占比例，培养学生的创新意识和独立思考问题的能力;改进考核方式，构建以考试为主、多种考核方式并举的学习衡量体系;探求培养学生综合能力的方法，达到培养“应用型”人才的最终目标。

（二）改革的主要内容

在上述思路的引导下，课程组遵循基本教学规律，从课程的教学设计、课堂授课和考核方式等角度进行了全面的探索和改进，课程建设改革思路（见图1）。

课程建设中，课程组主要做了如下具体工作：

1. 突出课程的特色内容。坚持理论紧密结合工程实践的原则进行授课，建立具有城市地下工程特点的教与学体系。一方面，在普通混凝土结构设计的教材基础上，删减部分与地下工程关系不密切、非核心教学内容的章节;另一方面，依托近年来学校地下空间专业毕业生就业单位，课程组老师多方联络资源，提供了许多京津冀区域城市地下工程的相关工程案例作为教学内容。课程组整理制作了近700分钟的工程演示视频，并购置多套地下工程模型教具（见图2），将具有本地区地域特色的地下结构设计、施工案例引入课堂。

例如：在授课中，结合天津地区滨海软土广泛分布的地质条件，增加了软土地层基坑支护结构和地铁盾构区间隧道等结构类型的荷载、内力计算、变形等问题的案例分析和计算例题;向学生介绍复杂地下结构相关工程（天津站后广场地下空间、天津文化中心综合地下工程、滨海新区滨海高铁站（原于家堡站）地下交通枢纽工程等）的设计思路;此外，教学团队还尝试在不同章节的授课中，引入BIM、数值模拟计算等内容，开拓了学生分析解决问题的思路，增强了学生对专业知识的认知度，有利于培养学生的学习兴趣和独立思考解决实际工程问题的能力。

2. 改革教学手段。尝试将理论教学与混凝土结构相关试验相结合，把从向学生传授理论知识的模式由“板书+PPT”模式的灌输定义、公式，逐渐转变到“课堂讲授+试验演示+课后线上辅导”模式的多角度知识巩固体系。理论课程教学完成后，会加入相关的室内或现场实验的内容，有助于学生形象理解设计概念和相关规范，并能够实现主动思考和实践动手能力的共同提高。学生在课上如果有不理解的内容，可在学校教务MOOC平台观看课程回放，还可通过“学习通”学习平台与授课教师直接沟通，教师会及时进行线上答疑。

例如：在“梁板式地下结构”的授课过程中，授课教师在课堂上增加矩形截面梁受力破坏试验的视频演示内容，形象地展现了梁截面受力全过程应力分布及刚度变化情况，帮助学生对该问题进行理解和掌握;同时，带学生走进学校工程实训中心，在试验教师的指导下，由学生亲自操作相应的试验设备，亲身观察结构构件在各类荷载组合作用下变形和裂缝发展与受力变化情况。

3. 改进课程考核方式和评价机制。课程组构建了以结课考试为主，小组讨论和案例分析等多项考核方式并举的考核体系。将结课考试改为“分章节测验+综合能力测试”;考核形式也进行灵活把握，对于不同章节，根据所讲内容不同分别采用开卷和小论文等多种形式进行考核。具体考核内容和考核形式（见表1）。

在考试内容和形式上，把握“地下工程”的特色，力求实现学生工程素养的提高，锻炼学生掌握、理解和合理运用所学知识的能力。在考核评判的机制上，确立了以准确理解基本概念、全面深入分析实际问题、采取恰当计算方法，以及创新性解决思路等基本标准。最后，课程组老师统一对考核中表现出专业应用能力强、具有一定创新性的同学进行综合评定，在教学大纲的框架内对表现优秀的学生给予适当的加分奖励。

三、课程建设改革反馈和改进

课程建设的效果如何，可通过学生工程素养和学习能力的提高得以反馈。通过改革，学生的专业知识得到了提高，创新能力和独立分析问题的能力也有了长足进步，这从考察学生专业综合能力的毕业设计中得到明显体现，本专业毕设指导教师普遍反映：改革后的学生在毕业设计中分析实际工程问题的能力比改革前的学生有了明显提升。2015-2019年，课程组连续对城市地下空间工程专业2012级（改革前）、2013级、2014级、2015级学生进行了地下混凝土结构设计课程学习情况满意度问卷调查分析。通过学生的反馈看，改革后学生对课程的满意程度明显提高，（满意度由改革前的85%提高到改革四年间平均91.6%），90%以上的学生对授课方式和考核方式满意或比较满意。

课程组对调查问卷中选择不满意的原因也进行了统计，选择不满意的原因最多的依次是：缺少专门的地下混凝土结构教材、课程安排时间过紧和考核内容偏难等。课程组秉承持续改进的原则，在后续教学中针对学生反映的问题，从授课内容到讲课方法不断地进行改进和创新。随着本科专业认证工作在本校土木工程专业有序开展，本课程组未雨绸缪，积极向土木工程专业看齐，对标专业认证的教学标准，不断加强城市地下空间工程专业课程教学的过程控制和持续改进，提前采用课程达成度指标进一步量化评估教学效果，为课程建设的持续发展奠定了良好基础。

四、结束语

在当前大力建设“新工科”工程教育体系的大背景下，对于地下混凝土结构设计这门特色专业课，课程组找准自身普通本科高校特色专业的定位，牢牢把握课程的“地下”特色，以问题为导向，进行了针对性的教学改革，制定了切实有效的课程教学和成果评价方案，解决了教学中存在的一些普遍问题，符合本专业学生的学习基础以及社会对本专业的人才需求，初步实现了学生独立思考能力和工程素养的齐头并进。作者提出的教学改革和实践难免有欠妥之处，欢迎各位同仁批评指正。

参考文献：

[1]曹平，王志伟.城市地下空间工程导论[M].北京：中国水利水电出版社，2013.

[2]孙钧.地下结构设计理论与方法及工程实践[M].上海：同济大学出版社，2016.

[3]王树理.地下建筑结构设计[M].北京：清华大学出版社，2015.

[4]王玉.地方本科院校应用型课程建设探究[J].课程教育研究，2018（39）：255-256.