建筑工程计算机辅助设计课程模式的探讨*

李国东 杨海旭 徐嫚

（东北林业大学土木工程学院 黑龙江哈尔滨 150040）

建筑工程计算机辅助设计是建筑工程专业一门重要的专业课，课程以YJK（盈建科）、PKPM等专业软件在工程结构设计上的应用为主要特征，课程知识点多、专业理论运用综合，学生受限于工程经验缺乏在课程学习中存在困难。目前，受限于理论课时的限制，学生以被动学习为主，教师注重讲解软件基本操作命令及结构建模流程，课堂缺少讨论互动，实践课也基本以验证性试验或简单项目的建模分析为主，学生仅能掌握所学软件的基础操作技能，在从事软件与具体的工程问题相关联的工作时手足无措，难以完成综合性强的工程结构设计，在一定程度上影响了课程学习的兴趣。新工科时代及工程教育认证背景下需要全面提升倡导“以学生为中心”的教学理念，针对目前课程中存在的问题，探索基于构架主义教育理论的课程设计和以学生为中心的课堂教学模式，以期实现学生在课程学习中由被动学习向自主学习的改变。

一、课程特点及问题分析

建筑工程计算机辅助设计课程是本科高校及高职院校普遍开设的一门重要的土木工程专业的专业课程，课程对工程制图、工程力学、建筑材料学、荷载及结构设计方法、结构体系、结构抗震等方面的专业知识有较高的要求。课程一般设置4年学制的第六学期或第七学期，学时在24—32课时之间。课程以培训专业软件应用技能为主要目的，课程教学由理论授课和上机实践课两部分组成。理论授课主要让学生了解专业软件中各种程序模块的基本功能及基础软件操作方法，上机实践课是配合理论授课的学生上机实践。受限于课程的目标定位、任课教师的工程能力及经验、课程内容及课程学时分配等多因素的影响，传统的课程教学设计注重课程的“教”，重视专业设计软件原理和操作命令及流程的讲解，软件应用技巧与专业知识之间，尤其是工程问题的联系较弱，软件学习与工程结构设计理论的系统性构架效果不佳，学生课程学习困难，课程的教学体验不好，因此需要在明确课程目标及课程逻辑的基础上探索新的课程形式，通过强化以学生为中心的体验式、探究式课堂学习环节实现课程教学效果的显著提升。

在人才培养方案中，建筑工程计算机辅助设计课程的教学目标是培养学生运用专业设计软件实现工程结构设计的能力，具体的可概况为认知、能力、素质三个具体方面。其中的认知目标包括了解结构设计软件的工作原理，掌握软件的基本命令及操作方法；能力目标是具备较强的应用软件分析工程问题的能力，具备利用计算机软件程序从事工程结构设计工作的能力；素质目标是培养工程师责任感、终身学习等。这类课程本身具备较强的实用性和实践性，在课程内容的组织上除了专业软件相关的基本理论知识点的学习，要融入与软件应用相关的工程场景以及关联的力学、材料、结构设计理论等专业知识，要借助足够数量和丰富内容的课程实践环节巩固学生所学的基本理论，提高利用软件解决工程实际问题的能力。针对课程的教学特点，可以借鉴建构主义教学理论，清晰课程目标的基础上对课程教学的教学设计、实施方案、评价考核等关键环节进行改革。

二、基于支架式教学模式的课堂教学设计

建构主义教学理论是一种注重学生过程控制管理的教学模式，目前在教学应用上有3种实施模式：支架式、随机进入和抛锚式教学模式[1]。建构主义教学理论教学环节的设计和实施时强调以学生为中心，通过情景的设置及任务的引导，让学生在既有的知识的基础上自主实现新知识的构建。建构主义教学理论强调在课程教学活动中重视教师与学生、学生与学生的互动活动，教师可以通过情境性问题的交流和探索，获知学习参与者的状态和感受，学生可以通过情境参与，从自己及参与者的学习经验中获取新知识。其中的支架式教学模式可借鉴至建筑工程计算机辅助设计课程的教学设计中，支架式教学模式认为学生的认知是基于学习的交流和经验的反思而主动构建的，为了实现要先给学生搭建支架，帮助学生理解的特定知识，学生在支架的帮助下能够进行独立的探索，通过交流、质疑、思考等主动行为形成认知，实现课程知识和专业能力的构建[2]。

将建构主义教学模式迁移到“建筑工程计算机辅助设计”课程教学，要依据土木工程专业的学科特点，创造与课程目标相符的教学情景，重视支架式教学模式关键要素的实现。支架式教学模式包括5个过程：搭脚手架、进入情境、独立探索、协作学习和效果评价。在课程教学设计时，开始新课程前教师需要开展学情分析，根据授课内容评估学生对于所要解决的问题和原有能力之间存的差异，也就是掌握建构主义理论中“最近发展区”的关键，并建立基本知识和理论的框架，引导学生利用线上课程平台或学习资料开展课前的自主学习，并将课堂中的工程问题引入到学习情境中。课前，通过课程通告发布学习任务、明确所搭建的知识框架相关的问题。课上，教师通过教学情境的设置和教学流程的控制，对提出的问题开展讨论，并引领学生对相关知识理论进行梳理和分析，帮助学生掌握课堂所构建的知识系统。课后，通过线上作业的测试，巩固重要知识点并进一步拓展课程知识，通过学生自我评价或师生、生生相互评价反馈出课程学习的实际效果，掌握学情并进行课程授课的调整，实现持续改进。

三、课程模式的实施要点

笔者认为，教师在“建筑工程计算机辅助设计”课程教学中进行建构主义教学模式的课程设计时，需要结合课程的特点和建构主义教学理论的实现要素，在教学的实施环节中重视以下问题。

1.明确搭建脚手架的意义

如何根据课程的目标，给学生提供可进一步形成知识和能力的知识框架是课程中支架式教学模式应用的前提条件。课程中的“新知识”是专业软件运行的逻辑原理以及实现软件计算逻辑所必须的操作方法，实现课程目标更重要的是学生已经学习的土木工程方面的专业知识等“旧知识”，限于学生工程经验的欠缺，学生开展课程学习所面临最大困难是庞杂的专业知识“用什么”“怎么用”，课程中“脚手架”的搭建不是给学生提供直通课程知识目标的工具，而是帮助学生筛选出符合课堂活动需求的专业知识。例如，在进行楼板设计主题的课堂学习时，要让学生明确楼板是属于结构体系中的竖向结构体系，要明确楼板传递竖向荷载时的受力特征及内力分布规律，要了解常规楼板设计时的楼板厚度、配筋方式以及构造性的要求。明确了以上知识范畴后，在课程的脚手架搭建阶段，只需要提供给学生结构体系、受弯构件设计理论的知识提纲，让学生通过复习已掌握的知识和理论实现进入新知识领域的“最近发展区”的知识要求。因此，课程中脚手架的设置的意义是帮助学生发现新课程学习的必要性，帮助学生在完整的课程情境中确定学习目标[3]。

2.设计进入情境的流程

实践性是“建筑工程计算机辅助设计”课程的重要属性特征，实际的工程项目为课程情景设置提供了丰富的选择，结合课程目标的课程情景的构建和多次课程情景的衔接是课程情景设计中需要重点解决的问题。在具体实施时，可以以一个具体的工程项目为宏观背景，将需要解决的工程项目中某一个关键的工程问题或重要的设计分项任务作为每次课程的微观情景，具体的教学活动仅需围绕微观场景展开。在实施教学活动时，要根据微观场景与宏观背景的协调性合理设置情景进入的顺序和方式，在实施中最符合认知规律的方法是以项目中结构设计流程中的若干具体问题为导向的情景引入方式。例如，在楼板设计中，通过脚手架的搭建，学生明确了楼板相关的体系方面的知识概念，展现给学生的学习情景是某一个复杂项目的楼板设计及建造的工作流程，通过以下预设的实际问题来实现情景学习的带入。首先，通过展现实际工程中楼板的体量、施工过程、质量及工程问题的图片直接引发学生对理论上设计的楼板与工程项目中的楼板的差异性的思考，在感性认识的基础上逐步开展较深层次的问题的引领。比如，通过楼板传力途径及力学模型的归纳，让学生以专业知识在工程设计中的着手点，通过墙梁柱的体量及实际中对楼板设计条件的影响，引发学生思考力学模型在实际工程中的偏差水平，讨论楼板的荷载的真实来源以及施工、检修等偶发问题的考虑方式以及设计时恒载及活荷载取用的依据等。最后将课程学习的思考上升到专业知识与工程项目的联系性等开放性问题。比如，通过板中弯矩、剪力的分布规律的探究，讨论楼板中下部受力钢筋及支座处受力钢筋的分布特征，讨论保证楼板正常承载要求的钢筋的锚固要求及分布规律等。所有的课程问题未必一定在课堂中解决，课程上无法完成内容可以延展到课外，以作业、讨论的方式由学生自主完成[4]。

3.独立探索和协作学习的设计

建构主义教学模式引入课程的重要目的之一，是要实现以学生为中心的课程教学模式的转变，要在掌控课程流程的基础上赋予学生充分自主学习的空间和时间，让学生能独立地对知识进行探究，掌握相关的知识技能。教师在课程的实验课及课外作业环节上可采用项目式实践教学方法，给学生独立探索的权限和自由。课程的案例式时间教学内容可参考建构主义教学模式，教学以完成综合性较强的工程项目的设计成果为导向，学生根据项目相关的工程条件，用结构设计软件完成建模、分析、校核、优化、绘制结构施工图的全过程。学生可以在设计工作的情境中独立探究工程中的各类问题，通过教师情景框架的搭设和引导，以及项目设计实施的过程中问题的交流、探讨和分享活动，将学习的体验和经验内化为解决复杂工程问题的能力，实现课程学习的自主性、协作性、探索性等高阶的学习效果。项目式教学在实施时，课程给学生提供某一真实项目的所有工程资料，包括建筑图、地勘报告、规范及图集等，在实施项目的结构设计前，教师引导学生解读建筑图、工程地质勘察报告等设计资料，分析项目的技术重难点等帮助学生搭设“脚手架”。通过给定项目的设计目标、质量标准及成绩的评定依据，明确学习的内容和工作目标。通过具体任务的分解及阶段性验收确保学习的合理进度。定期的交流活动和阶段成果分享是保持学生学习的热情和学习效果的反馈重要课程管理措施。在整个课程教学设计中，教师要确保学生项目实施正常运行，其中适时学习指导是必要的，可避免学生在项目实施中遇到困难而导致项目实施的中断以及由此而来的不良的学习体验。另外，要注重课程中项目式学习的特点，学生在独立探究项目时，所考虑的问题各有侧重、解决问题的方法不一而同，通过有组织的项目汇报、成果展示等活动可以建立起相对丰富完整的群体经验，实现相同认知水平下的最佳学习效果，同时有利于激发学生课程学习的兴趣和动力。

4.改变教学评价方法

课程中建构主义教学模式引入后，课程的评价方法要实现结果考核到过程考核的转变。在课程改革前，课程成绩的组成是平时表现成绩10%，实验作业占30%，期末考试笔试占60%。这种评价模式过分关注最终的考试或考查的成绩，无法实现对学生学习过程的评价，不能及时发现课程教学中的问题和不足，难以实现及时反馈学生学习状态。

针对课程教学根据建构主义理论的理论授课及实践课程的教学过程，建立一套以在线课程资源学习时长、在线作业测试、实践性作业评定、笔试成绩为组合的综合性考核方法。考核方式涵盖了课程学习的全教学过程，注重过程性评价。调整后的评价方法，平时成绩占20%，由思考题书面作答、分组讨论表现、线上微课学习学习时长、在线单元测试、在线讨论、作业互评等构成。实验作业占40%，由2次小作业加1次综合作业的考查成绩给出。期末笔试的成绩占40%。

通过课程的教学实践，采用多阶段过程性的考核方式后，尤其是注重学生在线资源应用效率的教学管理后，学生学习的自主性、主动性显著提升，完成综合作业的能力和水平大幅提高[5]。

结语

新工科时代对高校培养的人才提出了更高的要求，土木工程专业的课程目标和课程效果也要与时俱进。从培养学生自主学习、终身学习的意识和能力出发，将构建主义学习理论引入到建筑工程计算机辅助设计的课程中，结合课程的特点对构建主义学习理论与课程的融合方法进行了探讨，给出了课程教学过程的设计思路，给出了基于学习过程管理和评价的课程考核评价方法。教学效果表明，依据构建主义学习理论的课前、课上、课后的教学环节能促使学生开展自主学习和协作学习，项目式实践教学能够激发学生探究工程问题的学习兴趣，在工程项目的结构设计过程中训练了学生专业软件的操作技能，提高了学生运用专业知识解决复杂工程问题的能力，培养了学生的工程师责任心，锻炼了团队协作、沟通交流能力，较好地实现了课程目标。