基于CDIO教育模式的基坑与边坡工程课程教学改革研究

杨庆光 刘峰 刘杰 梁斌 唐西娅

［摘 要］CDIO教育模式是当今被广泛采用的一种工程教育模式，其应用价值和应用效果都已经被证实。基坑与边坡工程课程是一门实践性极强的综合性课程，无论是在实践性、应用性还是在创新性上，均符合CDIO教育模式的内涵要求。文章通过课程教学构思、设计、实施和反思与改进，构建适合CDIO工程教育的课程体系，并在课程基本理论教学的基础上，构建实践教学体系和实践提升模块，培养学生对知识的综合应用能力，培养适应社会需求和行业发展需要、具有团队精神的设计人才。

［关键词］CDIO教育模式；教学改革；基坑与边坡工程；土木工程

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 2095-3437（2023）04-0085-03

CDIO是一种被广泛采用和普遍接受的工程教育模式，涵盖产品构思（Conceive）、设计（Design）、实施（Implement）和运行（Operation）的全生命周期[1-3]。该教学模式通过提供与实际工程有机关联的教学情景，促进学生主动进行学习，从而提升学生的专业知识水平、个人专业素养、团队协作精神和工程意识[4-6]。传统教学模式以教师的“教”和学生的“学”为主，但是重点仍然放在教师的“教”上面，忽略了“教”与“学”作为一个有机整体的最基本规律。此外，传统教学方法实践环节效果不够理想，教学方法相对单一，人才培养缺乏探索性和创新性，更不用说培养学生的团队精神和工程意识了[7-8]，因此课程教学改革迫在眉睫。

基坑与边坡工程课程是土木工程专业城市地下工程方向的一门专业必修课。该课程具有极强的实践性、应用性和创新性，而采用传统教学方法难以达到预期的教学效果和教学目标，会影响后续课程的学习和学生今后的发展。尽管笔者在该课程的教学过程中开展过一些教学改革方面的探索研究，但是效果并不理想。本文将CDIO教育模式应用于基坑与边坡工程课程的教学当中，针对该课程教学过程中存在的突出问题，结合工程教育目标和人才培养的办学定位，对基坑与边坡工程课程教学改革展开深入研究，希望对广大土木工程专业教师的教学有一定的参考作用。

一、课程教学改革的必要性

基坑与边坡工程课程作为土木工程专业城市地下工程方向的一门专业核心课程，要求学生在掌握基坑与边坡设计相关基本理论的基础上，根据实际工程问题制订相应的基坑与边坡支护和加固方案，并通过选择合理的岩土物理力学参数，完成支护结构的设计以及施工图设计和绘制工作。根据课程设置的内在关系，要达到该课程的理想教学效果，学生必须完成工程地质、土力学、岩土工程勘察、岩土软件设计和工程制图等课程的学习。但是，由于存在教学任务分配和开课时间安排不一等实际问题，上述课程一般由不同教师在不同学期进行授课，课程之间缺乏必要的联系，严重影响课程教学效果。基坑与边坡工程课程能够有效地将上述课程有机地结合为一个整体，使学生在掌握课程基本理论的基础上，全面提升知识综合应用能力。传统教学模式过于注重教师的“教”，教学中仍然以灌输式教学方法为主，教师和学生之间缺少必要的交流与反馈，因而难以调动学生学习的主动性和积极性。尽管在以往的教学过程中，一些教师也引入过具体工程案例，但是所用案例相对实际工程而言过于简化、陈旧，无法让学生了解最新的一些技术和方法，跟不上行业的发展。这样的教学方法难以培养学生独立思考的习惯和利用所学知识对实际问题进行分析的能力，难以达到人才培养的最根本目的。因此，需要从教师和学生的角度对该课程进行重新定位和重新设计，在引入新的元素来丰富课程知识体系的同时，还需要大力更新教学方法，从而实现由“教”为主向以“学”为主转变。CDIO教育模式能够实现全生命周期的“教”与“学”过程，能够全面提升教学效果，极大地发挥学生学习的自主性和创新性。将CDIO教育模式应用到基坑与边坡工程课程教学当中，不仅可以有效地避免教学过程中师生之间以及课程之间的“失联”现象，使学生在掌握广博的专业基础知识的前提下，进一步提高知识综合应用能力，适应行业发展需要，增强团队协作精神，满足社会对人才培养提出的新要求。

二、课程教学改革的过程

（一）教学构思

CDIO教育模式的第一个环节就是构思，其重点是分析产品设计应考虑的功能、市场需求以及企业生产能力等方面的问题。基坑与边坡工程课程是一门综合性极强的课程，需要针对行业动态，在学生掌握基本理论的基础上，重点培养学生对基础知识的综合应用能力，增强学生的团队协作精神，使学生形成较强的工程意识等。传统的教学方法往往着眼于某一章节的具体教学内容，关注该章节的教学，而忽略了该章节在整个课程中的地位、市场对人才能力培养的要求、教学软硬件现状等方面的问题，从根本上反映出课程教学整体构思的缺乏。根据CDIO教育模式的要求，要在传统教学模式的基础上提高该课程的教学效果，具体可从以下四个方面入手。

第一，重新评估基坑与边坡工程课程在人才培养方面的地位。在培养方案制订环节要充分考虑工程地质、土力学、岩土工程勘察、岩土软件设计和工程制图等课程的内在联系和差异，确定排课的先后顺序和对应的学时分配，尽可能地降低授课内容的重复率，将课程授课内容和要求具体化。同时，通过设计不同的授课场景等方法，争取让学生将需要掌握的内容一次性掌握，而不是通过重复教学的方法達到教学效果。

第二，改进部分课程的教学方法。上述几门课程均为理论与实践并重的课程，为达到基坑与边坡工程课程的教学目标，需要改进其中一些课程的教学方法。例如，工程地质课程教学中心应该逐步向实地考察转移，通过教师教室和现场讲解相结合、典型工程地质地貌的实地考察、师生互动和现场作业的工程地质实习方式，使学生掌握基坑与边坡岩土层类别和分层的判别、岩层产状测量、岩土层剖面绘制等知识和技能。对于土力学和岩土工程勘察课程，可以通过优化教学内容，重点进行土压力计算、边坡稳定性分析、室内土工试验和现场原位测试方面的教学，并要求学生完成常见的室内土工试验和原位测试试验，在试验中学习和思考，从而逐渐掌握岩土层参数的试验和具体取值方法。

第三，培养学生对实际工程案例进行简化并建模的能力。进行基坑与边坡工程设计需要运用一些软件工具，教师应结合工程案例让学生掌握相关软件的应用方法，培养学生对实际工程案例进行简化并建模的能力。工程制图是基坑与边坡工程设计成果表现的重要方式，传统的工程制图教学并未过多涉及基坑与边坡工程的施工图设计内容，因此教师需要结合工程案例，采用实训的方式来强化这方面的教学、示范和练习。

第四，根据实际工程设计教学案例，设计不同的教学场景，引导学生完成工程设计。在课堂理论教学基础上，采用独立和分组研讨相结合的方法，针对实际基坑或边坡工程，通过工程勘察报告识读、基坑与边坡工程支护方案选取、岩土工程参数取值、支护结构设计建模、施工图设计及绘制等环节，完成实际基坑与边坡工程设计，并在该过程中紧扣行业现状，培养学生的自主思考能力和团队协作精神。

（二）教学设计

根据CDIO教育模式可知，教学设计是教学效果实现的根本。传统的教学设计专注于课堂知识点的讲授时间安排、板书设计和多媒体课件制作等方面内容。笔者以往在基坑与边坡工程课程的教学中曾多次尝试将工程案例设计到课堂教学场景当中，但仍然是以教师的“教”为主，未能深入挖掘工程案例的内在价值，并且学生的参与度较低，无法真正地发挥学生学习的自主性和创新性。CDIO教育模式强调理论、实践和团队精神“三位一体”的培养模式，笔者基于CDIO教育模式要求，针对基坑与边坡工程课程设计了如下三个教学模块。

第一，综合能力培养的理论体系模块。根据教学目标，基于项目化教学方法，对课程知识点进行系统分析，并将课程理论知识体系划分为支护方案制订基本理论知识体系、设计参数取值的理论知识、设计计算方法理论知识等模块，针对不同的理论知识模块，采用不同的教学方法，以达到相应的教学效果。

第二，自主学习和探索能力培养的实践体系模块。基坑与边坡工程课程是一门实践性极强的综合性课程，课程教學目标是通过知识的综合应用能力培养来体现的。根据难度分级的原则，遴选适合不同学习阶段的工程实际案例，构建适合逐步提升学生自主学习和探索能力的实践体系模块。根据该课程的特点，将实践体系模块具体划分为工程现场踏勘、勘察资料分析与加工、支护方案比较与选择、支护结构建模与计算和施工图设计与绘制五个模块。

第三，团队协作能力培养的实践提升模块。传统的基坑与边坡工程课程过于强调个人能力的培养，尽管在以往课程设计实践教学环节中多采用分组的方法，但仍然流于形式，对学生团队协作能力的培养效果并不明显。随着我国基坑与边坡工程数量与规模的逐年增加、基坑与边坡设计理念的更新，建设单位对设计成果的要求、设计提交时间等提出了新的要求。因此，为社会培养更多符合市场需求的基坑与边坡工程设计人才，在上述两个模块教学的基础上，设计促进团队协作能力培养的实践提升模块十分必要。通过该模块的教学，可以提高设计团队全体成员参与度，还可以提升设计成果品质。BIM技术由于能够实现建筑全生命周期信息集成，达到提高工作效率和降低成本的目的，已经被广泛应用于国内外建筑行业当中[9]，但是BIM技术在基坑与边坡工程课程中的应用尚处于起步阶段。因此，笔者通过将BIM技术引入实践提升模块，进行实践教学体系提升，在提高设计成果品质的同时达到团队精神培养的目的。

（三）教学实施

传统教学模式是以教师的“教”为主的教学模式，不利于学生自主学习和创新能力的培养。CDIO教育模式有别于传统教学模式，其主要特点是学生自主学习的全生命周期教学模式，但又不完全抛弃传统教学方法。基坑与边坡工程课程教学的具体实施，可通过以下三个方面来展开。

第一，改善传统课堂教学效果。通过多年的研究和发展，传统教学已经形成一整套完整的教学体系，在人才培养方面起到了不可估量的作用。因此，在CDIO教育模式改革过程中，不仅要继承传统教学的优点，也要走出传统教学模式中以“教”为主的误区，促进教师角色的转型，使“灌输式”教学向“启发式”教学转化。因此，可以根据基坑与边坡工程课程的三个教学模块，有针对性地设计一些小试验、小项目、课堂测试和课堂讨论环节，从而改善传统课堂教学效果。

第二，引入任务驱动、案例式和项目化教学模式。CDIO教育模式强调实践环节的重要性，而基坑与边坡工程课程教学与CDIO教育模式的吻合度高，且基坑与边坡工程课程实践体系模块和实践提升模块均建立在实际工程案例的基础上，更加有利于CDIO教育模式的实施。此外，根据工程案例，采用由简单到复杂、循序渐进的方式对工程案例进行不同程度的加工，以任务驱动、案例式和项目化教学模式引导学生参与实际工程项目的全过程，激发学生的学习主动性和探索热情，使学生在掌握基本理论知识的基础上，全面提升基坑与边坡工程设计的基本技能和解决实际问题的能力。

第三，探索基坑与边坡工程设计的新方法，强化团队协作能力培养。随着我国城市化步伐的加快，大型基坑与边坡工程数量与规模与日俱增，市场对基坑与边坡支护方法和设计成果提出了新的要求，而传统的基坑与边坡工程设计方法已经无法满足当前市场对基坑与边坡工程设计的需求。为促进基坑与边坡支护行业的健康发展，切实提高设计团队成员的参与度，课程教学中可以引入BIM技术，对基坑与边坡设计过程进行BIM建模，在传统的基坑与边坡工程设计成果的基础上，实现基坑和边坡工程全生命周期信息集成，在提升设计成果品质的同时，达到强化团队协作能力培养的效果。

（四）教学反思与改进

根据CDIO教育理念可知，教学反思与改进是教学设计中不可缺少的一个环节，也是检验之前各环节效果的关键。对教学构思、教学设计和教学实施效果的综合评价以及必要的反思分析，有助于课程与教学有序和健康发展，培养适应工程发展和社会需求的工程技术人才。评价基坑与边坡工程课程教学效果，需要采用合理的考核方法，建议课程考核成绩包括平时成绩（10%）、课堂理论教学（10%）、基本实践教学（10%）、实践提升教学（10%）、期末考试成绩（60%）五部分，其中期末考试成绩又由卷面考试成绩（50%）和实践设计成果（50%）两部分构成。通过对考核成绩分模块统计分析，明确各模块的分值分布规律，并对之前的模块进行反馈，对教学方法进行调整，从而达到教学反思与改进的目的。

三、结语

基坑与边坡工程课程是土木工程专业城市地下工程方向的一门专业核心课程，其教学目标是培养专业技能扎实、富有团队协作能力的现代基坑与边坡工程设计人才。本文基于CDIO教育模式，从基坑与边坡工程课程构思、设计、实施和反思与改进四个环节出发，优化教育方法，全面提高学生综合知识应用能力，并依托实际工程案例，构建培养适应市场需求、具有自主学习和创新能力的人才的教学模式，以期为土木工程专业人才培养提供借鉴。

［ 参 考 文 献 ］

[1] 董康兴，尹义方，宋微.“CDIO+PBL”教学模式在机电一体化课程教学的应用[J].机械设计，2018，35（S2）：253-254.

[2] 庄宏，陈忠，唐文献，等.CDIO项目式教学研究与设计：以面向工程教育专业认证的工程图学课程为例[J].大学教育，2019（3）：18-21.

[3] 刘杰，唐西娅，杨庆光，等.基于CDIO理念的土木工程专业教学研究[J].大学教育，2021（2）：87-89.

[4] 胡文龙.基于CDIO的工科探究式教学改革研究[J].高等工程教育研究，2014（1）：163-168.

[5] 王钧，赵金友，徐嫚，等.基于CDIO理念的土木工程专业实践教学体系构建[J].教育探索，2016（1）：79-81.

[6] 薛永兵，赵风琴，刘振民.基于CDIO教育理念的应用型本科大学实践教学体系的构建：为激发大学生创新动力的实践教学研究[J].大学教育，2019（10）：176-179.

[7] 高林徐，国强，衣丽芬.CDIO模式下创新型土木工程人才培养策略探讨[J].中国校外教育，2014（24）：17.

[8] 张煜敏，刘振华，崔莹.土木工程专业基于CDIO工程教育模式的优化改革[J].教育教学论坛，2017（23）：124-125.

[9] 张璐.BIM技术应用人才需求调研与分析[J]. 黑龙江工业学院学报（综合版），2018，18（10）：19-23.

［责任编辑：周侯辰］