基于成果导向的实践类课程设计教学创新研究

周晓青 王刚

摘  要：实践类课程设计教学是土木工程专业本科生培养的重要环节。传统的课程设计对手算要求过高，而对电算的要求较低，并且存在两者联系不足的缺点。文章基于工程认证的成果导向教育理念，提出一种实践类课程设计教学新思路。以框架结构课程设计为载体，在原有手算的基础上，增加商业软件电算和有限元编程计算，旨在帮助学生理解电算和手算在基本假定和计算方法上的区别和联系，培养学生对力学知识的深入理解，激发学生对有限元软件的编程兴趣。新思路既能满足用人单位对电算的较高要求，也保证了学生对结构知识和结构概念的掌握。该指导方法已在深圳大学土木工程系实施，并取得了良好的教学效果。

关键词：土木工程；成果导向；课程设计；框架结构

中图分类号：G642   文献标识码：A    文章编号：1673-7164（2024）02-0161-04

在各类教育模式中，成果导向教育OBE（Outcomes Based Education）模式对培养创新人才发挥了非常积极重要的作用［1］。Spady于1981年首次提出了OBE理念，并将“成果导向教育”定义为“清晰地聚焦和组织教育系统，使之围绕着确保学生在未来生活中获得实质性的成功经验”［2］。随后OBE教育理念很快在世界范围内得到了人们的重视［3］。

OBE教育理念是以成果导向为要求的教育目标，以学生能力培养为宗旨的教育理念，以持续改进为机制的质量文化，被认为是“追求卓越教育的正确方向”［4］。而且，利用OBE理论与方法建构起来的成果导向教学模式（Outcomes-Based Teaching and Learning，OBTL），被认为是“一种教育范式的革新”［5］。OBTL主要是通过预期学习结果、教学活动和成果评估三个要素的教学创新应用［6］，来推动传统教学模式在内容和形式上由“课程导向”向“成果导向”转变，进而向“以学生发展为中心、以学生学习为中心，以学习成果为中心”的教学范式转变［7］。

美国工程教育认证协会（A-BET）全面接受了OBE理念，并将其贯穿于工程教育认证标准的始终。英国、加拿大、澳大利亚等国家也都将OBE理念发展成为教育改革的主流理念［8］。用OBE成果导向教育理念引导我国工程教育改革，具有重要的现实意义。近年来，我国的工程教育认证也是以OBE理念为基本前提，基于OBE成果导向教育理念，工程教育认证要求毕业生不仅具有扎实的基础理论知识以及深厚的专业知识，还要具有终身学习的能力，掌握科学的学习方法，具备分析解决实际工程问题的能力，具有良好的团队合作精神，并能使用现代工具，适应社会发展［9］。

一、培养目标、课程体系及课程设计简介

基于工程教育认证的OBE理念教学应专注能力培养，关注学生在本科教育过程中对学习目标的达成。深圳大学土木工程专业本科教育的培养目标是培养掌握土木工程学科的基本理论和专业知识，经过工程师良好训练，基础知识扎实、专业知识宽厚、实践能力突出，能胜任土木工程领域的勘测、设计、施工、管理和科学研究等方面工作，具有创新能力、组织协调能力、团队精神和国际视野、终身学习能力的高级专门人才。

为实现培养目标，土木工程专业本科教育大体上可分为公共基础教育、专业基础教育以及专业知识教育三大部分，如图1所示。三部分循序渐进，构建了完整的教育体系。基础教育为专业知识教育奠定基础，而专业知识教育保证培养目标达成。课程设计是专业知识教育实践环节，是本科实践教学的重要组成部分，是土木工程专业教学的关键环节。课程设计在培養学生建立结构设计的基本知识体系、综合设计能力、分析复杂工程问题能力、应用现代工具以及土木工程施工图表达能力等方面有着非常重要的地位。因此，课程设计实践环节的教学对学生实际能力的培养至关重要。与此同时，土木行业正面临着前所未有的技术改革。在新工科背景下，创新型工程信息化人才匮乏［10］，传统的课程设计模式难以跟上时代发展。为了更好地培养社会需求的人才，确保以学生为中心、确保教学效果、确保学习目标的达成，教学改革势在必行。

“框架结构课程设计”是一门非常重要的必修课程设计，要求学生复习、归纳和总结前期所学专业知识，并基于此完成一栋框架建筑结构的设计。该课程设计是毕业设计的基础，是培养合格的土木工程专业人才的关键环节。其主要任务是通过框架结构设计，培养学生综合运用所学结构设计的理论基础知识和专业技能，掌握钢筋混凝土框架结构设计内容、方法和步骤。设计工作包括设计计算和施工图绘制两部分。通过此设计，学生能熟练使用与结构设计相关的规范、规程、标准图集及设计计算手册［11-15］，能够熟练运用已学的专业知识，完成一栋多层框架结构设计和计算，并绘制整洁明晰且满足规范要求的结构施工图。完善的课程设计可以提高学生分析问题和解决问题的能力，促使其掌握相关结构设计分析软件的操作技能，为学生未来的建筑结构设计、施工、工程管理等工作打下坚实基础。

二、课程设计现状

目前本科教学的课程设计大多仍沿用二十年前的模式。以“框架结构课程设计”为例，学生需要根据任务书的要求进行多层框架结构布置，手工计算荷载及内力，手工进行内力组合和计算框架梁柱配筋。同时要求学生能够根据设计计算结果，绘制结构布置图和构件配筋详图，理解施工图应包含的基本内容和结构制图要求等。尽管近年来课程设计增加了一些计算机的应用，如使用Excel表格完成部分手算工作，采用AUTOCAD进行施工图的绘制，但是模式仍然守旧，主要存在以下问题：

1. 任务书确定的设计任务单一。所有学生均须独立设计一栋五层楼的大学学生宿舍框架楼，给定建筑平面图、剖面图和楼面屋面做法，限制了学生的设计灵活性。

2. 学生间交流不足。每个学生都须独立完成结构布置、手工计算荷载和内力、内力组合及梁柱配筋等，并绘制施工图，缺乏沟通与交流。

3. 设计内容过时、繁琐且单一。一方面，手算内容量大且重复，比如竖向荷载的恒载和活载作用下均需采用分层法计算内力，水平荷载采用D值法计算内力，计算工作量大容易出错，设计过程中常见错误见表1。缺乏比较分析，手算错误难以检查。另一方面，计算机应用能力得不到锻炼，与社会对人才的需求脱节。

4. 设计过程指导略显不足。学生习惯依葫芦画瓢完成任务，对错误缺乏分辨能力，对设计的理解不足，对规范的掌握不足。

5. 考核方式单一。主要通过简单的答辩，检查计算书和图纸确定成绩。除了非常明显的不合理计算和设计结果，指导教师有时候也难以判断手算的正确性。

三、课程设计改革方案

针对上述问题，为了更好地培养社会需要的人才和提高学生解决工程问题的能力，深圳大学对“框架结构课程设计”进行了教学改革，如图2所示。改革内容涵盖结构设计要求、内力计算、内力组合、配筋计算及绘图等。在结构设计方面，允许学生自由发挥，2～3名学生组成设计小组，合作确定建筑图。随后在建筑图的基础上进行结构布置，绘制结构平面布置图；采用PKPM软件进行三维建模设计分析计算和优化；确定手算二维计算简图，计算各种荷载，绘制荷载图。在不同荷载作用下的内力计算方面，增加Python有限元编程计算部分，进行手算和编程计算以及软件计算的分析和比较。手算和编程计算采用二维计算模型，PKPM软件计算则采用二维三维有限元模型分别计算。通过比较分析不同模型和算法，找出手算可能出现的错误，培养学生对力学知识的深入理解，激发学生对有限元软件的编程兴趣。其中，编程部分有限元法分析思路流程图见图3。将矩阵位移法跟有限元法相结合，加深学生对有限元知识的理解，并且通过实际编程训练提高编程能力。内力组合以及配筋方面，分别采用手算和PKPM电算，比较分析两者产生差异的原因。结构施工图绘制方面，要求绘制结构平面布置图和框架立面配筋图、梁柱截面详图。施工图参考22G101图集［14］，需要认真绘制梁柱箍筋加密区、非加密区，连接区以及梁的钢筋截断位置，确保掌握有关规范的构造要求，并且要求跟PK绘制的施工图进行比较，找出其中的错误。

改革后的框架课程设计具体实施方法见图4，具体如下：

1. 修改任务书，明确具体要求和课程设计目标。通过线上线下结合的方式布置任务，讲解要求，并拆分设计任务。除保留原设计任务书的计算内容和图纸要求外，增加电算和编程部分要求，要求学生掌握相关规范、图集和专业基础知识，加强学生理解并遵守土木工程实践相关的法律法规、专业规范、技术规程和职业道德准则。

2. 采用小组分工合作方式完成课程设计。在学生自愿的基础上确定各小组组长及成员，组长统筹协调小组设计工作，组员共同商量具体分工，确保分工合理，工作量相当，并且尽可能涉及较多知识点。

3. 强调过程性指导。指导教师参与设计的整个过程，跟踪每个设计小组的设计进度，课程设计过程中讲解有限元软件，指导有限元编程，激发学生对有限元编程的兴趣。引导学生深层次理解不同计算方法因基本假定的区别而产生的计算结果的误差，并进一步引导学生思考，培养学生对本专业的兴趣。采用线上线下相结合的方式进行答疑，线上采用微信、QQ结合腾讯会议完成指导。整个设计过程由小组组长汇报进度计划。

4. 设计完成后的答辩环节各小组成员均须汇报自己的工作，教师和学生可提问，各组学生互评，教师评分，最终综合计算书和图纸的质量给出设计评分，具体评分标准见表2，从计算书、图纸和答辩三个环节分别评分。

四、实施效果

（一）激发学生对专业的学习兴趣

框架课程设计改革之前，要求每位学生都必须完整计算整个框架，从结构布置，计算简图，水平荷载、竖向荷载的计算，分层法竖向荷载的内力计算，D值法水平荷载的内力计算，到内力组合和梁柱配筋，要求手算的完整性，整体工作量大，时间紧张，很多学生只是跟着模板做，而不去思考，甚至不检查计算的正确性。本研究的教学改革在传统的框架课程设计的基础上结合智能建造班的特色进行改进和修改，尤其增加了采用商业软件PKPM电算和采用有限元编程计算内力的部分，融入了现代信息化技术，激励学生接触前沿领域，让学生不再过于专注手算，提升了学生的认知，激发了学生对专业的学习兴趣。

（二）加强团队合作能力的培养

虽然改革后的课程设计总体难度、广度和深度均有较大程度的增加，整体工作量增加，但是将独立完成改为小组合作完成，个人的工作量减少，重复性工作减少。学生增加了设计的讨论，从建筑图的选择，到结构布置和计算简图，均为组员共同商量讨论后确定，增强了团队分工合作的能力。

（三）电算水平显著提高

在改革之前，由于没有电算要求，部分学生对结构设计软件PKPM的电算仅掌握了皮毛。任务要求改革之后，学生不得不增加電算的比重，从建模、参数输入，中间数据（包括荷载、内力以及组合配筋等）的获取，到整体指标的分析以及具体配筋文件，都要求掌握和理解，因此整体电算水平有了很大的提高。

（四）激发学生对编程的兴趣

因为增加了简单有限元编程的要求，学生用Python编制了简单的二维有限元程序，用于二维框架的内力计算。确定计算简图后施加手算的荷载，然后进行内力计算，并绘制内力图，包括弯矩图、剪力图和轴力图。将矩阵位移法跟有限元法相结合，增进学生对有限元知识的理解，并且通过实际编程训练提高编程能力。

（五）提高计算的准确性

多种方法的比较有利于检查不同方法可能出现的错误。之前大部分学生过于专注于手算，大量的时间用于保证整个手算的完整性，而缺乏必要的检查，有时候因为粗心，有时候因为对概念的理解不足，经常出现荷载和内力以及配筋的计算错误。手算、电算以及编程计算三者的比较要求大大提高了计算的准确性。设计过程中，有学生通过比较PKPM二维荷载和手算荷载的区别找到了手算因粗心产生的错误，有学生发现电算不小心重复计算了作为结构构件的板的自重，电算自动计算的同时又增加了此部分恒载引起手算电算的差距过大，还有学生通过三者弯矩图的区别发现编程计算的过程中梁的刚度输入错误导致弯矩图的形状有明显区别，具体表现在反弯点位置的不合理。通过认真的比较分析，极大地提高了计算的准确性。

（六）加深对力学概念的理解

二维三维的计算假定有可能产生不一样的计算结果，不同的计算方法也会有区别，在分析比较过程中进一步促进了学生的思考。通过对各种方法的区别进行认真比较分析，加深了学生对力学概念的理解。比如有学生发现三维空间计算假定情况下平面内的弯矩不能平衡，指导教师引导学生分析空间作用扭矩产生的原因，增加了对空间变形协调概念的理解；还有学生通过改正错误进一步加深了对所学知识的理解，比如发现了反弯点位置跟梁柱相对刚度之间的影响；通过对手算和电算在梁和柱内力组合和配筋方面的比较，学生理解了手算的局限性，更深层次地理解了电算内力组合种类多的原因和必要性。

参考文献：

［1］ 张敏弟，邱思聪，郑辰，等. 建设创新型工程流体力学成果导向模式教学体系［J］. 高教学刊，2020（03）：104-106.

［2］ Spady W G. Outcome-based instructional management： A sociological perspective［J］. Australian Journal of Education，1982，26（02）：123-143.

［3］ 张武威，杨秀珍，魏茂金. 疫情期间以学习成果为导向的翻转课堂教学创新［J］. 高等工程教育研究，2020（05）：194-200.

［4］ 李志义，朱泓，刘志军. 用成果导向教育理念引导高等工程教育教学改革［J］. 高等工程教育研究，2014（02）：29-34+70．

［5］ Spady W G. Outcome-Based Education： Critical Issues and Answers［M］. Arlington： VA： American Association of School Administrators，1994：1-10.

［6］ Jager H J De， Nieuwenhuis F J. Linkages between total quality management and the outcomes‐based approach in an education environment［J］. Quality in higher education，2005，11（03）：251-260.

［7］ 赵炬明. 论新三中心：概念与历史—美国SC本科教学改革研究之一［J］. 高等工程教育研究，2016（03）：35-56.

［8］ 陆鑫，任立勇. 基于OBE工程教育理念的课程实践教学模式探索［J］. 实验科学与技术，2018（11）：1-6.

［9］ 项长生，李喜梅，乔雄，等. 基于工程教育认证理念的专业导论课教学改革研究与实践：以道路桥梁与渡河工程导论为例［J］. 高等建筑教育，2022，31（03）：142-148．

［10］ 刘占省，李安修，杜修力，等. 新工科背景下融合信息技術的土木工程教学实践创新［J］. 高等建筑教育，2023，32（01）：15-23．

［11］ 建筑结构荷载规范：GB50009-2012［S］. 北京：中国建筑工业出版社，2012.

［12］ 混凝土结构设计规范：GB50010-2010 （2015 年版）［S］. 北京：中国建筑工业出版社，2016.

［13］ 高层建筑混凝土结构技术规程：JGJ3-2010［S］. 北京：中国建筑工业出版社，2011．

［14］ 混凝土结构施工图平面整体表示方法制图规程和构造详图：22G101-1［S］. 北京：中国标准出版社，2022．

［15］ 中国有色工程有限公司. 混凝土结构构造手册：第五版［M］. 北京：中国建筑工业出版社，2016．

（责任编辑：邹宇铭）