土木工程專業課程教學與改革探索

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２０１０年５月５日，國務院印發的《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（２０１０—２０２０年）》指出在高等教育人才培養中，培養理念、質量保障、評估機制、培養模式及社會需求定位等方面亟待提升［１］。２０２１年２月４日，教育部高等教育司印發的《教育部高等教育司２０２１年工作要點》強調，需要分層次和分類別建立高等教育高質量發展評估體系，推進高等教育實現“質量革命”。２０２１年６月２２日，教育部高等教育司印發的《教育部高等教育教學評估中心發布已通過工程教育認證專業名單》強調，當前工程教育中的工程性、實踐性與創新性是高等工程教育滿足國家對創新型工程科技人才的迫切需要。為此，在持續推進“產學研融合”的同時，教育部還聯合多部門出臺了“卓越工程師教育培養計劃”，積極推進“新工科”建設。此外，工程教育專業培養模式也需要與國際接軌。中國工程教育認證協會（ＣＥＥＡＡ）與國際專業認證（ＥＣ２０００）具有一致的通用標準，都要求專業以學生為中心，評估體系都基于產出成果的質量，并且以成果為導向（ＯＢＥ）的教育改革一直強調學生學習需求與課程設置、教育方式等培養環節的契合度。因此專業認證不僅順應了我國目前人才培養的社會需求，更強調了持續改進機制下培養模式的可持續發展性。換言之，專業認證是國際通行的工程教育質量保障制度，是優化我國工程人才培養模式、實現與國際工程教育接軌的便捷通道［２］。目前專業建設的國際認證范式實現了單純知識技能輸送向關鍵能力與關鍵素養提升的轉變，把以學生為中心、適應社會需求導向和持續改進作為理念，根據國際組織（協議）和第三方機構的認證標準，對培養目標、畢業生能力和培養措施提出相應的要求，以開展評估、國際互認和系統認證的方式，達到提升教育質量和推動人才全球化的目的［３—４］。開展工程教育專業認證工作，既有利于我國工科人才與世界人才培養接軌，又為國內工程教育奠定了良好基礎。同樣工程教育專業認證關系著絕大多數工科院校的影響力、人才培養質量、發展狀態等。所以工科院校需要集中優勢資源構建相關認證策略，努力克服認證工作中遇到的各種難題。２０１６年６月２日，我國成為國際本科工程學位互認協議《華盛頓協議》的正式會員，意味著我國培養的工程教育專業學生可獲得國際認證質量標準的“通行證”［５—６］。所以，工程教育專業認證不僅對工科畢業生走出國門有利，同時還能提升學校的專業地位，吸引優質生源。沒有通過認證或者不主動申請認證的專業，其地位將會受到極大的挑戰，甚至面臨消失的困境。我國在工程教育人才培養數量方面有明顯的優勢，但在人才培養質量方面短板同樣突出，尤其是學生的實操能力。從工程教育專業認證現狀來看，我國高校在工程教育人才培養方面存在重理論、輕實踐的現象。而國際本科工程學位互認協議《華盛頓協議》旨在通過雙邊或多邊認可工程教育資格及工程師執業資格，促進工程師跨國執業。這類國際工程教育認證標準為我國各高校人才培養模式的變革提供了新的方向和突破口，也有力推動了我國工科畢業生就業的國際化進程。但正是在此背景下，我國高等院校工程專業的傳統教學理念面臨著嚴峻的挑戰。為此，各高校亟須因地制宜、與時俱進地修訂人才培養方案，使我國培養的工程教育人才達到國際化標準。土木工程作為工程專業的重要組成部分，其專業培養標準能夠反映出工程專業的走向。土木工程專業劃分了很多方向，如橋梁與隧道工程、結構工程、巖土工程、工程造價等；核心課程包括理論力學、混凝土結構設計原理、地基工程、結構力學等；就業單位類型主要有工程建設單位、設計公司、施工單位及質量監督站等。工程教育認證對土木工程專業的基本要求就是培養的土木工程專業學生能根據工程背景的相關知識，科學分析并提出能夠合理解決土木工程專業的復雜工程問題。伴隨著社會工業的發展，工程教育認證對各類工程專業的人才培養都提出了更高的要求。

一、土木工程專業課程教學存在的問題

（一）與產業關聯性不足

國內大部分高校土木工程專業學生的實習方式主要是集中組織學生到工地或實訓基地觀摩、開展室內基礎的驗證性實驗等［７］。在實習教學過程中基礎理論知識與實際問題的結合遠遠不夠，大多數學生很難將基礎理論知識在實際工程中應用和拓展，對產業關注度不夠，或是只關注產業中的某一環節，未能及時對產業熱點研究作出調整。目前，大多數高等院校土木工程專業學生的實習質量偏低，產業關聯性不足。

（二）教學體系與課程內容存在偏頗

專業課教學存在課時量不足、教師授課內容有局限性等問題。比如土力學、基礎工程、擋土結構設計等課程理論性較強，這些課程共有的特點是：概念、內容多；部分概念近似，容易混淆；數學公式推導較多，學生理解較為困難。盡管多媒體課件運用圖片、音視頻等素材，但學生對定義、原理、公式計算等內容學習的參與度較低，難以形成師生互動的高效教學模式。

（三）實驗教學的效果欠佳

多數土木工程的專業課程是理論與實踐并重的，在傳統實驗教學下學生的工程素質和實踐創新能力均不能得到有效的培養［８］。以往實驗教學模式是教師采用演示教學法講解實驗步驟及原理，學生記錄實驗方案，依葫蘆畫瓢，編寫實驗報告。學生無法將所學的理論知識運用到解決工程實際問題之中，也沒有分析講解如何處理問題的過程，學生解決工程問題的能力以及作為工程師的素養自然得不到提高。而且大部分土木工程專業教師在實驗教學方面存在短板，教學形式單調，授課形式也以理論講解為主。尤其是青年教師，他們大多缺乏土木工程實踐經驗，對學生專業實踐能力以及學科素養能力的培養往往力不從心。（四）教學質量評價體系滯后現有的評價考核制度和模式致使學生把考試作為重心，經常會在考試前突擊復習。這不僅對學生自身學業考評難以起到應有的作用，還極易挫傷學生學習的積極性，不利于學生夯實學科理論知識。以寧波大學土力學課程為例，教學質量評價采取平時成績占３０％、實驗成績占２０％、期末考試占５０％的考核方式。學生平時成績由出勤率、課堂表現及作業完成達標率構成。平時成績的組成元素在一定程度上提高授課質量，但卻改變不了個別學生對課堂學習的松懈態度。以往學科考核模式一般采用平時成績占３０％、期末考試成績占７０％的閉卷考試形式。這種考核模式使一些單純以考試合格為目的的學生進行考前集中突擊，如通過死記硬背、考前刷題等方式應對考試，導致學生對基礎知識點的掌握缺乏深度。此外，某些專業課程的理論學分、實驗及實踐學分所占比例差別較大，考核的標準細則還需界定。

二、基于國際工程教育認證標準的土木工程專業課程教學改革

理論講授、實踐操作及生產實習是世界各國高等學校教育中的三個至關重要的培養環節。我國高校在加入《華盛頓協議》后，工程專業認證標準強調培養學生的綜合素質和工程素養，如工科學生的實操能力、實際解決問題能力等。而現有的教學模式不能有效培養學生的工程素養、實操能力［９］。針對這一困境，國內外眾多相關院校出臺了相應舉措予以應對。美國高校除了課堂授課以外，針對各學科特點推出了各種各樣的學科科研項目，以此培養學生解決實際項目問題的能力。例如，麻省理工學院實施了ＵＲＯＰ計劃，即開設了各種學科課題研究項目，鼓勵學生積極參與，學生根據個人能力每周抽出５—１８小時投入這項工作，暑假期間投入的時間更多。這些舉措在提高課堂教學效果的同時，更加夯實了學生工程研究的能力［１０］。但將工程教育專業認證及其成果導向教育（ＯＢＥ）理念與土木工程專業課程進行關聯化、系統化的案例還較少，因而傳統土木工程專業課程要以系統化設計與實施研究為目標，從工程教育專業認證的標準要求出發，以土木工程專業課程實施的理論為支撐，建立教學環節與課程元素之間的內在聯系，進行科學合理的教學改革，助力各高校新工科建設的同時，有效達成教育的育人功能［１１］。

（一）教學理念的改革

１.理論支撐：教學論、課程論對土木工程專業課程教學改革提供支撐建立在眾多教育學理論、心理學理論等基礎之上形成的教學論、課程論，其主要觀點包括：教學可以促進人的發展，學習是學習者主動構建的過程，課程是教和學相互作用的橋梁和紐帶。而現代大學課程分類主要是以分科課程為主，突出不同學科課程的專業性、系統性。因此土木工程專業的教學改革要根據學科教學的特點來規劃，具體課程應該包括能促進社會和個體和諧發展、學生關鍵能力及個性全面發展的內容。基于這些理論而開展的探究式學習、項目式學習等學習方式為土木工程專業學習提供多種路徑。２.認證導向：以工程教育專業認證標準為土木工程專業課程教學改革導向復雜工程問題解決、工程實踐、ＯＢＥ學習產出理念及診斷改進是工程教育專業認證的基本特征。《工程教育認證標準（２０１８版）》對學生的學業能力、培養理念、課程設置、培養目標、師資力量、辦學條件、診斷改進等方面提出了明確要求，并通過匹配專業教師隊伍、課程設置、培養模式、資金支持等方式強調所有課程都應該將“解決復雜工程問題”能力的培養作為教學目標，各類課程應各司其責，共同支撐該能力的達成。《工程教育認證標準解讀及使用指南（２０２０版）》對土木工程專業學生的培養目標提出了具體要求，針對土木工程專業的不同課程設計與實施進行了系統化的研究。兩版認證內容前后銜接，認證標準提高并細化。３.目標達成：立足實際，將土木工程專業課程教學改革目標細化具體課程目標為：通過學習土木工程專業的理論知識，更好地提升學生分析和解決實際工程問題的能力；在實習和試驗過程中把理論知識具體化，促進學生對理論知識的理解和吸收。土木工程專業的課程目標既可與其他課程目標進行交叉融合，又可針對某一課程目標作出相應調整。土木工程專業課程教學改革的實施可以從工程理論、工程實踐、工程法制、工程師培養等方面著手，發掘具有指導意義的課程實踐，因地制宜，為教學改革目標提供切實可行的方案。

（二）教學措施的改革

基于國際工程教育專業認證背景，各高校應積極轉變培養模式，堅持以培養學生的關鍵能力和認證導向為目標進行人才培養方案改革。高校教師要認真履行教育教學職責，依據工程教育人才培養目標和學生發展需求，結合工程問題，改變課堂教學思維，培養學生解決復雜工程問題的能力；結合信息化教學，為建設具有地方特色的土木工程專業目標提供保證。１.轉變教學形式與方法教學內容和教學方式方法應貼近工程項目的實際需要，優化相關課程與工程實踐相關的理論知識，使學生更加全面地了解土木工程專業課程體系。相應的舉措有：借助現代化教學設備和計算機仿真，采用啟發性教學與互動性教學相結合的教學模式；通過實踐作業和自主ＰＰＴ講解，提升學生學習的實效性，培養學生自主探索和創新能力；加強工程現場學習與自主實驗設計環節，邀請有工程經驗的導師講解實際工程情況，并結合土木工程教學中的理論體系進行分析，改變傳統的演示性實驗操作方法，讓學生自主設計實驗方案，給予指導；授課內容穿插日常工程項目案例，豐富學生的感性認識，提升學生的學習興趣。２.改進實驗與實踐教學學校依托巖土力學實驗室探索小型室內試驗，通過增設創新性實驗、減少演示性實驗等方式提升學生的實踐能力。每學期安排學生設計實驗方案，通過小型室內試驗的完成培養學生分析和解決實際問題的能力，并激發學生自主學習和獨立思考的能力。例如，在開展豎向單樁承載力實驗時，可以讓學生去實訓基地直接觀測和模擬操作，引導學生利用基礎理論知識的分析以解決實際問題，并通過現場案例的講解等加深對理論知識的理解，擺脫以往死記硬背、不懂應用的常態。３.探索成績考核機制革新當前學生學業能力測試考核模式，結合實際工作需要側重于考核學生運用所學知識解決實際工程項目的能力。例如，《土木工程制圖》《土木工程施工》等實操課程考核成績為平時成績占２０％、實操成績占３０％、期末考試占５０％。平時成績包括課前任務點完成率、課外作業、日常手算及Ｍａｔｌａｂ軟件編程等。這不僅能幫助學生記住日常所學、鞏固所學知識點，還能提升學生運用Ｍａｔｌａｂ等編程軟件解決實際問題的能力。例如，《基礎工程》和《地基處理》等基礎理論知識授課，教師應提前一周將學習的任務點推送給學生，通過分組合作的形式運用知網、萬方、ｗｅｂｏｆｓｃｉｅｎｃｅ等數據庫進行自主學習并及時匯報學習進展及遇到的問題，這不僅可以提高學生學習的參與度，還能夠提升學生自主學習的能力，改變以往側重套公式計算案例題的考核模式。通過分析和解決實際工程案例，可以提升學生對知識的理解度。教師每個學期可以設計２—４次左右的大作業。例如，結合工程案例的設計與計算，讓學生分組調查研究專業前沿并作出解決工程問題的演講報告等。在期末考試環節中，試卷應根據課程目標設置題型及題量，不僅要考核學生的基礎理論知識，還應適當增加一些解決實際工程問題的實操性題目，達到土木工程教育認證對學生核心素質“５＋７”能力培養的要求。此研究成果可以為其相關專業的教學改革起到示范作用。

（三）教學模式的改革

１.計算機輔助教學（ＣＡＩ）面對傳統的多媒體教學模式造成的教學困境，引入ＭＡＴＬＡＢ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ、Ｓｙｓｔｅｍｖｉｅｗ、Ｌａｂｖｉｅｗ、Ｍｏｄｅ?ｌｓｉｍ、ＳＴＫ［１２］仿真軟件來輔助教學，打造信息化教學環境。對于一些可虛擬化的教學實踐可進行仿真模擬，將理論學習運用于實際操作，不僅可以促進學生對理論知識的理解與鞏固，還能提升學生的實踐操作能力。針對各種復雜的土木工程教學難點可以采用建立幾何模型、設置邊界條件展示其內部原理，將原理結構清晰而富有趣味地展示在學生面前；可以通過旋轉、翻轉、平移調整觀察的視角對工程模型進行理解。通過計算機虛擬仿真對工程立體結構、受力性能及過程進行再現模擬，如混凝土受力過程、鋼結構空間組成等［１３］。通過專業軟件采集數據建模進行相關參數的自動化分析，實現學科理論知識與實操的有機融合，不僅可以降低教育成本，還能夠提升教學效果，為其他地方應用型大學提供參考和借鑒。２.項目化教學項目化教學是以獨立項目為載體、任務為驅動、學生為主體的互動教學模式。由于項目的設計、實施、評價等整個流程由學生完成，故項目教學可充分調動學生學習的主動性、自主性、創造性，實現教師教與學生學的角色轉換，提升學生分析問題、解決問題的能力。因此，教師可將各章節分成若干任務點，并根據教學任務點數量將學生分成若干項目小組實施教學［１４］。將項目化教學引入土木工程專業課程中，教師可以根據教學任務點及相關工程具體實操案例對項目進行設計，然后把項目分解成多個下發至各個小組，最后在教師指導下以各組自評、互評、教師點評相結合的方式進行評價和考核。因此，項目教學法不僅可以提升學生分析和解決問題的能力，還可以培養學生的自主學習能力、實操能力及團隊精神，對于促進土木工程專業教學改革大有裨益。３.混合式教學為進一步提升教學效果，課程教學可以采用線上與線下相融合的模式：教師將教案、講義、教學片段、典型案例、討論、作業等課程資源上傳至超星或學習通等線上平臺供學生課前預習；學生在課堂授課環節對課前學習內容進行充分討論并發表自己的見解，使課堂授課環節實現“需求”導向和有的放矢的結合，充分發揮教師的主導性與學生的主體性，實現線上與線下教學優缺點的互補。任課教師可以通過分析線上平臺的數據，例如典型案例的討論情況、任務點完成的情況、作業完成質量等觀測點調整授課方式和進度。同時，教師還要考慮每個學生對知識接收的差異性，基于線上平臺數據分析有針對性地上傳教學資源，使接收能力較差的學生可重復學習，而對于學習效果相對較好的學生可根據自己的需求選擇部分片段內容進行學習，這樣學生可以根據自身情況及學習風格自主安排學習計劃，增強學生學習的能動性及實效性。４.雙師型融合教學傳統課堂教學模式拘泥于單線性的課堂面授，并不能很好地適應工科專業教學。因此轉變傳統教學模式，尋求理論與實踐雙指導路徑成為工科專業教學的關鍵。通過走訪高校人事部門及問卷調查發現，當前工程教育類專業教師大部分是名校應屆博士畢業生，其學科知識較扎實且具有較強的學術研究能力，但普遍缺乏相關企業勘察、測量、施工等一線實踐經驗。只有少數是從企業引進的，但仍缺乏實際指導經驗［１５］。因此，借鑒國外教育培養模式，吸納一批具有一線施工經驗的工程師及技術人員組建校外教學團隊與校內教師進行雙師型融合教學，實現優勢互補，可以在較短時間內提升教育教學質量及教師專業成長。雙師型課堂在工科教學中的應用將有力推動工程專業隱性知識與顯性知識的轉換，在走出去與引進來的過程中實現理論知識和實踐經驗的雙向傳輸，提升工科學生解決實際工程問題的能力。

三、結論

基于工程教育專業認證標準修訂土木工程專業人才培養方案，從教學理念、教學舉措和教學模式三個方面實施課程教學改革，使人才培養方案既能滿足工程教育專業認證的要求，又可以培養工程教育相關專業學生在實操環境下分析和解決工程問題的能力。對土木工程專業課程進行教學改革，要以學生的關鍵能力和關鍵素養為教育理念，提高實踐課時比重，提升教育教學質量，實現工程教育專業認證標準下學生素質培養要求，構建具有前瞻性、可操作性的土木工程教學體系。

作者:熊勇林 高游 單位:寧波大學