基于项目式学习的工程结构设计创新能力培养

黄 信,李长辉,吴 堃，陈 宇

（中国民航大学交通科学与工程学院，天津 300300）

引言

土木工程专业旨在培养学生从事土木工程结构设计、施工及运维管理的能力。课程体系设置包括基础理论课、专业理论课、专业实践课及专业选修课等课程，通过系统的理论知识学习以及工程实践，使学生掌握工程结构设计知识理论。开展课程建设及课程群建设，对理论课程及实践课程的教学方法、教学内容及教学手段进行改革，可有效提升课程教学水平。陈朝辉等为提高力学课程的教学效果，提出了递进式复合型人才培养模式，包括教师引导、自主学习、研讨探究、综合分析和创新研究等环节。田美灵等通过微信开发了房屋建筑学的教学助手系统，对教学资源、教学考核等进行了模式创新，提高了课程的教学效果。黄信等提出了以项目全过程设计为主线，以工程规范和注册执业资质讲解为补充的课堂教学新思路，提高了课程教学的实践性和工程能力。刘小燕等开展了结构设计课程群建设，对课程群中的课程定位进行了分析，同时介绍了课程群建设成果。刘文斌等以小班教学为特色，提出了通识课程群建设的规划、管理及平台保障机制，探讨了师资队伍建设，通过学生反馈调查，分析了课程群建设效果。

基于课程和课程群建设有效提高了专业人才的培养质量。土木工程专业具有较强的实践性，由于课程学时及工程实践环境等因素的限制，学生解决复杂工程问题的创新能力仍有待提高。

1 结构设计创新能力培养要求

工程结构设计创新能力是培养学生具备结构设计能力，并能够有效结合工程特点，提出适合于工程结构的创新设计方案，同时对结构设计进行优化分析，提高结构设计的合理性和创新性。

为适应我国高质量人才培养的需要，从服务国家战略、满足产业需求和面向未来发展的高度，新工科建设对人才培养提出了高要求，重视学生创新实践能力的培养。人才培养应具备专业扎实的理论基础，同时应具备运用新知识、新技术解决复杂工程问题的创新能力。王岩等通过对比国外四所著名高校的土木建设法规类课程情况，结合新工科建设对课程教学目标、教学内容等方面提出了建设思路和方向。赵红霞等基于新工科视角，提出了开放式实践育人理念，通过建设实验平台及实践基地，以提高工程科学应用能力和创新能力。

工程教育认证评估是衡量专业办学水平的重要标准，工程教育包括以学生为中心、以成果为导向，以及持续改进三大理念，通过建设课程体系，评价毕业要求达成度。专业认证要求对专业进修持续改进，根据专业教学效果和毕业生的能力反馈，不断优化专业培养方案，提高专业育人水平。张丽芳等阐述了毕业要求达成度与课程达成度的逻辑关系，采用问卷调查法等对毕业要求达成度进行了评价。王达诠等基于专业认证的创新人才培养目标，从学习者的建构主义认知发展规律出发，逆向设计了结构力学课程的混合教学模型。

由上可知，提高学生工程结构设计创新能力是支撑新工科建设和专业认证评估的有效途径，是培养高质量人才的必然要求。

2 项目式学习的创新能力培养

项目式学习是通过开展项目方案设计、项目实施及项目学习效果评价等环节，提高学生的工程创新能力。学科竞赛是学生创新能力培养的有效途径，是理论课程和实践课程的有力补充。大学生结构设计竞赛是土木工程专业的重要学科竞赛，通过给定结构体系类型、结构设计加载条件及尺寸约束条件，要求完成模型设计和模型制作，通过模型加载综合评定学生的结构设计能力。由于赛题结合工程实际，结构设计方案创新空间大，所以该项竞赛能够有效提升学生工程设计创新能力。

结合大学生结构设计竞赛，采用项目式学习方法开展工程结构设计创新能力培养，项目式学习的设计创新能力技术路线如图1 所示。

图1 项目式学习的设计创新能力培养技术路线

2.1 项目式学习方案设计

项目教学设计应突出问题导向，结合结构设计竞赛赛题开展项目教学任务书设计，任务书包括结构设计的荷载、场地烈度、使用功能、结构跨度和高度等限定条件。为激发学生的结构设计创新能力，项目教学任务书中对结构布置形式和构件尺寸不做过多限制，允许学生在一定范围内开展自由设计。为引导学生加强对专业综合知识的掌握，项目教学任务书设计应突出对结构力学分析、计算软件应用、结构方案设计等多课程知识的综合运用。

项目方案设计中重视学生的动手能力，锻炼学生的结构计算分析能力和模型制作能力。计算分析能力需要学生根据指定的项目设计条件开展结构方案设计，利用结构设计软件对结构进行受力分析，确定结构及构件布置和具体尺寸。

任务书给出成果评价的评分标准和细则，考核内容包括结构计算分析、实物模型制作、模型加载效果及方案汇报。计算分析和模型制作及加载中重视学生对结构方案设计的创新能力，项目成果综合评定中通过提高创新方案的权重，以突出创新能力的培养。

2.2 项目式学习的实施

制定项目实施中学生的任务流程、进度节点和管控要点。项目以小组为单位，每组3 至4 人，进行自由组队，团队实行组长负责制，锻炼学生的团队协作精神。项目实施过程中主要依据项目任务书中结构形式、结构尺寸和加载方式，指导学生开展结构计算分析、模型制作和方案汇报，重视对学生理论计算和方案设计能力的把关，每周组织讨论会议，引导学生通过项目的实施，运用课本知识提出结构设计的创新方案。

建立指导教师工作职责和管控要求，指导教师对项目任务书中的设计条件进行解读，但不参与具体的结构方案设计，鼓励学生综合运用理论知识开展创新设计。指导教师为学生开展结构分析提供必要的计算软件支持，同时提供结构模型制作的材料和工具。为管控项目实施过程，制定了项目执行管控中学生阶段性的成果要求，阶段性成果包括结构方案汇报、分析计算书及模型制作，指导教师对阶段成果进行点评，及时发现项目实施中出现的问题并给予指导解决。

2.3 项目式学习的评价

项目实施效果评价是对学生的过程性学习与最终成果进行定量评价，并依据评价反馈结果对项目任务书设计内容和项目执行管控方法进行调整，完成项目式学习方案的全方位评估和改进，不断提高学生结构设计的综合创新能力。

根据制定的项目评分标准和细则，结构分析报告、模型制作及加载作为客观评价内容，占总体评价的比重为80%，同时综合评价包括项目汇报、团队协作、方案创新能力以及对课程知识综合运用能力等主观评价，占总体评价的比重为20%，主观评价取多位指导教师评价结果的平均值，从而建立项目式学习的多维度综合评价方法。同时，指导教师对每组方案进行点评，分析各组方案的优缺点，突出不同课程知识在结构设计中的作用，通过理论知识联系实际，提高学生综合运用课程知识的能力。

3 结构设计创新能力培养举措

为进一步提高学生的结构设计创新能力，通过项目式学习的实践，对课程群、科教融合教学及硬件设施等方面建设提出建议。

3.1 课程群建设

课程群是通过对相关联课程的教学内容、教学方法等进行整合，提高课程之间的融合和衔接。为有效提高学生的工程实践创新能力，应形成以主干课程为核心的课程群，课程群应进行教学内容的整合，提高教学内容的衔接性，通过优化课程群的教学内容，有效解决课时和教学内容的冲突。课程群建设应以工程项目全过程设计为主线，突出课堂教学内容对项目式学习的支撑作用。

3.2 科教融合教学

高校教师在从事教学过程中会开展科学研究工作，应利用教师的科研方向拓宽学生的知识面，同时引入最新的研究成果以激发学生的兴趣和专业认同感。另外，应结合教师的科研成果和方法，对项目式学习方案进行优化，在结构设计方法和软件分析中应提倡运用先进分析技术，同时提高学生对软件的掌握能力。

3.3 硬件设施建设

为有效支撑学生工程创新能力的培养，应不断提升专业办学的硬件设施。为了实践课程及项目式课程的有效开展和过程管控，应设置专用的项目式课程教室，为项目团队提供必要学习空间。同时，为有效提高项目实施效果及考核，指导教师应购置或自制模型加载设备，并提供模型的加载场地。

4 结论

新工科和专业认证均对创新型人才培养提出了高要求，为提高工程结构设计的创新能力，基于项目式学习方法开展了工程结构设计创新能力培养实践，介绍了项目式学习方案的设计、项目实施及管控，以及多维度综合评价，同时针对课程群建设、科教融合教学及硬件设施方面提出了相应的举措。