摘要：基于CDIO工程教育理論，通過分析鋼結(jié)構(gòu)課程傳統(tǒng)教育與工程應(yīng)用間存在的問題，提出鋼結(jié)構(gòu)課程教學(xué)改革的思路。強(qiáng)調(diào)課程理論與實(shí)踐的聯(lián)系，在教學(xué)目標(biāo)、內(nèi)容設(shè)置、考核方式等方面進(jìn)行改革，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)探究、分析解決問題，以達(dá)到培養(yǎng)合格鋼結(jié)構(gòu)工程師的目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu)；CDIO；教學(xué)改革

中圖分類號(hào)：TU7；G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1005-2909（2013）02-0095-03

鋼結(jié)構(gòu)具有強(qiáng)度高、自重輕、抗震性能好、節(jié)約基礎(chǔ)造價(jià)、施工周期短、工業(yè)化程度高等優(yōu)勢；同時(shí)鋼結(jié)構(gòu)建筑具有良好的空間感。相對(duì)傳統(tǒng)的混凝土結(jié)構(gòu)，鋼結(jié)構(gòu)有利于節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境。近年來，隨著中國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展和綜合實(shí)力不斷提高，鋼材產(chǎn)量逐年遞增，這一切都促進(jìn)了鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)業(yè)的快速健康發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)在建筑中的應(yīng)用越來越廣泛。

鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展對(duì)工程技術(shù)人才的專業(yè)知識(shí)和能力提出了更高要求。鋼結(jié)構(gòu)課程本科教育發(fā)展過分強(qiáng)調(diào)知識(shí)的理論深度和系統(tǒng)性，而忽略了課程理論與實(shí)踐的聯(lián)接。在課程教學(xué)中，雖然在大綱中已經(jīng)采取以“知識(shí)點(diǎn)”的形式串接各章節(jié)，但學(xué)生很難將自己所學(xué)的理論知識(shí)與工程實(shí)際相結(jié)合，他們的直觀判斷力和工程經(jīng)驗(yàn)、工程意識(shí)得不到有效訓(xùn)練。

考慮到鋼結(jié)構(gòu)的不斷發(fā)展對(duì)本科教學(xué)的影響，借鑒CDIO（Conceive Design Implement Operate）工程教學(xué)模式，結(jié)合筆者的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)更新、擴(kuò)充鋼結(jié)構(gòu)課程的教學(xué)內(nèi)容，革新教學(xué)目標(biāo)、內(nèi)容設(shè)置、考核方式等，使鋼結(jié)構(gòu)教學(xué)真正能適應(yīng)當(dāng)前建筑市場的要求。

一、鋼結(jié)構(gòu)課程的特點(diǎn)

鋼結(jié)構(gòu)課程教學(xué)體系一般包括課堂教學(xué)、實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)4個(gè)部分。課堂教學(xué)主要介紹鋼材的力學(xué)物理性能、連接的形式和設(shè)計(jì)方法、各類基本構(gòu)件的計(jì)算方法和構(gòu)造要求、各類鋼結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)的計(jì)算原理和設(shè)計(jì)方法等；實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目一般為驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)，主要是連接設(shè)計(jì)和性能測試、鋼梁受彎實(shí)驗(yàn)等；課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)則是綜合利用所學(xué)鋼結(jié)構(gòu)知識(shí)完成某項(xiàng)鋼結(jié)構(gòu)工程。課堂教學(xué)是教學(xué)體系的核心，在教學(xué)中課時(shí)分配比重最大。鋼結(jié)構(gòu)課程內(nèi)容多、涉及面廣，教師在課堂教學(xué)中更注重知識(shí)點(diǎn)的傳授，學(xué)生理論基礎(chǔ)扎實(shí)但實(shí)踐能力不強(qiáng)。學(xué)生學(xué)習(xí)的重點(diǎn)在于基本概念記憶，設(shè)計(jì)部分依賴設(shè)計(jì)流程圖機(jī)械地求解，只掌握了知識(shí)點(diǎn)而沒有從全局的角度建立鋼結(jié)構(gòu)課程的整體概念，導(dǎo)致在畢業(yè)后很難直接從事鋼結(jié)構(gòu)方面的工作。

鋼結(jié)構(gòu)的理論部分和后續(xù)的實(shí)踐部分緊密聯(lián)系，不可將其分裂。將理論知識(shí)用于后續(xù)的實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)，提高理論聯(lián)系實(shí)踐的能力。鋼結(jié)構(gòu)課程的學(xué)習(xí)重點(diǎn)在于鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用，還應(yīng)通過實(shí)踐教學(xué)使學(xué)生掌握鋼結(jié)構(gòu)整個(gè)產(chǎn)品周期的每一環(huán)節(jié)（選材、設(shè)計(jì)、施工等）：只有這樣，才能保證學(xué)生規(guī)范、正確、有效地進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和應(yīng)用。而這些正是傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)課程教學(xué)很難去解決的，必須予以改革。

二、鋼結(jié)構(gòu)工程對(duì)教學(xué)的要求

（一）工程的核心內(nèi)容

鋼結(jié)構(gòu)課程面對(duì)的環(huán)境是工程，首先應(yīng)解決的問題是“什么是工程”問題。著名工程師Theodore Von Kármán曾經(jīng)說過“科學(xué)家發(fā)現(xiàn)世界上已經(jīng)存在的事物，而工程師創(chuàng)造世界上從未存在的事物”，這句話很好地給出了工程技術(shù)人員的核心任務(wù)是設(shè)計(jì)并實(shí)施尚未存在的方案，及工程實(shí)質(zhì)上是一個(gè)創(chuàng)造的過程。

鋼結(jié)構(gòu)教學(xué)的核心是理解客戶和社會(huì)需求，合理選用各種鋼材、螺栓、設(shè)備等，采取正確的科學(xué)知識(shí)和技術(shù)制定準(zhǔn)確、合理、安全的設(shè)計(jì)方案和實(shí)施策略。

（二）現(xiàn)代鋼結(jié)構(gòu)工程的復(fù)雜性需要全面的工程能力

現(xiàn)代鋼結(jié)構(gòu)工程發(fā)展迅速，當(dāng)畢業(yè)生面對(duì)更多不確定、更為復(fù)雜的工程問題時(shí)，需要工程技術(shù)人員解決建模、設(shè)計(jì)、實(shí)施、控制等一系列問題，而傳統(tǒng)的課堂教學(xué)模式在這種多層次、跨領(lǐng)域以及大規(guī)模的工程時(shí)所產(chǎn)生的局限性，使教學(xué)改革顯得異常迫切，必須采用創(chuàng)新性的教學(xué)方法。

鋼結(jié)構(gòu)工程項(xiàng)目的完成需要團(tuán)隊(duì)的力量，團(tuán)隊(duì)成員的協(xié)作和配合直接影響到項(xiàng)目完成的效果。鋼結(jié)構(gòu)工程人員需要和其他工程師和非工程師交流來完成產(chǎn)品、流程的開發(fā)和交付，團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力需要在本科教學(xué)中有針對(duì)性地培養(yǎng)。

（三）新的工程技術(shù)為完成工程任務(wù)提供了新的手段

計(jì)算機(jī)在工程領(lǐng)域的普及和完善，從根本上顛覆了傳統(tǒng)工程技術(shù)的實(shí)踐和運(yùn)作手段。目前鋼結(jié)構(gòu)工程已經(jīng)有眾多優(yōu)秀的軟件（如3D3S、PKPM、MTS等），這些軟件均能自動(dòng)化生成、驗(yàn)證、優(yōu)化工程設(shè)計(jì)方案，而傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)課程不涉及這些內(nèi)容。理論教學(xué)與工程實(shí)際存在脫節(jié)，學(xué)生無法與鋼結(jié)構(gòu)工程所需的設(shè)計(jì)工具和設(shè)計(jì)理念接軌，不能主動(dòng)參與構(gòu)思和實(shí)踐相關(guān)的工程任務(wù)。

三、基于CDIO的教學(xué)改革方案

面對(duì)鋼結(jié)構(gòu)課程傳統(tǒng)教學(xué)的不足和工程對(duì)本科教學(xué)提出的新要求，基于CDIO工程教學(xué)理念，提出了鋼結(jié)構(gòu)課程教學(xué)改革的思想。CDIO工程教學(xué)模式作為國際工程教學(xué)改革的最新成果，是“做中學(xué)”和“基于項(xiàng)目教育和學(xué)習(xí)”的集中概括和抽象表達(dá)。CDIO代表構(gòu)思（Conceive）、設(shè)計(jì)（Design）、實(shí)現(xiàn)（Implement）和運(yùn)作（Operate），是以產(chǎn)品從研發(fā)到運(yùn)行的生命周期為載體，讓學(xué)生以主動(dòng)的、實(shí)踐的、課程之間有機(jī)聯(lián)系的方式學(xué)習(xí)工程，培養(yǎng)學(xué)生的工程能力、運(yùn)用知識(shí)解決問題能力、終生學(xué)習(xí)能力和系統(tǒng)掌控能力等。

（一）重新定義課程建設(shè)目標(biāo)

課程建設(shè)目標(biāo)決定著教學(xué)過程、教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)手段，是實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)目標(biāo)的關(guān)鍵。在制定鋼結(jié)構(gòu)課程建設(shè)目標(biāo)時(shí)，主要從三方面考慮：首先，讓學(xué)生了解鋼結(jié)構(gòu)工程的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，認(rèn)識(shí)現(xiàn)代鋼結(jié)構(gòu)工程研究及產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需求和問題，讓學(xué)生明確學(xué)習(xí)目標(biāo)和未來發(fā)展對(duì)人才需求的特點(diǎn)，提高學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)和主動(dòng)規(guī)劃未來職業(yè)發(fā)展的意識(shí)。其次，通過典型鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工案例，讓學(xué)生建立鋼結(jié)構(gòu)的概念框架，掌握鋼結(jié)構(gòu)工程的構(gòu)成和特點(diǎn)，在解決問題的過程中完成對(duì)工程的分析和關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)定。最后，通過課程學(xué)習(xí)和實(shí)踐理解工程師應(yīng)具有的基本素質(zhì)和應(yīng)掌握的基礎(chǔ)知識(shí)和技能，學(xué)會(huì)資料檢索、調(diào)研、分析和整理；進(jìn)行工程設(shè)計(jì)的表達(dá)實(shí)踐，體驗(yàn)解決工程問題的決定過程和分析方法，開展團(tuán)隊(duì)合作和交流。

（二）教學(xué)過程中突出工程概念和工程意識(shí)培養(yǎng)

在明確課程建設(shè)目標(biāo)的基礎(chǔ)上，在教學(xué)過程中增加教學(xué)內(nèi)容的深度與廣度，注重學(xué)生工程概念和工程意識(shí)的培養(yǎng)，把工程實(shí)踐內(nèi)容融入課堂，又注重學(xué)科之間的相互滲透。

CDIO工程教學(xué)理念強(qiáng)調(diào)工程推理和問題的解決，包括問題的識(shí)別與形成、建模、近似與定性的分析、解決方案與建議。實(shí)際上，鋼結(jié)構(gòu)工程技術(shù)富有創(chuàng)造性，并非機(jī)械地就某一特定條件下求解問題。如鋼材強(qiáng)度包括Q235、Q345、Q390，脫氧的不同包括F、b、Z、TZ，等級(jí)A、B、C、D、E，是否均可選用呢？在這個(gè)問題中，學(xué)生首先必須深入理解材料的力學(xué)物理性能、鋼結(jié)構(gòu)連接方式、結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)等內(nèi)容，然后依據(jù)具體的工程環(huán)境分析并選用合適的材料，達(dá)到訓(xùn)練學(xué)生的直觀判斷力和工程經(jīng)驗(yàn)、工程意識(shí)的目的。

在教學(xué)過程加大了教學(xué)內(nèi)容的深度和廣度。如鋼結(jié)構(gòu)教材緒論中，都會(huì)介紹“鳥巢”，但“鳥巢”用的鋼材是什么樣的？由于“鳥巢”完全采用鋼桁架編織，外部鋼結(jié)構(gòu)總重就達(dá)到4.2萬t，最大跨度達(dá)到343 m，建筑鋼材選用了Q460低合金高強(qiáng)度鋼，其受力強(qiáng)度達(dá)到460 MPa時(shí)才會(huì)發(fā)生塑性變形，強(qiáng)度要比一般鋼材大很多。但一般教材中沒有關(guān)于Q460鋼材的信息。在教學(xué)中提出3個(gè)問題：為什么選用Q460鋼材，它具有什么優(yōu)勢，以及什么情況下需要使用Q460鋼材。問題提出后，學(xué)生很感興趣，并主動(dòng)通過網(wǎng)絡(luò)、圖書館、電子期刊等查閱資料，結(jié)合所學(xué)的專業(yè)知識(shí)得到答案。

由于學(xué)時(shí)的限制和鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)的不斷發(fā)展，學(xué)生在畢業(yè)后從事鋼結(jié)構(gòu)工程時(shí)必然會(huì)遇到學(xué)校沒有教授的內(nèi)容，通過不斷將工程概念和工程意識(shí)引入教學(xué)過程中，引導(dǎo)學(xué)生掌握解決問題的正確方法。

（三）課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)與課堂教學(xué)的有機(jī)結(jié)合

改變鋼結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)與課堂教學(xué)的脫節(jié)現(xiàn)象，從內(nèi)容、時(shí)間安排上予以優(yōu)化。原有的模式通常是課堂教學(xué)結(jié)束考核以后，將任務(wù)書、指導(dǎo)書發(fā)放給學(xué)生，集中在一周內(nèi)完成。從歷年的反饋信息來看，學(xué)生匆匆完成，甚至參照相關(guān)資料機(jī)械地替換數(shù)據(jù)，無法到達(dá)預(yù)期的目的。

為此，在課堂教學(xué)過程中提前布置課程設(shè)計(jì)任務(wù)和畢業(yè)設(shè)計(jì)。以工程項(xiàng)目為背景，以知識(shí)點(diǎn)為紐帶，將課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)與課堂教學(xué)有機(jī)結(jié)合，并啟發(fā)學(xué)生思考。這樣，學(xué)生理解了所學(xué)理論知識(shí)與工程實(shí)踐的相互關(guān)系，提高學(xué)習(xí)興趣，每年畢業(yè)設(shè)計(jì)選擇鋼結(jié)構(gòu)課題的人數(shù)明顯增加。

計(jì)算機(jī)的引入使設(shè)計(jì)更加簡便，在課堂教學(xué)中應(yīng)向?qū)W生介紹鋼結(jié)構(gòu)常用的設(shè)計(jì)軟件。受學(xué)時(shí)限制，不在課堂教學(xué)中講解軟件的具體操作，而是引導(dǎo)學(xué)生意識(shí)到軟件的掌握對(duì)課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)，以及將來從事鋼結(jié)構(gòu)工作都十分重要。在這一過程中，學(xué)生能主動(dòng)學(xué)習(xí)相關(guān)軟件，既不占用有限的課堂時(shí)間，又能有效地提升學(xué)生的工程能力。

（四）建立基于CDIO的課程反饋機(jī)制

在傳統(tǒng)的試卷、平時(shí)作業(yè)相結(jié)合的成績評(píng)定體系中，建立課程反饋機(jī)制，全面反映學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握程度。

將整個(gè)教學(xué)活動(dòng)分解為若干小環(huán)節(jié)，并建立反饋機(jī)制，及時(shí)監(jiān)控教學(xué)質(zhì)量和效果。每個(gè)反饋周期均設(shè)置相應(yīng)的主題，并根據(jù)學(xué)生的實(shí)際情況制定不同的學(xué)習(xí)目標(biāo)。如在鋼結(jié)構(gòu)連接部分，基本要求是尋找并拍攝周圍鋼結(jié)構(gòu)工程中連接，并給出其屬于何種連接；較高要求是探索所觀察的工程中連接可能存在的不足及其替換方案。將學(xué)生反饋的信息建立課程反饋日志。對(duì)學(xué)生提出的創(chuàng)造性問題，課前利用5 min左右的時(shí)間講解。課程反饋機(jī)制不僅使鋼結(jié)構(gòu)課程的學(xué)習(xí)變得生動(dòng)有趣，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，而且能使教師真正關(guān)注學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性。

四、結(jié)語

隨著科學(xué)技術(shù)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)需要不斷的擴(kuò)大，鋼結(jié)構(gòu)課程必須同步改革與發(fā)展，才能到達(dá)培養(yǎng)符合工程需要的合格人才的目標(biāo)。實(shí)踐證明，鋼結(jié)構(gòu)課程CDIO教學(xué)改已初步顯示出了良好的教學(xué)效果，極大地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高了他們的設(shè)計(jì)能力和實(shí)踐能力。

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Teaching reform of steel structure course based on CDIO

YUAN Jifeng

（Taizhou Institution of Science and Technology， Nanjing University of Science and Technology， Taizhou 225300， P. R. China）

Abstract：With the rapid development of steel structure engineering， the paper analyzes many problems between tradition education of steel course and engineering application. Based on the CDIO engineering education theory， the proper steel teaching reform ideas are provided. Emphasis on theory and practice， carries out practice from teaching goal， course content， assessment mode， guides the students to active study， analyze and solve problems ， achieves the goal of qualified steel structure engineer training.

Keywords：steel structure； CDIO ；teaching reform