方成 王偉

摘要：文章對英國紐卡斯爾大學(xué)“工程系統(tǒng)的全過程可持續(xù)設(shè)計”的培養(yǎng)方案與教學(xué)理念進行了詳細闡述，對中英兩國土木工程全過程課程設(shè)計案例進行了比較分析，介紹了英國課程的教學(xué)目標、教學(xué)模式和評估手段，以及對中國土木工程學(xué)科全過程課程設(shè)計的借鑒意義，最后對中國該類課程體系的制定與完善提出了建議。

關(guān)鍵詞：土木工程;全過程課程設(shè)計;英國教育;培養(yǎng)方案;教育理念

中圖分類號：G6420;TU文獻標志碼：A文章編號：1005-2909（2018）06-0065-05

時代的進步和社會的發(fā)展對土木工程專業(yè)學(xué)生的實踐能力、創(chuàng)新能力和多專業(yè)融合能力提出了更高要求，傳統(tǒng)的單一課程設(shè)計的教學(xué)安排已經(jīng)不能滿足新時代卓越工程師的培養(yǎng)需求。多階段貫通、全過程融合的課程設(shè)計教學(xué)理念已逐漸被國內(nèi)外高校所接受和采納[1]。全過程課程設(shè)計，可以將傳統(tǒng)教學(xué)中每個獨立的設(shè)計課程（如建筑選型、混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)、建筑施工等課程）整體銜接起來，克服了各課程設(shè)計自成一體、相互間缺乏關(guān)聯(lián)或教學(xué)內(nèi)容重復(fù)等弊端，也有利于學(xué)生對土木工程學(xué)科以外的其他相關(guān)專業(yè)（例如建筑學(xué)、規(guī)劃學(xué)、交通學(xué)、建筑環(huán)境學(xué)、可持續(xù)發(fā)展理念[2]等）的基本了解，使學(xué)生從工程初期規(guī)劃開始，就能掌握真實的工程推進流程與團隊合作模式，在此基礎(chǔ)上進行結(jié)構(gòu)設(shè)計、施工組織設(shè)計，直至造價與環(huán)境影響分析，從而受到作為土木工程師的全過程系統(tǒng)訓(xùn)練，培養(yǎng)學(xué)生綜合運用所學(xué)專業(yè)知識、基礎(chǔ)理論及基本技能去解決實際問題的能力[3]。

中國的高等工程教育面臨著激烈的國際競爭環(huán)境，了解國外先進的全過程教學(xué)理念對全過程課程設(shè)計大綱的規(guī)劃、制定和完善具有積極的推動意義。本文結(jié)合筆者曾在英國紐卡斯爾大學(xué)的多年執(zhí)教經(jīng)驗，詳細介紹該校工程學(xué)院的招牌課程之一工程系統(tǒng)的全過程可持續(xù)設(shè)計課程的學(xué)時規(guī)劃、培養(yǎng)目標、培養(yǎng)內(nèi)容以及考核標準，并闡析該課程教學(xué)模式對中國全過程課程設(shè)計方案制定的借鑒意義。

一、課程概述

工程系統(tǒng)的全過程可持續(xù)設(shè)計課程英文名為“Integrated Design of Sustainable Engineering Systems”，是英國紐卡斯爾大學(xué)土木工程學(xué)科的必修課程。課程共分三個階段，時間涵蓋大一至大三，根據(jù)學(xué)生所掌握的具體知識情況每個階段側(cè)重點也有所不同。三年的總學(xué)分（英國ECTS Credits）40分，是分量非常重的一門課程（一般來說一門重要核心課程的ECTS學(xué)分為5～10分）。該課程分為授課講解和指導(dǎo)下的獨立學(xué)習(xí)兩種教學(xué)模式，并且互相融合。

（一）工程系統(tǒng)的全過程可持續(xù)設(shè)計：階段一

該階段課程為大一新生的綜合設(shè)計課程，共包含300個學(xué)生學(xué)時（包括課外學(xué)習(xí)時間）。主要教學(xué)目標是加深學(xué)生對于工程結(jié)構(gòu)設(shè)計理念的了解，以及提高學(xué)生對人類工程行為下的環(huán)境影響的認知度;學(xué)生通過該階段的學(xué)習(xí)可以掌握結(jié)構(gòu)概念設(shè)計與分析中的交流技巧，熟悉資源循環(huán)與全壽命的設(shè)計理念，了解土木工程師在可持續(xù)發(fā)展以及氣候變化挑戰(zhàn)中所扮演的角色。在此基礎(chǔ)上，將對上述挑戰(zhàn)問題的思考體現(xiàn)在一個具體而又簡單的工程實例中，從而提高學(xué)生結(jié)構(gòu)概念設(shè)計的能力，增強學(xué)生工程概念設(shè)計與可持續(xù)發(fā)展的關(guān)聯(lián)意識，培養(yǎng)學(xué)生團隊合作的能力，以及文獻檢索和科技報告寫作能力。

該階段課程設(shè)計采用教學(xué)為主、實踐為輔的方法，分為若干教學(xué)和實踐環(huán)節(jié)。首先向?qū)W生講授規(guī)劃與設(shè)計的基本知識、實際工程中團隊的合作模式、資源的調(diào)動與分配，建立“全系統(tǒng)”的設(shè)計理念。隨后進一步講述可持續(xù)系統(tǒng)的若干主題，包括可持續(xù)發(fā)展的三大支柱、系統(tǒng)工程在工程中的興起、全壽命設(shè)計理念、反饋循環(huán)以及相關(guān)法律知識。在學(xué)生掌握了基本系統(tǒng)和可持續(xù)發(fā)展理念之后，針對具體一個案例（通常是一個城市社區(qū)），以團隊的形式研究該區(qū)域建設(shè)資源的分布，并對其基礎(chǔ)建設(shè)、水資源、能源以及交通運輸能力進行評估，著重培養(yǎng)學(xué)生的團隊合作領(lǐng)導(dǎo)能力、團隊溝通技巧、健康與安全以及風險評估能力。最后通過布置一組桁架設(shè)計任務(wù)，一方面要求學(xué)生結(jié)合所學(xué)專業(yè)知識進行桁架設(shè)計;另一方面要求設(shè)計作品需體現(xiàn)學(xué)生對可持續(xù)發(fā)展和環(huán)境的思考（包括材料選擇、能源節(jié)約、施工方法等）。在此過程將著力培養(yǎng)學(xué)生的繪圖能力，要求學(xué)生掌握基本繪圖軟件，并初步掌握建筑信息模型（BIM）的基本概念與設(shè)計方法。

該階段課程設(shè)計的考核方式包括個人研究報告、團隊研究報告、圖紙以及答辯。該課程的一個亮點是需要學(xué)生準備應(yīng)對客戶的模擬答辯會，學(xué)生要在業(yè)主、工程師、政府部門以及其他同行的面前，充分展示其調(diào)研結(jié)果與設(shè)計方案的合理性和競爭力。通過該階段的訓(xùn)練可以使學(xué)生充分了解工程師的使命與能力需求，為下一階段的學(xué)習(xí)打下重要基礎(chǔ)。

（二）工程系統(tǒng)的全過程可持續(xù)設(shè)計：階段二

該階段課程為大二學(xué)生的綜合設(shè)計課程，共包含300個學(xué)生學(xué)時。主要教學(xué)目標是通過一個更加具體的案例進一步培養(yǎng)學(xué)生的分析和設(shè)計能力，重點幫助學(xué)生掌握初步規(guī)劃與設(shè)計、方案比選等技巧。同時進一步培育學(xué)生可持續(xù)發(fā)展的設(shè)計理念，著重于材料的選取、施工方案的確定、經(jīng)濟性評估、風險管理、可恢復(fù)性能評估、全壽命造價以及廢棄物管理等知識的講解。此階段雖然主要培養(yǎng)學(xué)生的方案起草和設(shè)計能力，但還應(yīng)著重幫助學(xué)生建立綜合設(shè)計與評估的理念，以及培養(yǎng)學(xué)生解決可持續(xù)發(fā)展相關(guān)問題的能力，使學(xué)生掌握項目初期規(guī)劃、選址、地址勘探、基礎(chǔ)設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、交通規(guī)劃、材料選取、環(huán)境政策等方面的核心知識，進一步培養(yǎng)學(xué)生的分析、設(shè)計、表達、繪圖等能力。

和第一階段類似，此階段課程設(shè)計采用教學(xué)為主、實踐為輔的方法，分為若干教學(xué)和實踐環(huán)節(jié)。教學(xué)部分涵蓋以下內(nèi)容：基礎(chǔ)建設(shè)、交通需求、地質(zhì)勘探、橋梁與隧道結(jié)構(gòu)、環(huán)境影響、結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工的案例分析和可行性分析，并向?qū)W生講解原位測試和地質(zhì)勘探儀器的基本原理。其他的相關(guān)課程模塊還包括：環(huán)境影響評介，可靠度、災(zāi)害與風險分析，可持續(xù)材料以及管理、氣候變化與基礎(chǔ)建設(shè)的關(guān)聯(lián)。其中可持續(xù)材料重點講解材料比選原則和制作工藝，對于前者學(xué)生重點掌握材料的強度、剛度、耐久性、比重、造價、可獲得性、傳熱性能、可運輸性、美觀、施工速度以及潛在的人體或環(huán)境危害性等;對于后者學(xué)生重點掌握鋼材、混凝土、木材以及新興材料的基本特性、制作工藝和應(yīng)用范圍。在教學(xué)環(huán)節(jié)的最后，進一步提升學(xué)生對可持續(xù)發(fā)展與工程經(jīng)濟理論的認識，課程包括融資選擇、成本效益分析、碳足跡成本分析、可持續(xù)發(fā)展規(guī)程以及廢棄物循環(huán)分析。

在上述課程學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，學(xué)生需要完成一個綜合案例分析，分析對象為英國境內(nèi)的一個重點基礎(chǔ)設(shè)施（例如重要建筑、橋梁、隧道等）。案例分析報告需要體現(xiàn)對以下問題的深入思考：交通運輸需求、方案評選過程詳述、環(huán)境影響分析、可持續(xù)性分析、融資以及其他經(jīng)濟因素分析。在完成上述分析評估的基礎(chǔ)上再完成該項目的初步主體設(shè)計。在階段一（大一課程）的基礎(chǔ)上，學(xué)生應(yīng)進一步掌握專業(yè)的繪圖技巧，具有熟練應(yīng)用三維繪圖與渲染軟件SketchUp，并將手繪圖轉(zhuǎn)化為專業(yè)制圖的能力。通過邀請企業(yè)一線工程師來校指導(dǎo)，幫助學(xué)生進一步學(xué)習(xí)基于建筑信息模型（BIM）的設(shè)計方法。該階段課程設(shè)計的考核方式包括在線筆試、日志記錄存檔、研究報告、圖紙繪制、視頻制作和答辯。其中日志記錄存檔是一種比較新穎且有效的考核方式，每一份日志需要詳細記錄學(xué)生在整個項目進行過程中的活動，包括會議記錄、團隊討論情況、任務(wù)分配與管理記錄、方案分析記錄、手繪草稿、健康與安全記錄、現(xiàn)場調(diào)研記錄、文獻考察分析以及個人見解等。

（三）工程系統(tǒng)的全過程可持續(xù)設(shè)計：階段三

該階段課程為大三學(xué)生的綜合設(shè)計課程，共包含200個學(xué)生學(xué)時。該階段課程重點培養(yǎng)學(xué)生的實戰(zhàn)能力，主要教學(xué)目標是訓(xùn)練學(xué)生專業(yè)團隊的合作能力，并且明確自身的主攻方向（類似于專業(yè)方向選擇，包括建筑、結(jié)構(gòu)、地下、交通、測量、給排水等）。學(xué)生通過此階段的訓(xùn)練可以提高自身在多方合作情況下?lián)碛忻翡J的目光和成熟的方案決策能力，能夠與項目中不同的合作方積極對話與合作，學(xué)習(xí)團隊領(lǐng)袖所必要的技能。同時學(xué)生需要有提出不同方案（包括替代方案）的能力，并且能夠通過不同的手段和技巧來對最終方案進行辯析。最后需要學(xué)生強化可持續(xù)發(fā)展的設(shè)計理念，了解在社區(qū)與城市建設(shè)中融資和可持續(xù)發(fā)展的矛盾。

和第一階段與第二階段顯著不同的是，第三階段課程設(shè)計采用實踐為主、教學(xué)為輔的方法，安排較少部分的課堂教學(xué)，增加更多的重點實踐環(huán)節(jié)，教師與學(xué)生互動增強。整個階段的學(xué)習(xí)圍繞一個單一的工程項目展開。其中有個項目是紐卡斯爾市科學(xué)技術(shù)中心的一個真實項目。該項目分為規(guī)劃與建筑方案設(shè)計和工程設(shè)計兩期。其中第一期主要由建筑學(xué)院的學(xué)生完成，針對科學(xué)技術(shù)中心項目提出約20組規(guī)劃與設(shè)計方案，土木工程學(xué)科的學(xué)生主要參與后期的評選，最終由評委教師和學(xué)生共同評選，選出三組方案晉級第二期的工程設(shè)計，并移交土木工程學(xué)科的學(xué)生（共約60人）來主導(dǎo)。土木工程學(xué)科的學(xué)生根據(jù)這三個建筑方案分為三個競爭“公司”，每個“公司”約20人左右，分設(shè)“建筑部門”“結(jié)構(gòu)部門”“地質(zhì)與基礎(chǔ)部門”“測繪部門”“交通規(guī)劃部門”和“給排水與暖通部門”。教學(xué)中根據(jù)不同方向分小班上課，每一個方向有一位指導(dǎo)教師，負責向?qū)W生講解該方向必要的理論與工程知識，同時解答學(xué)生團隊的疑惑。

該階段課程設(shè)計的考核方式包括墻報、圖紙與日志、項目大報告和最終答辯。其中項目大報告需要進行整體考核以及分方向考核。整體考核主要圍繞不同部門之間的銜接合作、可持續(xù)發(fā)展理念的融合、環(huán)境與社會影響報告等方面進行評估;方向考核主要從專業(yè)的角度考察設(shè)計的正確性與合理性。以結(jié)構(gòu)方向為例，學(xué)生的專業(yè)報告至少需要包括結(jié)構(gòu)選型、初步設(shè)計、荷載分析、構(gòu)件計算、體系計算、施工組織等內(nèi)容。在大報告提交后三個“公司”團隊會進行“客戶”見面答辯會，最終對三家競爭公司進行評估和排名。通過此階段的培養(yǎng)，學(xué)生能基本掌握一個典型項目的進展流程和所需的專業(yè)知識，為畢業(yè)后的實際工作打下堅實的基礎(chǔ)。

二、與國內(nèi)全過程課程設(shè)計的對比與思考

（一）國內(nèi)全過程課程設(shè)計典型案例

為了使學(xué)生接受作為工程師所應(yīng)有的系統(tǒng)訓(xùn)練，同濟大學(xué)土木工程學(xué)院于2017年啟動了建筑工程全過程課程設(shè)計。該課程作為土木工程專業(yè)建筑工程方向課群組必修的一門實踐課程，是同濟大學(xué)高等工程教育教學(xué)的重要組成部分。該課程分成五個模塊：建筑方案設(shè)計、混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計、鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計、施工組織設(shè)計和工程造價課程。培養(yǎng)目標主要是：了解建筑設(shè)計規(guī)范;了解建筑方案設(shè)計的意圖和個別細部構(gòu)造詳圖設(shè)計;了解建筑設(shè)計圖紙的表達方法及達到的施工圖深度;熟悉混凝土結(jié)構(gòu)、砌體結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)相關(guān)設(shè)計規(guī)范;掌握結(jié)構(gòu)體系和結(jié)構(gòu)選型;掌握結(jié)構(gòu)布置的一般原則;掌握利用結(jié)構(gòu)力學(xué)求解內(nèi)力，以及利用PKPM軟件和3D3S軟件進行校核的方法;掌握構(gòu)件截面設(shè)計、節(jié)點設(shè)計及相關(guān)的構(gòu)造措施;掌握基礎(chǔ)選型及基礎(chǔ)設(shè)計;熟悉結(jié)構(gòu)施工圖的繪制及出圖深度;掌握建筑工程施工組織設(shè)計的基本原理;掌握各分部分項工程的施工技術(shù)方案和方法;掌握進度計劃編制的基本方法;掌握施工平面圖的設(shè)計方法;熟悉有關(guān)施工組織設(shè)計的軟件應(yīng)用;了解建筑施工新技術(shù)、新工藝、新材料的發(fā)展與應(yīng)用;掌握建筑工程造價的基本應(yīng)用，利用工程造價的相關(guān)計算進行結(jié)構(gòu)方案的對比分析。

上述全過程設(shè)計可實現(xiàn)對學(xué)生的系統(tǒng)化訓(xùn)練，使其能夠從應(yīng)用基本理論知識解決工程實際問題的過程中體會到理論聯(lián)系實際的重要性，鞏固學(xué)生基本力學(xué)及結(jié)構(gòu)概念等相關(guān)知識，提高計算分析能力與工程設(shè)計和制圖能力，提高對計算機及相關(guān)結(jié)構(gòu)軟件的應(yīng)用能力，培養(yǎng)學(xué)生處理實際問題的能力。同時要求學(xué)生通過相關(guān)專業(yè)規(guī)范和設(shè)計手冊的學(xué)習(xí)，掌握資料查詢、歸類、綜合等基本方法，提高自學(xué)能力，培養(yǎng)學(xué)生對工程的責任感。該課程的考核方式包括學(xué)生平時表現(xiàn)、計算書和設(shè)計圖紙，并且提交成果時有質(zhì)疑環(huán)節(jié)或答辯環(huán)節(jié)，以考查學(xué)生的完成情況與參與度。

（二）對比與思考通過分別

對比英國和中國兩個典型的全過程課程設(shè)計案例，不難發(fā)現(xiàn)兩者課程設(shè)計在內(nèi)容上既有相通之處，又有較為明顯的差異，這和客觀國情以及課群設(shè)置有相當大的關(guān)系。中國目前還處于全面建設(shè)時期，工程需求量大，因此全過程課程設(shè)計偏向于對學(xué)生工程基本功的培養(yǎng)，學(xué)生對建筑結(jié)構(gòu)這一方面內(nèi)容的工程實踐有非常深入的了解，對建筑方案設(shè)計、混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計、鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計、施工組織設(shè)計和工程造價的相關(guān)知識以及相互關(guān)聯(lián)有較為系統(tǒng)的把握。反之，英國的土木工程行業(yè)處于相對的穩(wěn)定期，而且該國的環(huán)境保護政策相當嚴苛，因此任何一個工程項目都會經(jīng)歷系統(tǒng)的環(huán)境影響和可持續(xù)發(fā)展評估。鑒于此，英國紐卡斯爾大學(xué)土木工程全過程課程設(shè)計的培養(yǎng)重點，除了土木工程設(shè)計專業(yè)知識以外，還將一大部分時間放在了可持續(xù)觀念的養(yǎng)成上，這對學(xué)生日后進入英國咨詢公司應(yīng)對客戶和政府的多方面需求，以及在專業(yè)認證程序上[4]的訓(xùn)練起到了很好的作用。另外，英國土木工程專業(yè)本科教育一般包含結(jié)構(gòu)、地下、交通、測量、建筑環(huán)境、水資源等內(nèi)容，和中國土木工程一級學(xué)科的范圍有較大的不同，因此全過程課程設(shè)計的涉及范圍也不盡相同。

在培養(yǎng)方式上，英國和中國全過程課程設(shè)計案例均著重培養(yǎng)學(xué)生的方案提出能力、概念設(shè)計能力、團隊合作與溝通能力、設(shè)計與繪圖能力以及方案推廣技巧。英國全過程課程設(shè)計案例的特點是“范圍廣”，其優(yōu)點是將學(xué)生置身于真實的企業(yè)環(huán)境中，學(xué)生對將來要面對的任務(wù)、團隊、客戶甚至對手均有較為直觀的了解，學(xué)生學(xué)習(xí)熱情高、興趣濃厚。但是一個潛在的缺點是學(xué)生對某些核心專業(yè)知識（例如結(jié)構(gòu)設(shè)計）的掌握可能不足。而中國全過程課程設(shè)計的特點是“范圍小，深度大”，學(xué)生能集中掌握非常扎實的工程設(shè)計知識，在規(guī)范的使用、建筑方案與結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)聯(lián)，直到后期的施工與造價等方面均受到相當程度的訓(xùn)練。但是潛在的缺點是該課程對構(gòu)建學(xué)生除建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計以外的知識體系作用有限，學(xué)生很容易誤解，認為一個整體課程設(shè)計只是由以前單獨的專業(yè)課程設(shè)計融合而成的。除此以外，中國課程設(shè)計教學(xué)的真實還原度還不夠，學(xué)生對除建筑結(jié)構(gòu)以外的其他重要團隊不清楚，難以有效地和其他團隊溝通。因此，適當引入建筑結(jié)構(gòu)與其他工程團隊的合作環(huán)節(jié)對培養(yǎng)學(xué)生綜合職業(yè)素養(yǎng)有積極作用。此外，還有一個值得關(guān)注的問題是，中國的全過程課程設(shè)計對學(xué)生可持續(xù)發(fā)展設(shè)計理念的灌輸嚴重不足，學(xué)生將可能無法適應(yīng)未來20年所面臨的全球工程行業(yè)的變化與挑戰(zhàn)。另外，對目前先進的設(shè)計方法（例如BIM技術(shù)[5]）的授課明顯不足，這可能造成學(xué)生所學(xué)的理論與設(shè)計知識無法跟上行業(yè)的飛速發(fā)展。在時間跨度上，中國全過程課程設(shè)計通常安排在專業(yè)課之后的一個學(xué)期或者一年，而之前背景知識的講授和團隊合作意識的培養(yǎng)可能不夠。英國的三年階段全過程課程設(shè)計的模式值得我們借鑒。

三、結(jié)語

全過程課程設(shè)計是工程教育模式的重要創(chuàng)新，對培養(yǎng)學(xué)生解決工程實際問題的綜合能力，以及培養(yǎng)面向未來的卓越工程師有著積極的推動作用。國外先進的教學(xué)方式和理念對中國全過程課程設(shè)計培養(yǎng)模式的發(fā)展和完善具有很好的借鑒意義。在完善課程體系建設(shè)的過程中，需要結(jié)合國情，放眼全球工程教育，緊跟專業(yè)和行業(yè)發(fā)展趨勢，努力提高學(xué)生的專業(yè)水平、綜合素質(zhì)和國際競爭力。

參考文獻：

[1]楊蓉， 鄭平衛(wèi)， 葉勇軍. 基于全過程管理的課程設(shè)計考核體系研究[J]. 中國地質(zhì)教育， 2016， 25（1）： 59-61.

[2]李天星. 國內(nèi)外可持續(xù)發(fā)展指標體系研究進展[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報， 2013， 22（6）： 1085-1092.

[3]蘭爽， 董世成， 馬麗心， 宮運啟. 工業(yè)工程專業(yè)課程設(shè)計的改革與創(chuàng)新[J]. 價值工程， 2014， 33（3）： 236-237.

[4]江學(xué)良， 胡習(xí)兵， 陳伯望， 范云蕾. 專業(yè)認證背景下土木工程專業(yè)人才培養(yǎng)體系探索與實踐[J]. 高等建筑教育， 2015， 24（1）： 29-35.

[5]齊岳， 張俊華， 趙文軍. 結(jié)合BIM技術(shù)的房屋建筑學(xué)課程改革探討[J]. 高等建筑教育， 2014， 23（6）： 147-149.