新工科背景下“水工鋼結構”一體化教學模式的探索與實踐

陳菊香，黃銘，魏松，朱亞林 （合肥工業大學土木與水利工程學院，安徽 合肥 230009）

1 引言

習近平總書記指出，“進入21 世紀以來，全球科技創新進入空前密集活躍的時期，新一輪科技革命和產業變革正在重構全球創新版圖、重塑全球經濟結構[1]”。為主動應對新一輪科技革命與產業變革，自2017 年2 月以來，教育部積極推進新工科建設，先后形成了“復旦共識”“天大行動”和“北京指南”，指出高等工程教育的目標已轉變為培養多元化、創新型卓越工程人才，教育范式也從“技術范式”“科學范式”又轉換成為注重實踐的“工程范式”[2-8]。為適應新工科建設的要求，各級高校的教育工作者從本校、本專業或所教課程出發，進行了一些有意義的探索研究，提出了不少改革措施[9-15]。

水利水電工程專業是一個傳統的工科專業，“水工鋼結構”課程是水利水電工程專業的主要專業課程之一。為適應新形勢下水利行業對水利工程技術人才的新需求，有必要對“水工鋼結構”課程的教學模式進行改革，以實現新工科復合創新型人才的培養目標。

2 “水工鋼結構”課程的特點與存在的問題

新工科建設要求工程人才具有相關學科知識的交叉與融合能力、較強的理論與實踐相結合的能力和較高的創新能力?！八や摻Y構”課程是一門理論性及實踐性都較強的專業基礎課程，同時也是一門建筑材料、材料力學、結構設計等多學科知識交叉的課程。因此，在“水工鋼結構”課程的教學過程中，必須進一步加深理論知識與工程實踐聯系的緊密程度，并開拓視野，將學科發展前沿新知識、新技術引入課堂，培養學生自主創新的意識和能力，才能實現新工科創新型卓越工程人才的培養目標。

但是，目前合肥工業大學“水工鋼結構”課程教學存在以下四個問題。

①理論知識與工程實踐結合不夠緊密?！八や摻Y構”課程存在知識點多而學時少，工程實踐性強但實踐學時不足的客觀矛盾。同時，由于學期內排課的影響，理論教學與課程設計的間隔時間較長，導致理論學習在前、實踐訓練在后，理論與實踐的時間界限分明，結果造成學生理論知識學習與實踐能力培養的客觀分離現象。

②教學方法上仍以教師為主，形式不夠靈活多樣。

③教材內容更新較慢，缺乏與工程實際相結合的案例。

④理論課程的考核方式主要以期末考試為主，不能體現實踐能力的考核。

因此，對“水工鋼結構”課程的教學模式、教學內容、教學方法、學生成績評價機制等進行改革，實行理論與實踐結合更加緊密的一體化教學，是適應“新工科”建設要求的工科專業基礎課程教學改革的新途徑。

3 “水工鋼結構”理論與實踐一體化的教學模式

合肥工業大學“水工鋼結構”課程組秉承“以學生為中心”的基本理念，對標新工科建設的要求，調整了理論知識與實踐環節的教學順序，提出基于雨課堂實行線上線下混合式教學，建立與主要理論知識相對應的工程案例庫，進行了學生成績評價機制的改革。通過這些改革措施，將理論知識與工程實踐深度融合在一起，初步形成了“水工鋼結構”理論與實踐一體化的教學模式。

3.1 理論與實踐一體化的教學順序調整

為實現理論與實踐一體化的教學，合肥工業大學“水工鋼結構”課程組對理論課程和課程設計的教學順序進行了調整，將課程設計內容作為理論學習的課后習題，要求學生結合新學習的理論知識，立即開展實踐環節的學習。具體實施步驟如下。

①將“水工鋼閘門”的前四節內容提前至“鋼梁”之后、“鋼柱和鋼壓桿”之前。在講解完鋼梁的主要理論知識之后，緊接著進行水工鋼閘門的概述、結構組成和主次梁設計計算的教學，然后下發《“水工鋼結構”課程設計任務書》。學生依據自己拿到的各不相同的設計參數，開始水工鋼閘門的面板、次梁和主梁的設計。

②在這三個部分的設計完成之后，進行鋼柱、鋼壓桿的理論教學。待學生掌握鋼柱、鋼壓桿的截面設計、強度和穩定等計算方法之后，又讓學生完成鋼閘門的縱橫向聯結系、邊梁等構件的設計作業。通過這種方式，在理論課程結束之時，每位學生都完成了鋼閘門課程設計70%以上的內容，而且其中的主要難點問題都已經在理論教學過程中得到了解決。

③在實踐教學時，學生主要通過師生交流、分組討論的形式對個人設計成果進行改進和完善，并完成剩下不到30%的課程設計內容。

這種教學順序的調整，從時間上拉近了“水工鋼結構”理論與實踐這兩個環節的距離，從內容上將設計計算習題與課程設計聯系了起來，從目的上也實現了理論知識與工程實踐的更緊密結合。這種通過課程設計問題來驅動的“做中學”教學模式，可以實現理論與實踐實質性的一體化教學。在不增加課內學時的情況下，通過這種碎片化學習方式，學生可以保質保量地完成理論學習和設計實踐任務。這樣將一個課程設計分成三個階段循序漸進地進行，可以緩解學生對鋼結構課程學習的畏難情緒。

“水工鋼結構”理論與實踐一體化的教學順序如圖1所示。

圖1 “水工鋼結構”理論與實踐一體化的教學順序

3.2 基于雨課堂的線上線下混合式教學方法

利用清華大學研發的長江雨課堂在線教學平臺系統，結合“水工鋼結構”理論與實踐并重的課程特點，設計了包含“課前自學、課中強化、課后升華”三個階段教學過程且具有“翻轉課堂”特性的線上線下混合式教學方法。

在課前自學階段，教師將事先制作好的課件通過雨課堂平臺發送給學生，上傳課前測試題，布置預習任務。學生根據要求，預習相關鋼結構的基礎知識，對即將學習的新知識有一個初步了解。通過課前測試，學生可以發現自學過程中存在的不足，為下一步帶著問題進入課堂做準備。

在課中強化階段，教師主要完成如下三方面的工作。

①根據雨課堂中課前測試的統計結果，收集學生在課前測試中存在的問題。在課堂中除了講授內容的重難點知識之外，教師對這些問題反映出來的薄弱知識點進行有針對性的講解。

②按照5～6 人一組，將全班分成多個討論小組，向學生拋出一些具體的工程實例和熱點問題，讓學生結合已經學習和掌握的知識進行分組討論。然后每組選派一名代表進行匯報演講，向其他同學闡述自己的研究成果和見解。這種課堂演講方式可以引導學生對所學的知識點進行更深層次的思考。

③教師最后對知識點和討論的問題進行梳理，以加深學生對知識點與實際工程問題之間聯系的理解。緊接著在雨課堂平臺發布課堂測試任務，要求學生在限定時間內完成，及時評測學生對課堂知識的理解與掌握程度。

課后升華階段，在學生對課程章節知識點已基本理解并掌握的基礎上，在每一章內容結束時，通過雨課堂平臺發布含有階段性鋼結構課程設計內容的作業，并預告與下一章將要學習內容相關的前沿科學問題。含有設計內容的作業可以讓學生將課程中學到的知識與工程實踐融合在一起，使學生“知其然，知其所以然”，增進對所學知識點的理解和掌握。前沿科學問題可以促使學生課后進行思考和自主探究，促進知識從單一的“點”擴大到“面”并產生新的知識創新點。

基于雨課堂的線上線下混合式教學方法如圖2所示。

圖2 基于雨課堂的線上線下混合式教學方法

圖3 “水工鋼結構”理論與實踐一體化教學的學生成績評價機制

3.3 以案例為主線的理論與實踐一體化教學內容改革

為了實現理論與實踐一體化教學，以滿足教學需要為前提，以實用、夠用為原則，以學生應用能力培養為核心，課程組收集整理了大量與教學內容相適應的教學案例，主要包括如下內容。

①體現鋼結構特點與適用范圍的工程案例：廣州新白云國際機場、哈利法塔、馬鋼平爐改轉爐工程鋼結構廠房、廣州塔、日本明石海峽大橋、三峽工程永久船閘、合肥工業大學工程管理與智能制造研究中心等體現大跨度結構、高層建筑、工業建筑、高聳建筑、鋼橋、水工結構、住宅等20 多個實際鋼結構工程實例。

②體現鋼結構發展方向的新技術案例：高強度鋼、鋼結構防火、裝配式鋼結構、BIM技術在鋼結構中的應用實例等。

③與鋼結構連接相關的案例：焊接新工藝、焊縫無損檢測新技術、組合結構螺栓連接節點受力性能分析、螺栓位置優化設計方法等。

④鋼梁：平臺梁結構組成動畫演示、H 形鋼梁受壓翼緣寬厚比限值分析、蜂窩鋼梁正截面受彎性能試驗、U型鋼-混凝土組合梁抗彎性能試驗等。

⑤鋼柱和鋼壓桿：實腹式軸心受壓構件整體失穩、局部失穩試驗動畫演示、一種可更換消能搖擺鋼柱柱腳節點性能研究等。

⑥水工鋼閘門：鋼閘門結構組成的三維建模動畫演示、平面鋼閘門ANSYS三維有限元結構受力分析、鋼閘門主梁梁高優化、不同底緣型式對鋼閘門啟閉力影響的案例分析等。

實際上，每位同學獨立完成的課程設計，本質上也是一份自己可以親身體驗的教學案例。

將鋼結構課程絕大部分理論知識點與實際工程案例直接串連起來，使理論知識與設計實踐之間的銜接更加緊密，使理論教學與實際應用之間過渡得更加自然，從而改變傳統教學中知識點零散且相互間無聯系、理論環節與實踐環節脫節的現狀。

3.4 學生成績評價機制改革研究

因為采用了線上線下混合式教學方法和理論與實踐一體化教學模式，與傳統線下教學模式差異較大，學生成績評價機制也必須進行相應改革。建立全面、科學的學生成績評價機制，才能對學生學習效果進行合理評價，引導學生注重實踐創新能力的培養，達到提高人才培養質量的目的。

在確定學生學習成績評價機制時，考慮到“水工鋼結構”理論和實踐并重的特性，在理論課程的學生成績評估方式中，改變以往主要以理論知識掌握程度來反映學生學習情況的現狀，增加與實踐相關的考核內容，從卷面考試、作業、課堂表現等方面來綜合評價學生的學習能力?？傮w上，按照學校要求，設定“卷面40%+平時60%”的成績評定體系，每個部分又進一步細化量分。將卷面部分細分為基本原理、設計計算、鋼結構設計能力測試三個部分，分值比例大致為“50%+40%+10%”；平時部分細分為雨課堂測試（包括課前與課中）、課堂討論及演講、作業撰寫三個部分。其中，課堂討論及演講直接反映學生將理論知識與前沿科學進展、工程實踐等相聯系的能力，作業包含需要學生動手進行課程設計的實踐內容，這三部分的分值比例為1:1:1，即各占總分的20%。

在“水工鋼結構”課程設計中，從設計報告、實際操作能力、提問及討論三個方面進行學生實踐環節成績的綜合評價，比例為“50%+30%+20%”。其中，設計報告主要從計算結果正確性、內容完整性、格式排版規范性等方面來考察，權重分別為0.6、0.3、0.1。實際操作能力主要從規范等文獻查閱、軟件運用或程序編制、圖紙規范化繪制等方面來考察，權重分別為0.2、0.2、0.6。提問及討論這一項主要從設計思路、語言表達能力方面來考察，權重分別為0.7、0.3。

4 應用情況與實施效果分析

為了驗證“水工鋼結構”理論與實踐一體化教學模式的可行性，課程組對2018 級、2019 級水利水電工程專業學生的“水工鋼結構”教學過程進行了實踐檢驗。學生們對這種教學模式改變的接受度較高，普遍反映對順利完成課程設計的信心大大增強。有些學生甚至在理論課程結束之前，就已經完成了全部課程設計的任務。

通過“水工鋼結構”理論課程的學生成績統計結果對比研究，發現2018、2019 級學生平均成績分別為76.09 分、76.51分，低于2017級單一線上教學、線上考試的81.55 分，高于2016 級、2015級單一線下教學的73.64、74.58 分。而從這五年的“水工鋼結構”課程設計的學生成績統計表可以看出，2018、2019 級平均成績分別為80.78 分、81.38 分，與2015-2017 級的平均分基本持平，優秀率分別為28.6%、27.9%，均高于此前三個年級。由此可見，學生對理論與實踐一體化教學的適應性較好，不管是理論知識的掌握，還是實踐操作的能力，均得到了提高，說明理論與實踐一體化教學模式是合理可行的。

2015-2019 級“水工鋼結構”理論和實踐環節成績如圖4所示。

圖4 2015～2019級“水工鋼結構”理論和實踐環節成績

5 結語

為滿足新工科的要求，以“水工鋼結構”課程為例，利用雨課堂教學平臺進行線上線下混合式教學，調整教學內容順序，進行以案例為主線的教學內容改革研究，提出了一體化教學的學生成績評價方法，初步形成了理論與實踐一體化的“水工鋼結構”課程教學模式。這種理論與實踐深度融合的教學模式，可為新工科背景下工程教育相近專業的教學改革提供參考借鑒。