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土木工程专业力学课程体系

期刊目录网建筑工程论文发表2019-11-30 11:09关注(1)

  卓越工程师教育培养计划(简称“卓越计划”),是教育部推出的一项教育改革试点项目。本文以沈阳建筑大学土木工程专业“卓越工程师”班为例,以现有力学课程教学体系为基础,通过优化教学内容,加强实践环节,探讨适合“土建类”面向卓越工程师培养的全新力学课程教学体系和考核评价方式,以切实提高教学质量,培养高素质创新型土木工程专业人才。此项教学改革适用于所有土建类院校土木工程专业的“卓越工程师”班。

土木工程专业力学课程体系

  [关键词]卓越计划;土建类;力学课程体系;教学改革

  卓越工程师教育培养计划(简称“卓越计划”)是教育部2009年推出的一项重大教育改革试点项目,是我国高等工程教育主动服务新时期国家发展战略的重要举措[1]。针对土建类院校土木工程专业而言,“卓越计划”提出了各个层次学生应当达到的专业知识、能力和素质等方面的要求。其最根本目标就是要创建和完善具有中国特色的工程专业教育模式。该教育模式要以实际工程为背景,借鉴世界先进国家的工程专业教育成功经验,加强高校与企业之间联合培养人才机制,提高土木工程专业高校毕业生的工程专业素质与实践能力,培养大量具有创新思维能力和实践能力的工程应用人才。在建设创新型国家的大背景下,“卓越计划”的提出和实施具有重要的战略意义。本文研究的是“土建类”土木工程专业的力学课程体系,其内容包括理论力学、材料力学与结构力学等,该课程组是构成土木工程专业学生主体知识结构最重要的专业基础课之一,其教学目的是为培养学生的结构分析能力、计算机应用能力和实践创新能力奠定基础,教学质量直接影响后续相关专业课程的教学效果。沈阳建筑大学土木工程专业从2012级学生开始设置“卓越工程师”班,秉承学生个人自愿的原则,由遴选出的符合学院自定条件的土木工程专业二年级学生组建而成。该班力学课程体系名称统一为“工程力学”,共192学时,分3个学期讲授。面向“卓越工程师”培养的力学课程体系教学改革在传统的三大力学课程内进行。改革建立了强概念、重电算、轻手算的新体系。该教学体系构建的课程实践教学平台强化实践环节、改革课程评价方式、注重学生的实践能力和创新意识培养;该教学体系与国家土木工程执业资格对接更加紧密、突出与工程实践的紧密融合;该教学体系以学生为中心,注重因材施教,考虑满足学生个性的发展和需求。具体改革如下:

  一、完善和优化教学大纲,开展教材建设

  根据“卓越工程师”培养计划对力学课程提出的基本要求及具体的课程课时等条件要求,在深入调研的基础上,对教学大纲内容进行完善与优化,重新分配课堂教学和实践教学比例。1.重新安排课堂理论教学内容针对原三大力学教材中出现的部分内容重复问题和章节顺序与实际工程设计思维逻辑不一致[2]等问题,按照力的基本概念—内力分析—应力分析—应变分析的顺序对三大力学教学内容进行了调整,删除了重复内容,强化了概念分析。理论力学的运动学部分与土木工程的实际应用联系不紧密,在理论力学教学中重点讲授静力学部分,把运动学部分作为专题单独讲授。2.从“能力”培养出发,创新课程内容与原有力学课程体系不同,新体系注重学生电算能力的培养,削弱适合手算的旧方法所占的比重,重概念,轻手算。例如,结构力学中的力法是求解超静定结构内力的计算方法之一,在实际工程中应用较少,在课堂教学中,重点强调其基本概念和基本思路,适当减少该部分的学时。应用自主开发的教学软件MDMS,提升学生电算能力和软件编程能力。以实际建筑工程案例为背景,增加工程设计与施工的前沿领域的内容。通过计算机模拟建筑物(构筑物)的受力、变形等来分析其力学行为,呈现力与变形的动态过程,不仅为学生提供直观、有效的学习模式,还为学生进行创新型实践及结构设计大赛提供技术支持。3.开展适应“卓越工程师”培养计划的力学教材建设根据“土建类”土木工程专业“卓越工程师”培养计划的基本要求,按照新的力学课程体系教学大纲的精神要求,积极开展工程力学教材建设。突破原有教程的局限性,重新贯通教学基本内容(即按照力系的基础知识、平衡方程→平面体系的几何组成分析→静定结构的内力计算→基本变形、组合变形→静定结构的位移计算→超静定结构的内力计算的顺序进行编写);调整知识深度,增加基本概念解释与问题解答,增加力学知识在工程实例中的应用部分,提高学生应用力学知识解决实际问题的能力。

  二、强化实践环节,构建课程实践教学平台

  以卓越土木工程师必须具备的核心能力为中心,推演出与其相适应的实践教学体系和平台的构建思路,培养会设计(具有良好的土木工程领域设计能力和建筑及结构等方面的设计知识),能施工(具有土木工程施工能力、施工组织技术的学习运用能力),懂管理(掌握行业标准和规范,有现场管理、项目管理的能力),善于创新(设计方法创新、工艺技术创新、管理方式创新)的应用型人才。1.更新教学理念,深刻认知实践教学内涵教学改革是核心,思想观念是先导。首先从思想上高度重视,提高认识,转变“重理论、轻实践”的传统观念,充分认识高等教育是理论与实践教学的统一体,实践教学与理论教学贯穿于整个教学过程之中。理性的知识最终要运用到实践中,指导和完成工程实践,而实践教学的真正内涵就是对学生进行以动手能力、科研能力、适应能力和创新能力为代表的综合素质的培养。2.明确实践环节卓越土木工程师培养的基本目标按照“卓越计划”的培养目标和国际工程教育认证体系的基本要求,实践环节主要培养学生以下方面的知识、能力和素质:构思与工程系统分析的能力、设计能力、工程项目实施能力、运行和维护能力、工程信息获取和鉴别能力、独立思考和解决技术问题能力,职业技能和道德、终身学习的意识、团队合作精神和责任、表达交流能力、写作能力和职业资格能力。3.整合实践环节,创新实践形式以土木工程专业力学系列课程为重点,以“力学分析—结构设计—建筑施工”为主线,根据认知规律和课程特点,更新实验教学内容,整合演示型、综合型、创新型实验项目,将系列试验环节由10学时拓展到16学时,从1个学期延伸到3个学期(表1),使不同层次的学生通过实践环节得到不同的收获。4.丰富实践内容,拓展专业能力实践教学是土木工程专业人才动手能力培养的关键。如果只懂理论知识,就会成为纯粹的理论家;如果只会实践动手,则只是普通的技术工人。实践与理论结合才能凸显实践教学的作用。通过构建使实验、实习、课程设计、工程能力训练学科竞赛有机结合的实践教学平台,优化实践教学,形成整体,凸显合力。在力学系列实验课程中,整合优化传统的以低碳钢、铸铁为主的验证性实验,结合典型的土木工程材料,以钢筋的拉伸、抗弯实验和混凝土抗压实验等为主,从破坏现象讲解力学理论。增加水平荷载作用下超静定刚架内力测试、单自由度系统自由衰减振动固有频率阻尼比测定、单自由度系统强迫振动的幅频特性测试等创新型和综合型试验。这样既可以达到土木工程专业基础课程实验教学的目的,又可使学生在过程中理解建筑材料、结构设计原理、工程结构抗震等方面的基础知识,为今后学习相关技术课程打下基础。基于结构力学组合实验装置,完成刚架、桁架、组合结构的基本实验。其核心技术是通过特殊的结构形式获得可模拟理想的铰结点及刚结点力学特性的结点。在不断完善加载及数据采集方便性的前提下,通过丰富加载架的结构形式提高承载力,开发了适合开展混凝土结构试验、钢结构试验、结构动力学试验等相关内容的系列实验装置。学科竞赛是实践教学平台的重要组成部分,学校将本专业中代表性的专业赛事—大学生结构设计竞赛常态化。以理论教学、实践环节和创新训练项目为依托,训练学生对力学知识的系统归纳和综合实践应用能力;将理论知识、创新理念、动手技巧等融入设计和制作过程,最终实现设计成果最优化的目标。科学竞赛实践教学能使学生的创新意识、创新能力和个性得到充分发掘和施展,知识综合应用能力、自主学习能力、心理素质和团队协作精神得到有效培养和展现。5.创造实践条件,激发实践热情为了鼓励学生参与科研实验活动,学校实验室对土木工程专业“卓越工程师班”的学生全天候开放,其实验内容主要包括“大学生创新性实验项目”“研究性实验项目”“毕业设计实验项目”等。学生可以根据自己的时间,自主预约实验项目和时间。学生也可以参与教师的科研项目实验,培养科学研究的初步能力。

  三、探索与“卓越工程师”培养计划相适应的新型学生学习评价方案

  学生对土木工程力学课程教学的普遍反映是“一听就懂,一看就会,一做就错”,这也从另一个侧面提示教师:要强调学生分析、计算、判断能力的培养。以往学生学习本课程普遍存在的问题是平时训练不够,考前临时突击,死记硬背,应付考试。其结果是,即使考试成绩较好的学生,在后续专业课学习时,也不能熟练应用力学知识解决专业问题。学会了理论,却不会应用,实际上也是应试教育的不良结果。考试命题和评分的“标准化”,考试形式和方法的“单一化”,其考试成绩主要反映的是学生的记忆力和应试能力,而很少能够反映学生的综合素质和知识的应用能力。为了改变这种状况,积极采取相应措施。一是在平时的教学过程中,有意识地培养学生的主动性与创造性。组建学习小组,鼓励学生撰写相关论文,搞创新发明。二是以考试改革为突破口,采用“一纸开卷”“试题分组”“笔试口试相结合”“综合性问题分析”等多种方式进行考核,既避免考试作弊现象的发生,又培养了学生归纳、总结、灵活运用知识的能力。三是将学生参加创新项目研究、结构设计大赛、独立发表研究论文、申请发明专利等成果,按照一定比例计入平时成绩,与期末考试成绩按照4:6的比例确定学生本课程的最终成绩。结语在“卓越工程师班”所进行的土木工程力学课程教学改革与实践,以能力培养为重点,紧密结合生产实际要求,在保证课程内容体系系统性和完整性的基础上,增加创新性内容。以项目、案例为主线,串联知识点或课程内容;增加课程内容的灵活性和教学过程中的针对性;优化组合传统课程内容,增加学生自主学习、研究性学习内容,在打牢理论基础的同时,强化实践能力培养,提高人才培养整体质量。紧密结合土木工程实际问题,丰富教学手段。推广讨论式、案例式教学[3];渗透工程背景,加大了教学信息量;配合案例式教学,初步建立了10个工程案例资料库;继续开展弯矩图大赛(每年10月一次)、结构模型设计大赛和力学创新性、研究性实验,每年均有参赛学生在国家、省大学生结构大赛中获得奖励。“土建类”土木工程专业力学新课程体系立足于土木工程专业的培养目标,已在2012~2017级“卓越工程师班”中实施,短期受益约有6个年级的学生,长期受益将会更多。其课程体系改革成果和经验可供同类高校参考借鉴。

  [参考文献]

  [1]教育部高等教育司.最新高校卓越工程师教育培养计划实施探索与国家创新工程技术人才培养方案指导全书[M].北京:高等教育出版社,2011:5~15.

  [2]林健.面向卓越工程师培养的课程体系和教学内容改革[J].高等工程教育研究,2001(5).

  [3]夏平,陈莘莘,康颖安.基于“卓越工程师”培养的工程力学教学改革研究[J].湖南工程学院学报,2012(22).

  作者:海洪 宋岩升 王宇 单位:沈阳建筑大学土木工程学院

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