土木工程課程設計實踐思考

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

關鍵詞:土木工程;全過程課程設計;英國教育;培養方案;教育理念

時代的進步和社會的發展對土木工程專業學生的實踐能力、創新能力和多專業融合能力提出了更高要求，傳統的單一課程設計的教學安排已經不能滿足新時代卓越工程師的培養需求。多階段貫通、全過程融合的課程設計教學理念已逐漸被國內外高校所接受和采納［1］。全過程課程設計，可以將傳統教學中每個獨立的設計課程(如建筑選型、混凝土結構、鋼結構、建筑施工等課程)整體銜接起來，克服了各課程設計自成一體、相互間缺乏關聯或教學內容重復等弊端，也有利于學生對土木工程學科以外的其他相關專業(例如建筑學、規劃學、交通學、建筑環境學、可持續發展理念［2］等)的基本了解，使學生從工程初期規劃開始，就能掌握真實的工程推進流程與團隊合作模式，在此基礎上進行結構設計、施工組織設計，直至造價與環境影響分析，從而受到作為土木工程師的全過程系統訓練，培養學生綜合運用所學專業知識、基礎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境，了解國外先進的全過程教學理念對全過程課程設計大綱的規劃、制定和完善具有積極的推動意義。本文結合筆者曾在英國紐卡斯爾大學的多年執教經驗，詳細介紹該校工程學院的招牌課程之一工程系統的全過程可持續設計課程的學時規劃、培養目標、培養內容以及考核標準，并闡析該課程教學模式對中國全過程課程設計方案制定的借鑒意義。

一、課程概述

工程系統的全過程可持續設計課程英文名為“IntegratedDesignofSustainableEngineeringSystems”，是英國紐卡斯爾大學土木工程學科的必修課程。課程共分三個階段，時間涵蓋大一至大三，根據學生所掌握的具體知識情況每個階段側重點也有所不同。三年的總學分(英國ECTSCredits)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學分為5～10分)。該課程分為授課講解和指導下的獨立學習兩種教學模式，并且互相融合。(一)工程系統的全過程可持續設計:階段一該階段課程為大一新生的綜合設計課程，共包含300個學生學時(包括課外學習時間)。主要教學目標是加深學生對于工程結構設計理念的了解，以及提高學生對人類工程行為下的環境影響的認知度;學生通過該階段的學習可以掌握結構概念設計與分析中的交流技巧，熟悉資源循環與全壽命的設計理念，了解土木工程師在可持續發展以及氣候變化挑戰中所扮演的角色。在此基礎上，將對上述挑戰問題的思考體現在一個具體而又簡單的工程實例中，從而提高學生結構概念設計的能力，增強學生工程概念設計與可持續發展的關聯意識，培養學生團隊合作的能力，以及文獻檢索和科技報告寫作能力。該階段課程設計采用教學為主、實踐為輔的方法，分為若干教學和實踐環節。首先向學生講授規劃與設計的基本知識、實際工程中團隊的合作模式、資源的調動與分配，建立“全系統”的設計理念。隨后進一步講述可持續系統的若干主題，包括可持續發展的三大支柱、系統工程在工程中的興起、全壽命設計理念、反饋循環以及相關法律知識。在學生掌握了基本系統和可持續發展理念之后，針對具體一個案例(通常是一個城市社區)，以團隊的形式研究該區域建設資源的分布，并對其基礎建設、水資源、能源以及交通運輸能力進行評估，著重培養學生的團隊合作領導能力、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計任務，一方面要求學生結合所學專業知識進行桁架設計;另一方面要求設計作品需體現學生對可持續發展和環境的思考(包括材料選擇、能源節約、施工方法等)。在此過程將著力培養學生的繪圖能力，要求學生掌握基本繪圖軟件，并初步掌握建筑信息模型(BIM)的基本概念與設計方法。該階段課程設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生準備應對客戶的模擬答辯會，學生要在業主、工程師、政府部門以及其他同行的面前，充分展示其調研結果與設計方案的合理性和競爭力。通過該階段的訓練可以使學生充分了解工程師的使命與能力需求，為下一階段的學習打下重要基礎。(二)工程系統的全過程可持續設計:階段二該階段課程為大二學生的綜合設計課程，共包含300個學生學時。主要教學目標是通過一個更加具體的案例進一步培養學生的分析和設計能力，重點幫助學生掌握初步規劃與設計、方案比選等技巧。同時進一步培育學生可持續發展的設計理念，著重于材料的選取、施工方案的確定、經濟性評估、風險管理、可恢復性能評估、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學生的方案起草和設計能力，但還應著重幫助學生建立綜合設計與評估的理念，以及培養學生解決可持續發展相關問題的能力，使學生掌握項目初期規劃、選址、地址勘探、基礎設計、結構設計、交通規劃、材料選取、環境政策等方面的核心知識，進一步培養學生的分析、設計、表達、繪圖等能力。和第一階段類似，此階段課程設計采用教學為主、實踐為輔的方法，分為若干教學和實踐環節。教學部分涵蓋以下內容:基礎建設、交通需求、地質勘探、橋梁與隧道結構、環境影響、結構設計與施工的案例分析和可行性分析，并向學生講解原位測試和地質勘探儀器的基本原理。其他的相關課程模塊還包括:環境影響評介，可靠度、災害與風險分析，可持續材料以及管理、氣候變化與基礎建設的關聯。其中可持續材料重點講解材料比選原則和制作工藝，對于前者學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境危害性等;對于后者學生重點掌握鋼材、混凝土、木材以及新興材料的基本特性、制作工藝和應用范圍。在教學環節的最后，進一步提升學生對可持續發展與工程經濟理論的認識，課程包括融資選擇、成本效益分析、碳足跡成本分析、可持續發展規程以及廢棄物循環分析。在上述課程學習的基礎上，學生需要完成一個綜合案例分析，分析對象為英國境內的一個重點基礎設施(例如重要建筑、橋梁、隧道等)。案例分析報告需要體現對以下問題的深入思考:交通運輸需求、方案評選過程詳述、環境影響分析、可持續性分析、融資以及其他經濟因素分析。在完成上述分析評估的基礎上再完成該項目的初步主體設計。在階段一(大一課程)的基礎上，學生應進一步掌握專業的繪圖技巧，具有熟練應用三維繪圖與渲染軟件SketchUp，并將手繪圖轉化為專業制圖的能力。通過邀請企業一線工程師來校指導，幫助學生進一步學習基于建筑信息模型(BIM)的設計方法。該階段課程設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、現場調研記錄、文獻考察分析以及個人見解等。(三)工程系統的全過程可持續設計:階段三該階段課程為大三學生的綜合設計課程，共包含200個學生學時。該階段課程重點培養學生的實戰能力，主要教學目標是訓練學生專業團隊的合作能力，并且明確自身的主攻方向(類似于專業方向選擇，包括建筑、結構、地下、交通、測量、給排水等)。學生通過此階段的訓練可以提高自身在多方合作情況下擁有敏銳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，學習團隊領袖所必要的技能。同時學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。最后需要學生強化可持續發展的設計理念，了解在社區與城市建設中融資和可持續發展的矛盾。和第一階段與第二階段顯著不同的是，第三階段課程設計采用實踐為主、教學為輔的方法，安排較少部分的課堂教學，增加更多的重點實踐環節，教師與學生互動增強。整個階段的學習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技術中心的一個真實項目。該項目分為規劃與建筑方案設計和工程設計兩期。其中第一期主要由建筑學院的學生完成，針對科學技術中心項目提出約20組規劃與設計方案，土木工程學科的學生主要參與后期的評選，最終由評委教師和學生共同評選，選出三組方案晉級第二期的工程設計，并移交土木工程學科的學生(共約60人)來主導。土木工程學科的學生根據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“建筑部門”“結構部門”“地質與基礎部門”“測繪部門”“交通規劃部門”和“給排水與暖通部門”。教學中根據不同方向分小班上課，每一個方向有一位指導教師，負責向學生講解該方向必要的理論與工程知識，同時解答學生團隊的疑惑。該階段課程設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、可持續發展理、環境與社會影響報告等方面進行評估;方向考核主要從專業的角度考察設計的正確性與合理性。以結構方向為例，學生的專業報告至少需要包括結構選型、初步設計、荷載分析、構件計算、體系計算、施工組織等內容。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，學生能基本掌握一個典型項目的進展流程和所需的專業知識，為畢業后的實際工作打下堅實的基礎。

二、與國內全過程課程設計的對比與思考

(一)國內全過程課程設計典型案例。為了使學生接受作為工程師所應有的系統訓練，同濟大學土木工程學院于2017年啟動了建筑工程全過程課程設計。該課程作為土木工程專業建筑工程方向課群組必修的一門實踐課程，是同濟大學高等工程教育教學的重要組成部分。該課程分成五個模塊:建筑方案設計、混凝土結構設計、鋼結構設計、施工組織設計和工程造價課程。培養目標主要是:了解建筑設計規范;了解建筑方案設計的意圖和個別細部構造詳圖設計;了解建筑設計圖紙的表達方法及達到的施工圖深度;熟悉混凝土結構、砌體結構和鋼結構相關設計規范;掌握結構體系和結構選型;掌握結構布置的一般原則;掌握利用結構力學求解內力，以及利用PKPM軟件和3D3S軟件進行校核的方法;掌握構件截面設計、節點設計及相關的構造措施;掌握基礎選型及基礎設計;熟悉結構施工圖的繪制及出圖深度;掌握建筑工程施工組織設計的基本原理;掌握各分部分項工程的施工技術方案和方法;掌握進度計劃編制的基本方法;掌握施工平面圖的設計方法;熟悉有關施工組織設計的軟件應用;了解建筑施工新技術、新工藝、新材料的發展與應用;掌握建筑工程造價的基本應用，利用工程造價的相關計算進行結構方案的對比分析。上述全過程設計可實現對學生的系統化訓練，使其能夠從應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系實際的重要性，鞏固學生基本力學及結構概念等相關知識，提高計算分析能力與工程設計和制圖能力，提高對計算機及相關結構軟件的應用能力，培養學生處理實際問題的能力。同時要求學生通過相關專業規范和設計手冊的學習，掌握資料查詢、歸類、綜合等基本方法，提高自學能力，培養學生對工程的責任感。該課程的考核方式包括學生平時表現、計算書和設計圖紙，并且提交成果時有質疑環節或答辯環節，以考查學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計案例，不難發現兩者課程設計在內容上既有相通之處，又有較為明顯的差異，這和客觀國情以及課群設置有相當大的關系。中國目前還處于全面建設時期，工程需求量大，因此全過程課程設計偏向于對學生工程基本功的培養，學生對建筑結構這一方面內容的工程實踐有非常深入的了解，對建筑方案設計、混凝土結構設計、鋼結構設計、施工組織設計和工程造價的相關知識以及相互關聯有較為系統的把握。反之，英國的土木工程行業處于相對的穩定期，而且該國的環境保護政策相當嚴苛，因此任何一個工程項目都會經歷系統的環境影響和可持續發展評估。鑒于此，英國紐卡斯爾大學土木工程全過程課程設計的培養重點，除了土木工程設計專業知識以外，還將一大部分時間放在了可持續觀念的養成上，這對學生日后進入英國咨詢公司應對客戶和政府的多方面需求，以及在專業認證程序上［4］的訓練起到了很好的作用。另外，英國土木工程專業本科教育一般包含結構、地下、交通、測量、建筑環境、水資源等內容，和中國土木工程一級學科的范圍有較大的不同，因此全過程課程設計的涉及范圍也不盡相同。在培養方式上，英國和中國全過程課程設計案例均著重培養學生的方案提出能力、概念設計能力、團隊合作與溝通能力、設計與繪圖能力以及方案推廣技巧。英國全過程課程設計案例的特點是“范圍廣”，其優點是將學生置身于真實的企業環境中，學生對將來要面對的任務、團隊、客戶甚至對手均有較為直觀的了解，學生學習熱情高、興趣濃厚。但是一個潛在的缺點是學生對某些核心專業知識(例如結構設計)的掌握可能不足。而中國全過程課程設計的特點是“范圍小，深度大”，學生能集中掌握非常扎實的工程設計知識，在規范的使用、建筑方案與結構設計的關聯，直到后期的施工與造價等方面均受到相當程度的訓練。但是潛在的缺點是該課程對構建學生除建筑結構設計以外的知識體系作用有限，學生很容易誤解，認為一個整體課程設計只是由以前單獨的專業課程設計融合而成的。除此以外，中國課程設計教學的真實還原度還不夠，學生對除建筑結構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，適當引入建筑結構與其他工程團隊的合作環節對培養學生綜合職業素養有積極作用。此外，還有一個值得關注的問題是，中國的全過程課程設計對學生可持續發展設計理念的灌輸嚴重不足，學生將可能無法適應未來20年所面臨的全球工程行業的變化與挑戰。另外，對目前先進的設計方法(例如BIM技術［5］)的授課明顯不足，這可能造成學生所學的理論與設計知識無法跟上行業的飛速發展。在時間跨度上，中國全過程課程設計通常安排在專業課之后的一個學期或者一年，而之前背景知識的講授和團隊合作意識的培養可能不夠。英國的三年階段全過程課程設計的模式值得我們借鑒。

三、結語

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

參考文獻:

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

［2］李天星．國內外可持續發展指標體系研究進展［J］．生態環境學報，2013，22(6):1085－1092．

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

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

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

作者:方成 王偉 單位:同濟大學