導語：土木工程課程設(shè)計實踐思考一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要:文章對英國紐卡斯爾大學“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(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

時代的進步和社會的發(fā)展對土木工程專業(yè)學生的實踐能力、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)或教學內(nèi)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(guān)專業(yè)(例如建筑學、規(guī)劃學、交通學、建筑環(huán)境學、可持續(xù)發(fā)展理念［2］等)的基本了解，使學生從工程初期規(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)訓練，培養(yǎng)學生綜合運用所學專業(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的多年執(zhí)教經(jīng)驗，詳細介紹該校工程學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“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(jù)學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(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(jié)構(gòu)設(shè)計理念的了解，以及提高學生對人類工程行為下的環(huán)境影響的認知度;學生通過該階段的學習可以掌握結(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，從而提高學生結(jié)構(gòu)概念設(shè)計的能力，增強學生工程概念設(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)計采用教學為主、實踐為輔的方法，分為若干教學和實踐環(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)學生的團隊合作領(lǐng)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(shè)計任務，一方面要求學生結(jié)合所學專業(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(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生準備應對客戶的模擬答辯會，學生要在業(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(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生的綜合設(shè)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(yǎng)學生的分析和設(shè)計能力，重點幫助學生掌握初步規(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)學生的方案起草和設(shè)計能力，但還應著重幫助學生建立綜合設(shè)計與評估的理念，以及培養(yǎng)學生解決可持續(xù)發(fā)展相關(guān)問題的能力，使學生掌握項目初期規(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)計采用教學為主、實踐為輔的方法，分為若干教學和實踐環(huán)節(jié)。教學部分涵蓋以下內(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(huán)節(jié)的最后，進一步提升學生對可持續(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。在上述課程學習的基礎(chǔ)上，學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，學生應進一步掌握專業(yè)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(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，幫助學生進一步學習基于建筑信息模型(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(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生的綜合設(shè)計課程，共包含200個學生學時。該階段課程重點培養(yǎng)學生的實戰(zhàn)能力，主要教學目標是訓練學生專業(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)。學生通過此階段的訓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，學習團隊領(lǐng)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(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(huán)節(jié)，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(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院的學生完成，針對科學技術(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(shè)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(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”。教學中根據(jù)不同方向分小班上課，每一個方向有一位指導教師，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、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。為了使學生接受作為工程師所應有的系統(tǒng)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(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(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)計的軟件應用;了解建筑施工新技術(shù)、新工藝、新材料的發(fā)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(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)對學生的系統(tǒng)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(lián)系實際的重要性，鞏固學生基本力學及結(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)軟件的應用能力，培養(yǎng)學生處理實際問題的能力。同時要求學生通過相關(guān)專業(yè)規(guī)范和設(shè)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(yǎng)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(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)計偏向于對學生工程基本功的培養(yǎng)，學生對建筑結(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(yè)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(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)點是將學生置身于真實的企業(yè)環(huán)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(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練。但是潛在的缺點是該課程對構(gòu)建學生除建筑結(jié)構(gòu)設(shè)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(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)計教學的真實還原度還不夠，學生對除建筑結(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)計對學生可持續(xù)發(fā)展設(shè)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(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，這可能造成學生所學的理論與設(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，努力提高學生的專業(yè)水平、綜合素質(zhì)和國際競爭力。

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作者:方成 王偉 單位:同濟大學