基于创新能力培养的土木工程施工立体化教学改革

亓宪寅，肖桃李，曾 磊，杨 振  

（长江大学城市建设学院，湖北荆州 434023）

[摘  要]从当前土木工程施工课程特点及教学现状出发，基于培养和发展学生的创新意识与能力，针对课程体系建设不足、教学方法单一、课程学时缺乏且分配不合理等局限，提出“一项顶层设计，两种教学方式，三条解决措施”的立体化教学设计与改革。旨在提高学生对课程的整体认知感，使其更好地融入多元化的教学课堂，并深度理解和掌握综合性、实践性、时效性并存的土木工程施工工艺和生产知识，大幅度地提升学生的综合能力与素质，以满足现代社会对高水平土木工程专业型人才的需求。

[关键词]教学现状；创新能力；顶层设计；教学方式；解决措施

[基金项目]2018年长江大学教育教学改革项目，基于创新能力培养的土木工程施工课程教学改革（JY2018）。

[作者简介]亓宪寅（1986-）男，山东泰安人，博士，长江大学城市建设学院讲师（通讯作者），主要从事土木工程教学和研究。

[中图分类号]G642.421 [文献标识码]A     

0.前言

2017年4月10日，教育部发布了《新工科建设行动路线》，致力于探索建立新的工科发展方式，促进和深化高校工程教育改革。提高教育教学水平和质量，培养大学生自主学习及创新实践能力^[]。教育部部长陈宝生在2018年全国政协十三届一次会议教育界别联组会上指出：我们要努力提高工科教育的质量，打造好培养“大国工匠”的摇篮。土木工程施工是土木工程专业的必修课，是一门与理论和实践紧密相关的课程，着重培养大学生独立分析和解决土木工程建设中的技术问题的能力^[]。基于培养学生创新能力的理念，针对土木工程施工课程教学改革进行深刻思考，提出立体化的教学设计与改革。

1.《土木工程施工》课程特点

基于培养学生创新能力这一教学目标，必先透彻掌握该门课程的特点，从而才能结合其特征进行针对性的教学设计与改革，科学有效地塑造学生的创新思维，培养并发展学生的创新能力。在对土木工程施工课程内容与结构进行分析后，笔者认为综合性、实践性与时效性共存于该门课程之中。

1.1综合性

本门课程的知识体系由结构力学，材料力学，理论力学，建筑材料，工程测量和其他相关知识结构组成。由此使得该门课程知识跨度大，综合性极强。

1.2实践性

该课程与土木工程生产密切相关，课程的知识主要是土木工程施工实践的总结,课程的内容主要是典型的土木工程生产技术和实践过程。因此，本课程的工程实践性较强。

1.3时效性

随着科技的不断进步与发展，为了降成本、缩工期、提质量，在施工中不断涌现出许多新工艺、新材料、新技术、新设备[]，因而，课程内容也相应具有时效性，依实际情况而变化。

2.《土木工程施工》课程教学现状

前文已对该课程的特性进行阐述，在教学实践中应据此开展科学、有效的教学工作，以培养并发展学生的创新能力。而在本课程的实际教学过程中，情况却不容乐观，可以归纳为以下三点。

2.1课程体系建设不足

在以往的教学实践中，相较其他课程而言，土木工程施工课程章节间联系松散，衔接不畅，跨度较大。教材及其它教学资源不能及时与现代互联网技术接轨，导致土木工程施工课程体系建设不足。基于培养学生对课程的整体认知感，教师必须加强对不同分部分项工程或工艺之间的联系的讲解，保证教学模块独立的同时亦要保证其间的连贯性，并对课程教学内容进行统筹组织，合理教学，对考试考核安排做出相应调整，严格其过程控制；学校应对教材及其他教学资源的建设给予支持。

2.2教学方法单一

土木工程施工课程具有较强的实践性和综合性，尤其是对于操作性要求较高的施工工艺与施工技术，通过简单的理论教学显然无法达到传授知识的目的。随着学校教学条件的改善，多媒体的使用率提高，理论与实践的联系取得了一定的成效，但无论采用哪种教学手段，“满堂灌”教学方式仍然存在于大多数课堂中。在土木工程施工课程教学中，理论教学与工程实践之间存在明显的脱节，导致学生缺乏施工意识和感知意识。强调理论与实践相结合，有利于培养学生的创新思维和创新能力。

2.3课程学时缺乏及分配不合理

土木工程施工课程内容主要包含施工组织和施工技术两部分，其知识结构主要包含力学、测量、材料、施工技术、施工组织等多方面内容。教学内容庞杂，且综合性强，课程学时较少及分配不合理则不能涵盖课程内容、侧重教学难点，无法达到教学预期效果。

3.《土木工程施工》课程立体化教学设计与改革

针对上述《土木工程施工》课程教学存在的部分局限，基于创新能力培养的目的，现提出“一项顶层设计、两种教学模式、三条解决措施”的立体化教学设计与改革。

3.1一项顶层设计——土木工程施工课程体系及教学资源的改革与创新

课程体系和教学资源由纸质教材、多媒体电子教案和课程资源库组成，三者相辅相成，紧密合作，在促进教师授学和学生学习中发挥着重要作用^[]。

3.1.1推进纸质教材更新

随着土木工程领域新技术，新工艺，新材料，新设备的不断涌现和应用，以及土木工程建设的横向扩展，各项国家和地方标准及规范不断更新，各高校的教材使用周期过长,内容更新过慢。土木工程施工课程教材无法满足理论知识的同步与发展，以至于脱离实际，不能使学生学以致用。例如部分教材仍大篇幅介绍黏土砖的砌筑，而对装配式建筑及BIM技术应用介绍较少，各部分章节内容松散，没有横向或众向连接，既不能独立模块化也没有分部分项工程或施工工艺的连贯性等。各院校应尽量使用新版的国家规划高水平教材，有条件的院校可组织专家学者及一线教师，针对以上不足，考虑本校学生的学习特性，自行撰写教材并加以推广^[]。

3.1.2完善多媒体课件与电子教案

多媒体课件和电子教案能够生动且形象地传递教学内容，如土木工程中地基的施工方法与工艺则可直接得到展示，让学生有更直观、更真切、更震撼的视听效果，达到有深刻印象的教学预期。同时，课题组教师应根据新规划的纸质教材，灵活结合教学方法，更新及完善电子课件和教案，使其在教学过程中发挥更全面的作用。

3.1.3建设课程资源库

建设课程资源库包括扩展教学视频库如录像、视频及动画，更新与教材配套的习题库，完善资料库如工程图纸、图片、案例、规范规程及工程软件等。课程资源库提供的课程资源内容及表现形式丰富，不同知识点可以文字、视频、动画演示等多种形式立体、生动地展示出来。知识的呈现方式多样化，从而令教学过程变得生动且积极，学生能够从多角度理解知识点，知识补充更全面更高效，有利于学生自主学习。而且课程资源库的开放、动态等特性，其内容亦可随着科技的不断发展得以补充和完善。

3.2两种教学方式——VR课堂教学和BIM工程实战引入

为改善土木工程施工课程教学，首先应着重于提高学生对课堂的参与度，这不仅要求教师积极指导学生，让学生明确学习目标，更要激发学生的学习兴趣。在教学过程中将课堂讲授内容和工程实际紧密结合，并引进VR和BIM技术的体验式和启发式教学，基于BIM的可视化工程数据特性，利用VR沉浸式学习，学生在虚拟环境中扮演现实角色，可将学生的学习兴趣充分调动起来。

3.2.1 VR课堂教学

VR（虚拟现实），“Virtual Reality”的全称，是指使用计算机图形技术模拟和生成现实世界中的场景，然后使用某些设备将人们“投入”到场景中以增强沉浸感和交互感,给用户一种身临其境的感觉。人们使用VR眼镜，数据手套等特殊的传感设备，进入一种具有视觉、听觉、嗅觉的三维模拟世界，并且人可以通过其自然技能与相应设备进行交互。其中，沉浸性、交互性、构想性为VR技术的三大特性。沉浸性是指用户对虚拟世界体验的真实感，模拟环境中的构成使用户看上去、听上去、闻起来都是真的，与现实世界体验相同，无差异感；交互性是指用户对虚拟世界中的组分有可操作性，如触摸、紧握模拟环境中的构件时，应有力量感、紧握感，同时移动时也有移动感等；构想性是指用户在虚拟的多维信息空间中，可发挥主观能动性依靠自身的认知感觉能力，全方位地获取、使用知识，以期解决问题。VR的五大关键技术分别为动态环境建模技术、实时三维图形生成技术、立体显示和传感器技术、应用系统开发工具和系统集成技术。VR技术的实现过程为：采用CAD技术及非接触式视觉建模技术获取三维模型数据，利用三维图形的实时生成技术，保证图片质量及刷新率，基于虚拟现实的应用系统开发平台，使用立体显示及传感器技术，在高分辨、低延迟的三维显示器上得以集成显示，从而实现用户的VR体验。目前,VR已被广泛应用于建筑工程方案设计,项目展示,安全，培训，虚拟建筑和虚拟家庭装修等方面。

3.2.2 BIM工程实战引入

BIM是建筑行业中使用的一个重要的数字化工具,是建设项目的物理和功能特征的数字表达。它是一种共享的知识资源，可为设施从概念到拆除的全生命周期中的所有决策提供可靠的信息依据。在项目的不同阶段，不同的建设参与方可以在BIM中插入、提取、更新和修改信息，以支持和反映他们各自职责的协同工作。它的三维可视化功能极大地方便了设计、施工、监理等生产过程，拉近了各参建方的距离，使建筑信息不在孤立，促进了各项生产工作的良好发展。

将BIM以及VR技术和土木工程施工教学相结合，就要按照整个施工过程的内容，将技术的作用充分发挥出来。通过构建相应的技术系统，对主流 BIM以及VR软件，进行二次开发，结合课程教学的需要进行仿真教学平台系统构建，通过 BIM 构建模块以及 VR 制作模块和全寿命周期管理虚拟平台部分构成[]。这样就能将每个模块独立体现，有子模块进行支持，发挥 BIM 构建模块的作用，使用BIM模型进行特定连接导入 VR 软件，在进行制作后可以构建子模块的虚拟场景，并将这些场景发布于生命周期平台，实现虚拟交互管理，从而提升土木工程施工课堂教学的整体质量。

通过计算机上生成可交互三维施工现场模型，灵活运用VR技术就能再现土木工程施工的现场，教师在土木工程施工教学过程中通过科学运用BIM以及VR技术，将BIM和VR装备进行结合能够实现动态漫游，学生零风险就能漫游施工现场，能够实现低成本零风险的教学目标。基于BIM和VR技术的场景沉浸式课堂不仅可以满足学习媒体的情境化和灵活交互的要求，而且可以快速为学生创建真实的施工生产场景，能够促进学生对新知识的理解与吸收，重塑原有知识经验，从整体上提高学生学习的质量，帮助学生掌握相应的生产施工要点，能够实现多元协作的教学目标，为土木工程专业教学突破传统瓶颈提供良好的条件。

3.3三条解决措施——改革学时分配、引进MOOC慕课、加强实践环节引导

3.3.1合理增加及分配土木工程施工课程学时

土木工程施工课程学时不足及分配不甚合理，易导致学生理论基础知识薄弱、实践环节陌生。为达到教学目标，提高教学质量，这就要求土木工程施工课程课时必须保证在80学时以上，实际上现今大多数院校设置为50-60学时，而且多数院校考虑学生安全及理论知识的讲解或资金不足等方面原因均安排较少实践学时。以创新能力培养为基础的土木工程施工课程改革，必须提高对实践环节的重视程度。

3.3.2引进MOOC课程学习模式

学习对象、教学资源及学习形式的全面开放，使得学生从选课到学习，再到考核，学习方式和进度等学习自主权由自己掌握，有利于激发学生的创新意识，进行个性化学习^[]。其课程来源于全球知名高校，种类繁多，涉及领域广泛，授课教师几乎都是著名专家学者及一线名师；课程内容新颖、前沿、紧贴实际，这无疑为土木工程施工课程授课带来诸多便利，使得学生及时了解新技术、新方法、新工艺等在土木工程领域中的应用；它的教学结构采用微知识单元设计，将知识点分为几个相关的小单元，视频每隔几分钟停止播放，并进行互动练习，这样可以巩固土木工程中的诸多知识点，交互式练习增强教学中的师生互动。按照MOOC课程内容的特点，结合学生的学习特性、知识结构、职业规划，分别组合成具有不同教学进度、教学方法和教学模式的个性化MOOC课程，基于全新的MOOC网络自主学习课程模式亦对培养学生的创新意识及能力有所帮助。

3.3.3加强实践环节引导

实践教学是土木工程施工课程教学过程中的重要组成部分，目前大多数高校都设有实训课程，但由于各种原因，实践环节学时不低于课程学时三分之一得不到保障、实践效果不佳。面对这样的问题，各院校应对土木工程施工课程的实践学时做出不低于课程学时三分之一的硬性规定，并要求学生撰写实践日志及心得形成实习报告上交，作为期末成绩的重要考核部分；在学校条件允许的情况下，应进行培训基地的建设以满足实践教学的需要；积极开辟校外可靠的实习基地，多为学生提供参观、实践的机会，以便学生对各分部分项工程、施工阶段及工艺流程等都有所了解，以此提高学生的学习兴趣和主动性，在实践中巩固和提高课堂教学质量。

4.结语

为解决急需培养出适应社会发展的土木工程专业型人才这一问题，进行土木工程施工类课程改革刻不容缓。立体化教学模式改革对于培养土木工程专业学生的创新意识和创新能力至关重要，这种教学模式用于土木工程施工课堂教学中，使学生能够更灵活地将理论和实践知识相结合，以建立对课程的整体认知；引发学生的学习兴趣，使学生能够自主钻研，加强其理论知识的学习；增强学生的实践与创新能力，以培养学生学以致用的能力，获得更多的专业技能；从而极大提高学生的综合素质，满足现代社会对高水平土木工程专业型人才的迫切需求。

[参考文献]