創(chuàng)新能力培養(yǎng)土木工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計淺析

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［摘要］為滿足新工科創(chuàng)新能力的培養(yǎng)要求，對土木工程專業(yè)的畢業(yè)設(shè)計進(jìn)行了教學(xué)改革，將結(jié)構(gòu)分析設(shè)計軟件、BIM技術(shù)和結(jié)構(gòu)計算工具軟件應(yīng)用于土木工程畢業(yè)設(shè)計教學(xué)環(huán)節(jié)，把傳統(tǒng)設(shè)計與計算機(jī)應(yīng)用技術(shù)相融合，培養(yǎng)高素質(zhì)復(fù)合型的卓越工程科技人才。在畢業(yè)設(shè)計題目多元化、多樣性和設(shè)計質(zhì)量控制等方面進(jìn)行了創(chuàng)新性實(shí)踐，按照不同的建筑類型、結(jié)構(gòu)類型和計算內(nèi)容做到一人一題。設(shè)計過程嚴(yán)格管理，由指導(dǎo)教師、評閱教師和答辯小組三方加權(quán)評定畢業(yè)設(shè)計成績，保證了公平公正性，形成了個性鮮明的土木專業(yè)畢業(yè)設(shè)計教學(xué)體系。

［關(guān)鍵詞］新工科；土木工程；畢業(yè)設(shè)計；創(chuàng)新能力

引言

新工科建設(shè)是為應(yīng)對新的科技革命與產(chǎn)業(yè)變革，探索形成中國特色、世界水平的新工科教育體系。將傳統(tǒng)的土木工程專業(yè)融入新工科教育體系，就是要面向產(chǎn)業(yè)未來發(fā)展的需要，將信息化、智能化等技術(shù)引入人才培養(yǎng)過程，以培養(yǎng)創(chuàng)新能力強(qiáng)、實(shí)踐能力強(qiáng)、高素質(zhì)復(fù)合型的工程科技人才作為培養(yǎng)目標(biāo)［1］。畢業(yè)設(shè)計是工科專業(yè)綜合實(shí)踐能力培養(yǎng)的最后一個環(huán)節(jié)，通過一個學(xué)期的全方位集中訓(xùn)練，可以培養(yǎng)學(xué)生的工程意識，以及綜合運(yùn)用所學(xué)知識解決生產(chǎn)實(shí)踐、技術(shù)開發(fā)或科學(xué)研究中的工程問題的能力，提高學(xué)生工程設(shè)計、工程制圖和計算機(jī)應(yīng)用的實(shí)踐能力，增強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)新意識，同時能夠進(jìn)一步提升學(xué)生的職業(yè)道德水平，培養(yǎng)符合新經(jīng)濟(jì)需要的創(chuàng)新型卓越工程師。按照新工科建設(shè)的指導(dǎo)思想，對土木專業(yè)畢業(yè)設(shè)計進(jìn)行了一系列教學(xué)改革，結(jié)合畢業(yè)設(shè)計積累的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，對設(shè)計題目的定位和選擇、畢業(yè)設(shè)計開展模式、線上與線下相結(jié)合的輔導(dǎo)方式、設(shè)計過程的環(huán)節(jié)控制與質(zhì)量考核等方面進(jìn)行了創(chuàng)新性探索。引導(dǎo)學(xué)生把更多知識融入畢業(yè)設(shè)計中，靈活應(yīng)用BIM、結(jié)構(gòu)分析設(shè)計軟件、辦公自動化及電子工具軟件等信息技術(shù)，形成了一套有特色的畢業(yè)設(shè)計教學(xué)體系。

一、畢業(yè)設(shè)計題目的多元化與多樣性

畢業(yè)設(shè)計選題是畢業(yè)設(shè)計關(guān)鍵性的基礎(chǔ)工作，題目和內(nèi)容設(shè)計應(yīng)符合專業(yè)培養(yǎng)的基本要求，要有明確的研究內(nèi)容和目標(biāo)，并具有一定的難度、深度和創(chuàng)新點(diǎn)，還要體現(xiàn)出專業(yè)的前沿進(jìn)展和卓越工程師基本訓(xùn)練內(nèi)容；不僅要結(jié)合工程實(shí)際，還要引入最新的科學(xué)研究成果；還應(yīng)與科研單位、生產(chǎn)企業(yè)、實(shí)驗(yàn)室的現(xiàn)實(shí)條件和需求相結(jié)合。畢業(yè)設(shè)計題目在滿足提升學(xué)生的工程實(shí)踐能力、科研創(chuàng)新能力和綜合能力的基礎(chǔ)上，要結(jié)合學(xué)生畢業(yè)后工作的需求，符合以人為本的精神和社會需求，要有一定的廣泛性、適應(yīng)性和代表性。近幾年，土木工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計題目有：工程設(shè)計型、施工技術(shù)管理型、工程概預(yù)算及造價型等類型，呈現(xiàn)多元化。上述各種類型的設(shè)計題目，由于設(shè)定的具體設(shè)計條件及要求不同又充滿了多樣性［2］。以房屋建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計型畢業(yè)設(shè)計題目為例，一般要求學(xué)生在完成建筑設(shè)計施工圖的基礎(chǔ)上，進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析計算，并完成結(jié)構(gòu)設(shè)計施工圖，這類題目的多樣性表現(xiàn)在以下幾方面：（1）建筑類型多樣。設(shè)計的建筑除了多層辦公樓、教學(xué)樓等一般性公共建筑外，還包括高層住宅、商業(yè)寫字樓、酒店、會展中心、體育館等相對復(fù)雜的公共建筑，建筑設(shè)計方案豐富多彩。（2）結(jié)構(gòu)形式多樣。結(jié)構(gòu)設(shè)計方案緊密結(jié)合建筑特點(diǎn)，主要有多高層框架結(jié)構(gòu)設(shè)計、框架-剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計、剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計等房屋結(jié)構(gòu)形式；涉及板式樓梯、梁板式樓梯等樓梯結(jié)構(gòu)形式；以及獨(dú)立基礎(chǔ)、條形基礎(chǔ)、筏板基礎(chǔ)、樁基礎(chǔ)等基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式。樓蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計通常會涉及現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓蓋、壓型鋼板組合樓蓋等；雨篷、陽臺等其他結(jié)構(gòu)設(shè)計通常也是結(jié)合工程項(xiàng)目特點(diǎn)，靈活選擇進(jìn)行設(shè)計。（3）設(shè)計計算內(nèi)容多樣。結(jié)合項(xiàng)目特點(diǎn)，可進(jìn)行整體分析設(shè)計，也有局部構(gòu)件的深化設(shè)計和分析。不僅進(jìn)行混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計，也會有砌體結(jié)構(gòu)、組合結(jié)構(gòu)、復(fù)合結(jié)構(gòu)等設(shè)計。具體比較多的設(shè)計內(nèi)容有：鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)及框架剪力墻結(jié)構(gòu)，鋼框架結(jié)構(gòu)、門式剛架結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)加固設(shè)計等。也有預(yù)應(yīng)力混凝土屋蓋設(shè)計、鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，減震隔震結(jié)構(gòu)方案設(shè)計等內(nèi)容。設(shè)計內(nèi)容做到結(jié)合實(shí)際工程要求，設(shè)計成果更貼近實(shí)際項(xiàng)目要求，同時培養(yǎng)學(xué)生具有嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓こ虘B(tài)度與責(zé)任感［3］。

二、傳統(tǒng)設(shè)計與計算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的相融

傳統(tǒng)的手工設(shè)計過程能夠加強(qiáng)基本知識和技能的訓(xùn)練，有利于培養(yǎng)學(xué)生的動手能力，以及綜合運(yùn)用數(shù)學(xué)、力學(xué)、結(jié)構(gòu)等所學(xué)知識，近似計算出結(jié)構(gòu)內(nèi)力和位移，畫出內(nèi)力圖，進(jìn)一步理解結(jié)構(gòu)剛度、承載力、變形等之間關(guān)系的能力。必要的手工繪制施工圖，便于掌握規(guī)范構(gòu)造要求，熟悉工程界交流的語言。學(xué)生通過一定的手工計算及繪圖，增加了查閱文獻(xiàn)資料的工作量，對設(shè)計原理、規(guī)范和規(guī)程的要求有了更深刻的理解和掌握。在畢業(yè)設(shè)計中加強(qiáng)計算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用，是設(shè)計手段和方法的改革，也是時代發(fā)展的需要。加強(qiáng)計算機(jī)技術(shù)在工程設(shè)計中的應(yīng)用，能夠完成手工簡化無法完成的計算內(nèi)容，拓寬設(shè)計領(lǐng)域，可提高畢業(yè)設(shè)計效率，保證設(shè)計質(zhì)量，收到了很好的教學(xué)效果。主要做的嘗試有以下幾方面：（1）BIM技術(shù)的應(yīng)用：利用Revit軟件表達(dá)建筑方案設(shè)計，建立三維建筑模型。利用廣聯(lián)達(dá)軟件實(shí)現(xiàn)算量和工程報價等，實(shí)現(xiàn)了畢業(yè)設(shè)計與建筑信息管理大數(shù)據(jù)技術(shù)相結(jié)合；（2）建筑設(shè)計軟件的應(yīng)用：利用天正建筑、理正建筑進(jìn)行建筑施工圖設(shè)計，設(shè)計成果以標(biāo)準(zhǔn)施工圖要求的形式進(jìn)行打印輸出，實(shí)現(xiàn)了畢業(yè)設(shè)計與建筑設(shè)計行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接軌；（3）結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計軟件的應(yīng)用：對于結(jié)構(gòu)設(shè)計類學(xué)生，要求其利用設(shè)計軟件對結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模、抗震模擬分析、模型調(diào)整優(yōu)化分析。結(jié)構(gòu)設(shè)計中引入PKPM軟件系列、盈建科、3D3S、Xsteel、Midas及Ansys等，能夠?qū)崿F(xiàn)結(jié)構(gòu)問題抽象分析與直觀表現(xiàn)、精確計算與簡化設(shè)計的對比，加深對結(jié)構(gòu)規(guī)律的理解；（4）其他軟件的應(yīng)用：使用力學(xué)求解器、Excel、MATLAB、SPSS等數(shù)據(jù)分析處理軟件解決設(shè)計計算、數(shù)據(jù)處理分析、文字編輯等方面的問題。

三、畢業(yè)設(shè)計展開模式的創(chuàng)新

（一）恰好的開端

畢業(yè)設(shè)計是從設(shè)計分組開始的，師生可雙向選擇，學(xué)生不僅可選擇設(shè)計方向，也可選擇指導(dǎo)教師，改變了傳統(tǒng)的由教師直接給學(xué)生布置設(shè)計任務(wù)的單一方式。首先公開由教師精心準(zhǔn)備的設(shè)計題目和方向，學(xué)生根據(jù)自己的專業(yè)特長、發(fā)展規(guī)劃和興趣愛好自主選擇。雙向選擇體現(xiàn)了“以學(xué)生為中心”的教學(xué)理念，有利于學(xué)生的個性發(fā)展和優(yōu)勢發(fā)揮，提高學(xué)生完成畢業(yè)設(shè)計的積極性［4］。未來要從事工程設(shè)計工作的學(xué)生會選擇設(shè)計類題目，讀研深造或有科研基礎(chǔ)的學(xué)生會選擇具有一定的科研性質(zhì)的題目，計劃就職于施工管理單位的學(xué)生，選題一般側(cè)重于施工組織設(shè)計、投投標(biāo)標(biāo)書的編制、現(xiàn)場施工質(zhì)量控制管理等方面。

（二）靈活的空間

畢業(yè)設(shè)計展開模式改變了由教師在固定教室講解設(shè)計要求、布置設(shè)計任務(wù)，學(xué)生按照固定步驟完成設(shè)計任務(wù)的固定模式，而是采用以學(xué)生為主體、固定教室與多種設(shè)計地點(diǎn)相結(jié)合的模式。這種展開模式，能夠解決學(xué)生畢業(yè)前因工作面試、研究生復(fù)試、招聘考試等導(dǎo)致的學(xué)習(xí)時間不連續(xù)且不統(tǒng)一的問題，為保證設(shè)計質(zhì)量提供了較好的條件。不將學(xué)生進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計的地點(diǎn)固定在教室，主要是考慮到設(shè)計的完成需要結(jié)合科研項(xiàng)目、實(shí)際工程項(xiàng)目等。因此，形成了固定教室與實(shí)驗(yàn)室、設(shè)計院、施工企業(yè)、工地現(xiàn)場等多地點(diǎn)交叉進(jìn)行的模式，采用師生面對面交流與線上互動相結(jié)合、教師講解與學(xué)生匯報研討相結(jié)合的方式。

（三）聯(lián)合的設(shè)計

在土木工程類相關(guān)專業(yè)間進(jìn)行聯(lián)合畢業(yè)設(shè)計、校企合作聯(lián)合指導(dǎo)畢業(yè)設(shè)計等模式。其中，在建筑學(xué)專業(yè)、土木工程專業(yè)、給排水專業(yè)、建筑環(huán)境專業(yè)間進(jìn)行聯(lián)合畢業(yè)設(shè)計的模式已試點(diǎn)實(shí)踐了五屆，聯(lián)合進(jìn)行設(shè)計是模擬設(shè)計院完成工程項(xiàng)目的設(shè)計過程，各專業(yè)的學(xué)生共同協(xié)作，完成一個房屋建筑工程項(xiàng)目。實(shí)踐證明，參加聯(lián)合畢業(yè)設(shè)計的學(xué)生主動學(xué)習(xí)的能力強(qiáng)，查閱資料的次數(shù)和數(shù)量比明顯多于其他學(xué)生，完成的設(shè)計成果能夠達(dá)到較深的程度，優(yōu)秀率高。聯(lián)合畢業(yè)設(shè)計潛移默化地培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作意識和工程師職業(yè)倫理思維［5］。

（四）“互聯(lián)網(wǎng)+”的輔導(dǎo)

線上輔導(dǎo)管理是對線下管理的補(bǔ)充，時效性強(qiáng)。如利用智慧樹等網(wǎng)絡(luò)平臺，教師可以布置設(shè)計要求、按時發(fā)送輔助材料等學(xué)習(xí)資源，也可以回答討論問題，通過網(wǎng)絡(luò)對遠(yuǎn)端學(xué)生進(jìn)行指導(dǎo)答疑，一對一線上互動交流頻率高［6］。基于網(wǎng)絡(luò)平臺的輔導(dǎo)管理是對畢業(yè)設(shè)計進(jìn)行監(jiān)控的有效措施之一，網(wǎng)絡(luò)平臺線上輔導(dǎo)在新冠肺炎疫情期間發(fā)揮了極大的作用。

（五）壓實(shí)的講座

結(jié)合本科教學(xué)計劃，針對學(xué)生專業(yè)理論知識薄弱的地方，以及綜合性設(shè)計問題等，指導(dǎo)教師采用系統(tǒng)講座形式適時安排講授輔導(dǎo)，例如對結(jié)構(gòu)設(shè)計中抗震概念設(shè)計的具體應(yīng)用、結(jié)構(gòu)荷載統(tǒng)計及折減、結(jié)構(gòu)工況分析、結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算及組合、結(jié)構(gòu)抗震內(nèi)力調(diào)整等，以及對結(jié)構(gòu)設(shè)計需要滿足的構(gòu)造要求等，要結(jié)合規(guī)范進(jìn)行著重強(qiáng)調(diào)，培養(yǎng)學(xué)生查閱規(guī)范、手冊和圖集等工具書的好習(xí)慣。對于軟件使用過程中模型調(diào)整優(yōu)化的方法和技巧、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)施工圖表達(dá)、建筑鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)構(gòu)造，以及常用規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)圖集應(yīng)用等內(nèi)容，平時課堂學(xué)習(xí)涉及較少，教師可以開展系列講座的形式為學(xué)生補(bǔ)充相關(guān)知識。

（六）學(xué)生為主的研討

利用階段成果匯報，開展設(shè)計研討、分享設(shè)計經(jīng)驗(yàn)。學(xué)生以多媒體形式進(jìn)行匯報交流，展示已完成的設(shè)計過程、計算公式和表格、結(jié)果圖形，分享設(shè)計經(jīng)驗(yàn)，表達(dá)設(shè)計中遇到的棘手問題，其他同學(xué)和教師共同參與討論分析。對于共性問題，可通過辯論的形式解決，對如何優(yōu)化處理結(jié)構(gòu)設(shè)計模型進(jìn)行討論，學(xué)生不僅能學(xué)到計算參數(shù)調(diào)整的技巧，更有意想不到的知識升華效果。

四、畢業(yè)設(shè)計環(huán)節(jié)把控的實(shí)踐

畢業(yè)設(shè)計過程的科學(xué)管理是提高畢業(yè)設(shè)計質(zhì)量的重要保障，其中，指導(dǎo)教師的具體指導(dǎo)、及時反饋起著重要作用。實(shí)踐證明，畢業(yè)設(shè)計過程中充分有效的師生互動是提升學(xué)生學(xué)習(xí)投入的重要保證［7，8］。開題答辯是畢業(yè)設(shè)計的第一個環(huán)節(jié)，指導(dǎo)教師要嚴(yán)格要求學(xué)生在查閱大量文獻(xiàn)資料、調(diào)查研究的基礎(chǔ)上撰寫開題報告，在理解設(shè)計題目及要求的基礎(chǔ)上，做好設(shè)計前期準(zhǔn)備工作［9］。在日常考勤、定期交流、階段性設(shè)計成果提交、中期檢查、設(shè)計成果評閱等環(huán)節(jié)中，教師要做好指導(dǎo)者和引路人的工作，因材施教，挖掘?qū)W生的創(chuàng)新性思維，強(qiáng)化自主式學(xué)習(xí)和探究式學(xué)習(xí)的能力，提升學(xué)生綜合水平和素養(yǎng)，草圖和草稿是畢業(yè)設(shè)計的佐證材料。畢業(yè)設(shè)計成績由指導(dǎo)教師、評閱教師和答辯小組三方加權(quán)確定，各占30%、30%和40%。評價內(nèi)容包括調(diào)查論證、設(shè)計優(yōu)化與技能、分析與解決問題的能力、工作量與工作態(tài)度、設(shè)計質(zhì)量和創(chuàng)新等六方面，指導(dǎo)教師評價內(nèi)容最為全面，評閱教師從設(shè)計成果上進(jìn)行評價，答辯小組主要評價設(shè)計成果、匯報情況和問題回答［10-12］。

五、結(jié)語

土木工程畢業(yè)設(shè)計是人才培養(yǎng)方案理論聯(lián)系實(shí)際的重要環(huán)節(jié)，是一項(xiàng)復(fù)雜的工作。畢業(yè)設(shè)計的準(zhǔn)備應(yīng)充分，題目設(shè)計應(yīng)具備多元化與多樣性，設(shè)計內(nèi)容應(yīng)與社會和實(shí)際緊密聯(lián)系；畢業(yè)設(shè)計展開模式應(yīng)以學(xué)生為中心，結(jié)合實(shí)際情況不斷創(chuàng)新，注重畢業(yè)設(shè)計過程中各環(huán)節(jié)的管控落實(shí)。只要有科學(xué)的安排、精心的組織、靈活的展開模式、師生間有效的互動交流，就能保證畢業(yè)設(shè)計工作圓滿完成。

作者:王萱 周翠玲 單位:山東農(nóng)業(yè)大學(xué)水利土木工程學(xué)院