陈菊香，黄铭，魏松，朱亚林 （合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽 合肥 230009）

1 引言

习近平总书记指出，“进入21 世纪以来，全球科技创新进入空前密集活跃的时期，新一轮科技革命和产业变革正在重构全球创新版图、重塑全球经济结构[1]”。为主动应对新一轮科技革命与产业变革，自2017 年2 月以来，教育部积极推进新工科建设，先后形成了“复旦共识”“天大行动”和“北京指南”，指出高等工程教育的目标已转变为培养多元化、创新型卓越工程人才，教育范式也从“技术范式”“科学范式”又转换成为注重实践的“工程范式”[2-8]。为适应新工科建设的要求，各级高校的教育工作者从本校、本专业或所教课程出发，进行了一些有意义的探索研究，提出了不少改革措施[9-15]。

水利水电工程专业是一个传统的工科专业，“水工钢结构”课程是水利水电工程专业的主要专业课程之一。为适应新形势下水利行业对水利工程技术人才的新需求，有必要对“水工钢结构”课程的教学模式进行改革，以实现新工科复合创新型人才的培养目标。

2 “水工钢结构”课程的特点与存在的问题

新工科建设要求工程人才具有相关学科知识的交叉与融合能力、较强的理论与实践相结合的能力和较高的创新能力。“水工钢结构”课程是一门理论性及实践性都较强的专业基础课程，同时也是一门建筑材料、材料力学、结构设计等多学科知识交叉的课程。因此，在“水工钢结构”课程的教学过程中，必须进一步加深理论知识与工程实践联系的紧密程度，并开拓视野，将学科发展前沿新知识、新技术引入课堂，培养学生自主创新的意识和能力，才能实现新工科创新型卓越工程人才的培养目标。

但是，目前合肥工业大学“水工钢结构”课程教学存在以下四个问题。

①理论知识与工程实践结合不够紧密。“水工钢结构”课程存在知识点多而学时少，工程实践性强但实践学时不足的客观矛盾。同时，由于学期内排课的影响，理论教学与课程设计的间隔时间较长，导致理论学习在前、实践训练在后，理论与实践的时间界限分明，结果造成学生理论知识学习与实践能力培养的客观分离现象。

②教学方法上仍以教师为主，形式不够灵活多样。

③教材内容更新较慢，缺乏与工程实际相结合的案例。

④理论课程的考核方式主要以期末考试为主，不能体现实践能力的考核。

因此，对“水工钢结构”课程的教学模式、教学内容、教学方法、学生成绩评价机制等进行改革，实行理论与实践结合更加紧密的一体化教学，是适应“新工科”建设要求的工科专业基础课程教学改革的新途径。

3 “水工钢结构”理论与实践一体化的教学模式

合肥工业大学“水工钢结构”课程组秉承“以学生为中心”的基本理念，对标新工科建设的要求，调整了理论知识与实践环节的教学顺序，提出基于雨课堂实行线上线下混合式教学，建立与主要理论知识相对应的工程案例库，进行了学生成绩评价机制的改革。通过这些改革措施，将理论知识与工程实践深度融合在一起，初步形成了“水工钢结构”理论与实践一体化的教学模式。

3.1 理论与实践一体化的教学顺序调整

为实现理论与实践一体化的教学，合肥工业大学“水工钢结构”课程组对理论课程和课程设计的教学顺序进行了调整，将课程设计内容作为理论学习的课后习题，要求学生结合新学习的理论知识，立即开展实践环节的学习。具体实施步骤如下。

①将“水工钢闸门”的前四节内容提前至“钢梁”之后、“钢柱和钢压杆”之前。在讲解完钢梁的主要理论知识之后，紧接着进行水工钢闸门的概述、结构组成和主次梁设计计算的教学，然后下发《“水工钢结构”课程设计任务书》。学生依据自己拿到的各不相同的设计参数，开始水工钢闸门的面板、次梁和主梁的设计。

②在这三个部分的设计完成之后，进行钢柱、钢压杆的理论教学。待学生掌握钢柱、钢压杆的截面设计、强度和稳定等计算方法之后，又让学生完成钢闸门的纵横向联结系、边梁等构件的设计作业。通过这种方式，在理论课程结束之时，每位学生都完成了钢闸门课程设计70%以上的内容，而且其中的主要难点问题都已经在理论教学过程中得到了解决。

③在实践教学时，学生主要通过师生交流、分组讨论的形式对个人设计成果进行改进和完善，并完成剩下不到30%的课程设计内容。

这种教学顺序的调整，从时间上拉近了“水工钢结构”理论与实践这两个环节的距离，从内容上将设计计算习题与课程设计联系了起来，从目的上也实现了理论知识与工程实践的更紧密结合。这种通过课程设计问题来驱动的“做中学”教学模式，可以实现理论与实践实质性的一体化教学。在不增加课内学时的情况下，通过这种碎片化学习方式，学生可以保质保量地完成理论学习和设计实践任务。这样将一个课程设计分成三个阶段循序渐进地进行，可以缓解学生对钢结构课程学习的畏难情绪。

“水工钢结构”理论与实践一体化的教学顺序如图1所示。

图1 “水工钢结构”理论与实践一体化的教学顺序

3.2 基于雨课堂的线上线下混合式教学方法

利用清华大学研发的长江雨课堂在线教学平台系统，结合“水工钢结构”理论与实践并重的课程特点，设计了包含“课前自学、课中强化、课后升华”三个阶段教学过程且具有“翻转课堂”特性的线上线下混合式教学方法。

在课前自学阶段，教师将事先制作好的课件通过雨课堂平台发送给学生，上传课前测试题，布置预习任务。学生根据要求，预习相关钢结构的基础知识，对即将学习的新知识有一个初步了解。通过课前测试，学生可以发现自学过程中存在的不足，为下一步带着问题进入课堂做准备。

在课中强化阶段，教师主要完成如下三方面的工作。

①根据雨课堂中课前测试的统计结果，收集学生在课前测试中存在的问题。在课堂中除了讲授内容的重难点知识之外，教师对这些问题反映出来的薄弱知识点进行有针对性的讲解。

②按照5～6 人一组，将全班分成多个讨论小组，向学生抛出一些具体的工程实例和热点问题，让学生结合已经学习和掌握的知识进行分组讨论。然后每组选派一名代表进行汇报演讲，向其他同学阐述自己的研究成果和见解。这种课堂演讲方式可以引导学生对所学的知识点进行更深层次的思考。

③教师最后对知识点和讨论的问题进行梳理，以加深学生对知识点与实际工程问题之间联系的理解。紧接着在雨课堂平台发布课堂测试任务，要求学生在限定时间内完成，及时评测学生对课堂知识的理解与掌握程度。

课后升华阶段，在学生对课程章节知识点已基本理解并掌握的基础上，在每一章内容结束时，通过雨课堂平台发布含有阶段性钢结构课程设计内容的作业，并预告与下一章将要学习内容相关的前沿科学问题。含有设计内容的作业可以让学生将课程中学到的知识与工程实践融合在一起，使学生“知其然，知其所以然”，增进对所学知识点的理解和掌握。前沿科学问题可以促使学生课后进行思考和自主探究，促进知识从单一的“点”扩大到“面”并产生新的知识创新点。

基于雨课堂的线上线下混合式教学方法如图2所示。

图2 基于雨课堂的线上线下混合式教学方法

图3 “水工钢结构”理论与实践一体化教学的学生成绩评价机制

3.3 以案例为主线的理论与实践一体化教学内容改革

为了实现理论与实践一体化教学，以满足教学需要为前提，以实用、够用为原则，以学生应用能力培养为核心，课程组收集整理了大量与教学内容相适应的教学案例，主要包括如下内容。

①体现钢结构特点与适用范围的工程案例：广州新白云国际机场、哈利法塔、马钢平炉改转炉工程钢结构厂房、广州塔、日本明石海峡大桥、三峡工程永久船闸、合肥工业大学工程管理与智能制造研究中心等体现大跨度结构、高层建筑、工业建筑、高耸建筑、钢桥、水工结构、住宅等20 多个实际钢结构工程实例。

②体现钢结构发展方向的新技术案例：高强度钢、钢结构防火、装配式钢结构、BIM技术在钢结构中的应用实例等。

③与钢结构连接相关的案例：焊接新工艺、焊缝无损检测新技术、组合结构螺栓连接节点受力性能分析、螺栓位置优化设计方法等。

④钢梁：平台梁结构组成动画演示、H 形钢梁受压翼缘宽厚比限值分析、蜂窝钢梁正截面受弯性能试验、U型钢-混凝土组合梁抗弯性能试验等。

⑤钢柱和钢压杆：实腹式轴心受压构件整体失稳、局部失稳试验动画演示、一种可更换消能摇摆钢柱柱脚节点性能研究等。

⑥水工钢闸门：钢闸门结构组成的三维建模动画演示、平面钢闸门ANSYS三维有限元结构受力分析、钢闸门主梁梁高优化、不同底缘型式对钢闸门启闭力影响的案例分析等。

实际上，每位同学独立完成的课程设计，本质上也是一份自己可以亲身体验的教学案例。

将钢结构课程绝大部分理论知识点与实际工程案例直接串连起来，使理论知识与设计实践之间的衔接更加紧密，使理论教学与实际应用之间过渡得更加自然，从而改变传统教学中知识点零散且相互间无联系、理论环节与实践环节脱节的现状。

3.4 学生成绩评价机制改革研究

因为采用了线上线下混合式教学方法和理论与实践一体化教学模式，与传统线下教学模式差异较大，学生成绩评价机制也必须进行相应改革。建立全面、科学的学生成绩评价机制，才能对学生学习效果进行合理评价，引导学生注重实践创新能力的培养，达到提高人才培养质量的目的。

在确定学生学习成绩评价机制时，考虑到“水工钢结构”理论和实践并重的特性，在理论课程的学生成绩评估方式中，改变以往主要以理论知识掌握程度来反映学生学习情况的现状，增加与实践相关的考核内容，从卷面考试、作业、课堂表现等方面来综合评价学生的学习能力。总体上，按照学校要求，设定“卷面40%+平时60%”的成绩评定体系，每个部分又进一步细化量分。将卷面部分细分为基本原理、设计计算、钢结构设计能力测试三个部分，分值比例大致为“50%+40%+10%”；平时部分细分为雨课堂测试（包括课前与课中）、课堂讨论及演讲、作业撰写三个部分。其中，课堂讨论及演讲直接反映学生将理论知识与前沿科学进展、工程实践等相联系的能力，作业包含需要学生动手进行课程设计的实践内容，这三部分的分值比例为1:1:1，即各占总分的20%。

在“水工钢结构”课程设计中，从设计报告、实际操作能力、提问及讨论三个方面进行学生实践环节成绩的综合评价，比例为“50%+30%+20%”。其中，设计报告主要从计算结果正确性、内容完整性、格式排版规范性等方面来考察，权重分别为0.6、0.3、0.1。实际操作能力主要从规范等文献查阅、软件运用或程序编制、图纸规范化绘制等方面来考察，权重分别为0.2、0.2、0.6。提问及讨论这一项主要从设计思路、语言表达能力方面来考察，权重分别为0.7、0.3。

4 应用情况与实施效果分析

为了验证“水工钢结构”理论与实践一体化教学模式的可行性，课程组对2018 级、2019 级水利水电工程专业学生的“水工钢结构”教学过程进行了实践检验。学生们对这种教学模式改变的接受度较高，普遍反映对顺利完成课程设计的信心大大增强。有些学生甚至在理论课程结束之前，就已经完成了全部课程设计的任务。

通过“水工钢结构”理论课程的学生成绩统计结果对比研究，发现2018、2019 级学生平均成绩分别为76.09 分、76.51分，低于2017级单一线上教学、线上考试的81.55 分，高于2016 级、2015级单一线下教学的73.64、74.58 分。而从这五年的“水工钢结构”课程设计的学生成绩统计表可以看出，2018、2019 级平均成绩分别为80.78 分、81.38 分，与2015-2017 级的平均分基本持平，优秀率分别为28.6%、27.9%，均高于此前三个年级。由此可见，学生对理论与实践一体化教学的适应性较好，不管是理论知识的掌握，还是实践操作的能力，均得到了提高，说明理论与实践一体化教学模式是合理可行的。

2015-2019 级“水工钢结构”理论和实践环节成绩如图4所示。

图4 2015～2019级“水工钢结构”理论和实践环节成绩

5 结语

为满足新工科的要求，以“水工钢结构”课程为例，利用雨课堂教学平台进行线上线下混合式教学，调整教学内容顺序，进行以案例为主线的教学内容改革研究，提出了一体化教学的学生成绩评价方法，初步形成了理论与实践一体化的“水工钢结构”课程教学模式。这种理论与实践深度融合的教学模式，可为新工科背景下工程教育相近专业的教学改革提供参考借鉴。