土木工程KAQ三维教学模式改革探索

摘要：随着我国新产业新经济的蓬勃发展，对工程教育提出了更高的要求。文章针对目前土木工程专业人才培养中存在的问题，基于OBE（OutcomeBasedEducation，成果导向教育）理念，从知识、价值、能力、实践和创新5个方面，优化教学内容和课程体系，改革传统教学模式，突出实践创新能力培养，探索构建了以学生为中心，以成果为导向的“知识（Knowledge）”“能力（Ability）”“素质（Quality）”相结合的KAQ三维教学模式，培养满足新工科要求的新时期土木工程高素质复合型人才。关键词：新工科；成果导向；教学改革；土木工程专业；课程思政一、引言当前，我国正推动创新驱动发展，积极实施“一带一路”“中国制造2025”“互联网+”等一系列重大战略，推动新技术、新业态、新模式、新产业的蓬勃发展[1-5]。这些举措带来的新经济发展是国家经济转型的关键步骤，亦将工程教育和产业发展形成了密切联系和相互支撑关系。新工科建设是我国工程教育迎接新技术和新经济发展的重要举措[6]，对工程教育改革提出了更高的要求。新工科培养的人才相较于传统工科人才，应是兼具更强的工程实践能力、创新能力和国际竞争力的高素质复合型人才，懂得将技术、经济、社会、管理进行融合，对未来技术和产业起到引领作用[1]。因此，工程教育改革迫在眉睫，需要更加紧密地结合国家发展战略，优化教学内容和课程体系，改革传统教学模式，使学生具备扎实的专业知识，具备良好的创新思维、团队协作、跨学科应用能力等综合素质，为国家培养更多的满足新工科要求的土木工程高素质复合型人才。然而，长期以来的教育方式多以教师为中心，即关注教师教了什么，缺少以学生为中心，关注学生学会了什么，是否启发了学生主动思考，是否激发了学生的内在潜能。土木工程专业是典型的传统工科专业，需要面对快速发展变化的技术和行业需求，积极应对教学方式变革带来的新挑战，尤其需要教学改革创新。为此，东北大学土木工程专业基于OBE（OutcomeBasedEducation，成果导向教育）理念[7-8]，优化教学内容和课程体系，改革传统教学模式，构建以学生为中心，以成果为导向的“知识（Knowledge）”“能力（Ability）”“素质（Quality）”相结合的KAQ三维教学模式[9-10]，将知识传授、价值引领、能力提升有机融合，促进学生知识向能力的有效转化。二、传统教学中存在的问题及对策（一）专业课教学模式单一，理论与实践教学无法有效融合相比传统教学模式，新工科要求工程教育要更加注重学生实践能力的培养，因此，应充分利用现代教育技术的优势，将新技术、新工艺有效融入到课程教学中，提高学生学习的主动性、积极性，激发学生的学习兴趣，培养学生的动手能力和创新精神。由于土木工程专业的实践教学易受施工环境、施工条件和施工周期等各方面因素的限制，给与理论课相配套的实验和实践教学带来了较大困难。为此，专业充分利用虚拟仿真技术和信息化平台，建设虚拟仿真实验，开展虚实结合的实践教学，将以往难以在实验室开展的实验放在虚拟的环境中开展，从而使学生能够自主地在虚拟仿真环境中开展高效、安全、经济的实践操作，做到理论与实践相结合、现场教学与虚拟仿真教学相结合。（二）传统课堂教学以教师为中心，难以激发学生学习主动性针对以往课堂教学中学生学习主动性不足的问题，在理论教学方面，教学团队以学生为中心，采用“线上线下混合式教学+翻转课堂”的教学模式开展教学，学生可以在课堂外先行学习课程内容，而课堂时间则更多地用于深入讨论和解答问题。这种模式激发了学生学习的主动性和积极性，培养了解决问题的能力，激发了学生的潜能。在实践教学方面，教学团队尝试以“慕课+讲授+虚拟仿真训练+问题学习+研讨”的引导式、项目式实践教学模式将学习与实际问题解决相结合。学生不再是知识的被动接受者，而是在项目中扮演积极的角色，参与项目设计、数据收集、问题分析等过程，这样不仅增强了学生的实践能力，还培养了沟通技巧和团队协作精神。同时，教师的角色不再局限于传授知识，而是变成了引导者和辅导者，鼓励学生自己寻找答案，思考解决方案。（三）课程思政与专业教育不能有效融合在以往教学过程中，课程思政与专业教育往往难以做到有效融合，存在“兩张皮”的现象，思政案例引入还做不到“润物细无声”。因此，教学团队尝试将思想政治教育和价值观引领贯穿于教学课件设计、教材建设、教学模式、教学环节、考核方式、实践教育等教育教学多环节和多过程。在课件设计和教材建设过程中有机融入思政元素，使教材和课件中的案例、问题、实例等能够引导学生思考伦理道德、社会责任等问题，培养学生正确的价值观和社会责任感。此外，还建立了土木工程课程思政虚拟教研室，通过虚拟教研室整合思政教育资源，深入挖掘课程思政元素，注重将思想引领落实到理论和实践教学全过程，为师生提供学习和交流的平台；通过与同行、学生的互动，教师也能更好地了解学生的需求，进而根据学生的反馈和问题调整教学的内容和方式。（四）重理论、轻实践，学生实践创新能力不足土木工程专业要求学生具备较强的工程实践能力。但在以往专业课教学中，由于受现场实习实践条件所限，对学生的工程实践能力训练不足。教学团队尝试从学生进入到专业课学习至毕业答辩的学习阶段，采用“四步走”的实践创新能力培养模式，即学生参加科研训练、实践基地实践、创新创业大赛训练、多样化本科毕业设计“四步走”的方式，以校企产学研合作、实践教育基地实习实践、大学生创新训练和大学生创新竞赛为抓手，循序渐进培养和训练学生的创新能力和工程意识，促进知识向能力转化。三、教学改革具体举措（一）构建现代化、信息化、立体化的课程体系和教学模式为加强以学生为中心，以成果为导向，充分发挥学生学习的主动性和积极性，教学团队针对土木工程的课程特点和实践教学难点，对专业核心课开发建设了具有自主知识产权的虚拟仿真实验平台和线上慕课资源，形成开放共享的信息化课程体系。通过采用线上、线下教学相结合的个性化、智能化、泛在化的混合式教学模式，提升学生学习的自由度，激发学生的学习兴趣和学习动力，促进知识向能力的转化。通过将虚拟仿真实验平台和线上慕课资源融入土木工程课程，推动学生获取知识的同时，培养学生跨学科的综合能力。学生可以根据自身的学习节奏和兴趣，在任何时间、地点进行学习，打破了传统教学中时间和空间的限制。通过虚拟仿真实验平台，学生可以在安全的环境中进行实际项目的模拟，探索不同情境下的解决方案，从而训练和提高学生的实践能力和问题解决能力。此外，线上慕课资源为学生提供了广泛的学习资源，包括教学视频、互动模拟、在线测验等，这些资源丰富了学生的学习体验，让其能够更好地理解课程内容。学生还可以根据自己的学习需求选择适合自己的学习材料，加强薄弱环节，满足了学生个性化学习需求。以土木工程专业核心课程“隧道工程”为例，课程在讲授深部隧道围岩的典型破坏现象及发生原因时，学生仅根据教师的描述和有限的图片，难以深入认识深部围岩破坏发生的力学原因。但由于深部围岩破坏失稳现象的实验室实验难度大，实验周期长，实验设备昂贵，给实验教学带来了极大的困难。为解决这一难题，教学团队利用虚拟仿真技术和信息化平台，构建了深部应力条件下岩石和隧道围岩的破坏实验[11]，再现了实验过程和实验现象，使学生能够在虚拟的环境中亲自动手设计实验方案，完成了在实验室有限时间内较难完成的真三轴岩石力学实验和三维地质力学模型开挖实验。通过虚拟仿真实验，学生可以直观地观察实验结果，并根据试验结果调整实验参数进行重复实验，分析实验结果的发生机制，从而深入理解深部三向高应力下岩石和隧道围岩破坏的力学机制及其特点。该实验紧密结合隧道工程建设中迫切需要学生掌握和了解的深部岩石力学和隧道力学知识，解决了深部岩石力学和隧道失稳破坏实验教学的难题，使实验不再受时间、空间、费用和安全方面的限制，大大提高了学生学习的自由度。在教学过程中，通过采用“线上线下混合式教学+翻转课堂”“慕课+讲授+虚拟仿真训练+问题学习+研讨”的教学模式，将以往学生的被动学习变为主动思考，将固定时间地点学习变为自主在网上学习，激发了学生的学习兴趣和钻研精神。（二）开展课程思政多角度全方位融入的教学设计课堂教学是教书育人的“主渠道”。教学团队通过教学研讨，深入挖掘课程思政元素，建立课程思政素材库，将思政元素融入教学课件和新编教材。在教学模式上，采用启发式和引导式的教学模式，将课程思政与专业教育相融合；课堂教学中教师通过课堂讨论、课堂提问和互动等教学环节，对学生进行潜移默化的思想引领，帮助学生树立新时代工程技术人员正确的价值观和责任感；在进行专题讨论和专题课堂展示时，教师要求学生就专业问题及专业问题可能造成的相关影响进行讨论，引导学生主动思考工程问题与环境的关系、工程问题与附近居民的关系、工程问题与国家发展的关系、工程问题与民生的关系，激发学生作为未来工程师的强烈责任感和敬畏感，潜移默化培养学生看待和解决工程问题的思想高度和眼界宽度，培养学生的主人翁意识和工程责任感。（三）建立多样化、个性化、多层次的本科生创新能力培养体系为培养学生的创新能力，促进知识向能力转化，尝试采用以导师制学生科研训练、学徒制实践基地实践、创新创业大赛综合能力提升、多样化本科毕业设计“四步走”的实践创新能力培养方式。鼓励有科研兴趣的学生从课程学习中引伸出研究课题，申报国家大学生创新性实验计划项目及本科生进实验室计划项目。教师指导学生自主选题设计、独立组织实施，并进行信息分析处理和撰写总结报告等工作。部分学生的科研成果发表在了相关学术期刊，或申请了专利。这种方式增强了学生的动手能力、团队协作能力，以及提出问题、分析问题和解决问题的能力，大大提高了学生的学习科研兴趣和创新能力。通过校企融合，尝试采用融入学徒制的本科生实习实践模式。学生深入企业开展实习实践，参与现场的工程项目；企业指导教师和校内导师采用“基于问题学习”的教学方法共同进行指导，将理论和具体实践相结合，培养学生运用所学知识解决实际问题的能力、团队协作能力和沟通能力，同时也增进了学生和用人单位间的相互了解。此外，注重将创新创业教育融入人才培养全过程，通过开设创业基础课程，建立大学生创新团队，开展本科生进实验室和大学生创新训练项目，参加“挑战杯”“互联网+”等大赛，以赛为马，培养敢闯会创的新工科土木工程创新人才。在毕业设计阶段，结合专业特点和学科特色，考虑学生的个性特征和就業需求，以目标为导向，采用基于设计、施工、科研、创新创业、产学研合作的多样化本科毕业设计模式。例如，如项目型毕业设计，即毕业设计与实际项目相结合，使学生的实践能力、创新意识和能力得到充分发挥。实际项目可源于校企合作项目、学生实习单位所承担的工作任务、指导教师的科研项目、社会实践项目等；项目开发型毕业设计，即学生根据自己的兴趣爱好与专业能力进行设计类相关项目的开发，包括程序开发、软件开发等；学术论文型毕业设计，即学生依托教师的科学研究项目，开展实验、数值模拟、物理实验研究，并撰写学术论文；创新创业型毕业设计，即学生在导师的指导下，独立探索或解决实际问题，培养学生的创新和创业能力；技术发明型毕业设计，即鼓励学生进行发明创造，引导学生通过对实际生活的观察与分析，培养学生的知识产权保护意识，提高学生的专业能力、实践动手能力、创新能力和科研能力等。四、结语土木工程专业作为典型的传统工科专业，面对快速发展变化的技术和行业需求，教学内容、人才培养模式和理念、创新人才培养体系亟需改革。教学团队基于OBE理念，针对以往教学手段单一、教学内容和课程体系设置未有效体现以学生为中心和以成果为导向，学生实践创新能力不足等问题，以成果为导向，以立德树人为根本，开展了“德、智、体、美、劳”五育并举的新工科创新型人才培养模式改革，从课程体系、人才培养模式、创新能力培养体系3个维度进行了教学改革探索和实践。（一）以学生为中心，以成果为导向，强化知识向能力转化。开发了自主知识产权的虚拟仿真实验平台和线上慕课资源，形成信息化课程体系。通过混合式教学模式，突破时间和空间上的限制，提高学生学习自由度，激发学生的学习兴趣和学习动力，促进学生知识向能力的转化。利用自主建设的虚拟仿真实验平台，解决了实验教学的难题，使学生能够在虚拟环境中设计实验方案，深入理解理论知识。建设的线上慕课资源通过提供丰富的学习材料，满足学生个性化的学习需求。采用“线上线下混合式教学+翻转课堂”“慕课+讲授+虚拟仿真训练+问题学习+研讨”的模式，使学生从被动学习转为主动思考，从课堂学習到随时随地学习，提高了学生学习的积极性和兴趣。（二）将思想政治教育有机融入教学过程。以立德树人为本，将知识、价值、能力、实践和创新贯穿于课程设计、教材建设、教学模式、教学环节、考核方式、实践教学等教育教学过程。通过建设课程思政素材库，将思政元素有机融入教学课件和新编教材。在教学模式上，采用启发式和引导式的方法，将课程思政与专业教育有机结合。通过教师潜移默化的思想引领，帮助学生树立正确的价值观和责任感，激发学生对工程环境、工匠精神、工程伦理等的深刻思考。该教学模式不仅培养了学生的主动学习和思考能力，更注重培养学生的主人翁意识和工程责任感，为更好地面对未来工程领域的挑战做好准备。（三）以校企融合和创新竞赛为抓手，培养学生的实践和创新能力。采取“四步走”的实践创新能力培养方式，首先，通过导师制学生科研训练，