创新能力培养土木工程专业毕业设计浅析

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［摘要］为满足新工科创新能力的培养要求，对土木工程专业的毕业设计进行了教学改革，将结构分析设计软件、BIM技术和结构计算工具软件应用于土木工程毕业设计教学环节，把传统设计与计算机应用技术相融合，培养高素质复合型的卓越工程科技人才。在毕业设计题目多元化、多样性和设计质量控制等方面进行了创新性实践，按照不同的建筑类型、结构类型和计算内容做到一人一题。设计过程严格管理，由指导教师、评阅教师和答辩小组三方加权评定毕业设计成绩，保证了公平公正性，形成了个性鲜明的土木专业毕业设计教学体系。

［关键词］新工科；土木工程；毕业设计；创新能力

引言

新工科建设是为应对新的科技革命与产业变革，探索形成中国特色、世界水平的新工科教育体系。将传统的土木工程专业融入新工科教育体系，就是要面向产业未来发展的需要，将信息化、智能化等技术引入人才培养过程，以培养创新能力强、实践能力强、高素质复合型的工程科技人才作为培养目标［1］。毕业设计是工科专业综合实践能力培养的最后一个环节，通过一个学期的全方位集中训练，可以培养学生的工程意识，以及综合运用所学知识解决生产实践、技术开发或科学研究中的工程问题的能力，提高学生工程设计、工程制图和计算机应用的实践能力，增强学生的创新意识，同时能够进一步提升学生的职业道德水平，培养符合新经济需要的创新型卓越工程师。按照新工科建设的指导思想，对土木专业毕业设计进行了一系列教学改革，结合毕业设计积累的教学经验，对设计题目的定位和选择、毕业设计开展模式、线上与线下相结合的辅导方式、设计过程的环节控制与质量考核等方面进行了创新性探索。引导学生把更多知识融入毕业设计中，灵活应用BIM、结构分析设计软件、办公自动化及电子工具软件等信息技术，形成了一套有特色的毕业设计教学体系。

一、毕业设计题目的多元化与多样性

毕业设计选题是毕业设计关键性的基础工作，题目和内容设计应符合专业培养的基本要求，要有明确的研究内容和目标，并具有一定的难度、深度和创新点，还要体现出专业的前沿进展和卓越工程师基本训练内容；不仅要结合工程实际，还要引入最新的科学研究成果；还应与科研单位、生产企业、实验室的现实条件和需求相结合。毕业设计题目在满足提升学生的工程实践能力、科研创新能力和综合能力的基础上，要结合学生毕业后工作的需求，符合以人为本的精神和社会需求，要有一定的广泛性、适应性和代表性。近几年，土木工程专业毕业设计题目有：工程设计型、施工技术管理型、工程概预算及造价型等类型，呈现多元化。上述各种类型的设计题目，由于设定的具体设计条件及要求不同又充满了多样性［2］。以房屋建筑工程结构设计型毕业设计题目为例，一般要求学生在完成建筑设计施工图的基础上，进行结构分析计算，并完成结构设计施工图，这类题目的多样性表现在以下几方面：（1）建筑类型多样。设计的建筑除了多层办公楼、教学楼等一般性公共建筑外，还包括高层住宅、商业写字楼、酒店、会展中心、体育馆等相对复杂的公共建筑，建筑设计方案丰富多彩。（2）结构形式多样。结构设计方案紧密结合建筑特点，主要有多高层框架结构设计、框架-剪力墙结构设计、剪力墙结构设计等房屋结构形式；涉及板式楼梯、梁板式楼梯等楼梯结构形式；以及独立基础、条形基础、筏板基础、桩基础等基础结构形式。楼盖结构设计通常会涉及现浇钢筋混凝土楼盖、压型钢板组合楼盖等；雨篷、阳台等其他结构设计通常也是结合工程项目特点，灵活选择进行设计。（3）设计计算内容多样。结合项目特点，可进行整体分析设计，也有局部构件的深化设计和分析。不仅进行混凝土结构、钢结构设计，也会有砌体结构、组合结构、复合结构等设计。具体比较多的设计内容有：钢筋混凝土框架结构、剪力墙结构及框架剪力墙结构，钢框架结构、门式刚架结构，结构加固设计等。也有预应力混凝土屋盖设计、钢网架结构，减震隔震结构方案设计等内容。设计内容做到结合实际工程要求，设计成果更贴近实际项目要求，同时培养学生具有严谨的工程态度与责任感［3］。

二、传统设计与计算机应用技术的相融

传统的手工设计过程能够加强基本知识和技能的训练，有利于培养学生的动手能力，以及综合运用数学、力学、结构等所学知识，近似计算出结构内力和位移，画出内力图，进一步理解结构刚度、承载力、变形等之间关系的能力。必要的手工绘制施工图，便于掌握规范构造要求，熟悉工程界交流的语言。学生通过一定的手工计算及绘图，增加了查阅文献资料的工作量，对设计原理、规范和规程的要求有了更深刻的理解和掌握。在毕业设计中加强计算机技术的应用，是设计手段和方法的改革，也是时代发展的需要。加强计算机技术在工程设计中的应用，能够完成手工简化无法完成的计算内容，拓宽设计领域，可提高毕业设计效率，保证设计质量，收到了很好的教学效果。主要做的尝试有以下几方面：（1）BIM技术的应用：利用Revit软件表达建筑方案设计，建立三维建筑模型。利用广联达软件实现算量和工程报价等，实现了毕业设计与建筑信息管理大数据技术相结合；（2）建筑设计软件的应用：利用天正建筑、理正建筑进行建筑施工图设计，设计成果以标准施工图要求的形式进行打印输出，实现了毕业设计与建筑设计行业标准接轨；（3）结构分析和设计软件的应用：对于结构设计类学生，要求其利用设计软件对结构进行建模、抗震模拟分析、模型调整优化分析。结构设计中引入PKPM软件系列、盈建科、3D3S、Xsteel、Midas及Ansys等，能够实现结构问题抽象分析与直观表现、精确计算与简化设计的对比，加深对结构规律的理解；（4）其他软件的应用：使用力学求解器、Excel、MATLAB、SPSS等数据分析处理软件解决设计计算、数据处理分析、文字编辑等方面的问题。

三、毕业设计展开模式的创新

（一）恰好的开端

毕业设计是从设计分组开始的，师生可双向选择，学生不仅可选择设计方向，也可选择指导教师，改变了传统的由教师直接给学生布置设计任务的单一方式。首先公开由教师精心准备的设计题目和方向，学生根据自己的专业特长、发展规划和兴趣爱好自主选择。双向选择体现了“以学生为中心”的教学理念，有利于学生的个性发展和优势发挥，提高学生完成毕业设计的积极性［4］。未来要从事工程设计工作的学生会选择设计类题目，读研深造或有科研基础的学生会选择具有一定的科研性质的题目，计划就职于施工管理单位的学生，选题一般侧重于施工组织设计、投投标标书的编制、现场施工质量控制管理等方面。

（二）灵活的空间

毕业设计展开模式改变了由教师在固定教室讲解设计要求、布置设计任务，学生按照固定步骤完成设计任务的固定模式，而是采用以学生为主体、固定教室与多种设计地点相结合的模式。这种展开模式，能够解决学生毕业前因工作面试、研究生复试、招聘考试等导致的学习时间不连续且不统一的问题，为保证设计质量提供了较好的条件。不将学生进行毕业设计的地点固定在教室，主要是考虑到设计的完成需要结合科研项目、实际工程项目等。因此，形成了固定教室与实验室、设计院、施工企业、工地现场等多地点交叉进行的模式，采用师生面对面交流与线上互动相结合、教师讲解与学生汇报研讨相结合的方式。

（三）联合的设计

在土木工程类相关专业间进行联合毕业设计、校企合作联合指导毕业设计等模式。其中，在建筑学专业、土木工程专业、给排水专业、建筑环境专业间进行联合毕业设计的模式已试点实践了五届，联合进行设计是模拟设计院完成工程项目的设计过程，各专业的学生共同协作，完成一个房屋建筑工程项目。实践证明，参加联合毕业设计的学生主动学习的能力强，查阅资料的次数和数量比明显多于其他学生，完成的设计成果能够达到较深的程度，优秀率高。联合毕业设计潜移默化地培养学生的团队合作意识和工程师职业伦理思维［5］。

（四）“互联网+”的辅导

线上辅导管理是对线下管理的补充，时效性强。如利用智慧树等网络平台，教师可以布置设计要求、按时发送辅助材料等学习资源，也可以回答讨论问题，通过网络对远端学生进行指导答疑，一对一线上互动交流频率高［6］。基于网络平台的辅导管理是对毕业设计进行监控的有效措施之一，网络平台线上辅导在新冠肺炎疫情期间发挥了极大的作用。

（五）压实的讲座

结合本科教学计划，针对学生专业理论知识薄弱的地方，以及综合性设计问题等，指导教师采用系统讲座形式适时安排讲授辅导，例如对结构设计中抗震概念设计的具体应用、结构荷载统计及折减、结构工况分析、结构内力计算及组合、结构抗震内力调整等，以及对结构设计需要满足的构造要求等，要结合规范进行着重强调，培养学生查阅规范、手册和图集等工具书的好习惯。对于软件使用过程中模型调整优化的方法和技巧、钢筋混凝土结构施工图表达、建筑钢结构节点构造，以及常用规范和标准图集应用等内容，平时课堂学习涉及较少，教师可以开展系列讲座的形式为学生补充相关知识。

（六）学生为主的研讨

利用阶段成果汇报，开展设计研讨、分享设计经验。学生以多媒体形式进行汇报交流，展示已完成的设计过程、计算公式和表格、结果图形，分享设计经验，表达设计中遇到的棘手问题，其他同学和教师共同参与讨论分析。对于共性问题，可通过辩论的形式解决，对如何优化处理结构设计模型进行讨论，学生不仅能学到计算参数调整的技巧，更有意想不到的知识升华效果。

四、毕业设计环节把控的实践

毕业设计过程的科学管理是提高毕业设计质量的重要保障，其中，指导教师的具体指导、及时反馈起着重要作用。实践证明，毕业设计过程中充分有效的师生互动是提升学生学习投入的重要保证［7，8］。开题答辩是毕业设计的第一个环节，指导教师要严格要求学生在查阅大量文献资料、调查研究的基础上撰写开题报告，在理解设计题目及要求的基础上，做好设计前期准备工作［9］。在日常考勤、定期交流、阶段性设计成果提交、中期检查、设计成果评阅等环节中，教师要做好指导者和引路人的工作，因材施教，挖掘学生的创新性思维，强化自主式学习和探究式学习的能力，提升学生综合水平和素养，草图和草稿是毕业设计的佐证材料。毕业设计成绩由指导教师、评阅教师和答辩小组三方加权确定，各占30%、30%和40%。评价内容包括调查论证、设计优化与技能、分析与解决问题的能力、工作量与工作态度、设计质量和创新等六方面，指导教师评价内容最为全面，评阅教师从设计成果上进行评价，答辩小组主要评价设计成果、汇报情况和问题回答［10-12］。

五、结语

土木工程毕业设计是人才培养方案理论联系实际的重要环节，是一项复杂的工作。毕业设计的准备应充分，题目设计应具备多元化与多样性，设计内容应与社会和实际紧密联系；毕业设计展开模式应以学生为中心，结合实际情况不断创新，注重毕业设计过程中各环节的管控落实。只要有科学的安排、精心的组织、灵活的展开模式、师生间有效的互动交流，就能保证毕业设计工作圆满完成。

作者:王萱 周翠玲 单位:山东农业大学水利土木工程学院