美國普渡大學土木工程綜合設計課程分析

趙莉香+高波+蘇謙+楊成

摘要：綜合設計課程集土木工程項目分析、規(guī)劃、設計于一體，是土木工程行業(yè)專業(yè)層面的團隊項目設計課程。本文以美國普渡大學綜合設計課程為例，介紹了設置該課程的目的和意義，展示了課程設計特點，分析了綜合設計課程設計中的概念設計方案和備選設計方案階段的工作要點，以及建造設計方案需要考慮的影響因素。綜合設計課程可作為我國高等工程教育提高學生綜合素質(zhì)，增強學生工程實踐能力的一種有效方法。

關鍵詞：土木工程；綜合設計課程；工程實踐；概念設計

目前，我國高等工程教育專業(yè)課程設置模式培養(yǎng)的工程師在工程設計和操作實踐能力方面還有較大的提高空間。類似問題也在歐美高校存在。20世紀90年代，歐美高校發(fā)現(xiàn)工程類課程在分門別類學習完成后缺乏一個根據(jù)其相互關系整合運用的過程，課程知識對綜合實踐的支撐力度不強，以至于“很多學生抱怨在高年級階段的課程只是新增幾門課程而己”。美國高等工程教育界為此制定了《重建本科生教育一一美國研究型大學發(fā)展藍圖》，呼吁開設綜合設計課程（capstone course）。綜合設計課程可以把零散的專業(yè)課捏在一起，引導學生自主、系統(tǒng)地運用已經(jīng)學過的專業(yè)知識去解決世界問題，并留給學生更多的思考空間，比如社會、環(huán)境、人文；在技能上，除了計算和動手實踐之外，更多地知道怎么去通過和別人系統(tǒng)配合完成工作。這在卓越工程師培養(yǎng)方面具有重要的作用和意義，同時受到高等教育界和工程界的重視，并得到了持續(xù)改進和建設?，F(xiàn)在，世界發(fā)達國家和地區(qū)知名工科教育管理機構都要求學生參加綜合設計課程，如美國工程技術鑒定委員會（ABET）、加拿大工程師認證委員會（CEAB）、韓國工程教育認證委員會（ABEEK）等，都對綜合設計課程的設置和考核要求做出了規(guī)定。目前，全世界五大工程教育認證協(xié)定，即華盛頓協(xié)定（WashingtonAccord）、首爾協(xié)定（Seoul Accord）、悉尼協(xié)定（Sydney Accord）、堪培拉協(xié)定（CanberraAccord）、都柏林協(xié)定（Dublin Accord）也都對綜合設計課程有所提及，五大協(xié)定對于專業(yè)實作課程的最低畢業(yè)學分比例要求均在1/4以上。因此，從我國工程技術發(fā)展的實際需求出發(fā)，參考國際工程教育的認證標準，加快綜合設計課程建設，是助力我國工程教育質(zhì)量爭取國際認可的一個重要途徑。為了更好地促進我國高校綜合設計課程建設與發(fā)展，分析其課程的目標導向、結構體系、評價方法，以及與其他相關課程的關系，為我國高等工程教育綜合設計課程研究提供參考和相關建議，本文課題組在國家留學基金委及四川省教改項目資助下，通過對普渡大學綜合設計課程教學的現(xiàn)場觀摩及實地考察，系統(tǒng)分析了其優(yōu)勢及教學操作要素。本文將以案例研究的形式為主，介紹綜合設計課程的內(nèi)容及作用，并分析其意義。

一、綜合設計課程定義與設置意義

1.綜合設計課程

羅伯特·杜雷邇給出了綜合設計課程的定義：“本科最后階段開設的課程，具有頂點性及體驗性特點，其目標是把大學階段學到的細碎的知識整合為統(tǒng)一的整體。為學生提供成功的體驗并憧憬的未來。”因此，綜合設計課程是為高年級工程類學科學生開設的整合性課程，是讓學生整合、拓展、思辨和應用所學專業(yè)知識和專業(yè)技能，具有培養(yǎng)學生綜合素質(zhì)和幫助學生從學校順利向?qū)I(yè)工作崗位過渡的功能，為塑造學生可持續(xù)的職業(yè)發(fā)展能力打下堅實基礎。

過去的課程設置在一定程度上未能充分強調(diào)課程之間的聯(lián)系，也未能突出通識教育與專業(yè)教育間的固有關系，更缺乏從實際工程需求出發(fā)，引導學生跨學科整合多門課的知識（不限于專業(yè)知識）進行綜合實踐的導向。而學生只有通過把多門課程共同聯(lián)系起來做一個完整的實踐性活動，才可能認識到課程間的實際聯(lián)系，掌握不同分工配合，理解團隊協(xié)作的技巧，最終建立起對未來職業(yè)成就感的憧憬，并鍛煉其作為工程負責人的領導能力。

2.普渡大學土木工程專業(yè)設置綜合設計課程的意義

綜合設計課程設置的意義需要從兩個方面來理解：第一，支持學生深層次學習；第二，幫助學生從學校向?qū)I(yè)工作崗位順利過渡。

（1）支持學生深層次學習。綜合設計課程為學生提供整合己獲得的知識、技能和態(tài)度等的機會。深層次學習是一種基于理解、深入鉆研、學用結合和自我反思的高等級學習，區(qū)別于淺層次學習中單純的“教師傳遞知識一學生接受知識”的模式。綜合設計課程在充分考慮學生個人興趣與選擇的情況下，努力激發(fā)學生內(nèi)在的學習動機，要求學生把已有知識、經(jīng)驗及能力應用于真實的生活場景，找到解決問題的突破口，并學會多維度評價已有的方案并加以改善。通過具體問題導向的學習行為，學生在總結反思已有知識、提升專業(yè)技能、理解職業(yè)精神的過程中，可以實現(xiàn)對自身知識體系的“重構”，從而拓展綜合視野并促進個人綜合能力的提升。

波特蘭州立大學自1994開始就要求高年級學生從230門綜合設計課程中至少選擇1門作為最低學分畢業(yè)條件。在該課程中，學生以小組團隊的形式，通過完成一個綜合項目，把以往專業(yè)課程內(nèi)容與社會中的實際問題結合起來，最終達到課程要求的四個能力目標：交際能力，批判思維能力，道德的或社會的責任感，以及對人類經(jīng)驗多樣性的欣賞能力。經(jīng)過統(tǒng)計，目前最受歡迎的綜合設計課程項目為申請撥款、移民和難民定居、小型商業(yè)項目咨詢、工程設計和公共關系，都是需要較強的協(xié)作關系尚能完成的項目。

（2）幫助學生從學校向職場順利過渡。2014年西南交通大學土木工程學院完成的企業(yè)用人單位調(diào)查問卷數(shù)據(jù)顯示，社會對于學生的專業(yè)實踐水平、溝通能力及團隊合作意識等方面尚有更高的期待。綜合設計課程正是為了積極滿足用人單位的實際需求，注重課程與具體項目的結合性，通過多樣化的教學方法和多元化的教學評價，挖掘?qū)W生各方面的能力與素質(zhì)，幫助學生成長，為學生介入實際工程工作做好準備。

綜合設計課程要求學生完成一些應用性的實踐項目，如服務性實習、實習等，通過參加這些項目，學生把先前所學知識和技能應用于解決實際問題，有助于更加全面系統(tǒng)地培養(yǎng)起更具適應性的專業(yè)素質(zhì)，具體表現(xiàn)為：在專業(yè)知識和技能方面，通過整合已有知識、提升專業(yè)技能，學生初步完成對自身知識和技能體系的構建。在職業(yè)精神和素養(yǎng)方面，提升團隊合作能力、獨立決策能力、溝通交流能力等。在專業(yè)意識和品質(zhì)方面，提升安全、質(zhì)量、責任意識，可持續(xù)發(fā)展意識，以及倫理道德等。在實踐方面，提升動手能力，發(fā)現(xiàn)、分析、解決問題的能力，以及自我評價和評價他人的能力等。通過這些素質(zhì)的培養(yǎng)和能力的提升，學生的職場競爭力和適應性大大增強，為進入職業(yè)領域做好了準備。

3.綜合設計課程中的知識重構

基于五項基本的學習活動（團隊合作、解決問題、決策制定，批判性思維以及信息溝通），在綜合設計課程中整合相關的零碎的學科知識，從被動接受知識到關聯(lián)碎片知識，在實踐中獲得經(jīng)驗，提煉、重構知識體系并應用于實踐。圖1展現(xiàn)了基于五項基本學習活動的綜合設計課程知識重構體系。

二、普渡大學土木工程綜合設計課程教學要求

普渡大學土木工程綜合設計課程按照“規(guī)劃、設計、土木工程分析”流程展開，是一個涉及盡可能多土木工程專業(yè)主要層面的、滿足綜合性和現(xiàn)實性的集體項目。該課程每學期招生30～120名學生，3個學分。課程按照團隊授課，每周召開兩次團隊會議，每次持續(xù)2個小時，會后有一個50分鐘的簡介會。這個課程的所有學生都被要求參加簡會。

課程負責人由專業(yè)實踐教學人員中的資深專家擔任，負責總體安排教學內(nèi)容并作為每個簡介會的發(fā)言人。課程教學團隊成員負責若干個簡介會，同時在辦公室會議中扮演咨詢顧問的角色。在課程開始前，要制定針對具體項目的綜合設計課程設計指南（RFP，Requests forProposal）。指南由課程負責人、指導教師、教學助理和項目負責人共同起草完成。

三、土木工程綜合設計課程的特點

1.組建課程團隊

（1）團隊標識。在綜合設計課程中，每一個團隊要設置代表自己團隊特征和精神的LOGOS、信頭、圖紙標題欄格式、表格格式來標識自己。

（2）團隊成員個性標識。綜合設計課程設計團隊組成后，第一個活動就是讓成員互相認識，了解個性差異。普渡大學職業(yè)咨詢辦公室會對學生做個性類型介紹（比如：外向/內(nèi)向、敏感/直覺、思考/感受和判斷/感知），幫助團隊成員學習和理解隊伍中各種各樣的個性類型，然后形成麥爾斯一布瑞格斯性格類型指標分析報告，該報告可以反映出學生怎樣看待事物，如何做決策，確定自己的優(yōu)點，從中理解不同個性團隊成員之間如何協(xié)同合作并為團隊完成既定任務做出貢獻。

（3）團隊組成?；趯W生所有學年平均成績、核心課程成績、工作經(jīng)驗、計算機軟件技能和麥爾斯一布瑞格斯性格類型指標的分析，考慮團隊平衡性因素，不同個性及成績的學生被分配到各個團隊中。每個土木工程設計項目團隊的規(guī)模在5～8名學生，取決于課程總體的注冊人數(shù)。5個團隊共用一個辦公室，并配備一名工程經(jīng)理。根據(jù)教學人員和安排調(diào)度，一般不超過15個團隊。工程經(jīng)理一般都是土木工程專業(yè)畢業(yè)的教學助理，有時會由來自社會團體的志愿的專家人才來擔任。除了辦公室，團隊還擁有一個設計實驗室，配備小型模型試驗、工程計算、制圖等專業(yè)設備、軟件及相關參考資料。

（4）團隊專業(yè)道德。綜合設計課程還強調(diào)行業(yè)道德及工程倫理教育，除了要求每個團隊在公開會議中陳述其對與項目相關的專業(yè)道德的理解外，還將專業(yè)道德和工程倫理作為基礎課程考試的要求。

2.開展項目設計教學

在每個學期，所有團隊圍繞同一個項目展開工作。這些項目均處于早期規(guī)劃階段，是真實的當?shù)仨椖俊v年來，這些項目的總體設計費用為200～1000萬美元。比如，2010年綜合設計課程就是基于項目“Varsity softballcomplex”設計的，項目金額近400萬美元。項目開展流程如下：

①聽取項目規(guī)劃和管理介紹講座。

②每個團隊研究RFP（Request forProposals），并在規(guī)定時間內(nèi)按要求完成書面項目計劃書。

③在當前學期的第二個月完成課程設計第一階段計劃書，并做口頭匯報展示。

④接下來，團隊評估和修正他們的計劃書，作為課程設計第二階段提交成果的一部分內(nèi)容要求。

⑤個人和團隊要分別詳細記錄每周的工作進度和內(nèi)容。進度表和項目費用在最終成果評估中起到作用。

RFP幾乎和發(fā)布的真實項目一樣，關鍵的部分包括（見圖2）：如果需要，附加信息和信息需求回應通過使用RTF的附錄提供。這為每個團隊及時提供了同樣的信息。

3.社會參與教學

與項目有關的人員都被結合到綜合設計課程設計過程中。此外，近期退休的當?shù)毓こ處熞话阕鳛橹驹刚邊⑴c到課程中。對于普渡大學校園的項目，由普渡建筑師辦公室工作人員提出總體規(guī)劃，并給出該學期的綜合設計課程設計項目適應規(guī)劃建議。普渡大學設計與施工團隊都會參與到課程設計中。在每周兩次的晨會上，來自當?shù)毓镜墓こ處煏喪霎數(shù)赝聊竟こ虒嵤┣闆r，包括公共事業(yè)設備、LEED案例學習、路面和交通條例、結構設計、坡度折減和排水、工程預算、聯(lián)系和籌措資金的渠道以及項目交付方法，工程師會參與并協(xié)助提案評估，這也是課程成果的一部分。

在這些設施的設計與建設中，需要考慮的往往不僅僅是技術問題，還有社會影響。有鑒于此，簡報和提案展示會議會經(jīng)常包括西拉斐特的市長、一個或多個西拉斐特市議會成員、市政工程的職員、教師，以及那些即將使用這些設施的使用人。

引入上述多方人士對工程方案加以建議及評估的原因在于，設計和建設中經(jīng)常需要解決甲方需求、社會影響、可持續(xù)發(fā)展、城市形象、文化傳承等非技術問題。綜合設計課程帶給學生的確實不囿于專業(yè)技能和知識，而是建立起了工程技術和社會需求之間的橋梁，這些需求不僅僅是物質(zhì)的，還可能是非物質(zhì)的；不僅僅是短期，還可能是長期的，而這恰恰是培養(yǎng)高層次工程人才所需要突出的教育內(nèi)涵。

四、綜合設計課程案例

目前，大部分土建類綜合設計課程設計大致分為兩個階段：

第一，概念設計方案階段，主要包括設施及其位置的概念設計、項目使用的規(guī)范、交通規(guī)劃等方面的內(nèi)容，該階段還包括備選方案在內(nèi)的輔助性內(nèi)容。

第二，方案建造實施階段，這個階段主要考慮方案實施過程中的組織協(xié)調(diào)、造價優(yōu)化、環(huán)保節(jié)能及財務管理等方面的內(nèi)容。

下面以普渡大學西拉法葉分校的總體規(guī)劃設計為課程案例，系統(tǒng)介紹圍繞該項目的課程設計要素及結構體系。

1.概念設計方案及其備選方案分析

（1）概念設計。綜合設計課程中的概念設計重點突出了參數(shù)化概念設計，參數(shù)化概念設計可以成為推進綠色建筑實踐的一種方法。它借助于邏輯推演和關系運算，通過調(diào)整參數(shù)，優(yōu)化和建立參數(shù)概念模型以便于分析。

每個團隊關于項目（包括備選的方案）的概念設計（考慮西拉法葉校區(qū)和普渡大學的總體規(guī)劃）包括：①列出該種類型項目使用的規(guī)范；②場地平面圖，包括建筑物分布、行車道和人行道規(guī)劃、停車場、公共設施，包含電力、水、天然氣、污水、電信光纖電纜的管道分布；③關鍵控制工程立面圖，設計考慮最大洪峰的影響；④交通計劃，包括來往的多種交通運輸工具及在建過程中的交通流量；⑤環(huán)境因素，包絡污染物處理、現(xiàn)有濕地處理，及按需要提供的環(huán)境評估書；⑥侵蝕、沖刷防護；⑦USGBCLEED信用評級：實現(xiàn)綠色建筑施工的評級；⑧其他所需說明或規(guī)劃的概念元素的設計。

（2）備選方案分析。備選方案分析的根據(jù)是：①普渡大學和西拉法葉校區(qū)的總體規(guī)劃；②地下環(huán)境及替代基礎方法；③場地污染處理方法；④分級排水；⑤施工可行性分析包括施工材料和施工方法（包括大型施工設備）的評估；⑥公共設施（電力、水、污水、天然氣等）⑦其他因素，如印第安自然資源和環(huán)境管理部門的影響。

2.建造設計方案階段

一個學期的綜合設計課程交付的設計建議書應包括以下內(nèi)容（圖3）：

提交的所有計算都必須獨立完成，由團隊的另一個成員檢查和簽字。必須在規(guī)定的最后期限前提交，晚提交的文件不被接受。要求提交的信息包括圖紙、計算、日程表、電子表格等。除了項目介紹以PPT格式提交外，其他信息必須是電子文檔，通常使用PDF格式。團隊也需要提交該項目設計的多份紙質(zhì)版材料，包括一套圖紙（以比例11：17，280x432mm紙繪制），一份備選方案設計書，包括成本和調(diào)度組織計算書。

五、團隊成果評級和反饋

該課程對學生成果的評估通常一學期舉行兩次。一次在第一階段結束，一次在課程結束時，以網(wǎng)絡匿名問卷的形式進行。對成果的評級規(guī)則由教學團隊所有成員共同制定。成績由兩部分組成：教學團隊評估的成績和同學互評的成績。

（1）教學團隊評價。教學團隊至少需要3名成員共同評審。教學團隊討論每個團隊的設計水準，并達成共識，給每個團隊的設計予以一個適當?shù)脑u級。一個團隊的所有成員都是相同的等級。這是因為，雖然成員各自都忙于解決項目的不同組成部分，但其設計都處于同一背景和環(huán)境，因此，交付的成果被認為是群體努力的結果。

（2）同學間互評。同學之間互評進行兩次。第一次是在設計第一階段之后，對提交材料和自我展示進行評價；第二次是在第二階段課程結束時。同學互評為匿名評估。

等級評定之后，不同團隊之間進行互相評估，并依據(jù)兩個階段的互評結果，對最終結果做相應的調(diào)整。

六、結論

綜合設計課程作為一種以整合知識、連接社會、提高綜合素質(zhì)能力為目的課程，契合了科學、經(jīng)濟社會和高等教育發(fā)展的要求。綜合設計課程采用討論、模擬、報告、講座、案例分析等教學形式，貼近工程實作環(huán)境，通過綜合應用實踐項目，讓學生把先前所學知識和技能應用于解決實際問題。綜合設計課程非常關注學生在專業(yè)知識以外的領域能力發(fā)展，強調(diào)學生綜合素質(zhì)的協(xié)調(diào)提升。而這些綜合素質(zhì)的具備往往比單一的專業(yè)知識更重要。

到目前為止，我國高等教育界對綜合設計課程的研究和開發(fā)尚處在起步階段，對國外相關成果與經(jīng)驗的介紹很少，也缺乏政策保障與激勵。長期以來，我國高校在專業(yè)教學上強調(diào)學生的專業(yè)知識積累和專業(yè)能力培養(yǎng)，而對于專業(yè)課程之間的知識整合及相關能力提升，以及輔助的非專業(yè)能力培養(yǎng)重視不夠，對于學生溝通表達、書面寫作、團隊合作、批判反思等能力的培養(yǎng)顧及較少，培養(yǎng)出來的學生在理論基礎和實際工作能力方面逐漸無法滿足現(xiàn)代工程前沿技術的需求。

美國普渡大學土木工程專業(yè)開設綜合設計課程的經(jīng)驗值得我們學習與借鑒。通過在高等工程教育領域積極探索綜合設計課程建設，從知、情、意、行方面培養(yǎng)學生綜合能力，使學生能夠在實踐中整合四年所學專業(yè)知識，對培養(yǎng)理論聯(lián)系實際的卓越工程師具有重要意義。同時，積極推進綜合設計課程教師培訓、項目申請與安排、課程輔助人員的聯(lián)系溝通機制、教學場所、教學效果評價體系等方面的工作。