1. 引言
“市政工程造价”是我院工程造价专业新增设的一门专业核心课程。课程主要是培养学生对市政工程图纸的识读、工程量的计量和工程概预算的编制能力。其中挖沟槽土方工程量是市政土方工程计量中的重难点。传统的教学过程中，通常铺垫市政沟槽施工工序及相关施工验收规范后，讲解挖沟槽土方工程量和计算方法，最后通过课后练习提升巩固。通过试卷分析发现，学生在计量、列项过程中，仅能考虑到具体计量规则和计算方法，很难做到将计量与施工工艺相结合。这无疑割裂了计量与施工之间的关联性，使学生知识的掌握只停留在理论层次。如何让学生不仅知道造价基础知识，而能将所学相关专业知识进行迁移、内化提高工程素养以解决工程的实际问题，一直是该课程内容教学中的痛点。
2. KUD教学模式内涵及发展
1995年，美国教育专家埃里克森博士与兰宁博士提出KUD教学模式(Know-Understand-Do)，使学生在事实性层面上能“知道(K)”，在概念性层面上能“理解(U)”，在技能和过程层面上能“运用(D)”，帮助学生建构以事实和技能为基础的跨情境、可迁移的概念性理解，为学生核心素养和高阶思维能力的培养打下基础[1] [2]。
基于上述KUD模式，杨杰[2]、孙杰[3]等进一步指出KUD模式教学设计的重点在于如何将事实性知识与采用的技能和策略相融合，完成思维由低阶向高阶地转换，达成概念性的理解，并给出了KUD目标间关系(如图1所示)。图1对事实性知识、技能与策略、概念性理解三者进行了严格地区分，并且将概念性理解放在教学模式的核心位置。
Figure 1. Relationship between KUD goals
图1. KUD目标间的关系
随着教育模式的发展和研究，KUD模式作为一种教学目标的展示方式和手段，被托马斯·H·埃斯蒂斯和苏珊·L·明茨提出[4]，教学目标用KUD模式内涵为学生将会知道(Know)什么、理解什么(Understand)、能够做什么(Do)，如图2所示。KUD教学模式设计KUD目标，可以确保教师逐层实现教学目标。实际教学应用中，“知道”目标只专注课程基础的、碎片化知识。“理解”目标而是将所学相关知识进行互通和融合，帮助师生理解课程背后的基础知识，形成总结性概念。“能够”目标则指完成教学活动后，学生所呈现出的应用能力[5]。该KUD教学模式，即“知道、理解、能做”，在价值追求和设计层面两方面都展现了与职业院校人才培养目标的一致性，即提升学生工程思维与素养的同时，又达到了学以致用来解决工程实际问题的目的，因此得到了广大教师的广泛使用。
Figure 2. KUD teaching mode of educational objectives
图2. 教育目标的KUD教学模式
3. KUD目标制定
3.1. 本模块教学目标及主要知识内容
“市政挖沟槽土方工程量(平均断面法)”模块教学目标为学习平均断面法计算市政挖沟槽土方工程量、掌握市政挖沟槽土方工程量计算思路(过程)、完成市政挖沟槽土方工程量的计算。具体教学内容如表1所示。
Table 1. Teaching contents of earthwork quantity of municipal trenching (average section method)
表1. 市政挖沟槽土方工程量(平均断面法)教学内容
知识点 |
内容 |
专业基础知识铺垫 |
市政沟槽施工工序；沟槽施工相关技术及验收规范 |
基本知识 |
平均断面法的计算方法；土壤类别的划分；挖土方式的选择：管道工作面的选取；挖沟槽深度的计算 |
重难点内容 |
市政沟槽土方工程量的计算思路(过程) |
3.2. 课程内容KUD目标
根据本知识模块的教学目标，将传统教学目标中重难点内容，“市政挖沟槽土方工程量的计算思路(过程)”，确定为模块的“理解”目标。再根据模块的重要知识对应KUD模式里的“知道”目标；关键技能对应KUD模式里的“能做”目标，结合本模块的内容分析和KUD教学模式的理念，设计本模块的KUD目标(如表2)。
Table 2. Municipal trenching earthwork quantity (average section method) KUD target
表2. 市政挖沟槽土方工程量(平均断面法) KUD目标
K |
学生将知道： 1、市政沟槽施工相关技术及验收规范； 2、市政挖沟槽施工工序； 3、平均断面法的计算方法； 4、土壤类别的划分； 5、挖土方式的选择； 6、管道工作面的选取； 7、挖沟槽深度的计算。 |
U |
学生将理解： 市政工程挖沟槽土方工程量的计算思路(过程)。 |
D |
学生将做到： 1、依据施工图纸，分析不同情况下沟槽开挖及回填施工全过程； 2、完成案例中挖沟槽土方工程量的计算。 |
4. 教学实践
4.1. 专业基础知识铺垫，运用引导性问题
首先情景导入，提高学生的学习热情和兴趣。通过观看施工现场市政工程沟槽施工相关视频，引领学生回顾市政工程沟槽施工的常规施工工序。梳理沟槽施工的相关技术及验收规范，启发学生独立思考下列问题。根据沟槽相关施工及验收规范的要求，会不会出现不同的沟槽施工工序(问题1)？不同施工工序对挖沟槽土方工程量的计算有什么影响(问题2)？
4.2. 学习基本知识，采用引导式教学
4.2.1. 平均断面法
该方法通常适合于基槽、管沟等狭长形状土体的土方量计算。即沟槽挖土方体积等于相邻两断面的平均值乘以两断面的距离。
计算公式：
；
其中：Vij——相邻两截面间的土方量(m3)；
Si + Sj——相邻两截面的填方(或挖方)截面积(m2)；
Lij——相邻截面间的间距(m)。
通过“知道”学习，引导学生得出总结：挖沟槽土方工程量体积计算重点就是完成沟槽各横断面面积的计算。
4.2.2.“知道”学习
学习基础知识：土壤类别的划分，土壤类别是一二类、三类还是四类土；放坡系数m的概念；挖土方式，是人工开挖还是机械挖土；挖沟槽深度的概念。
沟槽横断面图，如图3所示。由梯形断面面积，可得
，即为求沟槽各横断面面积，须知道B、c、m和h的取值。具体分析如下：
B：管道基础的宽度(见设计图纸或见06MS201中设计数值)。
c：管道施工工作面的宽度(见设计图纸或者见当地市政工程计价定额中“管道施工单面工作面宽度计算表”中数值)。
m：放坡系数(由土壤类别和土体的开挖方式决定，具体见当地市政工程计价定额中“土方放坡起点深度和放坡坡度”中数值)。
h：挖沟槽深度(未知，需要具体分析求得 = ？)。
Figure 3. Cross-sectional view of trench
图3. 沟槽断面图
引导学生得出：为求沟槽各横断面面积就是求各断面挖沟槽的深度。
4.3. 统领迁移理解
4.3.1. 为求各断面挖沟槽的深度，引入“沟槽控制高程线”概念
依据《给水排水管道工程施工及验收规范》条文的相关规定，为满足沟槽各部位回填土密实度要求，原地面标高位于管底以下或管顶覆土厚度未达到500 mm时，必须进行路床整形，回填路基施工至管顶500 mm后，按照施工要求进行沟槽反开挖，再进行管基及管道施工、管周及管顶的土体回填。(上述内容，回答了问题1)。并引导学生发现：“管顶500 mm覆土”是保护管道施工的临界厚度，提出“沟槽控制高程线”的概念。并引发学生思考：如何利用“沟槽控制高程线”，来分析不同情况下挖沟槽施工工序和挖沟槽的深度(问题3)？
4.3.2. 按“沟槽控制高程线”在不同断面路基形式中的位置，利用绘图手段和技巧，对沟槽施工不同情况进行分类和分析，完成相关知识迁移和内化(回答问题3)
具体分析读图时，管道开挖回填示意图很难将施工过程融入其中，导致计量与施工过程的割裂。利用绘图手段，凸显开挖回填示意图中的沟槽位置，突出沟槽与路基横断面的相对关系，绘制“路槽开挖及回填示意图”。绘制过程中，采用不同的色块填充以示意不同部位和不同施工工序，便很好地解决这一问题。引入“沟槽控制高程线”的概念后，引导学生按照施工的复杂程度和理解难易程度，将“路槽开挖及回填示意图”划分成以下四种情况。下图中H0：原地面清表后高程；HS：设计路床顶高程；Ht：“沟槽控制高程线”；Hd：管底处高程。
(1) 挖方区。原地面标高高于设计路基标高时(见图4)，即H0 > HS > Ht > Hd。
Figure 4. The trench control elevation level is located below the natural ground level: excavation section
图4. 沟槽控制高程线位于自然地面线以下：挖方段
施工工序流程：一般路基挖土至Hs → 沟槽开挖至Hd → 管基及管道施工 → 沟槽回填至Ht → Ht到HS为一般沟槽填方。其中：路基挖方 = S1；沟槽挖方 = S2 + S3 + S4。
此时，挖沟槽的深度为：Hs到Hd，即设计路床顶高程至管底处高程。并注意：区分路基部分和挖沟槽部分。
(2) 填方区。设计路基标高高于原地面标高(见图5)，即HS > H0 > Ht > Hd。
Figure 5. The trench control elevation level is located below the natural ground level: fill section
图5. 沟槽控制高程线位于自然地面线以下：填方段
施工工序流程：沟槽开挖从H0挖至Hd → 管基及管道施工 → 沟槽回填至Ht → Ht到H0为一般沟槽回填 → H0到HS为一般路基填方。其中：沟槽挖方 = S2 + S3 + S4。此时，挖沟槽的深度为：H0到Hd，即原地面清表后高程至管底处高程。
(3) 管道埋深较浅Ⅰ。原地面标高低于管顶标高或管顶覆土厚度小于500 mm时(见图6)，即HS > Ht > H0 > Hd。
施工工序流程：从H0路基回填至Ht → 沟槽开挖至Hd → 管基及管道施工 → 沟槽回填至Ht → Ht至HS为一般路基施工。其中：沟槽挖方 = S3 + S4 + S5。此时，挖沟槽的深度为：Ht到Hd，即“沟槽控制高程线”至管底处高程。
(4) 管道埋度较浅Ⅱ。原地面标高低于管底标高(见图7)，即HS > Ht > Hd > H0。
施工工序流程：从H0至Hd为一般路基填方 → 从Hd路基回填至Ht → 沟槽开挖至Hd → 管基及管道施工 → 沟槽回填至Ht → Ht至HS为一般回填。其中沟槽挖方 = S3 + S4。此时，挖沟槽的深度为：Ht到Hd，即“沟槽控制高程线”至管底处高程。
Figure 6. The trench control elevation level is located above the natural ground level Ⅰ: Fill section
图6. 沟槽控制高程线位于自然地面线以上Ⅰ：填方段
Figure 7. The control elevation level is located above the natural ground level Ⅱ: Fill section
图7. 控制高程线位于自然地面线以上Ⅱ：填方段
由上述4.3.2部分内容，引导学生得出总结：“沟槽控制高程线”是计算挖沟槽深度的重要数据，决定了不同沟槽的施工工序、挖沟槽土方深度和挖土方性质(回答了问题2)。此处的挖土性质主要是指挖沟槽还是挖路基土方。引导学生严格区分沟槽的土方和路基的土方。
4.3.3. 得出结论
最后引导学生得出结论：平均断面法计算市政沟槽挖土方工程量计算思路，就是依据施工图纸具体分析其沟槽的施工工序，对照工序，确定挖沟槽的深度，由沟槽断面图求得断面面积，再由平均断面法，求得挖沟槽土方量的体积。
4.4. 课后练习应用
挑选符合教学目标，重难点突出、实用性强的案例练习。案例内容尽量涵盖挖沟槽土方工程量计算的多种情况，计算体量适中，内容设计合理。一方面，学生在理解市政工程挖沟槽土方工程量的计算原理和方法基础上，可以顺利完成案例任务，另一方面，完成案例的过程可以很好地帮助学生对“理解”内容地进一步加深，为解决实际工程案例中更为复杂情况的打下坚实的基础。
上述过程，很好地揭示如何从“沟槽相关施工和计量的基础知识”的“知道”(K)到“市政工程挖沟槽土方工程量的计算原理和方法”的“理解”(K)再到“完成案例中沟槽挖土方工程量的计算”的“能做”(U)，完成学生工程思维与素养培养的同时，又达到了解决工程实际问题目的。
5. 教学评价
本次教学评价采用课后测试形式。选取同年级同专业两个班级作为教学效果分析研究对象。2022级造价１作为传统教学班级，2022级造价2班作为KUD教学模式授课班级，两个班级考试成绩对比如图8所示。
通过图8可知，接受KUD教学模式班级较接受传统教学班级，学生不及格占比偏低，80~89分数区段和90~100分数区段占比偏高。综上，KUD教学模式能显著提升学生对知识掌握程度，成绩明显优于接受传统教学模式的学生成绩，对教学效果起到一定提升的效果。
Figure 8. Performance analysis chart of traditional teaching class and KUD teaching class
图8. 传统教学班级与KUD教学班级成绩分析图
6. 总结与展望
6.1. 总结
本文基于KUD教学模式，教师设定“市政挖沟槽土方工程量(平均断面法)”的KUD目标，并设计引导式课堂，引导学生进行专业知识的迁移和内化，最终达成学生的概念性(原理)理解，解决了以往本模块的教学痛点，取得良好的教学效果。此外，引入了“沟槽控制高程线”、绘制“路槽开挖及回填示意图”都是在引导式教学课堂中的创新，为促成学生在事实性层面的知识与概念层面的理解间的相互融合起到了积极的作用。
6.2. 展望
本次教学研究对象选自本院工程造价专业的两个班级，研究结果验证了KUD教学模式的有效性，后续拟增加不同年龄段和不同层次学生样本的多样性，检测KUD教学模式在我院社会招考类、成人教育类等学生中有效性，推动本课程在不同层次教学中的质效。其次，本次研究是课程中的某个知识模块，后续拟将KUD教学模式设计推广至整门课程，提升教师对教学目标统领作用的认知，同时加强单元教学目标与课程标准之间的联系，确保教学目标更加高效地实现。