科研課題引入土木工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的探索與實(shí)踐

章敏+董曉強(qiáng)+郭昭勝

摘要：針對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)忽視培養(yǎng)學(xué)生科研創(chuàng)新能力的現(xiàn)狀，探討將教師科研課題引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)，并結(jié)合實(shí)際案例，探索本科生參與創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的思路和途徑，在時(shí)間安排、建立激勵(lì)機(jī)制和考核評(píng)價(jià)等方面提出了相關(guān)建議。實(shí)踐證明，依托科研課題進(jìn)行創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)，將充分發(fā)揮科研對(duì)教學(xué)的促進(jìn)作用，形成兩者的良性互動(dòng)。

關(guān)鍵詞：土木工程；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；科研課題

中圖分類號(hào)：G642423；TU3-4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1005-2909（2017）04-0104-04

土木工程實(shí)驗(yàn)是學(xué)生深入理解和把握力學(xué)原理、結(jié)構(gòu)造型和材料性能的重要途徑之一，它在培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探索精神，幫助學(xué)生掌握基本實(shí)驗(yàn)方法和技能，提高學(xué)生動(dòng)手能力與創(chuàng)新能力等方面有著舉足輕重的作用[1-2]。目前，高校土木工程專業(yè)普遍開設(shè)了結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)和土力學(xué)實(shí)驗(yàn)等課程，例如結(jié)構(gòu)靜載實(shí)驗(yàn)、鋼筋混凝土受彎構(gòu)件的裂縫寬度實(shí)驗(yàn)、 （巖）土體力學(xué)參數(shù)測試等。然而，受教學(xué)課時(shí)和經(jīng)費(fèi)的限制，實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容以驗(yàn)證性基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)為主，創(chuàng)新性的自主探索內(nèi)容較少。此外，實(shí)驗(yàn)教學(xué)多采用演示性的教學(xué)方法，也影響了學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)的積極性[3-4]。一方面，有許多大學(xué)畢業(yè)生，理論知識(shí)與實(shí)際脫節(jié)，進(jìn)入企業(yè)后不能迅速適應(yīng)工作環(huán)境，缺乏獨(dú)立解決工程實(shí)際問題的能力[5]；另一方面，有志于讀研、出國留學(xué)的學(xué)生，則希望在本科階段提前掌握一些從事科研的基本方法，為今后繼續(xù)求學(xué)深造打下基礎(chǔ)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)中設(shè)置與科研課題相對(duì)應(yīng)的綜合性、探索性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)科研與教學(xué)的統(tǒng)一和良性互動(dòng)，是解決上述問題的途徑之一[6-7]。鑒于此，本文依托國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“地震波作用下非飽和土中PHC管樁水平振動(dòng)機(jī)理研究”，將科研成果引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)，通過吸引本科生參與模型實(shí)驗(yàn)研究，探討土木工程專業(yè)本科生參與科研項(xiàng)目的途徑和步驟，并就教學(xué)方式和實(shí)驗(yàn)管理提出相關(guān)建議。

一、 傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的問題

第一， 實(shí)驗(yàn)課程設(shè)置通常與理論課程教學(xué)相配套，不能自成獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，驗(yàn)證性、單科性的實(shí)驗(yàn)較多，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容也較陳舊[8]。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)置與工程實(shí)踐結(jié)合不夠緊密，難以適應(yīng)土木工程行業(yè)的高速發(fā)展。此外，授課方式大多采用“老師講、學(xué)生聽”的演示型實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，學(xué)生完全處于被動(dòng)狀態(tài)，對(duì)實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)、試件制作、測點(diǎn)布置、儀器調(diào)試，甚至實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的收集等都不太了解，難以培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力、綜合分析和解決問題的能力[9]。

第二，土木工程實(shí)驗(yàn)具有其他學(xué)科實(shí)驗(yàn)不同的特點(diǎn)：一是材料消耗量大，且大多具有時(shí)效性。如建筑材料課程中的水泥、混凝土實(shí)驗(yàn)，水泥用量大，不易保管，且超過一定時(shí)間就無法使用；土力學(xué)實(shí)驗(yàn)中使用的原狀土，其用量也比較大，放置時(shí)間過長，土的性狀將發(fā)生改變，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)無法反映現(xiàn)場土體的真實(shí)狀態(tài)，設(shè)計(jì)計(jì)算也將失真。二是實(shí)驗(yàn)費(fèi)用相對(duì)較高。如土力學(xué)中的三軸剪切實(shí)驗(yàn)、建筑材料中的混凝土實(shí)驗(yàn)、混凝土強(qiáng)度測試實(shí)驗(yàn)等，僅材料費(fèi)、設(shè)備的磨損維修費(fèi)用就很大，實(shí)驗(yàn)教學(xué)中為節(jié)省開支只能限制試件制作數(shù)量和尺度，每個(gè)實(shí)驗(yàn)增加學(xué)生人數(shù)，這樣一來，教學(xué)質(zhì)量和效果自然無法保證。三是很多實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目周期長，用幾個(gè)課時(shí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足教學(xué)需要。四是實(shí)驗(yàn)室對(duì)本科生基本封閉，開放度不高。學(xué)生只能在教師指定的時(shí)間內(nèi)進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，完成規(guī)定的任務(wù)，從而影響學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的興趣，抑制了學(xué)生主動(dòng)參與實(shí)驗(yàn)的積極性[10]。

第三，實(shí)驗(yàn)設(shè)備的使用效率不均衡。一方面，有些儀器設(shè)備在一定時(shí)間內(nèi)長時(shí)間、超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，雖然管理人員傾盡全力但仍無法正常養(yǎng)護(hù)，導(dǎo)致這部分設(shè)備老化快，故障多，性能降低，沒多久就得重新購買；另一方面，有些設(shè)備由于多方面原因而被閑置，如教學(xué)計(jì)劃修改，相關(guān)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目被取消等原因?qū)е掠械膬x器設(shè)備很少被使用，造成資源的浪費(fèi)[11]。

第四，青年教師大多有主持國家或省部級(jí)科研課題。一方面，在研究生資源不平衡的情況下，青年教師的科研項(xiàng)目缺少學(xué)生的參與，極大地制約了課題相關(guān)實(shí)驗(yàn)的順利完成；另一方面，筆者在與本科生交流中了解到，許多學(xué)生對(duì)參加科研創(chuàng)新活動(dòng)興趣濃厚，但不知從何入手，也缺乏必要的經(jīng)費(fèi)和條件支持。通過吸收一部分優(yōu)秀本科生參與具體的科研課題研究，既可以在客觀上彌補(bǔ)青年教師研究生資源短缺的問題，又可以為學(xué)生提供早期科研實(shí)踐訓(xùn)練機(jī)會(huì)，尤其為希望繼續(xù)深造的學(xué)生做好必要的從本科教育到研究生教育的銜接和過渡準(zhǔn)備。

二、本科生參與科研創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的實(shí)踐

（一）實(shí)驗(yàn)選題

近年來，筆者所在學(xué)院教師在液化砂土地基加固、PHC管樁抗震性能和土—結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)相互作用等領(lǐng)域進(jìn)行潛心研究，在開展振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)和動(dòng)力測試方面積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。為此，以教師為主導(dǎo)，學(xué)生參與討論，擬定“PHC管樁抗震性能的小型振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)研究”作為實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的選題。該選題旨在研究PHC管樁地震響應(yīng)特征和破壞模式，探討管樁動(dòng)應(yīng)變、加速度，以及不同部位土體動(dòng)土壓力和孔隙水壓力的時(shí)程變化規(guī)律，揭示管樁尺寸、擾動(dòng)區(qū)范圍、地震頻率和振幅等因素對(duì)管樁水平動(dòng)力響應(yīng)的影響。振動(dòng)臺(tái)選用DC-2200-26小型電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ洼^小，填土工作量不大，可操作性強(qiáng)，便于學(xué)生進(jìn)行多組實(shí)驗(yàn)。該選題保留了學(xué)院的科研特色，具有一定的代表性和學(xué)術(shù)前沿性，且與工程實(shí)際緊密相關(guān)。

（二）學(xué)生的選拔與動(dòng)員

通過課堂宣講，學(xué)生自愿報(bào)名，選拔了4名有科研興趣、成績較為優(yōu)秀的高年級(jí)本科生組成實(shí)驗(yàn)小組，并安排2位研究生配合開展實(shí)驗(yàn)工作。實(shí)驗(yàn)開始前，根據(jù)科研項(xiàng)目的技術(shù)要點(diǎn)和關(guān)鍵工作，對(duì)目標(biāo)任務(wù)進(jìn)行了分解。同時(shí)，對(duì)學(xué)生進(jìn)行了兩場有針對(duì)性的專題報(bào)告，一場報(bào)告重點(diǎn)講解模型實(shí)驗(yàn)中相似比、實(shí)驗(yàn)測試系統(tǒng)、模型箱及構(gòu)件制作、工況設(shè)計(jì)、測點(diǎn)布置、數(shù)據(jù)采集等具體內(nèi)容，并提供單樁循環(huán)荷載實(shí)驗(yàn)和群樁水平靜載實(shí)驗(yàn)的方案和報(bào)告作為參考。另一場報(bào)告則就學(xué)術(shù)論文和發(fā)明專利的內(nèi)容、書寫規(guī)范、寫作技巧和投稿（申請(qǐng)）等進(jìn)行了介紹，并向?qū)W生講解研究背景、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、要求、預(yù)期成果、進(jìn)度安排、輔導(dǎo)方式等相關(guān)事項(xiàng)。endprint

（三）實(shí)踐過程

1.文獻(xiàn)綜述

要求每位學(xué)生就樁土動(dòng)力相互作用和振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行文獻(xiàn)查閱，撰寫研究進(jìn)度安排，并進(jìn)一步完善實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案。同時(shí)安排一位學(xué)生使用仿真軟件，嘗試PHC管樁水平抗震性能的數(shù)值模擬分析，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比?？紤]到本科生掌握的有限元知識(shí)有限，指導(dǎo)教師還提供類似的應(yīng)用實(shí)例和程序，以便學(xué)習(xí)和借鑒。

2. 材料制作加工

根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案、設(shè)備負(fù)荷和邊界效應(yīng)確定模型箱尺寸，繪制設(shè)計(jì)圖，聯(lián)系廠家進(jìn)行加工制作；購買有機(jī)玻璃管（模擬管樁）和所需傳感器，在玻璃管內(nèi)壁粘貼應(yīng)變片和固定加速度計(jì)；將模型土裝入模型箱分層填筑、夯實(shí)，并測定土體密度、剪切強(qiáng)度和動(dòng)剪切模量等物理力學(xué)指標(biāo)；按照測點(diǎn)布置方案埋設(shè)微型動(dòng)土壓力盒、孔隙水壓力計(jì)以及樁頂傳感器。整個(gè)制作加工過程，由學(xué)生全程自己動(dòng)手完成。

3.實(shí)驗(yàn)加載和測試

先熟悉地震波加載方法，以及動(dòng)態(tài)信號(hào)的采集和分析，掌握正確的操作流程和方法，做好加載前的觀測準(zhǔn)備工作。實(shí)驗(yàn)開始前，通過螺栓將模型箱固定于振動(dòng)臺(tái)面，標(biāo)定傳感器，調(diào)試振動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)和測試裝置能否正常工作。根據(jù)預(yù)定的加載工況，開展不同頻率和加速度峰值下PHC管樁水平地震響應(yīng)實(shí)驗(yàn)，記錄各種測試數(shù)據(jù)。對(duì)實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的異常數(shù)據(jù)進(jìn)行重新測試，在實(shí)驗(yàn)過程中如有新的發(fā)現(xiàn)，可重新調(diào)整實(shí)驗(yàn)方案。

4. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

從位移分布、加速度反應(yīng)、樁身應(yīng)變和樁土接觸壓力等方面，對(duì)PHC管樁動(dòng)力特性和抗震性能進(jìn)行分析，歸納總結(jié)地層擾動(dòng)程度和地震激勵(lì)參數(shù)的影響規(guī)律，探討樁頂位移的地震放大效應(yīng)。通過與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算模型的正確性，分析結(jié)果產(chǎn)生差異的原因。對(duì)方案設(shè)計(jì)、傳感器安裝、測點(diǎn)布置、加載步驟等各實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)進(jìn)行總結(jié)，查找實(shí)驗(yàn)中的不足，并提出改進(jìn)措施。整理分析結(jié)果，撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告或?qū)W術(shù)論文。

三、教學(xué)體會(huì)與效果

（一）教學(xué)體會(huì)

1.科學(xué)安排時(shí)間

學(xué)生一般是利用業(yè)余時(shí)間參與科研創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，但由于課余時(shí)間較為松散和隨機(jī)，加之課業(yè)繁重，學(xué)生能利用的課余時(shí)間十分有限，很難有完整連續(xù)的時(shí)間參與實(shí)驗(yàn)。因此，在時(shí)間安排上需要統(tǒng)籌兼顧，既要考慮學(xué)生實(shí)驗(yàn)之前必要的專業(yè)理論課程學(xué)習(xí)，又要避免與學(xué)生就業(yè)、考研、實(shí)習(xí)相沖突。可選擇時(shí)間較為集中的暑假開展實(shí)驗(yàn)。對(duì)適合作為畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的選題，也可安排在大四下學(xué)期進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

2.與學(xué)校已有創(chuàng)新項(xiàng)目的融合

為培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力，學(xué)校開展“大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目”和“建造節(jié)活動(dòng)”，旨在資助在校本科生開展科研活動(dòng)和創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練。學(xué)生可將教師科研項(xiàng)目的成果作為工作基礎(chǔ)，或直接依托科研創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)進(jìn)行相關(guān)課題的申報(bào)，以獲得學(xué)校立項(xiàng)的支持。因此，指導(dǎo)教師在選題時(shí)，應(yīng)緊扣項(xiàng)目申請(qǐng)指南，對(duì)自己的科研課題進(jìn)行分解、提煉和優(yōu)化，篩選出能反映學(xué)科前沿動(dòng)態(tài)、探索創(chuàng)新空間大、在有限時(shí)間內(nèi)可取得一定進(jìn)展的部分作為實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新項(xiàng)目，為學(xué)生提供良好的實(shí)踐訓(xùn)練機(jī)會(huì)。

3. 做好學(xué)生的指導(dǎo)和導(dǎo)向工作

本科生由于缺乏專業(yè)的科研訓(xùn)練，知識(shí)體系也不完整，思維方式往往局限于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，獨(dú)立從事科研實(shí)驗(yàn)具有一定的難度，需要指導(dǎo)教師耐心啟發(fā)并做好輔導(dǎo)工作[12-13]。具體而言，要做好以下幾方面工作：一是講解科學(xué)研究的基本技能和文獻(xiàn)查閱方法，提供開展研究所需要的資源，引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)和自主鉆研。二是關(guān)注實(shí)驗(yàn)的動(dòng)態(tài)進(jìn)展，對(duì)關(guān)鍵環(huán)節(jié)提供現(xiàn)場指導(dǎo)和幫助?？刹捎眯〗M例會(huì)的形式，就項(xiàng)目進(jìn)展、所遇問題、結(jié)果現(xiàn)象等進(jìn)行互動(dòng)，師生共同探討，完善實(shí)驗(yàn)方案的細(xì)節(jié)，啟發(fā)學(xué)生提出自己的新見解和新觀點(diǎn)。三是對(duì)在實(shí)驗(yàn)過程中遭遇挫折和失敗的學(xué)生，給予精神上的鼓勵(lì)和支持，培養(yǎng)他們百折不撓、堅(jiān)韌不拔的精神。

4.制定管理和激勵(lì)政策

完善制度保障機(jī)制，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生參與科研實(shí)驗(yàn)的積極性。除了給予一定的學(xué)分認(rèn)定或替代任選課學(xué)分外，對(duì)成績優(yōu)秀或科研能力突出的學(xué)生可進(jìn)行獎(jiǎng)勵(lì)，并在推薦免試研究生時(shí)優(yōu)先考慮；而對(duì)消極怠工，或始終無法進(jìn)入學(xué)習(xí)狀態(tài)的學(xué)生，也應(yīng)建立相應(yīng)的退出機(jī)制[14]。另外，還應(yīng)從職稱評(píng)聘、津貼補(bǔ)助等方面制定激勵(lì)機(jī)制，鼓勵(lì)教師將科研成果轉(zhuǎn)化為優(yōu)質(zhì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，并建立科學(xué)合理的教學(xué)質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)體系[15]。

5.改進(jìn)考核體系，注重實(shí)踐能力的評(píng)價(jià)

課程考核可由實(shí)踐能力評(píng)價(jià)和成果評(píng)價(jià)兩部分組成，比重各占50%。實(shí)踐能力評(píng)價(jià)作為實(shí)驗(yàn)考核的重要方面，可以學(xué)生答辯、PPT匯報(bào)的方式進(jìn)行，并加大平時(shí)成績所占的比重。根據(jù)學(xué)生對(duì)課題和實(shí)踐操作的熟知程度、平時(shí)表現(xiàn)、學(xué)習(xí)態(tài)度和活動(dòng)參與度進(jìn)行成績?cè)u(píng)定，并著重考察學(xué)生獨(dú)立思考和創(chuàng)新思維能力。成果評(píng)價(jià)由指導(dǎo)教師根據(jù)學(xué)生提交的成果質(zhì)量進(jìn)行評(píng)定，包括數(shù)據(jù)分析、文字表達(dá)、格式規(guī)范等?？赏ㄟ^實(shí)驗(yàn)報(bào)告、學(xué)術(shù)論文、專利或?qū)W科競賽成績等形式展示學(xué)生實(shí)驗(yàn)成果，達(dá)到學(xué)生之間相互學(xué)習(xí)借鑒的目的。

（二）教學(xué)效果

四、結(jié)語

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Abstract：In view of a lack of creative ability training for students in traditional experimental teaching， research projects are introduced， and the way and thought on participation of undergraduate students are discussed with a case study. Many proposals on the schedule， motivational mechanism and evaluation in the process of practice were put forward. It was proved that the experiment teaching relying on research project contributed to implement positive interactions between teaching and research.

Keywords： civil engineering； experimental teaching； research project

（編輯 王 宣）endprint