土木工程專業(yè)課程實(shí)踐教學(xué)模式改革探索

劉文洋 張兆強(qiáng) 鄭鑫

摘 要：實(shí)踐教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的重要環(huán)節(jié)，土木工程專業(yè)的綜合性、實(shí)踐性較強(qiáng)，實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)尤為重要。文章分析了土木工程專業(yè)課程傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)模式存在的問題，對(duì)土木工程專業(yè)課程實(shí)踐教學(xué)模式的現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)，介紹了國(guó)內(nèi)外部分高校在改善實(shí)踐教學(xué)效果方面采取的具體措施，對(duì)土木工程專業(yè)課程實(shí)踐教學(xué)模式的改革提出了建議。

關(guān)鍵詞：土木工程；實(shí)踐教學(xué)；教學(xué)改革

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1002-4107（2018）10-0025-02

實(shí)踐教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的重要環(huán)節(jié)，也是提高應(yīng)用型人才培養(yǎng)質(zhì)量的重要途徑。近些年來，國(guó)內(nèi)外各高校普遍開始重視實(shí)踐教學(xué)，強(qiáng)化應(yīng)用型人才培養(yǎng)。工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)作為工科教育的重要內(nèi)容，不僅是應(yīng)用型人才區(qū)別于研究型人才的顯著特點(diǎn)，也是檢驗(yàn)人才培養(yǎng)質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)，更是社會(huì)各界對(duì)人才培養(yǎng)的迫切要求。土木工程專業(yè)的綜合性、實(shí)踐性相對(duì)較強(qiáng)，與工程實(shí)際聯(lián)系緊密，因此本科生的實(shí)踐教學(xué)尤為重要。

土木工程專業(yè)本科教育實(shí)踐教學(xué)體系主要包括各類實(shí)驗(yàn)、實(shí)習(xí)、課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)、社會(huì)實(shí)踐等形式。但對(duì)于結(jié)構(gòu)原理與設(shè)計(jì)類課程，目前還是以理論講解為主，缺乏相關(guān)的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，僅有部分課程結(jié)合相關(guān)的課程設(shè)計(jì)培養(yǎng)學(xué)生的知識(shí)運(yùn)用能力。這類課程的特點(diǎn)往往是理論推導(dǎo)多、計(jì)算公式多、規(guī)范條文多、理解難度大，枯燥的內(nèi)容使學(xué)生對(duì)相關(guān)知識(shí)的學(xué)習(xí)興趣和理解程度大打折扣。因此，作為土木工程專業(yè)教學(xué)的有益補(bǔ)充，探索主干課程實(shí)踐教學(xué)新模式已成為應(yīng)用型大學(xué)提高教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的當(dāng)務(wù)之急。

一、土木工程專業(yè)傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)模式存在的問題

傳統(tǒng)的土木工程專業(yè)課程實(shí)踐教學(xué)往往采用工廠或工地參觀實(shí)習(xí)、部分課程配套驗(yàn)證性試驗(yàn)、少量學(xué)生參與科研試驗(yàn)等方式。但由于目前開設(shè)土木工程專業(yè)的院校眾多，招收的學(xué)生數(shù)量也比較大，因此傳統(tǒng)的實(shí)踐教學(xué)方式和方法已經(jīng)不能滿足新形勢(shì)下的教學(xué)需求。主要存在以下幾個(gè)方面的問題。

（一）實(shí)踐教學(xué)資源不足

土木工程專業(yè)實(shí)習(xí)由于受工程安全、企業(yè)效益和施工進(jìn)度等因素的影響，實(shí)習(xí)企業(yè)很難接收大量的實(shí)習(xí)學(xué)生，并且難以有效保證專業(yè)實(shí)習(xí)的連續(xù)性和穩(wěn)定性。這就導(dǎo)致了很多專業(yè)課只能以課堂上的理論教學(xué)為主。如“鋼結(jié)構(gòu)”“混凝土結(jié)構(gòu)”等課程教學(xué)中的實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)僅有課程設(shè)計(jì)一項(xiàng)內(nèi)容，學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中沒有機(jī)會(huì)見到實(shí)際的結(jié)構(gòu)體系，也很難了解鋼結(jié)構(gòu)加工、制作、混凝土結(jié)構(gòu)的施工具體是如何進(jìn)行的。雖然教學(xué)實(shí)習(xí)中安排了認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)和施工生產(chǎn)實(shí)習(xí)，但也只能從片面去進(jìn)行了解，無法全面深入地理解各類基本構(gòu)件和結(jié)構(gòu)體系的受力性能與設(shè)計(jì)原理。

（二）實(shí)驗(yàn)條件不足

土木工程結(jié)構(gòu)試驗(yàn)往往需要具備大量的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和試驗(yàn)用房，前期投入大、后期使用維護(hù)費(fèi)用高，目前僅有少部分科研條件較好的國(guó)內(nèi)領(lǐng)先的高?？梢岳每蒲袑?shí)驗(yàn)室為本科教學(xué)提供支持，大多數(shù)高校特別是地方高校還不具備這種條件，而且大量的重復(fù)建設(shè)也存在資源浪費(fèi)的問題。

（三）實(shí)施效果不顯著

由于土木工程專業(yè)的學(xué)生數(shù)量較多，而師資力量相對(duì)有限，因此無論是在實(shí)習(xí)還是實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，有限的教師數(shù)量很難保證教師在有限的時(shí)間內(nèi)細(xì)致地指導(dǎo)大量的學(xué)生。

（四）創(chuàng)新性不足

實(shí)踐教學(xué)應(yīng)以培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力、設(shè)計(jì)能力和創(chuàng)新能力為主要任務(wù)，但目前開展的本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)還是主要根據(jù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書進(jìn)行重復(fù)的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生自由發(fā)揮的空間有限，創(chuàng)新能力難以提升，無法滿足對(duì)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力培養(yǎng)的需求。

二、土木工程專業(yè)課程實(shí)踐教學(xué)模式現(xiàn)狀分析

高等學(xué)校土木工程專業(yè)指導(dǎo)委員會(huì)制定的《高等學(xué)校土木工程專業(yè)本科教育培養(yǎng)目標(biāo)和培養(yǎng)方案及課程教學(xué)大綱》，把土木工程專業(yè)的主要專業(yè)課程分為原理和設(shè)計(jì)兩個(gè)部分，同時(shí)還設(shè)置了相應(yīng)的課程設(shè)計(jì)。目前，無論是從培養(yǎng)方案和課程教學(xué)大綱還是從各高校的實(shí)際執(zhí)行情況來看，原理類課程教學(xué)還是主要以理論講解為主，實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)相對(duì)缺乏，而教學(xué)內(nèi)容又往往主要集中于計(jì)算公式的推導(dǎo)與使用、設(shè)計(jì)規(guī)范條文的解釋與說明等相對(duì)枯燥的內(nèi)容。在這種情況下，枯燥的理論推導(dǎo)、計(jì)算公式和規(guī)范條文往往導(dǎo)致學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣不高，極大地影響了課程的教學(xué)效果，部分理解能力較差的學(xué)生甚至可能會(huì)放棄相關(guān)重點(diǎn)和難點(diǎn)的知識(shí)學(xué)習(xí)。即使結(jié)合多媒體授課，也難以對(duì)學(xué)生產(chǎn)生足夠的吸引力。

單一的教學(xué)模式已經(jīng)難以適應(yīng)現(xiàn)代化土木工程教育的時(shí)代環(huán)境和當(dāng)代大學(xué)生群體的個(gè)性需求。因此，為緩解土木工程專業(yè)課程教學(xué)中的這種不利局面，改善教學(xué)效果并提高人才培養(yǎng)質(zhì)量，目前國(guó)內(nèi)外高校在實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)方面都推出了相應(yīng)的舉措。例如，美國(guó)高校雖然也以課堂教學(xué)為主，但比較注重引導(dǎo)學(xué)生積極主動(dòng)地參與科研活動(dòng)，鍛煉學(xué)生社會(huì)實(shí)踐、科學(xué)研究等綜合能力。在麻省理工學(xué)院有一項(xiàng)UROP計(jì)劃，本科各年級(jí)優(yōu)秀學(xué)生都能報(bào)名參加課題研究，每周需要抽出6—20小時(shí)投入研究工作，暑假期間投入的時(shí)間更多。這種做法不僅培養(yǎng)、鍛煉和提高了大學(xué)生的研究能力，還拓展了他們的學(xué)科視野[1]。國(guó)內(nèi)少部分高校探索建立了多功能實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)[2]，通過實(shí)驗(yàn)平臺(tái)訓(xùn)練學(xué)生對(duì)基本構(gòu)件和連接的試驗(yàn)技能，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)與創(chuàng)新能力。而大部分不具備條件的高校則采取參觀工廠、工地或工程項(xiàng)目，觀看視頻資料，設(shè)計(jì)制作結(jié)構(gòu)模型等措施來增強(qiáng)學(xué)生對(duì)工程結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)和理解[3]。

建設(shè)高水平的實(shí)體實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)固然可以取得較好的教學(xué)效果，但這需要大量的資金和資源投入，對(duì)于許多經(jīng)費(fèi)有限、資源不足的地方高校來說并不現(xiàn)實(shí)，而且大量的重復(fù)建設(shè)也存在資源浪費(fèi)的問題。而參觀工程項(xiàng)目或觀看視頻資料僅能為學(xué)生提供對(duì)工程結(jié)構(gòu)的直觀認(rèn)識(shí)，對(duì)學(xué)生全面深入理解各類基本構(gòu)件的設(shè)計(jì)原理幫助十分有限。

三、土木工程專業(yè)課程實(shí)踐教學(xué)模式改革的建議

采用仿真模擬技術(shù)輔助土木工程專業(yè)課程實(shí)踐教學(xué)，可以通過仿真模擬試驗(yàn)形象直觀地再現(xiàn)各種基本構(gòu)件和結(jié)構(gòu)體系的完整受力過程，展示各種復(fù)雜節(jié)點(diǎn)和結(jié)構(gòu)的構(gòu)造方式，不需要實(shí)體實(shí)驗(yàn)室和復(fù)雜的加載設(shè)備，可大量地減少資金和資源的投入，這對(duì)于大部分教學(xué)資源不足、經(jīng)費(fèi)有限的地方應(yīng)用型大學(xué)來說是一種切實(shí)可行的實(shí)踐教學(xué)模式。因此，部分高校已開始探索建立仿真模擬實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)[4-5]，利用仿真模擬技術(shù)來輔助實(shí)踐教學(xué)。這種模式打破了傳統(tǒng)教學(xué)采用板書或多媒體教學(xué)的方式，豐富了教學(xué)手段，有助于增強(qiáng)學(xué)生對(duì)教學(xué)難點(diǎn)的深入理解和記憶，為學(xué)生的創(chuàng)新和實(shí)踐能力培養(yǎng)提供廣闊的自由發(fā)展空間。同時(shí)也使課堂教學(xué)更生動(dòng)，能有效調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

對(duì)于如何將仿真模擬實(shí)踐教學(xué)與土木工程專業(yè)課程教學(xué)有機(jī)地結(jié)合起來，探索切實(shí)可行的土木工程專業(yè)課程實(shí)踐教學(xué)模式，提出以下建議。

（一）制定合理的專業(yè)課程實(shí)踐教學(xué)實(shí)施方案

一方面可針對(duì)土木工程專業(yè)的結(jié)構(gòu)原理與設(shè)計(jì)類課程，在教學(xué)過程中結(jié)合仿真模擬技術(shù)增設(shè)適當(dāng)?shù)膶?shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)來彌補(bǔ)理論教學(xué)的不足，對(duì)理論課的實(shí)踐教學(xué)模式和實(shí)施方案進(jìn)行總體規(guī)劃，科學(xué)合理地制定課程教學(xué)中的具體實(shí)施辦法，在各相關(guān)課程的教學(xué)過程中付諸實(shí)踐并持續(xù)改進(jìn)。另一方面也可以通過專業(yè)講座、項(xiàng)目訓(xùn)練或課外科技活動(dòng)等方式對(duì)學(xué)生進(jìn)行仿真模擬技術(shù)的訓(xùn)練，通過項(xiàng)目訓(xùn)練或課外科技活動(dòng)等方式既可以在一定程度上解決實(shí)踐環(huán)節(jié)過多占用理論學(xué)時(shí)的問題，同時(shí)也可以有效地對(duì)學(xué)生的參與程度、實(shí)踐效果等各方面做出合理的評(píng)價(jià)與考核。

（二）建設(shè)仿真模擬實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)

在土木工程專業(yè)課程的教學(xué)過程中，可結(jié)合有限元仿真模擬技術(shù)對(duì)工程結(jié)構(gòu)基本構(gòu)件和結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行受力分析并建立教學(xué)資料庫。針對(duì)各類復(fù)雜節(jié)點(diǎn)和結(jié)構(gòu)采用實(shí)體建模的方式在計(jì)算機(jī)軟件中立體展示其構(gòu)造方式與受力機(jī)制，并能夠通過調(diào)整視角（如平移、旋轉(zhuǎn)等）來實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬模型的立體觀察。針對(duì)工程結(jié)構(gòu)基本構(gòu)件及典型結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行受力過程仿真模擬試驗(yàn)，對(duì)各類構(gòu)件和典型結(jié)構(gòu)的受力過程與受力性能進(jìn)行計(jì)算機(jī)再現(xiàn)，例如鋼結(jié)構(gòu)基本構(gòu)件的失穩(wěn)過程、混凝土基本構(gòu)件的受力過程與破壞特征、典型節(jié)點(diǎn)和結(jié)構(gòu)體系的空間組成分析與受力性能等。還可結(jié)合相關(guān)軟件編制建模和分析程序，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化參數(shù)分析，并進(jìn)一步構(gòu)建土木工程專業(yè)課程仿真模擬實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)。

（三）將虛擬實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)與課程教學(xué)相結(jié)合

將各類構(gòu)件、節(jié)點(diǎn)、結(jié)構(gòu)體系的仿真模擬方法、仿真模擬試驗(yàn)過程和結(jié)果應(yīng)用于相關(guān)的專業(yè)課程教學(xué)中，更加形象直觀地展示課程中難以理解的知識(shí)重點(diǎn)和難點(diǎn)。并通過項(xiàng)目訓(xùn)練或課外科技活動(dòng)等方式，讓學(xué)生分組完成具體的分析項(xiàng)目，不僅能使學(xué)生對(duì)課程的重點(diǎn)和難點(diǎn)加深理解，還可進(jìn)一步訓(xùn)練學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作能力和科學(xué)研究能力。課堂+課外、講授+自學(xué)、理論+實(shí)踐等教學(xué)環(huán)節(jié)的全方位引導(dǎo)和訓(xùn)練，使學(xué)生能夠把課外時(shí)間利用上，把課堂時(shí)間利用好。讓學(xué)生能夠開闊視野、增長(zhǎng)見識(shí)、培養(yǎng)能力。對(duì)表現(xiàn)優(yōu)秀的學(xué)生，還可以鼓勵(lì)他們主動(dòng)學(xué)習(xí)，指導(dǎo)他們掌握相關(guān)的分析和研究方法，為參加科技競(jìng)賽、參與科學(xué)研究工作和培養(yǎng)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力做好技術(shù)和人才儲(chǔ)備。

綜上所述，構(gòu)建基于仿真模擬技術(shù)的土木工程專業(yè)課程虛擬實(shí)踐教學(xué)模式、探索切實(shí)可行的土木工程專業(yè)課程虛擬實(shí)踐教學(xué)實(shí)施方案就具有十分重要的理論意義和現(xiàn)實(shí)需要。不僅有助于把理論教學(xué)與實(shí)踐環(huán)節(jié)有機(jī)地結(jié)合起來，改善教學(xué)效果，而且具有低成本、高效率、內(nèi)容豐富、不受場(chǎng)地和設(shè)備限制等特點(diǎn)，可以為數(shù)量眾多的地方應(yīng)用型大學(xué)提供參考和借鑒。

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