基于師生聯(lián)合研發(fā)土工教學(xué)設(shè)備的人才創(chuàng)新能力培養(yǎng)與實踐

王家全, 唐 毅, 張亮亮, 唐咸遠

(廣西科技大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院, 廣西 柳州 545006)

科技創(chuàng)新是社會生產(chǎn)力發(fā)展的源泉,高等教育是知識傳播、科學(xué)研究與思維創(chuàng)新的主要方式,是為建設(shè)創(chuàng)新型國家提供創(chuàng)新型人才的重要途徑[1]。近年來,廣西科技大學(xué)依托巖土工程穩(wěn)定控制與信息技術(shù)重點實驗室、土木工程實驗教學(xué)示范中心、預(yù)應(yīng)力與控制技術(shù)重點實驗室等科研開發(fā)與創(chuàng)新實踐平臺,以培育具有“扎實理論基礎(chǔ)、敏銳創(chuàng)新意識、較強創(chuàng)新能力與實踐能力”的土木工程專業(yè)創(chuàng)新人才為目標(biāo),通過師生聯(lián)合研發(fā)科研實驗設(shè)備,對人才創(chuàng)新能力培養(yǎng)方式和土木工程實驗教學(xué)手段的優(yōu)化改革進行了探索和實踐。學(xué)生作為設(shè)備研發(fā)主導(dǎo),結(jié)合指導(dǎo)教師的科研經(jīng)驗,自主研發(fā)教學(xué)設(shè)備,在很大程度上豐富了原有實驗教學(xué)手段和教學(xué)內(nèi)容,提高了土工實驗的教學(xué)質(zhì)量[2-3]。同時,通過引導(dǎo)學(xué)生積極主動參與設(shè)計研發(fā)設(shè)備,不僅可有效提升學(xué)生的積極性,還可極大促進學(xué)生創(chuàng)新思維與能力的發(fā)展。此外,師生聯(lián)合研發(fā)科研土工實驗設(shè)備的方式,很好地促進了學(xué)生基礎(chǔ)能力掌握、創(chuàng)新思維發(fā)散、理論知識創(chuàng)新實踐等實驗教學(xué)目的的達成。利用新理念、新思維、新方法、新材料、新技術(shù)、新環(huán)境等,在已有產(chǎn)教科研成果的基礎(chǔ)上進行二次開發(fā),研制出不同種類的實驗教學(xué)設(shè)備,最終構(gòu)建出基礎(chǔ)土工實驗—科研專項實驗—自研設(shè)備發(fā)明專利—工程應(yīng)用等多層面、多維度的創(chuàng)新實驗教學(xué)體系與資源平臺,極大地提升了學(xué)生的理論認知與創(chuàng)新實踐的能力。

1 研究背景與研發(fā)思路

1.1 師生聯(lián)合研發(fā)教學(xué)設(shè)備的意義

在全國高校重視工程教育專業(yè)認證的背景下,我國高等教育對實驗教學(xué)示范中心規(guī)定了包括8個層面的建設(shè)目標(biāo)和建設(shè)內(nèi)容[4-5]。實驗教學(xué)作為我國高校人才培養(yǎng)的重要方法與手段,引發(fā)眾多高校對實驗教學(xué)模式與教學(xué)方法的思考探索[6]。隨著科技的不斷進步,實驗教學(xué)體系及內(nèi)容不斷更新,高校實驗儀器設(shè)備配置也必須隨之進行創(chuàng)新優(yōu)化,這樣才能達到實驗教學(xué)示范中心的8個層面的要求,進而塑造出一個良好的培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的環(huán)境。然而,目前高校所采購的土工教學(xué)設(shè)備的應(yīng)用范圍大多比較狹窄,部分儀器設(shè)備不能完全符合最新的實驗教學(xué)范圍和深度,不能滿足學(xué)生創(chuàng)新型實驗的要求,不能適應(yīng)高校培養(yǎng)創(chuàng)新人才的需求。此外,不少高校由于實驗教學(xué)經(jīng)費有限,能夠購置的最新實驗儀器設(shè)備有限,且這些儀器設(shè)備在實驗過程中會存在不足而需要改進。

因此,以學(xué)生為主體,結(jié)合教師科研實踐經(jīng)驗,聯(lián)合研發(fā)土工教學(xué)設(shè)備,對高校實驗教學(xué)模式優(yōu)化與改革十分重要。通過師生聯(lián)合研發(fā)實驗教學(xué)設(shè)備,不僅可以將學(xué)生的理論認知、創(chuàng)新意識、創(chuàng)新實踐能力充分調(diào)動起來,而且還能夠很好地把教師的科研工作與土工實驗教學(xué)需求及工程實踐對人才的創(chuàng)新需求相結(jié)合,凸顯土工實驗教學(xué)的特色和亮點,滿足現(xiàn)代實驗教學(xué)對綜合性、設(shè)計性、創(chuàng)新性的改革要求。此外,師生聯(lián)合研發(fā)土工實驗教學(xué)設(shè)備,還可以很好地激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維,強化理論認知,提升創(chuàng)新實踐能力,有利于培養(yǎng)具有良好科學(xué)素養(yǎng)的創(chuàng)新型人才。

1.2 師生聯(lián)合研發(fā)教學(xué)設(shè)備的思路

師生聯(lián)合研發(fā)土工實驗教學(xué)設(shè)備的總體原則是堅持“一個中心、六個結(jié)合”,即以學(xué)生為主導(dǎo)中心,學(xué)生理論認知與創(chuàng)新思維及能力相結(jié)合、學(xué)生創(chuàng)新實踐與教師科研經(jīng)驗相結(jié)合、教學(xué)實際需求與研發(fā)效益相結(jié)合、基礎(chǔ)土工實驗教學(xué)與科學(xué)實驗研究相結(jié)合、自研設(shè)備發(fā)明專利與實際工程應(yīng)用相結(jié)合、自研設(shè)備與實驗教學(xué)示范中心的8個層面要求相結(jié)合等。從理論與實踐2個層面出發(fā),將創(chuàng)新思維與能力的培養(yǎng)貫穿至基礎(chǔ)土工實驗—科研專項實驗—自研設(shè)備發(fā)明專利—工程應(yīng)用等多層面、多維度中去,進而構(gòu)建一個創(chuàng)新土工實驗教學(xué)體系與資源平臺。以理論認知與創(chuàng)新實踐為著眼點,要求學(xué)生靈活、綜合、創(chuàng)造性地運用所學(xué)知識及應(yīng)用原理,從現(xiàn)有實驗儀器設(shè)備出發(fā),加強理論與實踐及基礎(chǔ)實驗與專業(yè)實驗的融合,對現(xiàn)有設(shè)備存在的不足及實驗內(nèi)容進行改進優(yōu)化,使學(xué)生的理論認知與創(chuàng)新能力向解決工程實際問題上遷移和轉(zhuǎn)化。同時,基于教師的科研能力與工作經(jīng)驗,將教學(xué)成果與科研成果相融合,加強對學(xué)生的創(chuàng)新意識、創(chuàng)新能力、科研認知能力及問題解決能力的培養(yǎng),利用學(xué)生的創(chuàng)新思維與能力引導(dǎo)和幫助學(xué)生自研實驗教學(xué)設(shè)備,盡可能為學(xué)生提供儀器設(shè)備制造所需的場所與平臺,提升實驗教學(xué)水平和質(zhì)量。

2 師生聯(lián)合研發(fā)教學(xué)設(shè)備的實踐

以我校巖土工程穩(wěn)定控制與信息技術(shù)重點實驗室所研發(fā)的土工合成材料大型可視化拉拔試驗設(shè)備[7]為例,介紹師生聯(lián)合研發(fā)土工教學(xué)設(shè)備,培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的具體實踐。

2.1 教學(xué)科研型與工程型實驗?zāi)Ｐ驮O(shè)備的研制

師生聯(lián)合研發(fā)的土工合成材料大型可視化拉拔試驗設(shè)備,如圖1所示。

圖1 師生聯(lián)合研發(fā)的自制設(shè)備示意圖

現(xiàn)有的拉拔試驗設(shè)備存在以下不足：

(1) 在拉拔試驗過程中,只測量加筋材料的前端位移,不能對加筋材料的中部和末端位移進行測量,在測量數(shù)據(jù)方面存在較大誤差；

(2) 由于設(shè)備尺寸相對較小,對筋土界面相互作用的研究受邊界尺寸效應(yīng)的影響較為明顯；

(3) 試驗僅能得到筋土界面相互作用過程的宏觀力學(xué)響應(yīng),不能可視化地觀測拉拔試驗過程中筋土界面砂土細觀組構(gòu)的演化規(guī)律,限制了加筋機理的深入研究；

(4) 試驗數(shù)據(jù)的讀取、記錄和處理也存在許多缺陷,容易產(chǎn)生人為誤差,無法獲得精確的試驗結(jié)果。

對拉拔試驗設(shè)備進行創(chuàng)新研發(fā)是一個很有意義的研究課題。自研設(shè)備所要解決的技術(shù)問題和創(chuàng)新內(nèi)容是：針對現(xiàn)階段拉拔試驗設(shè)備的不足,提供一種試驗箱可視化、試驗過程誤差小、試驗數(shù)據(jù)精確的土工合成材料大型可視化拉拔試驗設(shè)備。該土工合成材料大型可視化拉拔試驗設(shè)備,主要包括放置試樣的試驗箱、豎向加載系統(tǒng)和水平加載系統(tǒng)。豎向加載系統(tǒng)安裝在試驗箱的上方,該豎向加載系統(tǒng)包括液壓伺服千斤頂、反力框架和液壓板,水平加載系統(tǒng)包括水平載荷施加裝置和拉拔夾具。通過相關(guān)聯(lián)動裝置進行拉拔試驗,試驗箱未開設(shè)出口和通孔的端面上設(shè)有鋼化玻璃板,鋼化玻璃板前面安裝了用于拍攝并記錄試驗箱中試樣變化過程的數(shù)碼攝錄裝置。試驗中,試驗箱中試樣的一端與拉拔夾具連接,另一端與位移傳感器連接。

師生聯(lián)合研發(fā)的該設(shè)備的先進性如下[8]：

(1) 拉拔試驗過程中可進行試樣中部和末端位移測量；

(2) 拉拔試驗箱為可視化；

(3) 拉拔試驗箱尺寸大型化,試驗箱內(nèi)徑為600 mm×400 mm×500 mm；

(4) 數(shù)據(jù)采集自動化,減少了試驗過程中數(shù)據(jù)讀取、記錄和處理時產(chǎn)生的誤差,使數(shù)據(jù)更精確。

2.2 學(xué)生創(chuàng)新思維與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)

師生聯(lián)合研發(fā)自制儀器設(shè)備與教學(xué)、科研、工程實踐可以很好地融合,能夠滿足高校人才培養(yǎng)不斷創(chuàng)新發(fā)展的需要。按照“一個中心、六個結(jié)合”的思路,充分結(jié)合學(xué)生理論認知、基礎(chǔ)土工實驗與科研實踐,逐步引導(dǎo)學(xué)生積極參與自制儀器設(shè)備的研發(fā)工作,利用學(xué)生的創(chuàng)新思維和實踐能力,使學(xué)生經(jīng)歷包括構(gòu)思設(shè)計、制造安裝、調(diào)試使用、成果轉(zhuǎn)化等各個環(huán)節(jié)的完整開發(fā)過程,進而使學(xué)生掌握科學(xué)研究的一般方法,提升他們的創(chuàng)新意識、創(chuàng)新思維與創(chuàng)新能力。

“拉拔試驗”是獲取土工合成材料力學(xué)參數(shù)的重要試驗方法,通過該試驗可以清楚地認知筋材的力學(xué)性能和筋土界面特性。在構(gòu)思設(shè)計環(huán)節(jié),要求學(xué)生在原有基礎(chǔ)土工實驗基礎(chǔ)上,通過對文獻資料的深入調(diào)研,以實驗需求為出發(fā)點,構(gòu)思創(chuàng)新性實驗設(shè)想,并根據(jù)教師的評價與建議,提出構(gòu)思設(shè)計方案。方案中應(yīng)指出設(shè)備的主要技術(shù)指標(biāo)及其先進性與適用性。在這個環(huán)節(jié),以學(xué)生為主,教師給予輔助引導(dǎo),培養(yǎng)學(xué)生對土工實驗方法及相關(guān)學(xué)科的認知轉(zhuǎn)化能力、理論聯(lián)系實際能力、創(chuàng)新思維及創(chuàng)新意識。該環(huán)節(jié)在師生聯(lián)合研發(fā)土工教學(xué)設(shè)備過程中,處于首要地位,起決定性作用,將決定研發(fā)的成敗。

在制造安裝環(huán)節(jié),學(xué)生要根據(jù)在構(gòu)思設(shè)計環(huán)節(jié)完成的設(shè)計方案,通過查閱相關(guān)技術(shù)資料、文獻等,并綜合運用不同學(xué)科知識,利用繪圖工具(CAD、UG等)繪制裝配組合示意圖(見圖1),以便指導(dǎo)生產(chǎn)制造廠家加工零配件和進行組裝。這個環(huán)節(jié),主要從知識結(jié)構(gòu)的調(diào)用及不同學(xué)科融合交叉層面,培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維與創(chuàng)新實踐能力。該環(huán)節(jié)在整個研發(fā)過程中起關(guān)鍵性作用,決定著設(shè)備研發(fā)的適用性與精準(zhǔn)度。

在調(diào)試使用環(huán)節(jié),學(xué)生根據(jù)掌握的理論知識與試驗?zāi)芰?對新研發(fā)自制的拉拔試驗設(shè)備進行調(diào)試使用。在具體調(diào)試使用過程中,學(xué)生應(yīng)及時處理試驗數(shù)據(jù),并對設(shè)備性能的優(yōu)良程度及試驗結(jié)果的精準(zhǔn)度做出評價,為進一步優(yōu)化完善該設(shè)備作好準(zhǔn)備。這個環(huán)節(jié)主要培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新實踐能力及根據(jù)試驗結(jié)果對設(shè)備進行糾偏改良的能力。該環(huán)節(jié)在整個研發(fā)過程中起效果反饋作用,以便決定設(shè)備是否滿足預(yù)期目標(biāo)及后期如何優(yōu)化改良。

在成果轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié),學(xué)生對試驗數(shù)據(jù)及結(jié)果進行后處理與分析,進而形成系列成果,如形成拉拔實驗設(shè)備發(fā)明專利[7]、創(chuàng)新性實驗成果論文[8-9],并對其他土工教學(xué)儀器設(shè)備的研發(fā)自制提供借鑒,從而促進整個土木工程教學(xué)體系及內(nèi)容的優(yōu)化改革。該環(huán)節(jié)在整個研發(fā)過程中起評價作用,能很好地對學(xué)生的創(chuàng)新能力給予正面評價和激勵。

3 結(jié)語

培養(yǎng)創(chuàng)新型人才是土木工程實驗教學(xué)體系改革的內(nèi)在要求,對學(xué)生創(chuàng)新意識、創(chuàng)新思維和創(chuàng)新實踐能力都有全新的定位?；趲熒?lián)合研發(fā)土工教學(xué)設(shè)備培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力,必須堅持以學(xué)生為中心,對學(xué)生在基礎(chǔ)土工實驗—科研專項實驗—自研設(shè)備發(fā)明專利—工程應(yīng)用等多層面應(yīng)達到的創(chuàng)新意識、創(chuàng)新思維及創(chuàng)新能力有清楚的構(gòu)想。師生通過設(shè)計研發(fā)能夠滿足創(chuàng)新要求且適宜使用的土木工程實驗設(shè)備,來提升學(xué)生的創(chuàng)新能力。通過實踐檢驗和成果轉(zhuǎn)化,來評價和優(yōu)化自制的土木工程實驗教學(xué)設(shè)備,激勵學(xué)生創(chuàng)新思維的不斷形成和發(fā)展,最終形成一個層層優(yōu)化、持續(xù)改進的創(chuàng)新教學(xué)體系與資源平臺,培養(yǎng)具有創(chuàng)新能力的綜合型專業(yè)工程人才。