土木工程專(zhuān)業(yè)物理模型試驗(yàn)教學(xué)探索
——基于OBE教學(xué)模式

杜怡韓，李永勝，王昌勝

（1.安徽工程大學(xué) 建筑工程學(xué)院，安徽 蕪湖241000；2.中建八局第一建設(shè)有限公司，山東 濟(jì)南250000）

自2016年6月成為《華盛頓協(xié)議》組織正式成員后，我國(guó)工程教育專(zhuān)業(yè)認(rèn)證體系實(shí)現(xiàn)國(guó)際實(shí)質(zhì)等效［1］，為深化工程教育改革提供了良好契機(jī)。當(dāng)前，國(guó)家推動(dòng)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展，以新技術(shù)、新業(yè)態(tài)、新模式、新產(chǎn)業(yè)為代表的新經(jīng)濟(jì)蓬勃發(fā)展，對(duì)工程技術(shù)人才提出了新的要求，迫切需要加快工程教育改革創(chuàng)新，使培養(yǎng)出的畢業(yè)生能夠更好地適應(yīng)實(shí)際工作，并能夠通過(guò)培訓(xùn)和實(shí)踐性訓(xùn)練獲得職業(yè)能力與專(zhuān)業(yè)資格。

為培養(yǎng)與國(guó)際接軌的中國(guó)土木行業(yè)工程師，各高校開(kāi)展土木工程專(zhuān)業(yè)教育認(rèn)證，認(rèn)證包含“產(chǎn)出導(dǎo)向、學(xué)生中心、持續(xù)改進(jìn)”三個(gè)核心理念［2］，這與OBE教育模式高度契合。物理模型試驗(yàn)可拓展專(zhuān)業(yè)課的教學(xué)空間，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，幫助學(xué)生更好地掌握和理解理論知識(shí)，因此，以物理模型試驗(yàn)為載體，在整個(gè)物理模型教學(xué)過(guò)程中始終貫徹OBE教育模式，確定學(xué)習(xí)目標(biāo)的前提下，在每個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)中堅(jiān)持以學(xué)生為主導(dǎo)，指導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)、思考、操作、反饋、修正，使得學(xué)生綜合能力得到提高；增加教與學(xué)的互動(dòng)性，使學(xué)生更多地了解復(fù)雜結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)過(guò)程，從而更深刻地理解所學(xué)專(zhuān)業(yè)課內(nèi)容。

一、土木工程專(zhuān)業(yè)本科試驗(yàn)教學(xué)中的問(wèn)題

現(xiàn)行本科教育存在如下問(wèn)題：重知識(shí)輕能力，重傳統(tǒng)輕發(fā)展，重理論輕實(shí)踐，教學(xué)內(nèi)容局限于教材，教學(xué)形式局限于課堂，教學(xué)手段局限于講授，即使是最能提高學(xué)生實(shí)踐能力和綜合能力的某些試驗(yàn)型課程，也主要以教師為中心，對(duì)學(xué)生講授試驗(yàn)過(guò)程，讓學(xué)生按照試驗(yàn)流程操作完成試驗(yàn)，結(jié)果是即使學(xué)生能夠完成試驗(yàn)，獲得合理的數(shù)據(jù)，但是由于缺乏主動(dòng)思考、發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)過(guò)程，往往無(wú)法深刻理解相關(guān)原理，實(shí)踐能力和綜合素質(zhì)并沒(méi)有得到明顯提高，無(wú)法滿足新形勢(shì)下社會(huì)對(duì)本科畢業(yè)生的要求。

此外，試驗(yàn)課程的評(píng)估手段也存在問(wèn)題，通常是對(duì)考勤、課堂表現(xiàn)、試驗(yàn)報(bào)告三部分進(jìn)行考核，其中權(quán)重最重的是試驗(yàn)報(bào)告，而課堂時(shí)間有限，教師缺乏跟學(xué)生的交流，僅僅通過(guò)紙質(zhì)試驗(yàn)報(bào)告的正確性和規(guī)范性進(jìn)行評(píng)判，無(wú)法真正了解學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握程度、對(duì)試驗(yàn)的思考研究和理解程度，評(píng)估缺乏客觀性。一次完成打分，無(wú)法激發(fā)學(xué)生在試驗(yàn)過(guò)程中不斷學(xué)習(xí)不斷改進(jìn)的積極主動(dòng)性和創(chuàng)新精神。學(xué)生在試驗(yàn)課結(jié)束后上交試驗(yàn)報(bào)告完成試驗(yàn)課程，導(dǎo)致試驗(yàn)中存在的問(wèn)題無(wú)法及時(shí)有效反饋，限制了學(xué)生的進(jìn)步。

未來(lái)新興產(chǎn)業(yè)和新經(jīng)濟(jì)需要的是工程實(shí)踐能力強(qiáng)、創(chuàng)新能力強(qiáng)、具備國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的高素質(zhì)復(fù)合型“新工科”人才。顯然，按照傳統(tǒng)模式培養(yǎng)出來(lái)的學(xué)生無(wú)法滿足社會(huì)發(fā)展的需求，對(duì)于培養(yǎng)模式和教學(xué)理念的革新勢(shì)在必行。

二、OBE教學(xué)理念簡(jiǎn)介

OBE是成果導(dǎo)向教育（Outcome-based education）的簡(jiǎn)稱(chēng)，亦稱(chēng)為能力導(dǎo)向教育、目標(biāo)導(dǎo)向教育或需求導(dǎo)向教育，于1981年由Spady等人提出，現(xiàn)已成為美國(guó)、英國(guó)、加拿大等國(guó)家教育改革的主流理念。理念上，OBE是 “以學(xué)生為本”的教育哲學(xué)，是聚焦于學(xué)生受教育后獲得什么能力和能夠做什么的培養(yǎng)模式。一切教育活動(dòng)、教育過(guò)程都是圍繞實(shí)現(xiàn)預(yù)期的學(xué)習(xí)成果。

在OBE教育中，主要包括以下幾個(gè)核心問(wèn)題：要學(xué)生學(xué)習(xí)、掌握什么？為什么要學(xué)生學(xué)習(xí)這些內(nèi)容？如何幫助學(xué)生取得這些學(xué)習(xí)成果？如何有效地知道學(xué)生取得這些學(xué)習(xí)結(jié)果？如何保障學(xué)生有效地取得這些學(xué)習(xí)成果？

上述的學(xué)習(xí)成果是學(xué)生最終取得的學(xué)習(xí)結(jié)果，是學(xué)生通過(guò)某一階段學(xué)習(xí)后所能達(dá)到的最大能力。

OBE的特點(diǎn)正好可以解決傳統(tǒng)本科教學(xué)存在的問(wèn)題?；贠BE的試驗(yàn)教學(xué)與傳統(tǒng)試驗(yàn)教學(xué)的區(qū)別主要有以下方面，具體見(jiàn)表1。

表1 OBE與傳統(tǒng)試驗(yàn)教學(xué)的對(duì)照表

三、試驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

（一）物理模型試驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)培養(yǎng)體系

土木工程專(zhuān)業(yè)學(xué)習(xí)中試驗(yàn)是不可或缺的重要組成部分，基于教師科研項(xiàng)目，通過(guò)物理模型試驗(yàn)將相關(guān)課程重要試驗(yàn)有機(jī)組合在一起，課程目標(biāo)為培養(yǎng)學(xué)生掌握設(shè)計(jì)試驗(yàn)、操作試驗(yàn)、理解試驗(yàn)原理，總體目標(biāo)為培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題能力。具體來(lái)說(shuō)通過(guò)物理模型試驗(yàn)?zāi)M天然工況和暴雨工況，確定不同工況下?lián)跬翂Ρ惩翂毫?，涉及到“土力學(xué)”“工程地質(zhì)”“基礎(chǔ)工程”“結(jié)構(gòu)力學(xué)”等課程知識(shí)，以及“相似比理論”“有限土體土壓力”等學(xué)科研究前沿知識(shí)，同時(shí)涵蓋了各土工試驗(yàn)、混凝土試驗(yàn)等實(shí)踐操作環(huán)節(jié)，此外，還需要學(xué)生具有團(tuán)隊(duì)意識(shí)，協(xié)同合作能力，嚴(yán)密的邏輯思維能力，動(dòng)手能力等。

根據(jù)物理模型試驗(yàn)教學(xué)特點(diǎn)，結(jié)合土木工程畢業(yè)要求及分解指標(biāo)說(shuō)明，見(jiàn)表2，構(gòu)建其與學(xué)生畢業(yè)能力要求矩陣［3］，見(jiàn)表 3。

表2 畢業(yè)要求及分解指標(biāo)項(xiàng)表

表3 物理模型試驗(yàn)與畢業(yè)要求關(guān)系矩陣

根據(jù)表2、表3可以看出，物理模型試驗(yàn)與畢業(yè)要求2（問(wèn)題分析）中的分解指標(biāo)3（即2-3）具有高關(guān)聯(lián)度，此外，具有高關(guān)聯(lián)度的畢業(yè)要求還包括3-3、4-3、9-2，與 5-2、6-2、10-1 及 12-2 具有中等關(guān)聯(lián)度，與8-3關(guān)聯(lián)度較低。

（二）物理模型試驗(yàn)教學(xué)流程設(shè)計(jì)

結(jié)合土木工程專(zhuān)業(yè)認(rèn)證人才畢業(yè)需求，反向設(shè)計(jì)綜合物理模型試驗(yàn)教學(xué)流程：依托教師科研項(xiàng)目，以工程實(shí)例為背景，分析測(cè)定不同工況下?lián)跬翂Ρ惩翂毫Φ倪^(guò)程中可能出現(xiàn)的問(wèn)題，分解問(wèn)題，依照土力學(xué)等相關(guān)課程的理論知識(shí)、相關(guān)規(guī)范、相關(guān)文獻(xiàn)，探討解決問(wèn)題的辦法。具體來(lái)說(shuō)，首先將土壓力測(cè)定分為天然工況和暴雨兩種工況下模型的制作和測(cè)試兩方面，模型與實(shí)際工程之間可通過(guò)相似比聯(lián)系起來(lái)，模型又可以分解為土體、巖體、模型箱三個(gè)部分，對(duì)于土體和巖體，關(guān)鍵是通過(guò)一系列土工試驗(yàn)，確保其物理力學(xué)性質(zhì)與工程實(shí)例的相關(guān)性，相關(guān)試驗(yàn)的設(shè)計(jì)和完成將成為考察學(xué)生的重要指標(biāo)，模型箱的設(shè)計(jì)制作則涉及到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的知識(shí)，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力，測(cè)試元件的安放和設(shè)備操作也是評(píng)價(jià)重點(diǎn)，最終通過(guò)整個(gè)設(shè)計(jì)、制作、試驗(yàn)、成果等全方面對(duì)學(xué)生進(jìn)行綜合評(píng)估。整個(gè)過(guò)程分為對(duì)工程實(shí)例的解析、問(wèn)題分析、解決問(wèn)題、過(guò)程評(píng)價(jià)及綜合評(píng)價(jià)幾方面，教學(xué)流程設(shè)計(jì)，見(jiàn)圖1。

圖1 綜合試驗(yàn)教學(xué)流程圖

（三）物理模型試驗(yàn)教學(xué)模塊設(shè)計(jì)

根據(jù)綜合物理模型試驗(yàn)的內(nèi)容和特點(diǎn)，結(jié)合學(xué)生能力培養(yǎng)目標(biāo)，將綜合試驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)為以下模塊：?jiǎn)栴}模塊、知識(shí)模塊、能力模塊、評(píng)價(jià)模塊，如圖2所示。

圖2 綜合試驗(yàn)教學(xué)模塊圖

從最終成果中提煉出問(wèn)題模塊，包括兩種不同工況、模型制作、測(cè)試等方面，根據(jù)問(wèn)題模塊導(dǎo)出相應(yīng)的知識(shí)模塊，在解決問(wèn)題的過(guò)程中，培養(yǎng)學(xué)生統(tǒng)籌規(guī)劃、自主學(xué)習(xí)、設(shè)計(jì)、制作、協(xié)作等多方面能力，在整個(gè)過(guò)程中，通過(guò)與學(xué)生的交流、計(jì)劃書(shū)、設(shè)計(jì)圖紙等客觀成果，對(duì)學(xué)生進(jìn)行評(píng)價(jià)打分，形成評(píng)價(jià)模塊。

（四）成果輸出評(píng)價(jià)

將整個(gè)物理模型綜合試驗(yàn)實(shí)施過(guò)程分為三階段，第一階段為發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分解問(wèn)題階段，第二階段為學(xué)習(xí)相關(guān)理論知識(shí)、統(tǒng)籌規(guī)劃階段，完成試驗(yàn)計(jì)劃書(shū)、物理模型設(shè)計(jì)圖紙等，第三階段為試驗(yàn)操作、模型制作、土壓力測(cè)試，獲得試驗(yàn)報(bào)告、物理模型及測(cè)試數(shù)據(jù)。第一階段共20分，第二階段共30分，第三階段共50分，總分100分，每階段平時(shí)成績(jī)占各階段總分的15%，教師通過(guò)學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度、積極性對(duì)學(xué)生進(jìn)行打分，每階段階段性匯報(bào)及答辯成績(jī)占25%，教師通過(guò)學(xué)生匯報(bào)和回答教師提問(wèn)情況進(jìn)行打分，每階段總分的10%為學(xué)生間互評(píng)平均分，同學(xué)們根據(jù)溝通協(xié)作能力對(duì)其他同學(xué)進(jìn)行打分，其余50%根據(jù)各階段匯報(bào)總結(jié)、設(shè)計(jì)書(shū)、設(shè)計(jì)圖紙、試驗(yàn)成果、測(cè)試成果等進(jìn)行打分。評(píng)分分區(qū)圖，見(jiàn)圖3。

圖3 評(píng)分分區(qū)圖

四、試驗(yàn)教學(xué)的實(shí)施

本次物理模型試驗(yàn)基于教師科研項(xiàng)目和實(shí)際工程，將OBE教學(xué)理念引入物理模型教學(xué)，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，讓學(xué)生理解物理模型研究的意義和預(yù)計(jì)產(chǎn)出的成果——有限土體墻后土壓力分布規(guī)律，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題——如何獲得有限土體土壓力分布規(guī)律，指導(dǎo)學(xué)生分階段解決問(wèn)題——查閱文獻(xiàn)、學(xué)習(xí)理論知識(shí)、設(shè)計(jì)、選材、制作、測(cè)試、分析。最終各階段成果綜合評(píng)估學(xué)生。以下進(jìn)行具體說(shuō)明：

第一階段通過(guò)指導(dǎo)學(xué)生查閱國(guó)內(nèi)外論文文獻(xiàn)，讓學(xué)生了解目前有限土體土壓力研究現(xiàn)狀，結(jié)合實(shí)際工程現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，使學(xué)生進(jìn)一步認(rèn)識(shí)物理模型試驗(yàn)的必要性、研究?jī)?nèi)容和研究方法，以及預(yù)計(jì)的成果，并以成果為導(dǎo)向，提煉出兩大問(wèn)題：天然工況下有限土體土壓力和暴雨工況下有限土體土壓力研究，上述兩大問(wèn)題可繼續(xù)分解為不同工況下模型的建立和模型的測(cè)試，進(jìn)一步分解，模型的建立包括模型箱的設(shè)計(jì)制作、巖土體設(shè)計(jì)制作、擋土墻設(shè)計(jì)制作，模型的測(cè)試包括測(cè)試元件的選擇和放置、測(cè)試儀器的操作、測(cè)試數(shù)據(jù)的整理。學(xué)生完成第一階段成果總結(jié)。

第二階段根據(jù)第一階段的分解問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生思考如何通過(guò)專(zhuān)業(yè)知識(shí)解決各個(gè)具體問(wèn)題，以及問(wèn)題之間的邏輯關(guān)系。針對(duì)模型箱和擋土墻的設(shè)計(jì)制作需要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的知識(shí)，指導(dǎo)設(shè)計(jì)最有利于模型測(cè)試的結(jié)構(gòu)并完成制作圖紙；巖土體配比設(shè)計(jì)應(yīng)考慮相似比，及其密度、含水率、抗剪強(qiáng)度等物理力學(xué)性質(zhì)，指導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)掌握相關(guān)理論知識(shí)和規(guī)范，完成試驗(yàn)計(jì)劃書(shū)；測(cè)試元件選用土壓力盒，指導(dǎo)學(xué)生完成土壓力盒數(shù)量、量程設(shè)計(jì)，并學(xué)習(xí)使用DH3819數(shù)據(jù)接收器以及軟件，讓學(xué)生形成研究問(wèn)題、解決問(wèn)題的思路，完成總規(guī)劃說(shuō)明書(shū)和技術(shù)路線圖，教師及時(shí)予以修正。

第三階段學(xué)生通過(guò)前期準(zhǔn)備，按照計(jì)劃首先搭建模型試驗(yàn)箱，學(xué)生結(jié)合實(shí)際情況和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定原理，從矩形框架——梯形框架——三角形框架，不斷改良形成最穩(wěn)固的試驗(yàn)箱，接下來(lái)是巖土體的制作，針對(duì)滑坡巖層材料的選定，學(xué)生通過(guò)相似比理論的學(xué)習(xí)，對(duì)于巖層的制作，采用內(nèi)部磚石砌筑表面水泥砂漿抹面。學(xué)生對(duì)已學(xué)知識(shí)點(diǎn)，如磚石砌筑、水泥砂漿配合比設(shè)計(jì)、C10混凝土的配合比設(shè)計(jì)等進(jìn)行了實(shí)踐操作。巖層制作完成后，再確定擋土墻材料，學(xué)生提出采用石膏和磚石砌筑兩種方案，通過(guò)微模型試驗(yàn)比選，最終選擇磚石砌筑擋土墻，墻身表面采用水泥砂漿抹面處理。

接下來(lái)是安裝測(cè)試元件土壓力盒，為研究擋土墻墻背土壓力分布規(guī)律，沿豎向和水平向分別安裝土壓力盒，對(duì)于土壓力盒，其主要問(wèn)題是土壓力盒量程的選擇。若選擇量程過(guò)小，將無(wú)法正常量測(cè)擋土墻墻背土壓力，不符合物理試驗(yàn)的合理性；若選擇量程過(guò)大，則精度上不能滿足要求。教師對(duì)學(xué)生提出問(wèn)題，學(xué)生積極思考，通過(guò)滑坡原型估算出土壓力大小范圍，再利用相似理論算得該物理模型所產(chǎn)生的土壓力大致范圍，再與商家溝通，最終確定了土壓力盒示數(shù)為0~100 kPa。

對(duì)于DH3819數(shù)據(jù)接收器以及相應(yīng)軟件的使用，為模擬持續(xù)強(qiáng)降雨過(guò)程，僅僅靠單次取樣是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，學(xué)生經(jīng)過(guò)一個(gè)星期的摸索研究，熟練掌握了DH3819測(cè)試軟件的各種功能，主要包括單次采樣、定時(shí)采樣、連續(xù)采樣、采樣數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為折線等多種功能。

墻后土體的制作，需要確定土體的物理力學(xué)指標(biāo)?；谙嗨票壤碚摚Y(jié)合土力學(xué)相關(guān)知識(shí)，運(yùn)用土工試驗(yàn)來(lái)確保模型土體物理力學(xué)參數(shù)與滑坡原型之間的關(guān)聯(lián)度，土體填裝采用多段分層擊實(shí)的方法，保證所填土體的均勻性，該過(guò)程需多人協(xié)同操作，分工合作。待土體填裝、固結(jié)沉降后，再對(duì)滑坡土體的上、中、下部取樣，再次進(jìn)行土工試驗(yàn)，保證土體填裝、固結(jié)沉降后該土體能夠達(dá)到模型試驗(yàn)要求。學(xué)生制作及測(cè)試模型，見(jiàn)圖4。

圖4 學(xué)生制作測(cè)試物理模型

在整個(gè)第三階段，基于物理模型試驗(yàn)的產(chǎn)出和學(xué)生最終的能力要求，一步步完成整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程，在每個(gè)步驟中以學(xué)生為主，主動(dòng)學(xué)習(xí)，不斷反饋問(wèn)題，教師及時(shí)輔助。

五、結(jié)語(yǔ)

基于OBE教育模式的物理模型試驗(yàn)教學(xué)是對(duì)學(xué)生綜合能力的培養(yǎng)，不僅包括理論知識(shí)的學(xué)習(xí)，更多的則是培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力、學(xué)習(xí)和運(yùn)用新知識(shí)的能力，此外還有經(jīng)濟(jì)性比較能力、協(xié)同合作能力、管理能力等。以成果輸出為目的，引導(dǎo)學(xué)生在物理模型試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題，本次物理模型試驗(yàn)取得了較好的效果，與“新工科”人才培養(yǎng)目標(biāo)相契合。