“土木工程結構試驗”課程教學改革研究

譚 皓

（武漢工程大學土木工程與建筑學院，湖北武漢 430074）

0 引言

“土木工程結構試驗”是實踐性比較強的一門專業(yè)基礎課。該課程包括理論教學和實踐教學兩個環(huán)節(jié)，該課程學習要求學生掌握的內(nèi)容有：土木工程結構試驗概論；土木工程結構試驗設計；土木工程結構靜載試驗；土木工程結構動載試驗；工程結構抗震試驗。需要學生了解的內(nèi)容有：結構檢測與建筑物可靠性鑒定；橋梁現(xiàn)場荷載試驗；樁基現(xiàn)場試驗；結構模型試驗設計；結構試驗數(shù)據(jù)處理。課程要求學生掌握結構試驗技術的基本知識、基本方法和試驗組織的一般程序，能夠按照土木工程專業(yè)設計、施工和科研任務的需要，進行一般建筑結構試驗設計和試驗規(guī)劃，并得到初步的訓練和實踐［1］。

1 做好第一節(jié)課的教學工作

學生上第一節(jié)課的時候，心里會有各種疑問。教師需要在第一節(jié)課內(nèi)解決這些問題，理論與試驗環(huán)節(jié)如何安排，如何考核成績，能否學以致用，教師要認真講好第一節(jié)課。教師要將本課程的教學安排、考核方式告訴學生，讓學生了解本課程有24學時理論課與8學時試驗操作課。先上理論課，后上試驗課。考核方式包括平時的考勤、課堂討論、試驗報告、課后作業(yè)、大作業(yè)或期末考試。對學以致用的問題，可以告訴學生學習土木工程結構試驗課程之后，畢業(yè)時可以去應聘各級建設委員會；各地建設監(jiān)理公司、各地工程建設單位；各地建筑構（配）件生產(chǎn)企業(yè)、商品混凝土公司的建材試驗室；各建筑科研、設計院（所）；各地建筑工程施工企業(yè)；各地工程檢測、鑒定企業(yè)等單位。

2 編寫簡明、實用的教材以滿足本專業(yè)學生的需求

教材是知識傳播的重要載體，是引導教學方向，保障教育質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)［2］?！巴聊竟こ探Y構試驗”涉及多門數(shù)理課程和土木工程專業(yè)的專業(yè)基礎課程知識。比如準備結構試驗時，粘貼應變片需要用到物理學、化學知識；實施結構試驗需要用到混凝土結構、砌體結構、鋼結構的基本知識；試驗結束需要統(tǒng)計試驗數(shù)據(jù)，推算經(jīng)驗公式需要用到高等數(shù)學的概率論與數(shù)理統(tǒng)計知識。所以必須根據(jù)土木工程專業(yè)學生特點，編寫一部簡明、實用、可讀性好的教材。

3 采用多媒體教學，增加教學、試驗的信息量

多媒體教學具有圖文并茂、生動直觀的特點，有利于營造良好的教學情境，提高學生的學習熱情與創(chuàng)新能力培養(yǎng)。

多媒體課件包含的教學信息量十分豐富。教師可以在有限的時間內(nèi)展示大量的背景資料，完成更多的教學內(nèi)容，從而極大的提高教學效率與教學質(zhì)量［3］。

對于需要大量的試驗經(jīng)費支撐，目前實驗室暫時沒條件做的試驗，可以播放國內(nèi)外其他高等院校做的該試驗的視頻資料，比如砌體結構模型的地震振動臺試驗，組織學生觀摩學習。

多媒體教學的必要條件之一是制作課件。課件內(nèi)容來源于教材，又區(qū)別于教材。課件制作過程是對教材內(nèi)容再次創(chuàng)作的過程。課件應該文字精練、符號規(guī)范、圖文并茂、字體字號設計合理［4］。

課件要與時俱進、不斷補充、更新，要把最新的試驗設備信息、最新的實驗技術信息和學科前沿發(fā)展資料帶進課堂。

4 購置和改造過時的試驗儀器與設備

土木工程結構試驗所需要的儀器、設備、材料種類多，投資額度比較大。講授試驗課程的教師需要有前瞻意識，提前把試驗儀器設備、材料的種類、價格等列出清單，通過申請學校獲得的中央支持地方的項目資金、省級項目資金、市級項目資金等購置試驗儀器設備。通過聯(lián)系試驗儀器設備生產(chǎn)廠家，對過時儀器設備進行維修改造。這是“土木工程結構試驗”課程教學改革物質(zhì)上的保證。

5 建設有特色的試驗教學模式，培養(yǎng)學生試驗動手能力

創(chuàng)新教育就要培養(yǎng)國家所需要的創(chuàng)新型人才。創(chuàng)新型人才應該是專業(yè)知識全面，具有很強的實踐動手能力、能夠解決復雜工程問題的專業(yè)人才。在試驗過程中，要讓學生學會試驗儀器、設備的操作，通過對試驗中各種現(xiàn)象的反復觀察和分析，培養(yǎng)動手能力、分析能力和創(chuàng)新精神［5］。將試驗教學放在與理論教學同等的地位上，兩者并重，突出創(chuàng)新思想。比如受彎梁正截面試驗，需要熟悉試驗目的，對鋼筋混凝土梁的強度、抗裂度、撓度、裂縫開展進行試驗測定，掌握鋼筋混凝土受彎構件試驗的一般過程。該試驗需要測量鋼筋的應變；受拉區(qū)、受壓區(qū)混凝土應變；梁的跨中撓度、支座的撓度；裂縫出現(xiàn)與發(fā)展情況；測定開裂荷載、屈服荷載、破壞荷載。需要實驗前列出試驗設備和儀器，制定試驗方案，試驗中按照試驗步驟逐步實施，對試驗結果進行整理分析，試驗后寫出試驗報告。這需要整組同學的協(xié)調(diào)配合，需要具備發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力。通過試驗促進學生對書本基本理論知識的理解，激發(fā)他們的科研創(chuàng)新潛力和專業(yè)實踐興趣。

6 提高教學質(zhì)量，重視學生反饋信息

注意上課時間的控制。上課之前要做好電腦開機、投影儀調(diào)試的準備工作。講課期間按計劃播放課件內(nèi)容，注意講透重點、難點，必要時需要在黑板上書寫板書，進行補充性的論證。由于現(xiàn)在課間時間最少的只有5分鐘，學生來回需要一路小跑才來得及，所以要按時下課。

講課時教師要保持頭腦清晰、語言表達要邏輯性強、條理分明，要能引經(jīng)據(jù)典、娓娓道來。要多使用案例教學，培養(yǎng)學生的分析和變通能力。

教師講課時，可以先拋出問題，引發(fā)學生思考。調(diào)動學生們的情緒，與學生有語言的交流與互動。比如教師可以先進行混凝土電阻應變片的粘貼操作，再讓學生動手操作，觀察學生的掌握情況。

采用微課教學方法，教師將課前錄制的操作步驟視頻，讓學生邊看邊做，以便提高試驗效率。

作業(yè)是教學活動中的重要環(huán)節(jié)，是檢驗學生對知識掌握程度的一種有效方法［6］。作為課堂教學之后布置的作業(yè)，課后作業(yè)要求學生用練習本做出來，由班長收齊之后，再提交給教師，教師要認真進行批改。

通過問卷調(diào)查方式，進一步了解學生們的學習成效，還有對教學安排、教學方式、考核方式等項的建議，要認真聽取學生們的合理化建議。

7 改革考核方式，公正評定考核成績

平時要加強課堂管理，避免經(jīng)常缺課學生的成績高于滿勤聽課學生的現(xiàn)象發(fā)生。在上課或者做試驗時要求班長打考勤，并把考勤情況記入手冊中，依據(jù)考勤情況、小組討論、實驗報告、平時完成作業(yè)情況來評定學生的平時成績。

期末成績考核可以采用大作業(yè)或筆試形式，要求涵蓋80%以上的理論知識點，可以檢驗出學生對基本概念、基本知識點的掌握情況。對試驗技能的考核，可以依據(jù)學生提交的試驗報告來評定學生對試驗技能的掌握情況。大作業(yè)或筆試的成績可以與平時成績各占總成績的50%。

8“土木工程結構試驗”課程未來改革的方向

2019年5月，習近平總書記在致國際人工智能與教育大會的賀信中指出，人工智能是引領新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的重要驅(qū)動力，正深刻改變著人們的生產(chǎn)、生活、學習方式，推動人類社會迎來人機協(xié)同、跨界融合、共創(chuàng)分享的智能時代。把握全球人工智能發(fā)展態(tài)勢，找準突破口和主攻方向，培養(yǎng)大批具有創(chuàng)新能力和合作精神的人工智能高端人才，是教育的重要使命。習近平總書記強調(diào)，中國高度重視人工智能對教育的深刻影響，積極推動人工智能和教育深度融合，促進教育變革創(chuàng)新，充分發(fā)揮人工智能優(yōu)勢，加快發(fā)展伴隨每個人一生的教育、平等面向每個人的教育、適合每個人的教育、更加開放靈活的教育。

要構建“互聯(lián)網(wǎng)+教育”與人工智能時代育人新模式，運用互聯(lián)網(wǎng)技術和信息化手段開展工作。教育青年要面向現(xiàn)代化，面向世界，面向未來，這是我國教育改革和開放的必然趨勢。雙語教學是參與國際競爭、教育與國際接軌的基礎，是工程質(zhì)量教育論證的支撐條件，也是實行國際化教學的必然結果。可以采用英文原版教材，多媒體課件（漢語+英語）雙語對照，在課堂上50%時間用英文講授課程內(nèi)容的雙語教學模式。

人工智能發(fā)展到今天已經(jīng)有60余年，歷經(jīng)4個階段。20世紀60年代到20世紀80年代，人工智能的一些主要研究是如何創(chuàng)建面向應用領域的專家系統(tǒng)，讓機器掌握人類的一些知識、規(guī)則，在一定程度上替代人類思維或者完成任務。20世紀80年代到2000年左右，神經(jīng)網(wǎng)絡的出現(xiàn)以及計算能力的提升，科學家開始想到讓機器幫助人類提取特征，或者說人類將特征、答案交給機器，讓機器學習。進入2000年以后，由于互聯(lián)網(wǎng)的普及，大數(shù)據(jù)的獲得變得相對容易，人類將原始數(shù)據(jù)和答案交給機器進行深度學習，在語音、圖像等分類任務方面，機器的能力已經(jīng)超過了人類。人工智能發(fā)展的下一個階段應該是人類將目標交給機器，讓機器去完成。并讓機器具有學習能力，像人一樣去思考和學習［7］。

虛擬現(xiàn)實是人工智能發(fā)展的方向之一，是多學科交叉融合的新興領域，是戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的生長點，近年來進入快速發(fā)展期。虛擬現(xiàn)實的目標是以計算機技術為核心，結合相關科學技術，生成在視、聽、觸覺等方面的數(shù)字化環(huán)境，用戶借助必要的裝備與數(shù)字化環(huán)境中的對象進行交互作用，相互影響，可以產(chǎn)生親臨環(huán)境的感受和體驗。虛擬現(xiàn)實技術是新的信息支撐平臺。虛擬現(xiàn)實是隨著計算機技術，特別是高性能計算、計算機圖形學和人機交互技術的發(fā)展，人類在模擬真實世界方向上達到的最新水平。云計算、邊緣計算、人工智能，還有5G的發(fā)展，都將賦能虛擬現(xiàn)實技術，推動虛擬現(xiàn)實技術及其應用的進一步快速發(fā)展。虛擬現(xiàn)實是一項可能的顛覆性技術。它突破二維顯示，實現(xiàn)各種機制的三維顯示；突破鍵盤、鼠標的輸入方式，實現(xiàn)手眼協(xié)調(diào)的自然交互；突破屏幕的尺寸限制，實現(xiàn)360°全景顯示；突破時空局限，使體驗者沉浸在歷史、未來、宇宙和微觀的逼真環(huán)境中［8］。因此要加快虛擬仿真實驗室的建設，購置虛擬仿真軟件，讓學生隨時隨地通過網(wǎng)絡進入虛擬仿真實驗室，就像模擬駕駛汽車一樣進行模擬試驗，隨時可以獲得試驗結果。將自然規(guī)律“視覺呈現(xiàn)”，而一些復雜、超重、易損的試驗試件可以模擬重復利用，不方便接觸的特殊環(huán)境和生產(chǎn)過程給予模擬實現(xiàn)，提高了教學環(huán)境的感覺感受效果，從而達到感知并轉(zhuǎn)化為知識和能力的目的［9］。

在教學方法方面，應用翻轉(zhuǎn)課堂教學模式，把“土木工程結構試驗”的講課微視頻資料、教學大綱、虛擬仿真試驗、思考題等上傳學校網(wǎng)絡平臺。課前學生們可以用手機、平板、筆記本電腦登錄進入共享平臺進行自主學習；課中師生互動，教師由主講者轉(zhuǎn)變?yōu)檩o導者，參與學生們的討論，回答學生們的問題；課后為知識鞏固強化階段，學生們在共享平臺上做的思考題，進行的仿真試驗，成績都能夠及時得到點評和反饋。翻轉(zhuǎn)課堂的特點和優(yōu)勢在于關注學生的學習過程及其學生表現(xiàn)出的合作能力、組織能力、個人時間管理、表達能力等。翻轉(zhuǎn)課堂是教育理念的革新，強調(diào)發(fā)揮學生的主體作用，建構先學后教，自主性、互動式、個性化的教學模式［10］。土木工程結構試驗將按照省級精品課程的要求進行建設。