土木工程材料與結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新型教學(xué)體系的構(gòu)建

袁健

摘要：根據(jù)《高等學(xué)校土木工程本科指導(dǎo)性專業(yè)規(guī)范》的要求，文章分析了中南林業(yè)科技大學(xué)土木工程材料與結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)中存在的問題，提出構(gòu)建土木工程材料與結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新型教學(xué)體系的思路，并從實(shí)驗(yàn)室管理模式、實(shí)驗(yàn)專技教師和實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式等方面給出具體的改革措施。

關(guān)鍵詞：土木工程材料實(shí)驗(yàn);結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn);教學(xué)體系

中圖分類號(hào)：TU502? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ?文章編號(hào)：1674-9324（2020）12-0269-03

《高等學(xué)校土木工程本科指導(dǎo)性專業(yè)規(guī)范》[1]把實(shí)踐性教學(xué)放在非常重要的位置，旨在以工程實(shí)際為背景，以工程技術(shù)為主線，著力提升學(xué)生的工程素養(yǎng)，培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。同時(shí)，強(qiáng)調(diào)在實(shí)踐環(huán)節(jié)中努力嘗試“基于問題、基于項(xiàng)目、基于案例”的研究型學(xué)習(xí)方式，把合適的知識(shí)單元和實(shí)踐單元有機(jī)結(jié)合起來，逐漸構(gòu)建適合各校實(shí)際的創(chuàng)新訓(xùn)練模式。

土木工程材料、混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理和鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理等理論教學(xué)課程，是土木工程類專業(yè)學(xué)生必修的主干專業(yè)基礎(chǔ)課。其中，土木工程材料課程又是后續(xù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理課程的基礎(chǔ)。這類課程具有實(shí)踐性強(qiáng)的特點(diǎn)，使得實(shí)驗(yàn)教學(xué)是整個(gè)教學(xué)過程的重要組成部分。實(shí)踐證明，土木工程中任何結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的創(chuàng)新都必須通過實(shí)驗(yàn)手段來證明，這也對(duì)土木工程材料和結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)教學(xué)提出越來越高的要求[2]。目前，大部分高校針對(duì)上述課程均開設(shè)了土木工程材料和結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)課程，其教學(xué)目標(biāo)是為了使學(xué)生掌握材料與結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)方面的基礎(chǔ)技能，培養(yǎng)學(xué)生具備理論基礎(chǔ)與專業(yè)實(shí)踐并重的綜合素質(zhì)及創(chuàng)新能力。因此，在現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程設(shè)置的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步優(yōu)化整合實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，構(gòu)建土木工程材料與結(jié)構(gòu)創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，具有十分重要的意義。

一、土木工程材料與結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的要求及現(xiàn)狀

《高等學(xué)校土木工程本科指導(dǎo)性專業(yè)規(guī)范》規(guī)定的實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域包括基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)和專業(yè)實(shí)驗(yàn)及研究性實(shí)驗(yàn)四個(gè)環(huán)節(jié)。其中，專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)包括材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)、流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)、土木工程材料實(shí)驗(yàn)、混凝土基本構(gòu)件實(shí)驗(yàn)、土力學(xué)實(shí)驗(yàn)、土木工程測(cè)試技術(shù)等;專業(yè)實(shí)驗(yàn)包括按專業(yè)方向安排的相關(guān)土木工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)單元;研究性實(shí)驗(yàn)可作為拓展能力來培養(yǎng)，不做統(tǒng)一要求，由各校自己掌握。土木工程材料實(shí)驗(yàn)、混凝土基本構(gòu)件實(shí)驗(yàn)和土木工程測(cè)試技術(shù)的學(xué)時(shí)、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目及要求見下頁表1。

對(duì)應(yīng)表1所列的實(shí)驗(yàn)課程及項(xiàng)目，我校土木工程專業(yè)分別于第四學(xué)期、第五學(xué)期和第七學(xué)期開設(shè)了土木工程材料實(shí)驗(yàn)、瀝青與瀝青混合料實(shí)驗(yàn)和結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)，每門實(shí)驗(yàn)課均為16學(xué)時(shí)，共48學(xué)時(shí)。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目主要包括：水泥、砂石、普通混凝土、鋼筋和瀝青與瀝青混合料的性能測(cè)試;應(yīng)變測(cè)試技術(shù)、鋼筋混凝土梁正截面受彎破壞及鋼桁架彈性階段的受力性能實(shí)驗(yàn)。多年來，我校的這三門實(shí)驗(yàn)課程完全由實(shí)驗(yàn)中心的教師負(fù)責(zé)講授，主講相應(yīng)理論課程的教師不參與實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，理論和實(shí)驗(yàn)課程的授課相互獨(dú)立，缺少有效的銜接貫通。

我校開設(shè)的土木工程材料實(shí)驗(yàn)和瀝青與瀝青混合料實(shí)驗(yàn)課程，完全覆蓋表1所列的土木工程材料實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。其中，瀝青與瀝青混合料實(shí)驗(yàn)除了瀝青針入度、延度和軟化點(diǎn)三大技術(shù)性質(zhì)的測(cè)定以外，還涉及粗集料與混合料的篩分實(shí)驗(yàn)、瀝青與粗集料的粘附性實(shí)驗(yàn)。可見，瀝青與瀝青混合料實(shí)驗(yàn)課程中的粗集料篩分實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目與土木工程材料實(shí)驗(yàn)重復(fù)，有必要在今后的教學(xué)過程中進(jìn)行調(diào)整。我校開設(shè)的結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)課程共16學(xué)時(shí)，與表1中混凝土基本構(gòu)件實(shí)驗(yàn)和土木工程測(cè)試技術(shù)所涉及的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目相比，多出4學(xué)時(shí)。然而，開課時(shí)間和實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目方面卻存在以下不足：混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理、鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理課程分別在第五學(xué)期和第六學(xué)期已講授完畢，但結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)課程卻安排在第七學(xué)期，不利于學(xué)生學(xué)習(xí)理論知識(shí)的過程中及時(shí)了解實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。鋼筋混凝土梁斜截面受剪性能方面的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目完全空缺，正截面受彎性能試驗(yàn)也未涉及超筋梁和少筋梁，鋼桁架節(jié)點(diǎn)完全采用剛性連接且僅局限在彈性受力階段的性能測(cè)試。此外，受實(shí)驗(yàn)室條件和教師授課水平的限制，實(shí)驗(yàn)過程中注重強(qiáng)調(diào)儀器設(shè)備的操作并要求學(xué)生按時(shí)完成實(shí)驗(yàn)，而忽略實(shí)驗(yàn)前材料力學(xué)性能測(cè)試及實(shí)驗(yàn)后的數(shù)據(jù)處理、結(jié)果評(píng)定等環(huán)節(jié)，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率較低，效果不佳。其中，由于鋼筋混凝土梁正截面受彎承載力破壞實(shí)驗(yàn)和鋼桁架靜載實(shí)驗(yàn)過程中未預(yù)留同條件的混凝土、鋼筋和鋼板試樣，導(dǎo)致混凝土棱柱體抗壓強(qiáng)度、鋼筋和鋼板的屈服強(qiáng)度實(shí)測(cè)值未知，無法對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行綜合評(píng)定。

二、土木工程材料與結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新型教學(xué)體系的構(gòu)建

根據(jù)表1所列的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目?jī)?nèi)容及要求，有必要將瀝青與瀝青混合料實(shí)驗(yàn)并入土木工程材料實(shí)驗(yàn)課程，全面修訂我校土木工程材料實(shí)驗(yàn)、瀝青與瀝青混合料實(shí)驗(yàn)和結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)大綱，使實(shí)驗(yàn)教學(xué)課時(shí)及項(xiàng)目?jī)?nèi)容等指標(biāo)完全滿足《高等學(xué)校土木工程本科指導(dǎo)性專業(yè)規(guī)范》的要求。同時(shí)，遵循“以學(xué)生為主體、教師為主導(dǎo)”的原則，構(gòu)建土木工程材料與結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新型教學(xué)體系，如圖1所示。

該體系涉及專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、專業(yè)實(shí)驗(yàn)和研究性實(shí)驗(yàn)三個(gè)方面，克服以往單一的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。在專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)階段，要求學(xué)生掌握基本的實(shí)驗(yàn)方法及測(cè)試技術(shù);在專業(yè)實(shí)驗(yàn)階段，學(xué)生可自主設(shè)計(jì)制作并完成實(shí)驗(yàn)。此外，鼓勵(lì)學(xué)生積極參與結(jié)構(gòu)模型競(jìng)賽、創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)及虛擬仿真等實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，并開展研究性實(shí)驗(yàn)。結(jié)合我校土木工程實(shí)驗(yàn)中心實(shí)際情況，本文提出如下改革措施。

（一）實(shí)驗(yàn)室管理模式改革及實(shí)驗(yàn)專技教師管理

實(shí)驗(yàn)中心主任根據(jù)學(xué)院的教學(xué)科研工作總目標(biāo)，配合各專業(yè)、學(xué)科負(fù)責(zé)人制訂實(shí)驗(yàn)室的長(zhǎng)期和近期建設(shè)規(guī)劃，從宏觀層面把握實(shí)驗(yàn)室建設(shè)、儀器設(shè)備采購(gòu)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的發(fā)展方向，努力將實(shí)驗(yàn)室建設(shè)與學(xué)科、專業(yè)和課程建設(shè)有機(jī)融合起來。同時(shí)，結(jié)合課程教學(xué)、科學(xué)研究和學(xué)科建設(shè)等情況優(yōu)化實(shí)驗(yàn)室布局，做好各實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部的統(tǒng)籌和協(xié)調(diào)工作，努力實(shí)現(xiàn)對(duì)各實(shí)驗(yàn)室的規(guī)范、科學(xué)和高效監(jiān)管。

根據(jù)學(xué)科或?qū)I(yè)需求設(shè)置實(shí)驗(yàn)室并隸屬相應(yīng)的教學(xué)系，鼓勵(lì)各教學(xué)系中具有高水平實(shí)驗(yàn)技術(shù)的專任教師參與實(shí)驗(yàn)室管理、實(shí)驗(yàn)教學(xué)和儀器設(shè)備研制工作，積極探索實(shí)驗(yàn)室開放運(yùn)作和管理新模式。面向本科生開放相關(guān)實(shí)驗(yàn)室，鼓勵(lì)參與研究性實(shí)驗(yàn)的學(xué)生利用課余時(shí)間進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室開展實(shí)驗(yàn)。建立理論課程與相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)隊(duì)伍互通機(jī)制，通過組織安排實(shí)驗(yàn)教師和理論課教師交叉聽課，促進(jìn)教學(xué)、科研和實(shí)驗(yàn)技術(shù)兼容，逐步過渡至由高學(xué)歷的專任教師主講實(shí)驗(yàn)課，實(shí)驗(yàn)專技教師做好實(shí)驗(yàn)室日常管理、儀器設(shè)備維護(hù)及實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備等工作，確保理論課與實(shí)驗(yàn)課同步開課。此外，有必要引進(jìn)精通機(jī)械設(shè)備維修的工人充實(shí)實(shí)驗(yàn)專技隊(duì)伍。

（二）改革實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式，提高學(xué)生的參與度

通過土木工程材料實(shí)驗(yàn)和土木工程測(cè)試技術(shù)的學(xué)習(xí)，學(xué)生基本上掌握了拌制混凝土、混凝土及鋼筋力學(xué)性能測(cè)試、應(yīng)變片粘貼及應(yīng)變測(cè)試等技術(shù)，為專業(yè)實(shí)驗(yàn)的順利開展打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。結(jié)合鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理、鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理的相關(guān)知識(shí)，學(xué)生可自行完成鋼筋混凝土梁、鋼桁架的設(shè)計(jì)。其中，用于正截面受彎承載力破壞實(shí)驗(yàn)的鋼筋混凝土簡(jiǎn)支梁可考慮適筋和超筋兩種類型;用于斜截面受剪承載力破壞實(shí)驗(yàn)的鋼筋混凝土簡(jiǎn)支梁應(yīng)包括無腹筋和有腹筋兩類。考慮到計(jì)算鋼桁架承載力及變形的理論值時(shí)，本科生通常將桁架結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)簡(jiǎn)化成鉸接，因此有必要將鋼桁架模型的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)成螺栓連接，這便于學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行拼裝與拆分。在實(shí)驗(yàn)專技教師或工人的指導(dǎo)和配合下，學(xué)生可利用課余時(shí)間全過程參與梁模板和鋼筋籠的加工、混凝土澆筑、鋼桁架的制作等，并在合適的位置粘貼鋼筋和混凝土應(yīng)變片，讓學(xué)生自主設(shè)計(jì)并制作實(shí)驗(yàn)構(gòu)件，完成實(shí)驗(yàn)加載、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象觀察及結(jié)果處理，很好地提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率及學(xué)生的動(dòng)手能力。需要指出的是，實(shí)驗(yàn)課應(yīng)安排在相應(yīng)的理論內(nèi)容講授后立即實(shí)施，同時(shí)在構(gòu)件制作過程中預(yù)留同條件的試件用于測(cè)試材料力學(xué)性能。

下面以四點(diǎn)彎曲的鋼筋混凝土適筋梁正截面承載力破壞實(shí)驗(yàn)為例，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果處理環(huán)節(jié)的講授方法進(jìn)行說明。

一方面，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中已測(cè)試出梁跨中截面的混凝土應(yīng)變分布服從平截面假定，同時(shí)觀察了裂縫的發(fā)展過程，并得到構(gòu)件的極限承載力實(shí)驗(yàn)值。根據(jù)跨中截面處縱向鋼筋及受壓區(qū)混凝土應(yīng)變的測(cè)試結(jié)果，學(xué)生可總結(jié)出適筋梁破壞的基本特征是：縱向受拉鋼筋達(dá)到屈服后，受壓混凝土達(dá)到極限壓應(yīng)變。另一方面，教師可指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步開展實(shí)驗(yàn)值與理論計(jì)算值的對(duì)比分析，以評(píng)估基于平衡條件、平截面假定和混凝土應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系而建立的鋼筋混凝土梁正截面承載力計(jì)算公式的精度。分析時(shí)，可直接將混凝土和鋼筋的材料力學(xué)性能實(shí)測(cè)值代入我國(guó)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]（GB 50010-2010）的相關(guān)公式進(jìn)行計(jì)算。由于教學(xué)過程中實(shí)驗(yàn)構(gòu)件數(shù)量有限，教師可進(jìn)一步指導(dǎo)學(xué)生統(tǒng)計(jì)分析文獻(xiàn)[4]中的矩形截面鋼筋混凝土梁受彎承載力實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。分析可發(fā)現(xiàn)，文獻(xiàn)[4]中配置HRB335級(jí)鋼筋的34根梁正截面受彎實(shí)驗(yàn)結(jié)果與規(guī)范公式計(jì)算值之比的平均值為1.04，變異系數(shù)為0.038。結(jié)合實(shí)驗(yàn)及統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果，學(xué)生能深刻地認(rèn)識(shí)到采用規(guī)范公式計(jì)算鋼筋混凝土梁正截面受彎承載力具有非常高的精度。

三、結(jié)語

本文通過對(duì)比中南林業(yè)科技大學(xué)土木工程材料與結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果和《高等學(xué)校土木工程本科指導(dǎo)性專業(yè)規(guī)范》規(guī)定之間的差距，剖析了實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中存在的問題，并提出“以學(xué)生為主體、教師為主導(dǎo)”的創(chuàng)新型教學(xué)體系及改革措施，可為加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)室管理、提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量提供參考。

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