土木工程結(jié)構(gòu)試驗(yàn)科研型教學(xué)環(huán)節(jié)的改革與實(shí)踐

沈建生++毛江鴻

摘要：隨著土木工程科技化程度的提高，對(duì)理論水平高、實(shí)踐能力強(qiáng)的科研型人才的要求不斷增加。土木工程結(jié)構(gòu)試驗(yàn)的傳統(tǒng)教學(xué)重理論而輕實(shí)踐，試驗(yàn)環(huán)節(jié)以模仿操作為主，缺乏獨(dú)立思考環(huán)節(jié)。文章提出將科研型試驗(yàn)環(huán)節(jié)融入土木工程結(jié)構(gòu)試驗(yàn)課程的教學(xué)中，提高學(xué)生理論學(xué)習(xí)和試驗(yàn)環(huán)節(jié)的參與度，培養(yǎng)學(xué)生文獻(xiàn)調(diào)研、方案設(shè)計(jì)、試驗(yàn)操作以及結(jié)果分析的能力。實(shí)踐結(jié)果表明，通過合理的環(huán)節(jié)設(shè)置，可改善結(jié)構(gòu)試驗(yàn)課程的教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)善思考、勤動(dòng)手的科研型土木工程人才。

關(guān)鍵詞：土木工程；結(jié)構(gòu)試驗(yàn)；科研型試驗(yàn)；實(shí)踐環(huán)節(jié)；教學(xué)改革

中圖分類號(hào)：G642423文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：10052909（2016）03014005

土木工程結(jié)構(gòu)試驗(yàn)是土木工程專業(yè)本科教學(xué)中的重要組成部分，其任務(wù)是通過理論和實(shí)踐的各個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)，使學(xué)生獲得并掌握工程結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方面的基本知識(shí)和基本技能，能根據(jù)設(shè)計(jì)、施工和科研任務(wù)的需要，完成一般建筑結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)與分析[1]。然而，在傳統(tǒng)的教學(xué)過程中，理論授課階段多為教師授課學(xué)生聽課的單一模式，試驗(yàn)階段以試驗(yàn)指導(dǎo)書為依據(jù)統(tǒng)一開展試驗(yàn)。該傳統(tǒng)教學(xué)模式降低了學(xué)生的參與程度，影響了學(xué)生的課堂學(xué)習(xí)效率，理論學(xué)習(xí)依賴于學(xué)生的自覺性，在一般高校中往往出現(xiàn)認(rèn)真聽課者寥寥無(wú)幾的局面。而一成不變的試驗(yàn)指導(dǎo)書使學(xué)生養(yǎng)成了依賴性，不對(duì)試驗(yàn)內(nèi)容加以理解，往往應(yīng)付了事，甚至成了試驗(yàn)的“參觀者”，沒有真正參與試驗(yàn)過程的訓(xùn)練。

目前土木工程結(jié)構(gòu)試驗(yàn)的教學(xué)改革主要有試驗(yàn)平臺(tái)深化[2]、現(xiàn)代化新型技術(shù)設(shè)備運(yùn)用[3]、綜合性試驗(yàn)設(shè)計(jì)、考核體系改革、師資力量提升[4]、仿真試驗(yàn)拓展[5]等方面，然而，多數(shù)高校的土木工程結(jié)構(gòu)試驗(yàn)仍然面臨課時(shí)數(shù)少，試驗(yàn)設(shè)備陳舊，試驗(yàn)內(nèi)容單一等問題。土木工程結(jié)構(gòu)試驗(yàn)教學(xué)改革的重點(diǎn)應(yīng)轉(zhuǎn)向幫助學(xué)生找到操作簡(jiǎn)單、成本低廉、周期短而又不乏創(chuàng)新性和實(shí)踐性的試驗(yàn)內(nèi)容，充分利用現(xiàn)有教學(xué)資源有效提升教學(xué)質(zhì)量。

文章提出將科研型試驗(yàn)環(huán)節(jié)融入土木工程結(jié)構(gòu)試驗(yàn)課程的教學(xué)中，提高學(xué)生在理論學(xué)習(xí)和試驗(yàn)環(huán)節(jié)中的參與度，培養(yǎng)學(xué)生文獻(xiàn)調(diào)研、方案設(shè)計(jì)、試驗(yàn)操作以及結(jié)果分析的能力，改變傳統(tǒng)土木工程結(jié)構(gòu)試驗(yàn)教學(xué)中重理論輕實(shí)踐，試驗(yàn)環(huán)節(jié)以模仿操作為主，缺乏獨(dú)立思考等問題，培養(yǎng)學(xué)生完成綜合科研型試驗(yàn)的能力。一、現(xiàn)有教學(xué)環(huán)節(jié)及其存在的問題

傳統(tǒng)土木工程結(jié)構(gòu)試驗(yàn)的教學(xué)內(nèi)容主要包括結(jié)構(gòu)試驗(yàn)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)試驗(yàn)荷載、結(jié)構(gòu)試驗(yàn)測(cè)試技術(shù)、結(jié)構(gòu)靜力試驗(yàn)、結(jié)構(gòu)動(dòng)力試驗(yàn)、既有結(jié)構(gòu)無(wú)損檢測(cè)、試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與分析等內(nèi)容[6]。其中，結(jié)構(gòu)試驗(yàn)荷載、結(jié)構(gòu)試驗(yàn)測(cè)試技術(shù)和結(jié)構(gòu)靜力試驗(yàn)為主要教學(xué)內(nèi)容，也是試驗(yàn)環(huán)節(jié)中較為容易實(shí)現(xiàn)的環(huán)節(jié)。以浙江大學(xué)寧波理工學(xué)院土木工程結(jié)構(gòu)試驗(yàn)的《試驗(yàn)指導(dǎo)書》為例，設(shè)置的試驗(yàn)內(nèi)容如表1所示。

目前，除了環(huán)節(jié)6和7外，其余環(huán)節(jié)均為國(guó)內(nèi)大部分高校所設(shè)置的試驗(yàn)內(nèi)容。上述試驗(yàn)設(shè)置中存在以下3個(gè)主要問題。

（1）學(xué)生試驗(yàn)前積極性不高。試驗(yàn)手冊(cè)為基本原理、使用方法等內(nèi)容介紹，試驗(yàn)過程僅是理論課程的深化，學(xué)生對(duì)試驗(yàn)前的準(zhǔn)備工作積極性不高，準(zhǔn)備不充分。

（2）測(cè)試手段的先進(jìn)性不足。序號(hào)1-4均為電阻應(yīng)變片和應(yīng)變儀的使用，存在重復(fù)試驗(yàn)現(xiàn)象，造成學(xué)生對(duì)測(cè)試技術(shù)的認(rèn)知不全面。

（3）后續(xù)分析過程單一。應(yīng)用對(duì)象為等強(qiáng)度梁和簡(jiǎn)支桁架，其中，等強(qiáng)度梁考察各種橋路接法（溫度自補(bǔ)償），鋼桁架考察桁架結(jié)構(gòu)的工作性能及計(jì)算理論等問題，試驗(yàn)中缺乏具有顯著意義的科學(xué)問題。

二、科研型試驗(yàn)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)與要求

基于上述問題，文章提出在傳統(tǒng)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，增設(shè)需要自主創(chuàng)新的科研型試驗(yàn)環(huán)節(jié)，具體技術(shù)路線如圖1所示。

（一）理論環(huán)節(jié)及常規(guī)試驗(yàn)環(huán)節(jié)

要求學(xué)生掌握常規(guī)試驗(yàn)設(shè)備的原理，掌握結(jié)構(gòu)靜載試驗(yàn)，了解結(jié)構(gòu)動(dòng)力試驗(yàn)，掌握無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，獨(dú)立撰寫試驗(yàn)報(bào)告。

（二） 科研型試驗(yàn)環(huán)節(jié)的教學(xué)與要求

要求學(xué)生進(jìn)行某一科研主題的專業(yè)文獻(xiàn)檢索與整理，探討試驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)、優(yōu)化，獨(dú)立開展科研型試驗(yàn)，整理試驗(yàn)成果并進(jìn)行匯報(bào)。不同于理論環(huán)節(jié)，科研型試驗(yàn)需開展的教學(xué)環(huán)節(jié)如表2所示。

教學(xué)環(huán)節(jié)包括自主課題簡(jiǎn)介、專業(yè)工具簡(jiǎn)介和科研講座三部分。其中，自主課題簡(jiǎn)介占用1.0個(gè)課堂教學(xué)學(xué)時(shí)，要求學(xué)生掌握所選課題的背景知識(shí)，了解試驗(yàn)室具備的科研條件，確保所制定試驗(yàn)方案的可行性。專業(yè)工具簡(jiǎn)介占用2.0個(gè)課堂教學(xué)學(xué)時(shí)，傳授學(xué)生如何檢索和閱讀自主課題的相關(guān)科技論文，了解科研活動(dòng)中可能用到的辦公軟件（Word、Excel、PowerPoint、Visio、AutoCAD、Note Express等）。科研講座不占用課內(nèi)學(xué)時(shí)，但作為平時(shí)成績(jī)的重要補(bǔ)充，包括專家學(xué)術(shù)講座、專業(yè)技術(shù)講座及研究生科研項(xiàng)目講座等環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學(xué)生的科研思路，使其對(duì)專業(yè)軟件有深入的了解，并通過研究生項(xiàng)目了解科研試驗(yàn)可能遇到的問題及其解決方法。表2科研型教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)置教學(xué)環(huán)節(jié)具體內(nèi)容具體要求學(xué)時(shí)安排自主課題簡(jiǎn)介科研型試驗(yàn)背景介紹了解背景知識(shí)

了解試驗(yàn)室可用設(shè)備1.0學(xué)時(shí)專業(yè)工具簡(jiǎn)介專業(yè)文獻(xiàn)檢索講座常用辦公軟件講座中文科技論文檢索與閱讀、

科研活動(dòng)所需的辦公軟件2.0學(xué)時(shí)科研講座專家學(xué)術(shù)型講座報(bào)告培養(yǎng)科研思路專題技術(shù)講座常用辦公軟件的技術(shù)講座研究生科研項(xiàng)目講座了解科研試驗(yàn)的全過程課外學(xué)時(shí)（三）科研型試驗(yàn)要求

不同于常規(guī)試驗(yàn)環(huán)節(jié)，科研型試驗(yàn)需開展的實(shí)踐環(huán)節(jié)如表3所示。

試驗(yàn)環(huán)節(jié)包括試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)與匯報(bào)、試驗(yàn)實(shí)施及成果整理與匯報(bào)三部分。其中，方案匯報(bào)占用2.0個(gè)課堂教學(xué)學(xué)時(shí)，要求學(xué)生對(duì)設(shè)計(jì)的試驗(yàn)方案進(jìn)行匯報(bào)，匯報(bào)內(nèi)容包括與主題相關(guān)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀、試驗(yàn)的荷載方案、量測(cè)方案、預(yù)期數(shù)據(jù)結(jié)果及其處理方法等，對(duì)方案合理性和可行性進(jìn)行評(píng)估。試驗(yàn)實(shí)施占用試驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)2.0學(xué)時(shí)，為試驗(yàn)室人員集中分配試驗(yàn)設(shè)備，指導(dǎo)試驗(yàn)方法，其余試驗(yàn)環(huán)節(jié)為課外學(xué)時(shí)。成果匯報(bào)占用課內(nèi)2.0學(xué)時(shí)，要求學(xué)生撰寫試驗(yàn)報(bào)告并進(jìn)行多媒體演示，包括試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪圖、試驗(yàn)結(jié)果解釋與分析，要求評(píng)估結(jié)果的合理性和報(bào)告的完整性。表3科研型實(shí)踐環(huán)節(jié)設(shè)置實(shí)踐環(huán)節(jié)具體內(nèi)容具體要求學(xué)時(shí)安排方案匯報(bào)文獻(xiàn)綜述、試驗(yàn)荷載、測(cè)量及數(shù)據(jù)處理方案評(píng)估方案合理性、可行性2.0學(xué)時(shí)試驗(yàn)實(shí)施試驗(yàn)準(zhǔn)備、開展及整理試驗(yàn)準(zhǔn)備

依據(jù)方案進(jìn)行試驗(yàn)2.0學(xué)時(shí)

課外學(xué)時(shí)成果匯報(bào)多媒體方式匯報(bào)結(jié)果評(píng)估結(jié)果合理性和報(bào)告完整性2.0學(xué)時(shí)三、土木工程結(jié)構(gòu)試驗(yàn)科研型教學(xué)環(huán)節(jié)的實(shí)踐

（一） 試驗(yàn)室介紹

浙江大學(xué)寧波理工學(xué)院結(jié)構(gòu)工程學(xué)科為寧波市重點(diǎn)學(xué)科，2010年建成科技部“混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究國(guó)際科技合作基地”，2011年成功申報(bào)寧波市創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)一層次平臺(tái)：“沿海工程結(jié)構(gòu)安全與耐久性科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)”，在鋼筋混凝土耐久性方面形成了鮮明的研究特色。試驗(yàn)室現(xiàn)有HC200鋼筋繡蝕測(cè)試儀、CKT-1000混凝土電導(dǎo)率測(cè)試儀、PS200型鋼筋探測(cè)儀、RCM非穩(wěn)態(tài)電遷移法氯離子擴(kuò)散系數(shù)測(cè)定儀、RCT氯離子濃度測(cè)定儀、PS-268B電化學(xué)測(cè)量系統(tǒng)等一批鋼筋混凝土耐久性檢測(cè)設(shè)備，同時(shí)，配置了MOI 130動(dòng)態(tài)光纖光柵傳感器、藤倉(cāng)S60光纖熔接機(jī)、EXFO光時(shí)域分析儀等先進(jìn)的光纖類檢測(cè)技術(shù)設(shè)備。試驗(yàn)室具備開展鋼筋混凝土耐久性試驗(yàn)的條件，目前可在該試驗(yàn)室開展的本科生科研型試驗(yàn)如表4所示。

文獻(xiàn)綜述環(huán)節(jié)。在課題教學(xué)過程中介紹該案例的背景知識(shí)，學(xué)生通過文獻(xiàn)閱讀認(rèn)識(shí)到鋼筋混凝土鋼筋銹蝕監(jiān)測(cè)的傳統(tǒng)方法主要是基于腐蝕電位、線性極化電阻等的電化學(xué)檢測(cè)方法，但檢測(cè)參數(shù)單一、穩(wěn)定度低。光纖光柵傳感技術(shù)克服了傳統(tǒng)檢測(cè)方法的不足，精度高，質(zhì)量輕，耐腐蝕，且可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，獲得鋼筋混凝土銹蝕全過程信息。

試驗(yàn)設(shè)計(jì)及實(shí)施。學(xué)生通過文獻(xiàn)調(diào)研設(shè)計(jì)了一種基于裸光纖光柵的鋼筋銹蝕監(jiān)測(cè)方法，將裸光纖光柵粘結(jié)在900 μm緊套光纖表面，繞成圓環(huán)后澆筑進(jìn)鋼筋混凝土內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)鋼筋混凝土銹蝕全過程監(jiān)測(cè)。該試驗(yàn)設(shè)計(jì)和實(shí)施過程中，試驗(yàn)室指導(dǎo)教師僅需講授光纖光柵原理、MOI 130解調(diào)儀使用方法等內(nèi)容，學(xué)生可自行開展科研試驗(yàn)。部分試驗(yàn)過程如圖2所示。

試驗(yàn)結(jié)果分析。學(xué)生通過分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用Origin繪圖軟件整理試驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)果如圖3所示。結(jié)果表明，鋼筋銹蝕過程中光波波長(zhǎng)隨著時(shí)間而增大，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)反映了鋼筋銹蝕過程，并且通過波長(zhǎng)的顯著降低可識(shí)別出裂縫位置等信息。

四、結(jié)語(yǔ)

文章從傳統(tǒng)土木工程結(jié)構(gòu)試驗(yàn)課程教學(xué)中存在的問題出發(fā)，提出將科研型實(shí)踐環(huán)節(jié)融入結(jié)構(gòu)試驗(yàn)教學(xué)中，得到如下結(jié)論。

（1）總結(jié)了目前土木工程結(jié)構(gòu)試驗(yàn)教學(xué)過程中存在的問題，提出在教學(xué)過程中融入科研型實(shí)踐環(huán)節(jié)，提高課程教學(xué)質(zhì)量，調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性?？蒲行蛯?shí)踐環(huán)節(jié)不僅有利于學(xué)生鞏固所學(xué)知識(shí)，更有利于其綜合創(chuàng)新能力的開發(fā)，培養(yǎng)具有較強(qiáng)創(chuàng)新能力與實(shí)踐能力的土木人才。

（2）科研型教學(xué)環(huán)節(jié)中應(yīng)設(shè)置專業(yè)文獻(xiàn)檢索與整理，試驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)、優(yōu)化，獨(dú)立設(shè)計(jì)科研型試驗(yàn)，整理試驗(yàn)成果并進(jìn)行匯報(bào)等環(huán)節(jié)，通過自主課題簡(jiǎn)介、專業(yè)工具簡(jiǎn)介和科研講座等形式保障科研型試驗(yàn)環(huán)節(jié)的有效實(shí)施。

（3）實(shí)踐表明，依托學(xué)科優(yōu)勢(shì)可為學(xué)生設(shè)計(jì)一批成本低，周期短，易于操作等科研環(huán)節(jié)作為教學(xué)案例開發(fā)學(xué)生科研能力，幫助學(xué)生掌握前沿的科研技術(shù)，達(dá)到培養(yǎng)科研能力的目的。

（4）創(chuàng)新科研型試驗(yàn)對(duì)試驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)、指導(dǎo)教師的教學(xué)、試驗(yàn)操作等方面提出了較高的要求，因此，需重視試驗(yàn)室平臺(tái)建設(shè)、師資引進(jìn)以及試驗(yàn)制度完善等工作，以確保試驗(yàn)教學(xué)改革的順利開展。

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Abstract： With the improvement of science technology in civil engineering， the requirement for talented personnel with high theoretical level and strong practical ability is improving. The traditional teaching method has the disadvantage of emphasizing theory and neglecting practice， and more importance is attached to imitation instead of independent thinking. This paper presents some reform measures to help student integrate theory with practice， increase the participation in theory study and experiment， cultivate the ability of literature research， scheme design， test operation and result analysis. The result shows the practical links can improve the quality of structure experiment course and cultivate professional personnel with active thinking vision and strong practical ability.

Keywords： civil engineering； structure test； research experiment ； practical link； teaching reform

（編輯周沫）