《土木工程結(jié)構(gòu)試驗》實驗教學(xué)改革與實踐

楊 松，董 坤，楊樹桐

(中國海洋大學(xué)工程學(xué)院，山東 青島 266100)

1 引 言

實驗教學(xué)作為理論教學(xué)的有效支撐與補充，常被賦予增強學(xué)生學(xué)習(xí)趣味性、提高學(xué)生實踐能力等教學(xué)目標(biāo)[1-3]。目前，在土木工程實驗教學(xué)實踐過程中，《土木工程結(jié)構(gòu)試驗》的實驗課大多安排在大三下學(xué)期或大四上學(xué)期，受學(xué)生考研、找工作等影響，實驗課的重要性未能得到學(xué)生的充分認(rèn)識，實驗效果欠佳。基于此，針對《土木工程結(jié)構(gòu)試驗》的實驗課程整體設(shè)計做了一些優(yōu)化改革與探索實踐。

2 目前實驗教學(xué)中存在的問題

2.1 學(xué)生對實驗課重視不足，預(yù)習(xí)效果差

以中國海洋大學(xué)為例，《土木工程結(jié)構(gòu)試驗》實驗課僅8個課時，實驗課依附于理論課程設(shè)置，作為《土木工程結(jié)構(gòu)試驗》課程中的一部分。目前，理論課程考核方式為考試，實驗課成績占整門課總成績的比例僅為30%，且實驗考核以實驗報告為主，學(xué)生對實際操作重視不足。另外，受試驗設(shè)備臺套數(shù)限制，每組實驗人數(shù)在4-6人之間，同組的部分學(xué)生有等、靠思想，課前不預(yù)習(xí)，課后抄報告。另外，抄襲的實驗報告也無法得到有效甄別，較難根據(jù)學(xué)生的實際上課情況給出準(zhǔn)確評價。

2.2 學(xué)生在實驗中缺乏探索興趣

現(xiàn)有的《土木工程結(jié)構(gòu)試驗》實驗項目中，多數(shù)項目為基礎(chǔ)性實驗內(nèi)容，以驗證性實驗為主，難度偏小，難以激發(fā)學(xué)生自主探索的興趣[4]。實驗課堂上基本上是實驗教師在講，學(xué)生跟著做，在實驗過程中學(xué)生始終處于被動接收狀態(tài)，缺乏自主學(xué)習(xí)的外部動力。另外，由于存在等、靠的思想，部分學(xué)生認(rèn)為預(yù)習(xí)沒有必要，即使布置了課前預(yù)習(xí)，往往預(yù)習(xí)效果也極差。根據(jù)在實驗課前做的隨機調(diào)查，課前沒有預(yù)習(xí)的學(xué)生往往能達到70%甚至更多，這就造成了學(xué)生進實驗室時對所要做的實驗一無所知，實驗過程照著實驗指導(dǎo)教師的演示“照貓畫虎”，缺乏自主思考的過程。

2.3 “填鴨式”指導(dǎo)扼殺學(xué)生思考及創(chuàng)新能力

現(xiàn)有實驗課中，一般由實驗教師在實驗前準(zhǔn)備好實驗用儀器設(shè)備和材料，上課先講述實驗?zāi)康摹⒃?、步驟等，然后由實驗教師演示實驗全過程，學(xué)生跟著做，無法脫離“填鴨式教學(xué)”的窠臼。實驗做完后，學(xué)生往往是知其然而不知其所以然。另外，由于設(shè)備臺套數(shù)、上課時間及實驗場地限制，每次需同時對多個小組授課，約16-24名學(xué)生圍在實驗教師周圍觀看演示操作，無法避免有部分學(xué)生排在后面，看不到或看不清實驗教師的演示操作講解。這種手把手講解式的實驗教學(xué)模式，無法充分利用有限的實驗教學(xué)資源，難以培養(yǎng)學(xué)生思考問題、解決問題的能力，無法培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)學(xué)習(xí)興趣，脫離了大學(xué)教育的本意。

3 “強化自主探究”的實驗教學(xué)模式改革與探索

基于以上實驗教學(xué)現(xiàn)狀，以“強化自主探究”為突破點，以點帶面，力爭盤活現(xiàn)有實驗教學(xué)資源，實現(xiàn)實驗教學(xué)效果有力提升。

3.1 將相關(guān)背景資料交給學(xué)生預(yù)習(xí)

通過梳理實驗項目的背景資料，包括教材、實驗指導(dǎo)書、實驗用途說明、實驗儀器設(shè)備說明書等，將這些資料篩選后發(fā)布在Blackboard網(wǎng)絡(luò)輔助教學(xué)平臺，引導(dǎo)學(xué)生使用Blackboard網(wǎng)絡(luò)輔助教學(xué)平臺資源進行課前預(yù)習(xí)，了解實驗項目背景、用途、方法和技術(shù)路徑。這些材料要求學(xué)生通讀后一般了解即可，在后面的實驗過程中，乃至實驗完成撰寫實驗報告階段，這部分基礎(chǔ)知識作為學(xué)生的背景知識存在，起引導(dǎo)、索引作用。

3.2 將演示操作錄制成視頻，發(fā)給學(xué)生觀看

有了背景資料預(yù)習(xí)，學(xué)生基本上對實驗的用途和過程有了基本的印象，但是由于在此之前學(xué)生沒有在實驗室做過實驗或者沒有接觸過實驗儀器設(shè)備的實物，對實驗工具、儀器、設(shè)備缺乏認(rèn)識，實驗教師將演示操作過程錄制成小視頻，并在視頻中著重講述實驗難點步驟和安全操作知識。在實驗預(yù)習(xí)階段，將視頻提前發(fā)給學(xué)生觀看，可以使學(xué)生在具體實驗前對實驗過程、實驗中的危險點等有一個基本的了解，對實驗所用到的儀器、設(shè)備、工具有一個直觀的認(rèn)識。

3.3 提出思考性問題，引導(dǎo)學(xué)生自主探索

學(xué)生做完前兩步，基本上對所要進行的實驗項目有了通盤的認(rèn)識，此時進實驗室做實驗已經(jīng)能做到心中有數(shù)，有條不紊了。進一步提出一些容易出錯、或涉及實驗操作安全的思考性問題，讓學(xué)生提前探索答案，做一些有益的思考和心理準(zhǔn)備。

3.4 設(shè)置考核性預(yù)習(xí)報告，保障學(xué)生預(yù)習(xí)效果

學(xué)生是由不同的個體組成的群體，從學(xué)生個體來看，每個學(xué)生的學(xué)習(xí)能動性不同，部分學(xué)生認(rèn)為沒有必要預(yù)習(xí)。而在實驗過程中由于沒有提前做到心中有數(shù)，只能旁觀別人做實驗，實驗后靠抄襲別人的實驗報告以求通過實驗課考核?，F(xiàn)在，通過之前的訓(xùn)練，學(xué)生已經(jīng)具備撰寫實驗預(yù)習(xí)報告的能力了。設(shè)置實驗預(yù)習(xí)報告作為考核預(yù)習(xí)效果的手段，能夠督促學(xué)生課前預(yù)習(xí)，保障實驗效果。實驗預(yù)習(xí)報告可采用電子版的形式，通過查重小程序，如果重復(fù)率大于50%，報告即有抄襲嫌疑，退回重寫。這樣學(xué)生就會重視預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)，以任務(wù)促過程，認(rèn)真、獨立地完成實驗預(yù)習(xí)任務(wù)。

3.5 進一步開放實驗室，由學(xué)生自主選擇實驗時間

由于實驗室實驗臺套數(shù)的限制，之前的學(xué)生分組人數(shù)在每組4-6人，不是所有學(xué)生都有動手操作的機會。每次實驗教師均要講述實驗?zāi)康?、原理、步驟等，然后演示實驗操作全過程，每組人數(shù)若減少會造成分組數(shù)增加，實驗教師的工作量將增加到不可接受的程度。而且由于實驗課程安排在大四上學(xué)期，學(xué)生面臨著考研復(fù)習(xí)、找工作等多重壓力，實驗時間和考研、找工作時間會存在沖突。

現(xiàn)在由于預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)的強化，原理講述和操作演示部分前移至預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)，實驗教師的工作可變?yōu)樵趯嶒炦^程中的巡查、督導(dǎo)及解答現(xiàn)場問題。通過在一段時間內(nèi)開放實驗室，增加可選擇實驗時間段，增加分組數(shù)，減少每組人數(shù)，可以在不大幅增加實驗教師工作量的情況下，優(yōu)化實驗資源配置，提高實驗設(shè)備使用率，提升實驗教學(xué)效果。

改革前后的授課模式對比詳見表1。

表1 改革前后授課模式對比

4 “強化自主探究”的實驗教學(xué)模式實例

以粘貼應(yīng)變片實驗為例，根據(jù)實驗教學(xué)大綱，其實驗?zāi)康闹饕校?1)了解電阻應(yīng)變計的構(gòu)造及其工作原理；(2)了解選擇應(yīng)變片標(biāo)距的原理和鑒別應(yīng)變片質(zhì)量的方法；(3)掌握應(yīng)變片的粘貼工藝，學(xué)習(xí)粘貼技術(shù)。

對于目的(1)和(2)，理論課中已闡述清楚電阻應(yīng)變計的構(gòu)造及工作原理，實驗的目的是讓學(xué)生接觸到應(yīng)變片實物，理解應(yīng)變片的尺寸、特性等，對理論課的內(nèi)容往往起加深理解作用，可以通過鼓勵學(xué)生查閱資料的方式予以認(rèn)識。

對于目的(3)，雖然理論課及課程指導(dǎo)書均有粘貼工藝、粘貼技術(shù)的內(nèi)容，但根據(jù)多年來的實驗教學(xué)實踐來看，由于缺乏前期認(rèn)識，學(xué)生往往沒有興趣根據(jù)文字建立想象，在實際教學(xué)實驗中，往往還依賴實驗教師的課堂演示。針對目的(3)，目前尚未在網(wǎng)絡(luò)或其他途徑發(fā)現(xiàn)有關(guān)于應(yīng)變片粘貼的視頻。根據(jù)我校結(jié)構(gòu)實驗室具體情況，錄制并剪輯了實驗教師演示粘貼應(yīng)變片過程的視頻，在課前實驗預(yù)習(xí)階段，讓學(xué)生觀看視頻然后根據(jù)印象，對照課本和課程指導(dǎo)書寫預(yù)習(xí)報告。

在課前約兩周，發(fā)給學(xué)生粘貼應(yīng)變片實驗項目指導(dǎo)書、恒溫焊臺使用說明書、電阻應(yīng)變計說明書等，并推薦若干個生產(chǎn)靜態(tài)電阻應(yīng)變儀、電阻應(yīng)變計的廠家網(wǎng)站，連同前述制作好的應(yīng)變片粘貼演示視頻，鼓勵學(xué)生學(xué)習(xí)、探索相關(guān)知識。

同時發(fā)放給學(xué)生預(yù)習(xí)報告模板，要求學(xué)生歸納回答以下問題：(1)應(yīng)變片的工作原理。(2)應(yīng)變片的基本構(gòu)造簡圖。(3)應(yīng)變片的選用原則。(4)根據(jù)實驗指導(dǎo)書及操作示范視頻，簡述應(yīng)變片粘貼主要步驟。(5)被測鋼材試件為何在粘貼電阻應(yīng)變片處打成交叉45°磨痕條紋？(6)如何保證貼片的質(zhì)量？貼片質(zhì)量的好壞對量測會產(chǎn)生什么影響？(7)電阻應(yīng)變片粘貼完畢后，若發(fā)現(xiàn)應(yīng)變片電路發(fā)生短路或斷路時，請分析可能的原因及相應(yīng)的驗證手段和處理方法。

學(xué)生完成預(yù)習(xí)并提交回答上述問題的預(yù)習(xí)報告后，由實驗教師對預(yù)習(xí)報告進行批改查重，并將批改結(jié)果和查重結(jié)果反饋給學(xué)生本人。此步驟可在學(xué)校積極推進的Blackboard網(wǎng)絡(luò)輔助教學(xué)平臺上快捷完成。

實驗室按照教學(xué)進度安排，預(yù)先提供幾個時間段供學(xué)生選擇，學(xué)生根據(jù)自身學(xué)習(xí)時間安排，在Blackboard網(wǎng)絡(luò)輔助教學(xué)平臺上自助選擇適宜時段進入實驗室開展實驗操作。

5 “強化自主探究”實驗教學(xué)模式的成效

教學(xué)改革的成功與否，最終的評價依據(jù)在于教學(xué)實驗的效果是否提升?！皬娀灾魈骄俊钡膶嶒灲虒W(xué)模式改革實施后，就此次改革效果進行了網(wǎng)絡(luò)問卷調(diào)查，調(diào)查對象是剛結(jié)課的土木工程專業(yè)的本科生。此次調(diào)查共發(fā)放問卷71份，實際收回問卷70份，有效問卷66份。經(jīng)過問卷數(shù)據(jù)統(tǒng)計和分析，發(fā)現(xiàn)此次實驗教學(xué)模式改革的效果較好。

5.1 學(xué)生實驗興趣增強，應(yīng)付實驗現(xiàn)象減少

從學(xué)生學(xué)習(xí)態(tài)度和興趣調(diào)查統(tǒng)計表中發(fā)現(xiàn)，此次實驗教學(xué)模式改革有效地提高了學(xué)生對《土木工程結(jié)構(gòu)試驗》課程實驗的學(xué)習(xí)興趣，主要表現(xiàn)在學(xué)生普遍對實驗的原理、儀器的性能較為重視，應(yīng)付實驗的現(xiàn)象減少了，在課下自主學(xué)習(xí)和主動探究的情況在增加?？傊?，絕大部分學(xué)生對實驗教學(xué)模式改革持支持態(tài)度。

5.2 學(xué)生操作熟練，實驗效率提高

從學(xué)生實驗時間的調(diào)查統(tǒng)計中發(fā)現(xiàn)，實驗平均耗時減少接近30%，這主要是由于通過課前的充分預(yù)習(xí)，大部分學(xué)生已掌握了實驗的基本流程步驟，對實驗設(shè)備也消除了陌生感。隨著每批學(xué)生實驗耗時的減少，后期可適當(dāng)增加分組數(shù)、分批數(shù)，使每組學(xué)生更少，增加每位學(xué)生的動手實驗機會。

5.3 實驗儀器損壞率降低、實驗耗材消耗量減少

根據(jù)實驗課后調(diào)查統(tǒng)計，實施改革后的儀器損壞情況有所減少，實驗成功率較之前有大幅增加，相應(yīng)的實驗耗材消耗量減少。

6 結(jié) 語

針對《土木工程結(jié)構(gòu)試驗》課內(nèi)實驗的教學(xué)改革實踐，我校改變了過去傳統(tǒng)的“填鴨式”實驗授課方式，結(jié)合Blackboard網(wǎng)絡(luò)輔助教學(xué)平臺和視頻錄播手段，強化了課前預(yù)習(xí)，提高了學(xué)習(xí)效率。基于“強化自主探究”教學(xué)模式，通過網(wǎng)絡(luò)預(yù)習(xí)資料發(fā)布和反饋意見收集，在實驗實操前激發(fā)了學(xué)生試驗興趣，加強了對理論應(yīng)用于實踐的認(rèn)識；通過設(shè)置思考性問題和考核性預(yù)習(xí)報告，引導(dǎo)學(xué)生自主探索，提高解決問題的能力；通過對授課時間的調(diào)整，實現(xiàn)了網(wǎng)上預(yù)約，小組靈活實操練習(xí)，進一步保障了實驗學(xué)習(xí)效果。總體而言，該實驗課程的改革與探索對提高大學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、激發(fā)自主思考及創(chuàng)新能力、全面認(rèn)識和掌握試驗技能起到了較好的促進作用，同時提高了授課效率，減少了實驗儀器耗材損耗。