土木工程專業(yè)啟發(fā)式開放性實驗教學(xué)模式探索

江雨辰 帥 瑞

無錫太湖學(xué)院土木工程學(xué)院（214064）

0 前言

近年來，我國大力推動裝配式建筑的發(fā)展，倡導(dǎo)建筑工業(yè)化、智能化，促進建筑行業(yè)的轉(zhuǎn)型升級。伴隨而來的是新材料、 新結(jié)構(gòu)和新技術(shù)的大量應(yīng)用，并要求專業(yè)人才與時俱進，具備良好的創(chuàng)新能力及發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的實踐能力。

實驗教學(xué)是高校課程體系中不可或缺的重要環(huán)節(jié)，不僅可以讓學(xué)生更加直觀地掌握專業(yè)理論和專業(yè)技能，也能培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和實踐能力[1]。尤其對于土木工程這類工科專業(yè)而言，實驗教學(xué)的成效很大程度上決定了專業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量和畢業(yè)生的社會評價。 因此，實驗教學(xué)越來越受到高校的重視， 高校教師也在不斷探索高效的實驗教學(xué)模式，以期培養(yǎng)適應(yīng)社會發(fā)展的專業(yè)人才。

開放性實驗是一種創(chuàng)新型的實驗教學(xué)模式，它以學(xué)生作為實驗主體，學(xué)生自主設(shè)計實驗、完成實驗，實驗時間設(shè)置靈活[2-3]。與傳統(tǒng)實驗教學(xué)相比，開放性實驗更能激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維和參與實驗的積極性。 此外，開放性實驗也有助于提高實驗室的利用率，優(yōu)化高校資源配置。

1 土木工程專業(yè)實驗教學(xué)存在的問題

1.1 內(nèi)容固定不變，形式單一

傳統(tǒng)土木工程專業(yè)實驗課程往往作為理論課程的補充和輔助，實驗內(nèi)容固定不變，形式單一，且大多數(shù)為驗證性實驗[4]。 如混凝土結(jié)構(gòu)原理這門課程開設(shè)的“單筋矩形梁正截面受彎破壞實驗”，主要是讓學(xué)生直觀地了解受彎構(gòu)件正截面破壞的三種模式，并驗證平截面假定和受彎構(gòu)件極限承載力計算公式。

1.2 實驗課時不足

土木工程專業(yè)實驗課課時普遍不足[5]。 如混凝土結(jié)構(gòu)原理課程有64 學(xué)時， 其中實驗課程僅為8學(xué)時，實驗課課時量不充足。 “單筋矩形梁正截面受彎破壞實驗”分為適筋梁、超筋梁和少筋梁的三組破壞實驗，課上時間僅能滿足實驗儀器的架設(shè)、試件的加載及實驗數(shù)據(jù)采集。 粘貼應(yīng)變片及接線等實驗步驟只能在課外時間完成。這種情況下，學(xué)生往往難以保質(zhì)保量完成實驗任務(wù)。

1.3 學(xué)生參與積極性不高

通常課程實驗是根據(jù)既定的實驗指導(dǎo)手冊進行的，由于大多數(shù)為驗證性實驗，實驗結(jié)果單一，可預(yù)測性較高， 學(xué)生參與實驗的積極性不高。 在實驗過程中， 學(xué)生僅需要根據(jù)指導(dǎo)書或者教師的指示進行每一個步驟的操作，很少獨立思考，不能主動去發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題。

1.4 不能與時俱進

隨著建筑行業(yè)的快速發(fā)展，新材料、新結(jié)構(gòu)和新技術(shù)被大量應(yīng)用。 程式化的課程實驗僅可作為特定專業(yè)理論知識的教學(xué)輔助， 不能啟發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維，培養(yǎng)學(xué)生舉一反三分析問題及解決問題的能力。

2 啟發(fā)式開放性實驗的實施

2.1 題目設(shè)置

開放性實驗的題目設(shè)置要體現(xiàn)創(chuàng)新性， 既不要循規(guī)蹈矩地重復(fù)課程輔助性實驗，也不能天馬行空，超越學(xué)生的認知和能力范疇。本案例的題目為：以玻璃為主要承重材料， 設(shè)計一種透光的橫向承重構(gòu)件（梁），其余材料自行選擇，并通過模型實驗確定該構(gòu)件的力學(xué)性能。 這個題目符合學(xué)生對于梁這種受彎構(gòu)件的總體認知， 材料的自由選擇也大大擴展了學(xué)生的思維空間。 學(xué)生通過模型實驗來確定構(gòu)件的力學(xué)性能，可以培養(yǎng)其科學(xué)性思維和實際動手能力。

題目給定后，實驗負責(zé)教師需要適當?shù)匾龑?dǎo)學(xué)生思考，但要注意度的把握。 引導(dǎo)的目的在于啟發(fā)學(xué)生的思維， 而不能限制學(xué)生的思維。 如在本案例中，教師會介紹一些常用建筑材料的力學(xué)性能和一些新型結(jié)構(gòu)的受力特點。 這樣學(xué)生才會以科學(xué)性的思維去選擇與玻璃搭配，以滿足構(gòu)件的使用功能。

2.2 實驗室開放

開放性實驗需要有專門的實驗管理人員監(jiān)督和管理，實驗室的使用需要提前預(yù)約，使用時需要進行臺賬記錄。 提前預(yù)約也有利于學(xué)生的時間管理，讓學(xué)生提前制訂好學(xué)習(xí)和生活計劃，保證有充足的時間參與開放性實驗。 為了保證實驗效果，實驗小組人數(shù)不宜過多，3～5 人一組比較合適。 在本案例中，主要開放土木工程材料實驗室和結(jié)構(gòu)實驗室，實驗的開展以小組為單位。 小組成員明確各自分工和職責(zé)，如資料搜集、材料購買、模型制作、模型加載以及報告撰寫等。 教師或者實驗室管理人員要對學(xué)生進行實驗設(shè)備的操作指導(dǎo)，并且在加載時需要實驗管理人員在場，以確保實驗安全。

2.3 成果考核和評價

實驗成果的考核和評價是完善開放性實驗的重要環(huán)節(jié)。 開放性實驗要兼顧實驗的過程評價和結(jié)果評價， 分值比重可根據(jù)實驗的具體內(nèi)容來確定。為了體現(xiàn)評價機制的客觀性，建議采用實驗報告的形式進行成果考核。 在本案例中，實驗過程評價主要分為實驗設(shè)計的合理性、完成程度及實驗操作的規(guī)范性，實驗結(jié)果評價主要為透光梁的強重比（抗彎承載力與重量的比值）和構(gòu)件造價。 其中，過程評價占總分數(shù)的40%，結(jié)果評價占60%。

為了進一步提高學(xué)生參與的積極性，開放性實驗可以依托校內(nèi)學(xué)科競賽進行。 如本案例依托于“第一屆土木工程學(xué)院新型結(jié)構(gòu)設(shè)計大賽”，并根據(jù)上述的考核和評價機制確定比賽名次。 最終獲得第一名的實驗小組，他們的設(shè)計作品為“采用碳纖維增強的玻璃組合梁”。 該組同學(xué)通過搜集、查閱相關(guān)資料發(fā)現(xiàn)，玻璃具有良好的透光性和美觀性，抗壓強度較大，但有明顯的脆性，所以很少將其用作受力構(gòu)件。 碳纖維增強復(fù)合材料（CFRP）作為一種力學(xué)性能優(yōu)異的新型建筑材料，具有輕質(zhì)高強、延性好、耐沖擊、耐高溫、耐腐蝕等優(yōu)點，在工程加固領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。 將兩種建筑材料組合在一起，共同承受外荷載， 既保留玻璃原有的透光性和美觀性，又可以獲得承重構(gòu)件所應(yīng)具備的強度和延性。

在提出設(shè)計方案后，該組同學(xué)開始購買材料并制作結(jié)構(gòu)模型（如圖1 所示），然后設(shè)計該構(gòu)件的抗彎試驗，并對實驗數(shù)據(jù)進行處理和分析，最終完成實驗報告。 整個過程中，小組成員分工明確、團隊協(xié)作良好，具有較高的參與熱情，圓滿地完成開放性實驗的預(yù)期任務(wù)。

圖1 模型制作

圖2 模型加載

3 結(jié)語

針對土木工程專業(yè)，提出一種啟發(fā)式開放性實驗的教學(xué)模式。 在給定的實驗條件下，通過設(shè)置題目并作適當?shù)膯l(fā)，讓學(xué)生自主選擇實驗材料、設(shè)計實驗及動手完成實驗，最終以實驗報告的形式進行成果評價。 該開放性實驗的實施，有效提高了學(xué)生參與實驗的積極性，也培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新思維和實踐動手能力。