基于CDIO理念的溫控界面儀實踐教學(xué)與課程思政

孔綱強 孟永東 高磊 劉杰 王瑞紅

摘要：基于土工三軸儀設(shè)備，聯(lián)合溫控系統(tǒng)創(chuàng)新性地研發(fā)了溫控界面儀，實現(xiàn)三軸應(yīng)力狀態(tài)下結(jié)構(gòu)物與土體界面特性的測試，為揭示結(jié)構(gòu)物-土體相互作用機(jī)理提供了技術(shù)支撐。基于CDIO工程教育理念，將溫控界面儀科研成果轉(zhuǎn)化為實踐或?qū)嵱?xùn)教學(xué)項目。本科生參與溫控界面儀的開發(fā)、測試與試驗過程，學(xué)習(xí)優(yōu)質(zhì)科研成果的創(chuàng)新路徑和創(chuàng)新方法，從而以該工程為示范掌握工程項目構(gòu)思（Conceive）、設(shè)計（Design）、實現(xiàn)（Implement）和運行（Operate）全過程。學(xué)生們不僅學(xué)習(xí)科學(xué)知識，而且掌握科研思維方法，最終實現(xiàn)學(xué)生分析與解決問題能力、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力全面提升。

關(guān)鍵詞：CDIO理念;結(jié)構(gòu)物-土體界面;溫控界面儀;實訓(xùn)教學(xué);課程思政

中圖分類號：G642 ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? 文章編號：1005-2909（2021）06-0121-07

能源地下結(jié)構(gòu)是將淺層地溫能與地下結(jié)構(gòu)相結(jié)合的一種新型技術(shù)，適應(yīng)地下空間開發(fā)與利用和節(jié)能減排國家戰(zhàn)略需求;地下結(jié)構(gòu)物承擔(dān)荷載的同時，起到淺層地溫能熱交換器的作用[1]。因此，能源地下結(jié)構(gòu)物設(shè)計與計算時，必須考慮循環(huán)溫度影響下地下結(jié)構(gòu)物與土體的界面承載特性問題[2]?；谕凉ぶ奔魞x，用模擬結(jié)構(gòu)物的試樣（如混凝土、鋼材等）替代原本位于直剪儀下剪切盒的土樣形成界面剪切儀，探討土體類型、含水率以及界面粗糙度等因素對結(jié)構(gòu)物-土體界面特性的影響規(guī)律，是目前研究界面剪切特性的主要思路與方法[3]。依托三峽大學(xué)三峽庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害教育部重點實驗室優(yōu)勢科研平臺資源，李春紅等引進(jìn)基于土工直剪儀改造的溫控界面儀設(shè)備，在溫控環(huán)境條件下開展了黏性土與結(jié)構(gòu)物力學(xué)特性研究[4]，基于土工三軸儀，自主研發(fā)了一套溫控界面儀[5]，克服了原有設(shè)備無法測定土體的孔壓和體變等問題，實現(xiàn)了循環(huán)溫度影響下地下結(jié)構(gòu)物-土體熱力學(xué)特性的研究，為揭示地下結(jié)構(gòu)物與土體界面強度、變形特性演變機(jī)理提供了技術(shù)支撐?？蒲许椖客瓿珊?，進(jìn)一步優(yōu)化改造，促使科研成果適用于實踐（或?qū)嵱?xùn)）教學(xué)要求，通過科研成果（樣品）、教學(xué)演示和實踐操作（制作成品）的多層次結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生的實踐與創(chuàng)新能力、發(fā)現(xiàn)與解決問題的能力，以及學(xué)習(xí)探究的激情[6-7]。

為此，以學(xué)生為本，以滿足行業(yè)對畢業(yè)生要求為目標(biāo)導(dǎo)向，結(jié)合學(xué)校土木工程專業(yè)教學(xué)實際情況，依托巖土工程測試技術(shù)課程，開設(shè)“溫控界面儀研發(fā)與測試”項目工程實踐訓(xùn)練課程，引入CDIO工程教育模式[8- 9]，在制訂實踐課程的教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法及評價模式等環(huán)節(jié)，以構(gòu)思（Conceive）、設(shè)計（Design）、實現(xiàn)（Implement）和運行（Operate）作為模塊和鏈條，貫穿整個溫控界面儀工程實踐教學(xué)過程，實現(xiàn)富有特色的教學(xué)改革與實踐。

一、常規(guī)土工直剪儀與三軸儀簡介

土體的力學(xué)性質(zhì)試驗主要包括固結(jié)試驗、無側(cè)限抗壓強度試驗、直剪試驗、三軸剪切試驗、K0試驗和擊實試驗，這也是巖土工程測試技術(shù)課程主要涉及的室內(nèi)土工試驗種類。土體的內(nèi)摩擦角和凝聚力值是反映土體抗剪切強度的兩個主要參數(shù)指標(biāo)，也是土壓力計算、地基承載力和擋土墻計算的主要依據(jù)，測試這兩個參數(shù)的儀器設(shè)備主要有土工直剪儀和土工三軸儀。

（1）土工直剪儀。將土樣置于直剪儀的活動下盒和固定上盒里，對土樣施加豎向壓力，然后水平推動下盒，通過上下盒之間的錯動達(dá)到土樣剪切破壞的目的，根據(jù)庫侖定律確定土體的內(nèi)摩擦角和凝聚力值。

（2）土工三軸儀。將土樣置于壓力腔內(nèi)，通過對土體試樣分級施加軸向壓力荷載直至試樣破壞（應(yīng)力控制式），或者通過對土體試樣進(jìn)行等軸向變形加載直至試樣破壞（應(yīng)變控制式），測得土體的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線，進(jìn)而計算獲得強度與變形參數(shù)指標(biāo)。與直剪儀相比，三軸儀可以控制排水條件、測量孔隙水壓力，同時還可以進(jìn)行多種應(yīng)力組合試驗，因而被工程技術(shù)人員接納。

然而，常規(guī)土工直剪儀與三軸儀都要求在室溫下工作，沒有考慮溫度對土體試樣的影響，不適用于能源地下結(jié)構(gòu)，因此，研發(fā)溫控界面儀尤為迫切。

二、溫控界面儀的研發(fā)與驗證

（一）基于土工直剪儀的溫控界面儀

為了研究地下結(jié)構(gòu)物（如樁基、隧道、地下連續(xù)墻，以及錨桿等）與土體界面的力學(xué)特性，相關(guān)學(xué)者基于土工直剪儀，用結(jié)構(gòu)物材料替代下剪切盒的土體試樣，形成界面儀。Di Donna等、Yavari等在土工直剪儀改造成的界面儀的基礎(chǔ)上，在下剪切盒里的結(jié)構(gòu)物材料中增設(shè)循環(huán)溫度系統(tǒng)（圖1），研究了溫度對砂土/黏-混凝土、超固結(jié)黏土-混凝土界面的力學(xué)特性的影響[10-11]?；谕凉ぶ奔魞x的溫控界面儀，操作簡單、易于實現(xiàn)，考慮了結(jié)構(gòu)物溫度、土體溫度同步升降的情況，但無法分別控制結(jié)構(gòu)物試樣溫度和土體試樣溫度，且無法有效觀測界面孔隙水壓力、體積變形等變化規(guī)律。此外，直剪儀本身存在的界面有效剪切面隨位移變化而改變、實測精度相對較低等問題也無法避免。

（二）基于土工三軸儀的溫控界面儀

基于南京土壤儀器廠有限公司生產(chǎn)的飽和土體應(yīng)變控制式土工三軸儀，筆者所在團(tuán)隊研制了一套溫控界面儀試驗系統(tǒng)（圖2），包括①界面三軸試驗機(jī)、②三軸試驗量測控制儀、③溫度控制系統(tǒng)、④計算機(jī)等[5， 12]。

該裝置能實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)物和土體試樣溫度的獨立控制，定量測定循環(huán)溫度作用下界面剪切應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系、樁體位移、孔壓及體變規(guī)律。溫度控制范圍為-40℃～100℃，誤差±2℃，溫度傳感器量測精度0.1℃[5]，應(yīng)力控制邊界。該裝置原理明確、結(jié)構(gòu)簡單、拆裝方便，可切換成普通溫控三軸儀，研究土體熱力學(xué)特性。溫控界面儀的試驗系統(tǒng)指標(biāo)如表1所示。與傳統(tǒng)三軸儀相比，筆者所在團(tuán)隊研制的溫控界面儀試驗系統(tǒng)具有如下特征。

（1）將傳統(tǒng)實心圓柱土樣改造成空心圓柱土樣和實心圓柱結(jié)構(gòu)物試樣，實心圓柱結(jié)構(gòu)物試樣的外徑與空心圓柱土樣內(nèi)徑一致、且同心設(shè)置，構(gòu)成圓柱形界面;通過實心圓柱結(jié)構(gòu)物試樣的上下移動，形成剪切作用。

（2）結(jié)構(gòu)物、土體試樣分別設(shè)置溫控系統(tǒng)（含循環(huán)系統(tǒng)和溫度傳感器），可以實現(xiàn)兩者溫度的差異調(diào)控。

以混凝土-飽和福建標(biāo)準(zhǔn)砂界面特性測試為例，試驗測試時將三軸試驗室腔內(nèi)溫度控制在22℃，然后將混凝土材料升溫至50℃，待溫度恒定后，施加圍壓，調(diào)整混凝土試樣上下位移，開始CD剪切（圖3）和CU剪切試驗（圖4）。由圖3、圖4可知，飽和砂土-混凝土界面存在軟化現(xiàn)象，溫度對界面存在一定的影響。該試驗有效驗證了所研發(fā)的溫控界面儀的準(zhǔn)確性和可靠性。

三、基于CDIO理念的溫控界面儀實踐教學(xué)嘗試

首先，在溫控界面儀實踐或?qū)嶒灲虒W(xué)中，挖掘和梳理思政元素。其次，將新時代的“工匠精神”、科學(xué)發(fā)展觀等思政元素有效融入實踐教學(xué)中。如：設(shè)備研制與實驗操作體現(xiàn)“工匠精神”、能源地下結(jié)構(gòu)應(yīng)用于淺層地溫能開采體現(xiàn)“科學(xué)發(fā)展觀”等思政元素，以期實現(xiàn)“鹽溶入湯”“潤物細(xì)無聲”的立德樹人目標(biāo)，培養(yǎng)學(xué)生對中國特色社會主義制度的政治認(rèn)同和文化自信[13]。

結(jié)合三峽大學(xué)土木工程等專業(yè)教學(xué)實際情況，依托巖土工程測試技術(shù)課程，進(jìn)行“溫控界面儀研發(fā)與測試”項目工程實踐教學(xué)嘗試，并將德育、實踐和創(chuàng)新育人元素融入CDIO工程教育全過程[14-15]（圖5）。

（一）實踐或?qū)嶒灲虒W(xué)目標(biāo)（C）

基于CDIO工程教育理念，制訂溫控界面儀實驗教學(xué)目標(biāo)、構(gòu)建課程體系，為教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法的設(shè)計與選擇提供依據(jù)。將實驗教學(xué)模塊分解為構(gòu)思（C）、設(shè)計（D）、實現(xiàn)（I）和運行（O）四個環(huán)節(jié)，有機(jī)融入德育、實踐和創(chuàng)新理念，開展溫控界面儀的實驗教學(xué)，實現(xiàn)立德樹人的最終目標(biāo)。

（二）實踐或?qū)嶒灲虒W(xué)內(nèi)容（D）

面向行業(yè)對能源地下結(jié)構(gòu)設(shè)計與計算的目標(biāo)需求，開展實驗教學(xué)內(nèi)容設(shè)計。主要包括循環(huán)溫度作用下結(jié)構(gòu)物與土體界面的力學(xué)特性原理講解、溫控界面儀科研成果演示（結(jié)合實物和虛擬仿真技術(shù)，圖6），以及溫控界面儀的實際操作。教學(xué)內(nèi)容充分體現(xiàn)已挖掘的思政元素，并結(jié)合生動的事例進(jìn)行佐證。比如：以上海世博軸能量樁技術(shù)應(yīng)用為例，介紹上海世博為目前世界范圍內(nèi)單體工程能量樁應(yīng)用數(shù)量最多的項目（6 000根），以此激發(fā)學(xué)生們的文化自信，增加對社會主義國家制度的認(rèn)同感。

（三）實踐或?qū)嶒灲虒W(xué)方法（I）

主體采用項目驅(qū)動教學(xué)法。首先，結(jié)合多媒體技術(shù)、虛擬仿真技術(shù)等輔助手段，幫助學(xué)生認(rèn)識、理解溫控界面儀的技術(shù)原理;其次，分解項目任務(wù)內(nèi)容，以小組團(tuán)隊形式完成調(diào)查分析、操作實踐和答辯匯報等。依托實際工程案例或大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項目，讓學(xué)生在做中學(xué)、做中思考，培養(yǎng)發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力。

拓展校外課堂系統(tǒng)。首先，利用行業(yè)龍頭企業(yè)技術(shù)和人力資源優(yōu)勢，擴(kuò)充實踐教學(xué)師資隊伍，與校內(nèi)教師形成互補，相互促進(jìn)提高;其次，結(jié)合行業(yè)龍頭企業(yè)相關(guān)工程案例分析溫控界面儀的測試結(jié)果，驗證溫控界面儀實踐學(xué)習(xí)的必要性和有效性。

（四）實踐或?qū)嶒灲虒W(xué)評價（O）

綜合考慮大學(xué)生的德育、實踐和創(chuàng)新因素，基于CDIO工程教育理念，制定多層次、全方位的溫控界面儀實驗項目教學(xué)成果評價體系。三峽大學(xué)巖土工程測試技術(shù)課程溫控界面儀學(xué)習(xí)評價內(nèi)容及權(quán)重分配如表2所示。

四、結(jié) 語

分析了依托三峽大學(xué)三峽庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害教育部重點實驗室平臺完成的優(yōu)質(zhì)科研成果——溫控界面儀的研發(fā)過程與技術(shù)優(yōu)點，結(jié)合三峽大學(xué)巖土工程測試技術(shù)課程教學(xué)實際，將德育、實踐和創(chuàng)新育人元素引入CDIO工程教育模式，通過溫控界面儀實驗項目的微嘗試，進(jìn)行土工試驗實踐教學(xué)改革試點，挖掘新時代的“工匠精神”、科學(xué)發(fā)展觀和文化自信等思政元素，并將其融入溫控界面儀實驗教學(xué)實踐中，實現(xiàn)新時代社會主義事業(yè)接班人的立德樹人培養(yǎng)目標(biāo)，培養(yǎng)學(xué)生的綜合素養(yǎng)，為學(xué)?！耙涣鲗W(xué)科”內(nèi)涵建設(shè)提供參考。

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Abstract： Based on temperature controlled triaxial equipment， temperature controlled interface instrument was developed. It can be used to measure the interface characteristics of structure and soil in the three-axis stress state， and provides technical support for revealing the mechanism of structural-soil interaction. Based on CDIO engineering education concept， the scientific research achievements of the temperature-controlled interface instrument are transformed into practical teaching project. The undergraduates participated in the whole-life development， testing and testing process of this innovation instrument. The innovative path and innovative methods of high-quality scientific research results can be learned during these processes. The whole processes of Conceive， Design， Implementation， and Operation can also be learned through this project. The students not only learnt the knowledge but also mastered scientific thinking. Finally， it can improve the students’ analysis and problem-solving ability， innovation and entrepreneurial ability.

Key words： CDIO concept; interface of structure and soil; temperature controlled interface instrument; training teaching; curriculum ideological and political education

（責(zé)任編輯 梁遠(yuǎn)華）

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