工程結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的探索與實(shí)踐

于卓然

【摘 要】基于吉首大學(xué)工程結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程的現(xiàn)狀，闡述了當(dāng)前培養(yǎng)模式存在的問題。以“學(xué)生為主體”為指導(dǎo)思想，強(qiáng)調(diào)學(xué)生的參與意識(shí)，并從教學(xué)方法、教學(xué)手段、考核方式等方面進(jìn)行了改革，培養(yǎng)了學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新意識(shí)。

【關(guān)鍵詞】工程結(jié)構(gòu);實(shí)驗(yàn)教學(xué);改革;虛擬仿真

中圖分類號(hào)： G642.4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2019）19-0111-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.19.052

工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理是土木工程的專業(yè)核心課，它的理論性和實(shí)踐性比較強(qiáng)，很多理論需要用實(shí)驗(yàn)來進(jìn)行驗(yàn)證，因此工程結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)課程就顯得尤為重要[1-3]。實(shí)驗(yàn)教學(xué)能鍛煉學(xué)生的實(shí)踐能力，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)土木工程專業(yè)的興趣和熱情[4]。筆者結(jié)合吉首大學(xué)工程結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)狀，強(qiáng)調(diào)學(xué)生是進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的主體[5]，對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法和考核方法進(jìn)行了改革，獲得了專業(yè)學(xué)生的好評(píng)。

1 工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀

吉首大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院經(jīng)過專業(yè)認(rèn)證改革之后，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理實(shí)驗(yàn)課已獨(dú)立于理論課程單獨(dú)開課，成為土木工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程的一個(gè)重要組成部分。該課程包括鋼筋混凝土超筋梁和少筋梁的正截面受彎性能實(shí)驗(yàn)、鋼筋混凝土斜截面破壞實(shí)驗(yàn)、鋼筋混凝土柱偏心受壓實(shí)驗(yàn)和鋼柱軸心受壓失穩(wěn)實(shí)驗(yàn)等。實(shí)驗(yàn)過程大致包括以下步驟：（1）實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師根據(jù)理論授課進(jìn)度，安排好每項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的進(jìn)程;（2）實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師將指導(dǎo)書和實(shí)驗(yàn)報(bào)告分發(fā)給學(xué)生，督促學(xué)生做好課前預(yù)習(xí);（3）實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師完成實(shí)驗(yàn)試件的設(shè)計(jì)、制作以及測(cè)量?jī)x器的安裝。（4）實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)，專業(yè)學(xué)生觀測(cè)正截面應(yīng)變分布以及裂縫、撓度的發(fā)展和開裂，并記錄數(shù)據(jù);（5）專業(yè)學(xué)生根據(jù)記錄的數(shù)據(jù)撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告;（6）指導(dǎo)教師批閱報(bào)告，將成績(jī)錄入系統(tǒng)。以上培養(yǎng)模式雖然能夠讓學(xué)生觀察到實(shí)際結(jié)構(gòu)的破壞過程，基本達(dá)到教學(xué)大綱的要求，但是仍然存在以下問題：

1.1 學(xué)校配套硬件設(shè)施較薄弱

吉首大學(xué)土木工程專業(yè)發(fā)展歷史較短，結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)中心尚未建設(shè)完成，原實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)地有限，短時(shí)間內(nèi)實(shí)驗(yàn)人數(shù)眾多，學(xué)生往往只能觀摩教師進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)，客觀上不能參與結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)的全過程。因此，學(xué)生的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容僅僅是記錄儀器儀表的數(shù)據(jù)，并根據(jù)數(shù)據(jù)撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告。至于這些數(shù)據(jù)的內(nèi)在聯(lián)系是什么，是否存在誤差，產(chǎn)生誤差的原因是什么，學(xué)生一無所知。

1.2 學(xué)生不熟悉實(shí)驗(yàn)過程

雖然在實(shí)驗(yàn)課程開設(shè)之前，指導(dǎo)教師已經(jīng)把指導(dǎo)書下發(fā)給學(xué)生，并督促學(xué)生提前預(yù)習(xí)，但由于缺乏相關(guān)的考核機(jī)制，最后成績(jī)僅僅由實(shí)驗(yàn)報(bào)告一錘定音，導(dǎo)致很多學(xué)生未進(jìn)行預(yù)習(xí)就直接進(jìn)實(shí)驗(yàn)室，不清楚實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容和目的，成了一個(gè)機(jī)械的“數(shù)據(jù)記錄儀”。另一方面因?yàn)閷W(xué)生未直接參與試件的制作過程，所以對(duì)指導(dǎo)書里的如何綁扎箍筋，如何貼應(yīng)變片等內(nèi)容缺乏直觀的認(rèn)識(shí)，導(dǎo)致預(yù)習(xí)起來枯燥無味，預(yù)習(xí)效果大打折扣。

1.3 實(shí)驗(yàn)報(bào)告存在雷同現(xiàn)象

由于進(jìn)行的是集體觀摩實(shí)驗(yàn)，組內(nèi)同學(xué)記錄的數(shù)據(jù)都相同，實(shí)驗(yàn)報(bào)告的格式固定，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)報(bào)告的撰寫過程變成了簡(jiǎn)單的填鴨式體力勞動(dòng)，抄襲現(xiàn)象難以避免，失去了其原本的意義。指導(dǎo)教師只能根據(jù)實(shí)驗(yàn)報(bào)告的字體評(píng)分，最后的成績(jī)也大同小異，沒有明顯的區(qū)分。

1.4 學(xué)生缺乏反饋意見

學(xué)生在提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告后，意味著這門課程的結(jié)束，指導(dǎo)老師評(píng)閱實(shí)驗(yàn)報(bào)告后進(jìn)行成績(jī)登錄。學(xué)生雖然能通過系統(tǒng)看到自己的成績(jī)，但是不清楚報(bào)告的扣分點(diǎn)在哪里。此時(shí)學(xué)校已經(jīng)進(jìn)行材料存檔，就算想進(jìn)行修改，由于實(shí)驗(yàn)成績(jī)已經(jīng)確定，也缺乏內(nèi)在動(dòng)力。

2 工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革

針對(duì)以上存在的問題，筆者在實(shí)際教學(xué)過程中，著手進(jìn)行這方面的改革，摸索出了一套有效的實(shí)驗(yàn)方案，經(jīng)過問卷調(diào)查，在專業(yè)學(xué)生中反映良好，受到普遍歡迎。

2.1 讓參與實(shí)驗(yàn)變得“有門檻”

在以往的培養(yǎng)模式中，不管學(xué)生是否進(jìn)行預(yù)習(xí)，都可以參加實(shí)驗(yàn)，筆者通過雨課堂系統(tǒng)，增加了相應(yīng)的預(yù)習(xí)考核模塊，針對(duì)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書的內(nèi)容，建立一個(gè)題庫(kù)，學(xué)生在正式參加實(shí)驗(yàn)前要通過相關(guān)考核，考試隨機(jī)抽取20道題目，答對(duì)16道以上才能去參加實(shí)驗(yàn)，這一措施能有效提高預(yù)習(xí)的效果。

2.2 讓學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)全過程

工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理實(shí)驗(yàn)課程針對(duì)大三學(xué)生開設(shè)，他們中的大部分并沒有一線施工經(jīng)歷，對(duì)于指導(dǎo)書中試件的制作過程十分困惑。筆者要求學(xué)生分小組完成實(shí)驗(yàn)計(jì)劃，各同學(xué)根據(jù)實(shí)驗(yàn)計(jì)劃的內(nèi)容進(jìn)行早期準(zhǔn)備工作的分工，其中涉及的工作十分細(xì)致，例如要制作混凝土試件，就需要購(gòu)買材料。利用課余時(shí)間，學(xué)生根據(jù)構(gòu)件設(shè)計(jì)的大小，確定購(gòu)買鋼筋、沙子、水泥、石子的品種、數(shù)量、級(jí)配等。這一過程看似與實(shí)驗(yàn)內(nèi)容無關(guān)，但是能極大地提高學(xué)生的社會(huì)實(shí)踐能力，對(duì)土木工程學(xué)科有個(gè)更直觀的認(rèn)識(shí)。材料準(zhǔn)備齊全后，要讓每一位學(xué)生參與澆筑、養(yǎng)護(hù)的過程，在儀器安裝過程中，讓學(xué)生親自貼應(yīng)變片，放置位移計(jì)等，最后分小組按照設(shè)計(jì)的加載方式進(jìn)行破壞試驗(yàn)。

2.3 用虛擬仿真系統(tǒng)教學(xué)

由于吉首大學(xué)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)中心尚未建設(shè)完成，實(shí)際實(shí)驗(yàn)條件受限，在學(xué)生人數(shù)眾多的情況下，實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師難以讓每一個(gè)人都清楚地了解實(shí)驗(yàn)的過程，特別是如何放置實(shí)驗(yàn)測(cè)量?jī)x器的細(xì)節(jié)。故學(xué)校開發(fā)了工程結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)虛擬仿真系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)學(xué)生自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)構(gòu)件制作、自行搭建實(shí)驗(yàn)環(huán)境及裝配實(shí)驗(yàn)儀器、自行動(dòng)手操作實(shí)驗(yàn)過程、觀察現(xiàn)象并記錄數(shù)據(jù)。它能讓每個(gè)學(xué)生參與進(jìn)來，達(dá)到較好的預(yù)習(xí)和理解實(shí)驗(yàn)的效果。

該系統(tǒng)可以方便地用Web端登錄，不需另外安裝客戶端，在登錄框中輸入姓名/學(xué)號(hào)之后，點(diǎn)擊“登錄”進(jìn)入。如圖1所示。經(jīng)過一系列參數(shù)設(shè)定，例如鋼筋強(qiáng)度、混凝土強(qiáng)度、箍筋間距等，就可以進(jìn)入虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，如圖2所示。然后根據(jù)自己設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行分級(jí)加載，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)會(huì)自動(dòng)生成Excel。

2.4 實(shí)驗(yàn)報(bào)告的改革

以往的實(shí)驗(yàn)報(bào)告由指導(dǎo)教師提供，格式統(tǒng)一，存在雷同現(xiàn)象。筆者要求學(xué)生采用開放形式的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，報(bào)告中一定要指出在前期分工階段自己的準(zhǔn)備工作和實(shí)驗(yàn)過程中的問題。例如有一次實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)了異?，F(xiàn)象，按指導(dǎo)書應(yīng)該產(chǎn)生正截面破壞的梁最后卻發(fā)生了斜截面破壞，學(xué)生通過分析鋼筋和水泥等級(jí)、構(gòu)件尺寸等參數(shù)，進(jìn)行理論計(jì)算，最終得到了滿意的解釋。這一過程能鍛煉學(xué)生主動(dòng)思考的能力和勇于挑戰(zhàn)的能力，讓學(xué)生明白“盡信書不如無書”的道理。

另一方面，要求學(xué)生用科技論文寫作格式去撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告，很多學(xué)生有一種“畏難”的情緒，不過通過詳細(xì)的格式講解，大部分學(xué)生都能夠自己主動(dòng)查資料去進(jìn)行撰寫。事實(shí)證明，由于學(xué)生的高參與度，大家都樂意把自己的成果以論文的形式展示出來，有些同學(xué)還做得非常好。比如能將中文摘要翻譯成英文，用Endnote快速插入文獻(xiàn)等，為以后繼續(xù)深造打下基礎(chǔ)。

2.5 考核方式的改革

成績(jī)與學(xué)生的利益息息相關(guān)，為了改變以往僅依靠實(shí)驗(yàn)報(bào)告“一刀切”的考核方法，評(píng)出真正能夠體現(xiàn)學(xué)生具體工作的成績(jī)，筆者在實(shí)踐過程中總結(jié)了以下內(nèi)容：

（1）新的考核方式由三部分組成，雨課堂系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)成績(jī)占20%，小組內(nèi)工作互評(píng)占20%，學(xué)生實(shí)驗(yàn)報(bào)告成績(jī)（根據(jù)個(gè)人答辯成績(jī)乘以修正系數(shù)）占60%。

（2）學(xué)生按實(shí)驗(yàn)分組進(jìn)行答辯，以PPT匯報(bào)的形式進(jìn)行。每個(gè)小組推選一名代表人進(jìn)行10分鐘的闡述，但每位成員也要上臺(tái)進(jìn)行各自工作的匯報(bào)，比如在購(gòu)買石子的過程中，在哪里買，如何進(jìn)行合理的級(jí)配劃分等，答辯評(píng)委根據(jù)個(gè)人的實(shí)際工作內(nèi)容進(jìn)行提問。主要提問內(nèi)容包括：實(shí)驗(yàn)前期準(zhǔn)備的工作、實(shí)驗(yàn)過程中儀器的使用和遇到的問題、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理等。

（3）學(xué)生實(shí)驗(yàn)報(bào)告的成績(jī)采用小組答辯和個(gè)人答辯相結(jié)合的方式，教師先根據(jù)答辯情況給出一個(gè)小組總分，然后根據(jù)個(gè)人答辯情況給予相應(yīng)的修正系數(shù)。

答辯成績(jī)優(yōu)秀乘以系數(shù)1.1（超過滿分按滿分計(jì)），答辯成績(jī)良好乘以系數(shù)1.0，答辯成績(jī)中等乘以系數(shù)0.85，答辯成績(jī)合格乘以系數(shù)0.7，答辯成績(jī)不合格乘以系數(shù)0.6。通過集體與個(gè)人成績(jī)的結(jié)合，能夠提高學(xué)生的合作意識(shí)，也能夠讓做了實(shí)事的同學(xué)在成績(jī)上有所體現(xiàn)，一定程度上減少了“渾水摸魚”的現(xiàn)象。

（4）教師評(píng)閱實(shí)驗(yàn)報(bào)告以后，將指導(dǎo)意見反饋給學(xué)生，學(xué)生根據(jù)意見修改實(shí)驗(yàn)報(bào)告，再次提交給教師。教師根據(jù)修改后的實(shí)驗(yàn)報(bào)告給出成績(jī)修正，對(duì)錯(cuò)誤修改得比較好的同學(xué)在原實(shí)驗(yàn)報(bào)告成績(jī)上提高10%。通過二次提交，能夠讓學(xué)生對(duì)自己的錯(cuò)誤有充分認(rèn)識(shí)，提高學(xué)生思考和解決問題的能力。

3 結(jié)語(yǔ)

在我校創(chuàng)建一流土木工程學(xué)科的背景下，全體土木老師不懈努力，改進(jìn)工程試驗(yàn)的教育教學(xué)方法，在學(xué)生中取得了不錯(cuò)的效果。通過問卷調(diào)查，學(xué)生對(duì)各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的理解明顯加深。通過自己參與試件制作的過程，極大地激發(fā)了學(xué)生的主觀能動(dòng)性，并且對(duì)相應(yīng)的理論課程有了更大的學(xué)習(xí)動(dòng)力，使混凝土結(jié)構(gòu)基本原理教材中枯燥的理論以直觀的形式展現(xiàn)出來，培養(yǎng)了學(xué)生的動(dòng)手能力和解決實(shí)際工程的能力。

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