新工科視角下的土木工程校內(nèi)實踐平臺構(gòu)建與應(yīng)用

黃洪猛，王春芬，魏相君，姜艷軍

(西北民族大學(xué) 土木工程學(xué)院,甘肅 蘭州 730030)

世界范圍內(nèi)新一輪的科技和產(chǎn)業(yè)革命正在驅(qū)動新經(jīng)濟的形成與發(fā)展，對高等工程教育的變革發(fā)展提出了新的挑戰(zhàn)，為主動適應(yīng)和引領(lǐng)新經(jīng)濟，需加快發(fā)展和建設(shè)新工科[1].“復(fù)旦共識”[2]探討了新工科的內(nèi)涵特征及新工科建設(shè)與發(fā)展的路徑選擇.“天大行動”[3]為培養(yǎng)造就一大批多樣化、創(chuàng)新型卓越工程科技人才提出了具體措施.探析美國工程倫理教育的發(fā)展歷程及特點，對我國新工科建設(shè)有一定的啟示作用[4].新工科的建設(shè)要在傳統(tǒng)工科專業(yè)的基礎(chǔ)上實現(xiàn)注入式教學(xué)向任務(wù)和項目驅(qū)動式教學(xué)轉(zhuǎn)變，以工程創(chuàng)新能力為核心，實現(xiàn)理論課程教學(xué)與工程實驗實踐相結(jié)合的人才培養(yǎng)模式[5].為適應(yīng)新工科的發(fā)展要求，有必要加強學(xué)生學(xué)科交叉意識和科研能力的培養(yǎng)，拓寬學(xué)生的知識面[6]，同時要凝練辦學(xué)特色，深化產(chǎn)學(xué)融合、校企合作、協(xié)同育人，培養(yǎng)大批應(yīng)用型和技術(shù)技能型人才，改革培養(yǎng)機制，強化實習(xí)實訓(xùn)，以學(xué)生為中心，充分利用虛擬仿真等技術(shù)創(chuàng)新工程實踐教學(xué)方式.

土木工程專業(yè)實踐性很強，在掌握系統(tǒng)的工程理論知識基礎(chǔ)上，更需要較強的工程思維和動手實踐能力，但由于土木工程實踐的特殊性，無法將實踐能力的培養(yǎng)完全放在工程現(xiàn)場[7].實踐能力、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)是工程教育的一項重要內(nèi)容，為滿足新工科視角下土木工程專業(yè)實踐能力、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，高校在積極建設(shè)滿足培養(yǎng)需求的各類實踐平臺.比如虛擬創(chuàng)新實踐平臺或數(shù)值仿真專業(yè)實踐平臺[8-10]、滿足專業(yè)需求的校內(nèi)實踐創(chuàng)新平臺[11]、應(yīng)用技術(shù)型的實踐教學(xué)體系[12]、以創(chuàng)新能力為核心的土木工程實踐教學(xué)體系[13]、培養(yǎng)土木工程卓越工程師的實踐教學(xué)模式[14].中南大學(xué)以塑造5種工程核心能力為目標(biāo)，基于開放式實踐教育理念打造了3個層次實踐教育平臺，形成了完善的土木工程專業(yè)實踐教育體系[15].由此可以看出工程科學(xué)應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力培養(yǎng)、實踐教學(xué)體系構(gòu)建已成為各高校培養(yǎng)機制改革的重要方面，也是適應(yīng)新工科發(fā)展的重要體現(xiàn).

本研究結(jié)合專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)和學(xué)校辦學(xué)特點，在知識、能力、素質(zhì)的結(jié)構(gòu)框架和運行組織方式方面進行改革.西北民族大學(xué)土木工程學(xué)院在傳統(tǒng)工科教育的基礎(chǔ)上，積極創(chuàng)造條件，通過實踐訓(xùn)練，既加強了學(xué)生的理論知識和實踐能力，又培育人文素養(yǎng)和促進個性發(fā)展.把各種基本素質(zhì)教育和實踐訓(xùn)練融合起來，使學(xué)生素質(zhì)得到最大幅度的提高，培養(yǎng)學(xué)生將所學(xué)知識轉(zhuǎn)化為社會服務(wù)的能力，提高學(xué)生的創(chuàng)業(yè)能力和競爭力，進而實現(xiàn)把學(xué)生培養(yǎng)成為面向現(xiàn)代化、面向世界、面向未來的德智體美勞全面發(fā)展的新型建設(shè)者.

1 實踐平臺的構(gòu)建思路

在現(xiàn)階段高校學(xué)生實踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)是工程教育的重點，實踐平臺能夠為學(xué)生施展個人特長、接受新知識和發(fā)揮創(chuàng)新能力提供空間[16].學(xué)生工作態(tài)度和實踐能力的培養(yǎng)僅靠課堂理論教學(xué)是難以實現(xiàn)的，應(yīng)充分考慮學(xué)生的年齡特點和成才需求，通過工程認(rèn)知、實訓(xùn)項目、技術(shù)研發(fā)等形式，培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、工程實踐能力和創(chuàng)新精神.從培養(yǎng)、強化學(xué)生工程實踐能力及創(chuàng)新能力的角度，急需構(gòu)建土木工程專業(yè)校內(nèi)實踐平臺，旨在為本科教學(xué)提供實習(xí)實訓(xùn)條件，促進學(xué)生實踐能力和創(chuàng)新能力教育的開展，加強校企共同育人和技術(shù)交流，增強交叉學(xué)科知識的學(xué)習(xí)，進一步適應(yīng)創(chuàng)新型工程科技人才教育的需求.

為滿足課程實驗、軟件實訓(xùn)等基本要求，創(chuàng)建結(jié)構(gòu)實驗室、測量實驗室、土力學(xué)實驗室、材料力學(xué)實驗室、建筑材料實驗室、結(jié)構(gòu)軟件實驗室、原位技術(shù)實驗室等基礎(chǔ)性實驗室.校內(nèi)實踐平臺建設(shè)則以結(jié)構(gòu)設(shè)計、施工、工程機械維護、檢測、試驗、學(xué)科競賽等為興趣點，面向土木工程專業(yè)學(xué)生，引導(dǎo)學(xué)生綜合利用所學(xué)知識，使學(xué)生學(xué)以致用.結(jié)合工程實踐的特點及學(xué)院所處地理位置的限制，構(gòu)建工程圖學(xué)、工程力學(xué)與結(jié)構(gòu)、巖土樣本與地質(zhì)等模型展示平臺、靜動載結(jié)構(gòu)試驗實訓(xùn)平臺、自平衡多點加載試驗平臺、混凝土結(jié)構(gòu)原型試驗和科研實訓(xùn)平臺、混凝土無損檢測實訓(xùn)平臺、工程臨建結(jié)構(gòu)實訓(xùn)平臺，同時融入交叉學(xué)科知識，構(gòu)建了工程機械應(yīng)用及維護實訓(xùn)平臺.在本科生的培養(yǎng)中，充分利用實踐平臺開展實驗訓(xùn)練、實踐教學(xué)、專業(yè)學(xué)科競賽等活動，提高學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力，實現(xiàn)理論與實踐相結(jié)合.通過校企合作，加強教師與企業(yè)間的技術(shù)交流.根據(jù)校內(nèi)創(chuàng)建的實踐平臺邀請企業(yè)專業(yè)技術(shù)人員到學(xué)校對學(xué)生進行實踐培訓(xùn)，提高學(xué)生的實踐能力.在教研活動中，建立人才培養(yǎng)的產(chǎn)學(xué)研結(jié)合模式，彌補學(xué)生實踐能力的不足，促成個性化教育的開展，指導(dǎo)學(xué)生的后期學(xué)習(xí).從社會需求和工程教育等方面，實踐平臺的建成，能拓展實踐教學(xué)內(nèi)容，適應(yīng)專業(yè)培養(yǎng)對師資和設(shè)備場地的需求，提高實習(xí)效率，節(jié)省部分實訓(xùn)環(huán)節(jié)中的經(jīng)費，保障實訓(xùn)安全.

2 搭建實踐平臺及應(yīng)用

2.1 工程圖學(xué)模型展示平臺

工程制圖課程傳統(tǒng)的教學(xué)模式是從二維到三維再到二維，學(xué)習(xí)起來比較困難.工程圖學(xué)實體模型涉及畫法幾何及工程制圖實體教具，為工程圖學(xué)提供貫穿立體投影、軸測圖、三視圖、剖視圖和螺紋聯(lián)接等多項內(nèi)容的綜合實體教學(xué)模型.教學(xué)實踐表明，通過工程形體的實體模型演示，把形體的抽象、靜止的內(nèi)容轉(zhuǎn)換成形象、生動的立體模型圖，采用先三維、后二維、再三維的模式進行教學(xué)，收到良好的教學(xué)效果.

2.2 巖土樣本與地質(zhì)模型展示平臺

結(jié)合理論教學(xué)，使學(xué)生初步建立各種產(chǎn)狀的巖層、褶皺、斷裂等地質(zhì)構(gòu)造的立體概念.同時通過觀察各類靜態(tài)和半動態(tài)地質(zhì)模型，使學(xué)生能形象地認(rèn)識地質(zhì)構(gòu)造空間要素、性質(zhì)、形態(tài)類型及其相互關(guān)系和力學(xué)分析的基本知識，有助于學(xué)生在分析地質(zhì)圖時將平面和立體集合起來，推斷構(gòu)造的三維分布特征，訓(xùn)練學(xué)生的空間思維能力.巖土樣本與地質(zhì)模型展示平臺為開放性平臺，向?qū)Φ刭|(zhì)學(xué)感興趣的學(xué)生全面開放.

2.3 結(jié)構(gòu)模型展示平臺

從培養(yǎng)學(xué)生對結(jié)構(gòu)模型的興趣入手，通過結(jié)構(gòu)模型設(shè)計與制作教育，使學(xué)生掌握最基本的學(xué)科領(lǐng)域的研究方法和思想體系，并能憑借這些方法和思維模式來獲得相關(guān)工程知識，開拓學(xué)生的設(shè)計思維，形成大工程觀、大應(yīng)用觀的學(xué)習(xí)理念，提高學(xué)生對結(jié)構(gòu)模型的設(shè)計能力，開拓學(xué)生的設(shè)計思維，并使學(xué)生能獨立完成模型的制作任務(wù)，具備一定的設(shè)計與操作能力.

2.4 靜動載實驗結(jié)構(gòu)模型及自平衡多點加載裝置

根據(jù)工程教育認(rèn)證要求，以儀器設(shè)備為工具，利用各種試驗技術(shù)為手段，在荷載或其他因素作用下，通過測試與結(jié)構(gòu)工作性能有關(guān)的各種參數(shù)，從強度、剛度以及結(jié)構(gòu)的動力性能等各個方面來判斷結(jié)構(gòu)的實際工作性能，估計結(jié)構(gòu)的可靠性，確定結(jié)構(gòu)對使用要求的符合程度，并用以檢驗和發(fā)展結(jié)構(gòu)的計算理論.通過自制靜動載綜合試驗平臺，改善工程結(jié)構(gòu)試驗條件，提高結(jié)構(gòu)靜動載試驗質(zhì)量.

在教學(xué)、科研工作中，經(jīng)常需要在結(jié)構(gòu)模型上做各種力學(xué)性能試驗.這類實驗的特點是荷載數(shù)值不大，但試件承載形式多樣，或者設(shè)備加載次數(shù)頻繁,往往是大型設(shè)備用不上，簡單的加載設(shè)備或方法又不能滿足要求.針對此種情況用AVR單片機ATMega128來采集荷載數(shù)據(jù)，進而同時控制多路電動缸產(chǎn)生拉壓動作.多點同步加載及控制系統(tǒng)可靠高效，控制方便，加載精度高，可根據(jù)具體的實驗要求進行復(fù)雜結(jié)構(gòu)多點同步加載，滿足相關(guān)教學(xué)試驗或科研訓(xùn)練項目中復(fù)雜結(jié)構(gòu)受力行為的加載工作，該系統(tǒng)拓展后還可進一步應(yīng)用于現(xiàn)場實驗和科學(xué)研究工作.

2.5 工程臨建結(jié)構(gòu)實訓(xùn)場地

臨建結(jié)構(gòu)是工程建設(shè)過程中不可或缺的施工用重要結(jié)構(gòu)，現(xiàn)實工程中因臨時結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理或者結(jié)構(gòu)承載力不足造成的工程事故屢見不鮮，因此在校期間要培養(yǎng)學(xué)生樹立責(zé)任意識，加強對臨建結(jié)構(gòu)的認(rèn)識和應(yīng)用.在施工課程教學(xué)、生產(chǎn)實習(xí)和畢業(yè)實習(xí)指導(dǎo)的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)場工程實際，強化和深化學(xué)生的理論基礎(chǔ)知識，拓展學(xué)生的知識面.結(jié)合校企聯(lián)合、協(xié)同育人的理念.在企業(yè)技術(shù)骨干人員及指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下，以施工常用臨時結(jié)構(gòu)設(shè)施為載體，通過實踐訓(xùn)練完成現(xiàn)場實操，使得學(xué)生對臨時結(jié)構(gòu)搭建、組裝過程中出現(xiàn)的問題、注意的事項有直觀的把握，也為今后工作中對臨時結(jié)構(gòu)的設(shè)計做好鋪墊和積累經(jīng)驗，進一步提高學(xué)生解決問題、溝通表達、團隊合作等多方面的能力.

2.6 工程機械應(yīng)用及維護實訓(xùn)平臺

新工科視角的土木工程學(xué)科發(fā)展，勢必要與其他交叉學(xué)科進行融合，土木工程專業(yè)的學(xué)生在未來的職業(yè)生涯中會涉及電氣、機械等學(xué)科的相關(guān)知識，在校內(nèi)搭建工程機械應(yīng)用及維護實訓(xùn)平臺，邀請企業(yè)技術(shù)骨干人員指導(dǎo)學(xué)生完成完整項目的實踐，比如工程機械拆卸、安裝等，可以拓展學(xué)生的知識面，強化交叉學(xué)科知識的融合和應(yīng)用，開展研究性學(xué)習(xí)活動，使學(xué)生從中獲得創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)、解決問題、溝通表達、團隊合作等多方面能力的提高，促進土木工程產(chǎn)學(xué)研結(jié)合機制的發(fā)展.

2.7 結(jié)構(gòu)原型及混凝土結(jié)構(gòu)無損檢測實訓(xùn)平臺

隨著基礎(chǔ)設(shè)施的不斷建設(shè)和在役基礎(chǔ)設(shè)施時間的延長，結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和安全日益獲得重視.以無損檢測技術(shù)為代表的現(xiàn)代檢測、測試技術(shù)越來越得到廣泛關(guān)注和應(yīng)用，其涉及的知識領(lǐng)域眾多，對理論和實際能力要求高，使得相關(guān)人員的培養(yǎng)一直不能滿足行業(yè)的需求.

為了更好地培養(yǎng)理論知識和實踐能力相結(jié)合的應(yīng)用型人才，更好地服務(wù)于交通及建筑行業(yè)，也為適應(yīng)教學(xué)與工程實踐相結(jié)合，滿足教師和學(xué)生的科研需求，在學(xué)院原位實驗室場地搭建了結(jié)構(gòu)物原型認(rèn)知平臺(梁墩結(jié)構(gòu)原型、軌道實物模型等)、應(yīng)力波法檢測混凝土結(jié)構(gòu)的科研和試驗平臺、混凝土結(jié)構(gòu)和基樁無損檢測平臺.實踐平臺的建設(shè)為學(xué)生提供學(xué)習(xí)和實訓(xùn)的場地，強化學(xué)生對理論知識在直觀上的認(rèn)知，培訓(xùn)和應(yīng)用現(xiàn)代檢測技術(shù)，以適應(yīng)未來社會發(fā)展對工程人員的技術(shù)需求，也為行業(yè)檢測人員的培訓(xùn)、新技術(shù)的展示和開發(fā)提供了試驗場地和條件.

2.8 創(chuàng)新實踐平臺

根據(jù)大學(xué)生的興趣點和愛好，結(jié)合本科生科研創(chuàng)新訓(xùn)練項目，我校土木工程學(xué)院與創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)學(xué)院聯(lián)合建立建筑結(jié)構(gòu)及模型創(chuàng)新實踐工作室，為學(xué)生提供創(chuàng)新實踐平臺.指定教師專門負(fù)責(zé)聯(lián)絡(luò)和管理創(chuàng)新實踐工作室，積極吸納工作室學(xué)生的需求和建議，不斷發(fā)展、完善工作室的各項工作，盡可能滿足學(xué)生創(chuàng)新和實踐要求.邀請企業(yè)骨干技術(shù)人員及項目指導(dǎo)教師深入工作室開展技術(shù)交流和理論知識輔導(dǎo).工作室實行可持續(xù)性管理和發(fā)展，即由高年級優(yōu)秀學(xué)生帶動、培訓(xùn)低年級學(xué)生，每一年級逐級持續(xù)發(fā)展.目前工作室開展的主要實踐項目包括與全國大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽對應(yīng)的結(jié)構(gòu)模型設(shè)計與制作、與全國大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計信息技術(shù)大賽對應(yīng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計信息技術(shù)訓(xùn)練與模擬、工程制圖與識圖、周培源力學(xué)競賽、混凝土材料大賽等.創(chuàng)新實踐平臺的搭建在滿足大學(xué)生創(chuàng)新實踐項目需求的基礎(chǔ)上，能夠提升創(chuàng)新人才培養(yǎng)質(zhì)量，進而激發(fā)學(xué)生的積極性、主動性和創(chuàng)造性，提高學(xué)生的自我學(xué)習(xí)能力、科研能力、實踐能力及團隊協(xié)作能力.

3 成效及經(jīng)驗

3.1 申請獲批的項目及取得的成果

以土木工程校內(nèi)實踐平臺和基礎(chǔ)性實驗室資源為支撐，近3年來，申請獲批國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目14項(67位學(xué)生參與)，西北民族大學(xué)本科生科研創(chuàng)新項目9項(47位學(xué)生參與)，西北民族大學(xué)實驗室開放項目30項(學(xué)生參與346人次).

以土木工程校內(nèi)實踐平臺為基礎(chǔ)，聯(lián)合企業(yè)技術(shù)骨干和指導(dǎo)老師，在校企合作、產(chǎn)學(xué)融合、協(xié)同育人的理念驅(qū)使下，深化技術(shù)交流和實踐指導(dǎo)，取得了一系列創(chuàng)新實踐成果.近3年來主要有：甘肅省大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽二等獎2項、三等獎1項；第二屆全國交通運輸職業(yè)教育無損檢測技能大賽一等獎1項、二等獎1項、三等獎3項；第十二屆“高教杯”全國大學(xué)生先進成圖技術(shù)與產(chǎn)品信息建模大賽三等獎4項；全國周培源大學(xué)生力學(xué)競賽(甘肅賽區(qū))一等獎1項、三等獎8項；第二屆全國大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計信息技術(shù)大賽特等獎1項、一等獎2項、二等獎和三等獎各1項.

3.2 經(jīng)驗總結(jié)

1) 搭建校內(nèi)實踐平臺，提升了教學(xué)硬件設(shè)施質(zhì)量 參照工程教育需求，為減小教學(xué)與工程應(yīng)用之間的差距，在整合學(xué)院實驗室資源的基礎(chǔ)上，利用教學(xué)樓中廳、結(jié)構(gòu)大廳及原位實驗室等場地，搭建認(rèn)知、實訓(xùn)及實習(xí)平臺.實訓(xùn)平臺的內(nèi)容涉及工程教育的多個環(huán)節(jié)，通過實物展示對照、實做訓(xùn)練等形式，提升了學(xué)生分析和解決復(fù)雜工程問題的能力，提高實習(xí)效率，節(jié)省交通及野外開支.

2) 校企聯(lián)合，實現(xiàn)共同育人模式 結(jié)合專業(yè)建設(shè)目標(biāo)，聘請企業(yè)及研發(fā)單位技術(shù)人員進行技術(shù)交流指導(dǎo)，從工程概念、仿真、試驗檢測、專題研究、施工技術(shù)等角度，借助實訓(xùn)平臺，針對不同年級的學(xué)生，在校外技術(shù)人員、課題組教師指導(dǎo)下，分項目進行實踐訓(xùn)練，就復(fù)雜工程問題，與業(yè)界同行進行有效的溝通和交流.

3) 實踐實訓(xùn)，培養(yǎng)了學(xué)生實踐能力 根據(jù)專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)，兼顧學(xué)生各學(xué)習(xí)階段的特點，激發(fā)學(xué)生對專業(yè)的興趣，培養(yǎng)學(xué)生的工程素質(zhì)，以開展“工程模型認(rèn)知”、“工程結(jié)構(gòu)無損檢測綜合分析技術(shù)”、“工程結(jié)構(gòu)承載力及損傷識別方法”、“工程機械與技術(shù)應(yīng)用”、“結(jié)構(gòu)施工支護及防護技術(shù)”等實訓(xùn)內(nèi)容為主線，培養(yǎng)了學(xué)生對復(fù)雜工程問題解決方案和復(fù)雜工程模擬及預(yù)測的實踐能力.

4 結(jié)語

土木工程是技術(shù)性、實踐性很強的一門學(xué)科，通過搭建校內(nèi)實踐平臺，可以強化實習(xí)實訓(xùn)，提升學(xué)生的工程技術(shù)應(yīng)用能力和創(chuàng)新實踐能力，也適應(yīng)新工科建設(shè)和發(fā)展的要求.以校內(nèi)實踐平臺為載體，可以加強企業(yè)與學(xué)校之間的合作和技術(shù)交流，實現(xiàn)校企聯(lián)合、產(chǎn)學(xué)融合、協(xié)同育人的目標(biāo).學(xué)生以校內(nèi)實踐平臺為基礎(chǔ)，參與教師科研、申報創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實踐訓(xùn)練項目、備戰(zhàn)學(xué)科競賽，實現(xiàn)理論與實踐相結(jié)合，提升了創(chuàng)新人才培養(yǎng)質(zhì)量，激發(fā)了學(xué)生的積極性、主動性，提高了學(xué)生的自我學(xué)習(xí)能力、科研能力、實踐能力及團隊協(xié)作能力.校內(nèi)實踐平臺的搭建能夠有效帶動學(xué)科和專業(yè)的發(fā)展，提升人才培養(yǎng)質(zhì)量.