信息化背景下土木工程專業(yè)實驗教學改革研究①

陳育志，賈慧娟，宣衛(wèi)紅

（金陵科技學院，江蘇 南京 211169）

隨著信息技術的迅猛發(fā)展，信息化已成為當今社會發(fā)展的大趨勢。在信息技術興起的同時，教育信息化概念應運而生。為加快推進教育信息化，各國教育部門和相關學者均積極開展理論研究與實踐。美國是最早嘗試信息技術整合的國家之一，2001 年，美國教育部開展了“信息技術對學習者發(fā)展的作用”的研究。研究表明，信息技術“有助于學習者與教師角色的轉(zhuǎn)變，能激發(fā)學習者的學習動機，增強自尊感，有益于掌握必備的技術技巧，能使學習者勝任更復雜的任務，有益于學習者加強與同伴的合作，提高學習者對外部資源的利用能力，提高了學習者的設計技巧，增強了關注對象的意識”[1]。

我國高等教育積極引進國外先進教育理念，如“慕課”“翻轉(zhuǎn)課堂”等。2012 年被稱之為“慕課元年”，而如今“慕課”在中國高校已經(jīng)非常流行，特別是2020 年以來，中國大學MOOC（慕課）平臺豐富的教學資源有力支撐了教師和學生的線上教學和學習。實驗教學作為高校教學的重要環(huán)節(jié)，近年來，教育部加強了對實驗教學工作和實驗教學信息化工作的宏觀指導?！督逃畔⒒臧l(fā)展規(guī)劃（2011—2020 年）》提出要利用先進的網(wǎng)絡和信息技術，整合資源，構(gòu)建先進、高效、實用的高等教育信息基礎設施，建設優(yōu)質(zhì)網(wǎng)絡課程、實驗系統(tǒng)及虛擬實驗室等，積極推進教學實驗平臺等信息化建設。

目前，我國大學教育不論是教師的教學還是學生的專業(yè)理論學習都取得了不錯的成績，但也存在一些不足之處，尤其是學生的創(chuàng)新和實踐能力亟須提高。當前時代和社會的不斷發(fā)展，在創(chuàng)新能力和創(chuàng)新意識方面對大學生提出了更高的要求，各高校都重視對學生進行創(chuàng)新和實踐能力的培養(yǎng)?；谛畔⒓夹g改革創(chuàng)新實驗教學，豐富實驗教學資源，革新實驗教學手段，進行以學生為主體的教學，打開學生的創(chuàng)新思路，調(diào)動學生專業(yè)創(chuàng)新的積極性，能夠更好地培養(yǎng)學生的創(chuàng)新科研意識和創(chuàng)新能力。

一、土木工程專業(yè)實驗教學現(xiàn)狀分析

實驗教學作為高校理工科專業(yè)學生培養(yǎng)過程中十分重要的一環(huán)，對學生深入理解理論知識、培養(yǎng)實踐技能和提高創(chuàng)新能力有著不可替代的作用[2]。土木工程具有十分鮮明的行業(yè)特點，實驗不僅能夠促進學生理解鞏固專業(yè)理論知識，更是學習專業(yè)技能的實踐過程，在土木工程專業(yè)人才培養(yǎng)中，實驗教學占有非常重要的地位。在基于OBE 教育理念的工程教育專業(yè)認證背景下，實驗教學要求越來越高，而土木工程專業(yè)傳統(tǒng)的實驗教學因?qū)嶒炇医ㄔO成本高，實驗消耗大、周期長、危險性高，缺乏全過程的實驗體驗，以及實驗教學師資力量不足等問題，實驗教學內(nèi)容和方法已經(jīng)不能滿足要求[3][4]。例如，因?qū)崢又苽湟约皩嶒灢僮鞑蝗菀?，在鋼筋混凝土梁彎曲實驗中學生大多僅針對單一混凝土強度等級和配筋試樣開展，難以通過實驗獲得不同混凝土強度等級、不同配筋、不同截面尺寸等參數(shù)對實驗結(jié)果的影響；土木工程結(jié)構(gòu)實驗課程中涉及的振動臺等大型設備，一般用于教師科研實驗，本科生很少有機會接觸到這些設備[5]；在土木工程材料課程的水泥凝結(jié)時間測定實驗中，學生通過維卡儀試針沉入試件深度來判斷水泥的初凝和終凝時間，但是僅通過實驗現(xiàn)象難以窺探水泥顆粒水化過程，學生知其然而不知其所以然。而現(xiàn)代信息技術的加入，使實驗教學可以克服時空上的很多困難，真正建立與互聯(lián)網(wǎng)教育時代相匹配的新模式。當前土木工程專業(yè)實驗教學信息化建設過于偏重單個虛擬仿真實驗項目的建設，已建的虛擬仿真實驗項目普遍存在功能較為單一、擴展性不強等問題，學生在實驗操作過程中僅能觀察到實驗過程，可操作性和體驗感不強，沒有充分挖掘虛擬仿真實驗的優(yōu)勢。另外，與信息化實驗教學相適應的信息化平臺還不完善，教學理念還停留在傳統(tǒng)實驗教學階段，遠未達到通過信息化實驗教學提高創(chuàng)新實踐能力的目標。

二、信息化背景下土木工程專業(yè)實驗教學改革內(nèi)容

土木工程專業(yè)信息化實驗教學改革不能局限于單一的理論知識點或單一實驗項目，必須借助信息技術實現(xiàn)實驗教學與專業(yè)發(fā)展更緊密的結(jié)合。以建立面向土木工程專業(yè)的信息化實驗教學體系為目標，遵循高等教育發(fā)展和現(xiàn)代人才培養(yǎng)的客觀規(guī)律，結(jié)合行業(yè)發(fā)展需要和學校特色，以現(xiàn)有的實驗室為基礎，以學生創(chuàng)新和實踐能力培養(yǎng)為引領，以建設開放度高、共享性強的優(yōu)質(zhì)信息化實驗教學資源為重點，通過強化教師信息化教學能力，建立信息化實驗教學平臺，堅持“虛實結(jié)合”的原則，以“立足教學、產(chǎn)學研融合”為教學理念，構(gòu)建多層次的信息化實驗教學體系，建立課內(nèi)課外一體化的人才培養(yǎng)體系，以提高人才培養(yǎng)質(zhì)量，提升行業(yè)服務水平和科研支撐能力。信息化背景下土木工程專業(yè)實驗教學改革內(nèi)容如圖1 所示。

（一）建立信息化實驗教學體系

土木工程專業(yè)信息化實驗教學改革應遵循高等教育人才培養(yǎng)的客觀規(guī)律，結(jié)合行業(yè)發(fā)展需要和學校特色，以現(xiàn)有的實驗室為基礎，以學生創(chuàng)新和實踐能力培養(yǎng)為引領，以“立足教學、產(chǎn)學研融合”為教學理念，構(gòu)建多層次的信息化實驗教學體系。

依據(jù)土木工程專業(yè)知識結(jié)構(gòu)和學習流程，結(jié)合教學資源的建設過程，建設專業(yè)基礎信息化實驗模塊、專業(yè)技術信息化實驗模塊以及科研與技術服務信息化實驗模塊。將實驗項目分為基礎訓練、提高訓練和創(chuàng)新訓練三個層次，開展分層分類教學，可根據(jù)人才培養(yǎng)的要求進行模塊化選擇組合，實現(xiàn)教學內(nèi)容的開放共享，可通過各個層次的實驗項目，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維與創(chuàng)新方法，提高工程實踐創(chuàng)新能力。

模塊Ⅰ——專業(yè)基礎信息化實驗教學

土木工程專業(yè)基礎性課程實驗，有利于夯實學生的專業(yè)基礎知識。采用虛擬仿真技術、多媒體技術、互聯(lián)網(wǎng)技術等多種手段，進行工程測量、土木工程材料和材料力學等課程實驗項目的開發(fā)和教學。

模塊Ⅱ——專業(yè)技術信息化實驗教學

專業(yè)技術信息化實驗教學是提升學生專業(yè)技術能力的重要途徑，主要涉及工程設計分析能力、工程管理能力和施工技術等方面。

模塊Ⅲ——科研與技術服務信息化實驗教學

結(jié)合學科建設和教師科研課題，開展面向科研和技術服務的信息化實驗教學，對提升學科水平和培養(yǎng)創(chuàng)新型人才具有重要意義。實驗項目主要涉及新型土木工程材料、結(jié)構(gòu)抗震加固、健康監(jiān)測等內(nèi)容。

（二）信息化實驗教學隊伍建設

實驗教學信息化首先要求實驗教師不僅要精通專業(yè)知識，還要熟悉信息技術。教師的專業(yè)能力決定了其對所教課程的知識點及重點、難點的認識程度，直接影響其設計的實驗項目的針對性，而教師的信息技術能力決定其能否基于信息技術設計出易于理解、便于操作的實驗項目。信息化教學能力是指在先進的教育教學理論指導下，教師利用計算機多媒體技術、虛擬仿真技術等現(xiàn)代信息技術開展教學的能力。但信息化教學的過程不是簡單的信息傳遞交流，實驗教學教師除了要掌握必要的信息技術能力，教學方法應注重探究、啟發(fā)、協(xié)作。所以，信息化實驗教學不僅是信息技術應用的推廣，更重要的是信息化教學能不斷促使產(chǎn)生科學的教學理念和方法。教師不僅要懂得如何應用信息技術開展實驗教學，還要轉(zhuǎn)變教學觀念，因為在信息技術環(huán)境下教師的角色由以往知識的傳授者變成學生學習的合作者和引導者。教師的主要任務是創(chuàng)建豐富的教學環(huán)境，幫助學生制訂適當?shù)膶W習目標，激發(fā)學生的學習動機。在繼承以往傳授式教學優(yōu)點的基礎上，利用信息技術的優(yōu)勢開展探究性教學、自主性教學以及合作性教學，實現(xiàn)教學方式的多樣化。緊密結(jié)合教學與科研，將科研理念、成果及方法融入實驗教學，提高學生的科學研究和科技創(chuàng)新能力。因此，通過專業(yè)培訓和自我學習提高教師利用先進信息技術的教學能力，進而善于利用信息技術轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)實驗教學模式，制訂與信息化實驗教學相適應的教學方案，包括實驗教學過程設計、實驗過程考核以及對實驗大綱、實驗指導書和實驗報告等實驗教學過程資料的修訂等，在信息技術支撐下改革實驗教學模式與方法，是推進實驗教學改革過程的關鍵。

（三）信息化管理和實驗教學平臺建設

教學與管理平臺泛指用于支撐教學與管理活動的基礎設施、資源、實驗平臺等，它為信息化實驗教學提供了硬件支撐環(huán)境和個性化的軟件管理平臺。通過信息化管理平臺，學生可以預約和預習實驗，在線提交實驗報告，進行提問和討論，教師可以在線規(guī)劃課程、管理學生、與學生討論交流[6]。

土木工程專業(yè)具有十分鮮明的行業(yè)特點，隨著技術不斷發(fā)展進步，工程結(jié)構(gòu)越來越大型化、復雜化，超高層建筑、特大型橋梁、復雜的地下空間結(jié)構(gòu)不斷涌現(xiàn)，要有效整合各類實驗教學資源，創(chuàng)建技術先進、功能集約、資源優(yōu)化、運行高效、虛實結(jié)合的實驗教學平臺和貼近實際、高度仿真的虛擬實驗環(huán)境，為學生自主學習、自主實驗和創(chuàng)新實踐創(chuàng)造條件。為高效管理實驗教學資源，實現(xiàn)校內(nèi)外更廣范圍的實驗教學資源共享，滿足多個學校和多門學科專業(yè)的信息化實驗教學需求，還要建設具有擴展性、兼容性、前瞻性的共享平臺[7]。信息平臺要擁有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)交換接口，實現(xiàn)各高校實驗教學資源的共享[8]。目前，國家虛擬仿真實驗教學項目共享服務平臺和江蘇省土木建筑虛擬仿真實驗教學共享平臺等國家和省級實驗平臺內(nèi)已建設了豐富的實驗教學資源，包括不同層次的實驗教學內(nèi)容，能夠有效提升學生對土木工程知識認識的深度和廣度。

三、結(jié)語

信息化教學改革是信息化技術與傳統(tǒng)教育教學的有機結(jié)合，二者取長補短、相輔相成，多層次、多維度地展現(xiàn)教學內(nèi)容，既有教師的啟發(fā)，又有信息化手段適時參與，多種教學形式交替能有效激發(fā)學生的學習興趣，提高注意力，使學生保持積極主動的學習狀態(tài)，從而達到提高教學效率和質(zhì)量的目的。

實驗教學是學生進一步吸收專業(yè)知識和提高實踐能力的必要途徑。土木工程專業(yè)是對實踐能力要求很高的專業(yè)，建筑結(jié)構(gòu)逐漸呈現(xiàn)出體量大、結(jié)構(gòu)形式復雜、施工周期長等特點，傳統(tǒng)的實驗教學手段已難以滿足新時代人才培養(yǎng)的要求。采用信息技術進行土木工程專業(yè)實驗教學能有效解決傳統(tǒng)教學手段所面臨的技術問題，但實驗教學信息化改革不能局限于信息技術手段的簡單應用，要更加注重信息化教學模式的改進，通過虛擬仿真技術將實驗教學內(nèi)容向廣度和深度推進，真正發(fā)揮信息技術在實驗教學中的作用。

本文結(jié)合信息技術的特征與優(yōu)勢對土木工程專業(yè)實驗教學改革的內(nèi)容和實施方式進行了較為具體的梳理，對教師利用現(xiàn)代信息技術優(yōu)勢改進實驗教學具有一定的指導意義。