面向“新工科”的“土木工程結(jié)構(gòu)試驗”課程體系建設(shè)與改革

鄭緯奇 朱志輝 劉曉春

1.中南大學(xué)土木工程學(xué)院 湖南長沙 410075；2.高速鐵路建造技術(shù)國家工程研究中心 湖南長沙 410075

1 概述

“新工科”針對新興專業(yè)，以工業(yè)智能化為核心，開展適應(yīng)未來產(chǎn)業(yè)發(fā)展的工程教育教學(xué)改革，培養(yǎng)滿足未來新產(chǎn)業(yè)需要、具有創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力、動態(tài)適應(yīng)能力、高素質(zhì)的交叉復(fù)合型卓越工程科技人才[1-2]。“新工科”是基于國家戰(zhàn)略發(fā)展新需求、國際競爭新形勢、創(chuàng)新人才培養(yǎng)新要求提出的工程教育改革方向，“新工科”的建設(shè)為我國高等工程教育改革帶來了重大機遇[3-4]。土木工程專業(yè)作為傳統(tǒng)工科之一，結(jié)合“新工科”的建設(shè)要求，為滿足行業(yè)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展培養(yǎng)新型人才是最重要、最核心的任務(wù)[5-6]。其中，人才培養(yǎng)的專業(yè)體系建設(shè)至關(guān)重要。

“結(jié)構(gòu)試驗”作為土木工程專業(yè)基礎(chǔ)課之一，目標(biāo)是提升學(xué)生分析和解決問題的能力，助力培養(yǎng)學(xué)科交叉復(fù)合型卓越工程科技人才。目前，人工智能、大數(shù)據(jù)、信息技術(shù)等產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，相關(guān)技術(shù)的發(fā)展帶來了土木工程結(jié)構(gòu)試驗技術(shù)的更新?lián)Q代，為土木工程結(jié)構(gòu)試驗注入新的發(fā)展活力[7]。由此，緊密結(jié)合新興技術(shù)和行業(yè)需求，面向“新工科”建設(shè)要求，從“土木工程結(jié)構(gòu)試驗”課程體系建設(shè)入手，結(jié)合學(xué)生應(yīng)具備的工程能力，探索適應(yīng)新形勢人才培養(yǎng)理念的“土木工程結(jié)構(gòu)試驗”課程體系，建設(shè)特色一流專業(yè)課程，培養(yǎng)高素質(zhì)專業(yè)人才。

2 面向“新工科”的“土木工程結(jié)構(gòu)試驗”課程體系建設(shè)

本節(jié)以中南大學(xué)土木工程專業(yè)課程“結(jié)構(gòu)試驗”為依托，總結(jié)其多層次、多場景的課程體系建設(shè)經(jīng)驗，及以任務(wù)式為主線的試驗課程模式，為“土木工程結(jié)構(gòu)試驗”課程面向“新工科”建設(shè)提供參考。

2.1 課堂教學(xué)

課堂教學(xué)的任務(wù)是試驗基礎(chǔ)理論教育，主要針對“結(jié)構(gòu)試驗”的基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)[8]，包括結(jié)構(gòu)試驗的發(fā)展概述、加載測試技術(shù)及儀器設(shè)備、結(jié)構(gòu)靜載試驗、結(jié)構(gòu)動載試驗、結(jié)構(gòu)無損檢測技術(shù)、結(jié)構(gòu)試驗數(shù)據(jù)處理等。通過課堂展示結(jié)構(gòu)試驗的組織流程，將材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、結(jié)構(gòu)設(shè)計原理等內(nèi)容與結(jié)構(gòu)試驗深度融合，使各專業(yè)課基礎(chǔ)知識融會貫通，培養(yǎng)學(xué)生的宏觀思考能力和知識遷移能力，并為試驗實操奠定良好的理論基礎(chǔ)。

2.2 試驗實操

試驗實操分多場景、多主題、多層次開展，按培養(yǎng)目標(biāo)循序漸進，逐步深入。試驗實操主要包括基本實驗技能、經(jīng)典試驗重現(xiàn)、試驗結(jié)合行業(yè)特色以及無損檢測技術(shù)應(yīng)用等。

2.2.1 基本試驗技能培養(yǎng)

熟練掌握基本實驗技能是開展“土木工程結(jié)構(gòu)試驗”的基本要求之一。本課程在理論基礎(chǔ)知識教學(xué)的基礎(chǔ)上，進一步對學(xué)生的基本試驗實操技能進行培養(yǎng)。本課程中基本實驗技能培養(yǎng)環(huán)節(jié)主要包括電阻應(yīng)變片的粘貼實操和靜態(tài)應(yīng)變儀接橋練習(xí)。

電阻應(yīng)變片的粘貼實操要求學(xué)生了解電阻應(yīng)變片的工作原理，掌握電阻應(yīng)變片粘貼的標(biāo)準(zhǔn)流程，提煉試驗實操過程的關(guān)鍵注意事項，并動手完成電阻應(yīng)變片的粘貼和測試；靜態(tài)應(yīng)變儀接橋練習(xí)要求學(xué)生了解電阻應(yīng)變儀的構(gòu)造和各類電橋的測試原理，掌握各類電橋橋路的接橋方式，理解溫度補償片的布置方式和作用，并結(jié)合等強度梁結(jié)構(gòu)，在電阻應(yīng)變儀上進行不同接橋方式的結(jié)構(gòu)應(yīng)變測試，并與理論計算結(jié)果進行對比，體驗試驗測試的過程，培養(yǎng)試驗實操技能和興趣。

2.2.2 經(jīng)典結(jié)構(gòu)試驗重現(xiàn)

在學(xué)生掌握基本試驗技能的基礎(chǔ)上，結(jié)合課堂教學(xué)中試驗組織等相關(guān)內(nèi)容，對“土木工程結(jié)構(gòu)試驗”中的經(jīng)典案例進行試驗重現(xiàn)，并對比分析試驗結(jié)果與理論值，以培養(yǎng)學(xué)生提出問題、分析問題和解決問題的能力。在本課程中，考慮到試驗場地、加載條件和學(xué)生知識儲備等，以簡支梁靜載試驗為典型案例，分為鋼桁簡支梁靜載力學(xué)性能試驗和混凝土簡支梁靜載破壞試驗，如圖1所示。

(a)鋼桁梁

(b)混凝土梁圖1 簡支梁靜載試驗

在鋼桁簡支梁靜載試驗中，主要關(guān)注鋼桁梁在彈性工作階段分級加載過程中關(guān)鍵斷面的應(yīng)變和變形值，并根據(jù)荷載傳感器記錄的實際加載值，計算出其相應(yīng)的理論解，整理結(jié)果并繪制關(guān)鍵桿件截面的荷載—應(yīng)變曲線、測點的荷載—撓度曲線以及各級荷載作用下鋼桁梁的整體撓度曲線。對于混凝土簡支梁靜載破壞試驗不僅要關(guān)注其荷載—應(yīng)變曲線、測點的荷載—撓度曲線以及各級荷載作用下整體撓度曲線，而且要重點關(guān)注跨中截面應(yīng)變及梁體裂縫分布，并可依據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》(GB50204—2015)對混凝土梁的性能做出合理評定。由此，加深學(xué)生對經(jīng)典結(jié)構(gòu)試驗的相關(guān)認(rèn)識，分析各類試驗現(xiàn)象的產(chǎn)生原因，學(xué)習(xí)試驗結(jié)果的修正方法，培養(yǎng)學(xué)生舉一反三、知識遷移能力。

2.2.3 試驗結(jié)合行業(yè)特色模式

動力特性測試是“土木工程結(jié)構(gòu)試驗”的重要內(nèi)容之一。眾所周知，引起工程結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)的輸入荷載豐富多樣，包括活載、風(fēng)、地震等。緊密結(jié)合中南大學(xué)土木工程專業(yè)鐵路行業(yè)特色，本課程中設(shè)計制作了軌道交通試驗測試梁和軌道小車，如圖2所示。基于此，可開展多工況動力性能測試試驗，要求學(xué)生學(xué)習(xí)編制結(jié)構(gòu)動載試驗計劃，熟悉動態(tài)測試儀器系統(tǒng)，熟練掌握結(jié)構(gòu)動力系數(shù)的測定方法及結(jié)構(gòu)動力特性的測試方法，理解典型試驗現(xiàn)象及其產(chǎn)生機制，并完成動載試驗數(shù)據(jù)整理和報告編寫。

圖2 試驗測試梁(mm)

依托上述試驗測試梁和軌道小車，在軌道小車上配置偏心質(zhì)量塊，可實現(xiàn)多車速、多激振荷載級下的車致橋梁結(jié)構(gòu)振動試驗研究。此外，可采用多種測試方法，如自由振動法、共振法等，測試橋梁結(jié)構(gòu)的動力特性參數(shù)，典型試驗場景如圖3所示。結(jié)構(gòu)動力特性試驗結(jié)合鐵路行業(yè)特色，可加深學(xué)生對于相關(guān)專業(yè)知識的認(rèn)知，并激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)和探索興趣，提升其對于本專業(yè)的認(rèn)同感。

圖3 結(jié)構(gòu)動力特性測試試驗

2.2.4 無損檢測技術(shù)

無損檢測技術(shù)廣泛應(yīng)用于土木工程結(jié)構(gòu)試驗與檢測中，是結(jié)構(gòu)試驗的重要補充，涉及多學(xué)科交叉應(yīng)用，不同于傳統(tǒng)測試傳感器等單點測試設(shè)備，無損檢測往往可通過某專業(yè)測試裝備獨立完成檢測，并進行結(jié)構(gòu)評估。本課程中無損檢測技術(shù)主要包括回彈法、超聲法等技術(shù)手段，要求學(xué)生掌握混凝土超聲儀、回彈儀、鋼筋位置測定儀的使用方法，了解超聲回彈綜合法檢測混凝土強度的要求；掌握回彈法及超聲回彈綜合法檢測混凝土強度的基本原理，熟悉鋼筋位置和保護層厚度的測定方法；理解超聲法測混凝土結(jié)構(gòu)缺陷的基本原理和測試方法，并開展各類無損檢測設(shè)備的實操應(yīng)用；熟悉相關(guān)國家規(guī)范和技術(shù)規(guī)程，掌握工程結(jié)構(gòu)試驗檢測流程，編寫試驗分析報告，培養(yǎng)并提升學(xué)生的專業(yè)素養(yǎng)。

3 面向“新工科”的“土木工程結(jié)構(gòu)試驗”課程改革

3.1 結(jié)合虛擬仿真，增進課程體驗

虛擬仿真是“土木工程結(jié)構(gòu)試驗”模擬分析的重要技術(shù)手段之一，數(shù)值模擬等虛擬仿真方法可有效重現(xiàn)土木工程結(jié)構(gòu)試驗的整個過程，并可對關(guān)鍵試驗現(xiàn)象進行反演，提升相關(guān)試驗現(xiàn)象的展示度和學(xué)生的試驗參與感[9]。虛擬試驗仿真平臺可作為學(xué)生進行試驗實操的學(xué)習(xí)資料，指導(dǎo)學(xué)生試驗預(yù)習(xí)和課后復(fù)習(xí)，能夠快捷有效地傳達(dá)結(jié)構(gòu)試驗的關(guān)鍵信息，增進試驗課程體驗，鞏固試驗學(xué)習(xí)效果。

以混凝土簡支梁靜載破壞試驗為例，對虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用進行介紹?；炷梁喼Я红o載試驗中，隨著試驗加載荷載的增大，混凝土梁逐步由彈性狀態(tài)到塑性狀態(tài)直至破壞，各個試驗階段表現(xiàn)出顯著不同的試驗現(xiàn)象。目前，學(xué)生在本科階段學(xué)習(xí)中“混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理”等相關(guān)課程重點關(guān)注結(jié)構(gòu)的設(shè)計計算，往往對混凝土結(jié)構(gòu)的塑性損傷行為不做過多講解，導(dǎo)致學(xué)生對混凝土梁加載試驗中的塑性開裂僅僅停留在表觀現(xiàn)象的觀察，缺乏機理行為和力學(xué)特征的深刻認(rèn)識，而對關(guān)鍵試驗現(xiàn)象不夠敏感。采用有限元數(shù)值模擬手段，借助通用有限元軟件(如ABAQUS、ANSYS等)可實現(xiàn)對混凝土簡支梁加載破壞過程的精細(xì)化模擬，對比試驗加載過程中觀測到的試驗現(xiàn)象和數(shù)值模擬的可視化結(jié)果，如圖4所示，可增強學(xué)生的試驗體驗感和參與度，提升課程試驗教學(xué)效果。

(a)混凝土梁開裂試驗測試

(b)混凝土梁開裂數(shù)值模擬[10]

3.2 基于工程實際，探索“產(chǎn)、學(xué)、用”模式

“結(jié)構(gòu)試驗”屬于土木工程專業(yè)本科階段的應(yīng)用型教育課程，在培養(yǎng)學(xué)生掌握課程基本原理和試驗實操技能的基礎(chǔ)上，應(yīng)結(jié)合實際工程，加強工程教育與工程實踐的結(jié)合，讓學(xué)生深入工程一線，在實際工程中掌握結(jié)構(gòu)試驗技術(shù)的應(yīng)用技巧，結(jié)合專業(yè)實踐或?qū)嵙?xí)培養(yǎng)環(huán)節(jié)，使學(xué)生建立工程概念，開展“產(chǎn)、學(xué)、用”模式探索，以滿足社會需求為原點，多學(xué)科交叉，實現(xiàn)工程教育與行業(yè)發(fā)展的耦合，培養(yǎng)復(fù)合型卓越工程科技人才。

以混凝土簡支梁靜載試驗為例，結(jié)合實際工程需求，在實際工程應(yīng)用中進一步提升專業(yè)知識認(rèn)知。簡支梁成橋檢測可認(rèn)為是混凝土簡支梁靜載試驗的現(xiàn)場應(yīng)用拓展場景，建立工程實際和課程試驗的聯(lián)系，讓學(xué)生實現(xiàn)從書本、課堂到工程一線的跨越，樹立其工程理念，為培養(yǎng)卓越工程師助力。

3.3 依托科研平臺，探索前沿科技

科學(xué)與工程協(xié)同發(fā)展，是“新工科”建設(shè)的要求之一。依托高校的優(yōu)勢科研平臺，在傳統(tǒng)“土木工程結(jié)構(gòu)試驗”中引入新興技術(shù)，新興試驗技術(shù)往往涉及多學(xué)科交叉，跨專業(yè)知識交叉融合是結(jié)構(gòu)試驗發(fā)展的關(guān)鍵，可開拓學(xué)生的專業(yè)視野，激發(fā)學(xué)生的專業(yè)興趣和探索精神，樹立學(xué)生的終身學(xué)習(xí)觀。

以混凝土簡支梁靜載破壞試驗為例，依托高速鐵路建造技術(shù)國家工程研究中心科研平臺，在采用傳統(tǒng)測試手段開展相關(guān)試驗的基礎(chǔ)上，引入光學(xué)散斑測試技術(shù)(DIC)，如圖5所示，對比傳統(tǒng)試驗測試手段和光學(xué)散斑先進測試技術(shù)的應(yīng)用效果?；诠鈱W(xué)散斑測試技術(shù)可得到混凝土梁靜載破壞過程的全場應(yīng)變及演化過程，相比傳統(tǒng)手段，試驗測試效率和精度更有所保障，深刻闡釋了科學(xué)技術(shù)是第一生產(chǎn)力。由此，拓寬學(xué)生專業(yè)視野，提升其接受新技術(shù)的能力，培養(yǎng)其終身學(xué)習(xí)的理念，激發(fā)其探索前沿科技的驅(qū)動力，進而造就一批具有創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力和跨專業(yè)整合能力的高素質(zhì)專業(yè)技術(shù)人才。

(a)混凝土梁破壞光學(xué)散斑測試技術(shù)

(b)混凝土梁開裂全程位移場測試圖5 混凝土簡支梁靜載破壞試驗及散斑測試技術(shù)

4 總結(jié)

“結(jié)構(gòu)試驗”是土木工程專業(yè)的基礎(chǔ)課程之一，結(jié)合“新工科”的建設(shè)要求，為滿足培養(yǎng)土木工程專業(yè)學(xué)生工程實踐能力和創(chuàng)新意識，“結(jié)構(gòu)試驗”課程體系建設(shè)和改革具有重要意義。本文立足于專業(yè)基礎(chǔ)課程理論體系，將“結(jié)構(gòu)試驗”課堂教學(xué)與試驗實操緊密結(jié)合，拓寬科學(xué)眼界、科研引入教學(xué)、突出行業(yè)特點，多場景、多主題、多層次開展項目式教學(xué)，理論聯(lián)系實際，探索面向“新工科”的“土木工程結(jié)構(gòu)試驗”課程體系建設(shè)與改革措施，建設(shè)特色一流土木工程專業(yè)課程，助力培養(yǎng)高素質(zhì)的學(xué)科交叉復(fù)合型卓越工程科技人才。