“一體化、三層次”實驗教學模式探索
——以“混凝土結構設計原理”課程為例

劉 偉，郭嘉成

（大連海洋大學 海洋與土木工程學院，遼寧 大連 116000）

引言

隨著當今社會經(jīng)濟與科技的飛速發(fā)展，創(chuàng)新能力與實踐能力已然成為當今社會發(fā)展的強大推動力和廣泛的社會需求，傳統(tǒng)教學模式下培養(yǎng)的應用型人才已遠不能滿足當今社會的實際需要。徐瑋瑋［1］分析了應用型大學中實驗教學的現(xiàn)狀，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)階段許多大學缺乏完善的實驗設施，大大降低了學生在教學中的主體地位。王志鑫［2］分析了混凝土結構設計原理早期實驗教學的缺陷，提出了“全程式實驗教學”設計。羅伯光等［3］發(fā)現(xiàn)混凝土結構實驗教學缺乏獨立的實驗教學體系，提出了符合培養(yǎng)創(chuàng)新型土工類專業(yè)人才的混凝土結構實驗教學改革思路。劉建平等［4］學者對混凝土結構實驗教學中存在的主要問題進行分析，實驗教學采用“講授式”模式，缺乏啟發(fā)性；實驗教學項目單一，系統(tǒng)性和實用性不足。針對混凝土結構現(xiàn)存問題，提出了線上線下混合式實驗教學模式和優(yōu)化實驗內容開發(fā)綜合性設計性探究實驗。蔡瑛［5］發(fā)現(xiàn)在實驗課程中，土工類綜合性、設計性實驗所占比例較少，優(yōu)化實驗知識結構，更新實驗教學內容，建立以學生為中心，系統(tǒng)化、科學化、規(guī)范化和開放的實驗教學模式。

“混凝土結構設計原理”是一門以實驗為基礎、兼具實踐性與理論性的學科，其內涵豐富，外延廣泛，與技術規(guī)范及工程實際聯(lián)系緊密，具有綜合性、技術性及應用性的特點［6-7］。因此，實驗教學在各大高校中發(fā)揮著顯著作用?！盎炷两Y構設計原理”實驗課程較多，包括驗證性實驗、綜合性實驗、創(chuàng)新性實驗。其中，綜合性實驗建立在驗證性實驗的基礎之上，實驗內容涉及多門課程或運用多種實驗方法和實驗手段，創(chuàng)新性實驗則在二者之上。劉寶生等［8-10］針對不同專業(yè)提出了“一體化三層次”的實驗教學改革，但對“混凝土結構設計原理”這門專業(yè)課，甚至對土工類這門專業(yè)的實驗教學改革研究少之又少。本文基于“混凝土結構設計原理”這門專業(yè)課，實現(xiàn)理論知識與實踐技能的整合，促進各學科之間的交叉與融合，構建“一體化、三層次”實驗教學體系，從而全面提高學生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力。

一、“一體化、三層次”實驗教學模式的內涵

《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010—2020年）》強調，要優(yōu)化學科專業(yè)、類型、層次結構，促進多學科交叉和融合［11］。本文基于“混凝土結構設計原理”實驗教學的不足，提出了“一體化、三層次”實驗教學模式，通過科學地安排實驗教學內容，獨立設置實驗課程，基于簡單到復雜的循序漸進原則［12］，構建“一體化、三層次”實驗教學體系。

其中，“一體化”是指明確實驗目標，以培養(yǎng)新世紀應用型、創(chuàng)新型人才為宗旨，追求知識體系完整，加強各學科之間的聯(lián)系，更好地培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力與實踐能力；“三層次”是指實驗教學內容分為三個層次，即驗證性實驗教學模式、綜合性實驗教學模式、創(chuàng)新性實驗教學模式，其內涵是摒棄傳統(tǒng)的實驗教學模式，推進、完善各學科的交叉與融合、實驗教學與工程實踐、創(chuàng)新活動、科學研究、企業(yè)協(xié)作的交互融合。

二、“一體化、三層次”實驗教學模式的構建

（一）以科學發(fā)展觀重組實驗教學內容，構建“一體化、三層次”的實驗教學體系

國家標準《混凝土結構設計規(guī)范》（GB50010—2010）及行業(yè)標準《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》（JTG3362—2018）頒布實施后［13］，進一步提升了結構整體安全性能和抗災性能設計水平的要求，初步實現(xiàn)了由“構件設計”向“結構設計”的轉變，相應地，對行業(yè)及土木類人才培養(yǎng)的要求也隨之提高。因此，土木工程專業(yè)課程體系及教學內容亟須重組。本文以科學發(fā)展觀為導向，秉承“以生為本”的基本原則，構建了“一體化、三層次”實驗教學體系（見圖1），旨在更好地培養(yǎng)應用型、創(chuàng)新型人才。

圖1 “一體化、三層次”實驗教學體系

第一個層次為驗證性實驗教學，主要目的是讓學生掌握混凝土結構設計原理中實驗的基本方法和技術，加深理解課堂上所學的基本技能和基本方法。驗證性實驗包括試件加載實驗、材料強度測定和材料配合比設計等實驗，通過這些實驗，使學生加深對階段性知識的理解水平和掌握程度。

第二個層次為綜合性實驗教學模式，主要目的是培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力和研究能力，提高學生對專業(yè)知識的理解，增進學生對專業(yè)技能和實踐能力的綜合訓練。其內容包括兩個學科方向的交叉性實驗，如利用有限元軟件，對不同工況條件下的模型結構進行力學計算。綜合性實驗有利于學生對不同方向的學科內容和專業(yè)知識進行同步加深學習，進而拓寬學生的復合型專業(yè)知識結構，培養(yǎng)綜合實踐能力。

第三個層次為創(chuàng)新性實驗教學，包括大學生土木工程結構創(chuàng)新大賽等創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)活動，主要目的是引導學生更多地參與創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)活動，發(fā)揮學生的主觀能動性，激發(fā)學習興趣，鍛煉實踐能力，提高科研能力和團隊合作能力，同時提高學生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新意識，加強思考問題和解決問題的方法，提高創(chuàng)新能力和實踐能力。

（二）基于“一體化、三層次”的實驗教學體系，建立實驗教學管理平臺

《教育部關于加快建設高水平本科教育全面提高人才培養(yǎng)能力的意見》指出，要加強校內實驗教學資源建設，構建功能集約、資源共享、開放充分、運作高效的實驗教學平臺［14］?，F(xiàn)階段，隨著普通高等院校招生人數(shù)的日益增加，土木工程專業(yè)實驗教學過程中出現(xiàn)了居高不下的學生人數(shù)與無法增容的土木工程實驗室設備之間的矛盾。實驗教學的信息化建設和管理面臨許多問題和挑戰(zhàn)，建設一個系統(tǒng)、高效的實驗教學管理平臺，對于實驗教學來說具有重要的現(xiàn)實意義［15］?；凇盎炷两Y構設計原理”的“一體化、三層次”實驗教學體系，構建形成實驗教學平臺整體框架（見圖2），它包括考核管理模塊、教學資源管理模塊、驗證性實驗教學模塊、綜合性實驗教學模塊、創(chuàng)新性實驗教學模塊、實驗室虛擬平臺模塊等。

圖2 實驗教學管理平臺框架

據(jù)統(tǒng)計，大部分工科類專業(yè)實驗教學課時約占總課時的30%左右，實驗教學開展的充分條件是擁有儀器設備，它在教學實驗室中占據(jù)主要空間，但由于絕大多數(shù)高校實驗室空間有限，實驗設備不能同時滿足大量學生的實驗教學。為此，實驗室除了正常的實驗教學外，還應建立一個開放、互聯(lián)、共享的網(wǎng)絡資源實驗室虛擬平臺。

1.實驗室虛擬平臺的內涵。實驗室虛擬平臺與傳統(tǒng)的實驗教學相比，具有如下特點。（1）虛擬實驗室可以通過減少實驗資金投入彌補教學實驗條件和實驗經(jīng)費的缺乏［16］，同時提高使用效率，更好地實現(xiàn)大型科學儀器的資源共享，進而避免大型儀器設備的浪費。（2）強調“網(wǎng)絡是實驗設備”的概念。互聯(lián)網(wǎng)在實驗中扮演著以往由操作臺和實驗儀器實現(xiàn)的角色。學生可以通過實驗室虛擬平臺，以身臨其境的方式對實驗現(xiàn)象進行觀察和“實際”操作，甚至還可以與異地學生合作進行實驗。（3）實驗室虛擬平臺改變了以往實踐教學模式受時間和地點的限制，利用計算機網(wǎng)絡提高實驗教學效率，更好地培養(yǎng)學生獨立分析問題和解決問題的能力，進一步提高學生的實踐技能。（4）考慮到網(wǎng)絡虛擬實驗室的開放性和共享性，實驗室虛擬平臺可以提高資源的可重用性，縮短系統(tǒng)構建時間，方便功能的擴展和管理，增加學生的實驗操作機會，擴大實驗范圍和科目，促進各學科之間的交叉與融合，充分發(fā)揮教育領域互聯(lián)網(wǎng)技術的優(yōu)勢。

2.實驗室虛擬平臺的搭建。實驗室虛擬平臺屬于遠程操作類虛擬實驗，學生可以通過校內機房或通過校外電腦下載軟件和手機下載App遠程進行虛擬實驗，系統(tǒng)結構如圖3。在虛擬實驗系統(tǒng)中，硬件資源主要包括實驗儀器、實驗設備、實驗材料、實驗室環(huán)境及一些輔助實驗工具。在系統(tǒng)的有效控制下，實驗室虛擬平臺不僅可以為本校師生提供服務，還可以被國內各大高校使用。在使用過程中出現(xiàn)什么問題或產(chǎn)生創(chuàng)新性的實驗方法，可及時反饋給系統(tǒng)，更好地發(fā)揮實驗室虛擬平臺的開放、互聯(lián)、共享作用。

圖3 實驗室虛擬平臺系統(tǒng)

實驗室虛擬平臺主要有三個模塊：系統(tǒng)管理模塊、教師指導模塊和學生模擬實驗模塊。其中，系統(tǒng)管理模塊為實驗室管理人員對整個系統(tǒng)進行實時監(jiān)控，處理系統(tǒng)中出現(xiàn)的問題，維護實驗平臺的功能；教師指導模塊可以讓指導教師通過實驗平臺進行實驗指導、批改實驗報告、布置實驗內容等；學生模擬實驗模塊可以讓學生通過虛擬實驗平臺充分了解實驗儀器、裝置及材料的用途，在實驗平臺上進行實驗學習、實驗練習、提交實驗報告、提問及回答問題。

結語

本文以“混凝土結構設計原理”課程實驗教學模式改革為目標，以科學發(fā)展觀為導向，提出驗證性實驗教學模式、綜合性實驗教學模式、創(chuàng)新性實驗教學模式和應用型、創(chuàng)新型人才培養(yǎng)相結合，構建“一體化，三層次”實驗教學模式，進而培養(yǎng)學生的自律性，用高質量的實驗教學培養(yǎng)出優(yōu)秀的新時代大學生。