線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)提升土木工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的探討

［摘 要］ 隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”時(shí)代的到來(lái)，高校與學(xué)生利用線上資源來(lái)教學(xué)或?qū)W習(xí)的例子不勝枚舉，也成為線下課程重要的輔助。土木工程專業(yè)作為實(shí)踐性較強(qiáng)的專業(yè)之一，其很多專業(yè)課程在教授過(guò)程中都會(huì)有室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的相關(guān)知識(shí)掌握和實(shí)際操作。利用線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，不僅可以彌補(bǔ)線下實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的不足之處，并與線下教學(xué)共同作用，還可以提升學(xué)生認(rèn)識(shí)水平，也為學(xué)生對(duì)專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程考核提供了多元方式。

［關(guān)鍵詞］ 線上教學(xué)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；土木工程；考核方式

［基金項(xiàng)目］ 2022年度山東大學(xué)教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目“疫情防控背景下工科實(shí)驗(yàn)實(shí)踐類教學(xué)改革——以土木工程專業(yè)為例”（2022Y179）

［作者簡(jiǎn)介］ 武 科（1978—），男，河北棗強(qiáng)人，博士，山東大學(xué)土建與水利學(xué)院教授，主要從事大型地下空間結(jié)構(gòu)災(zāi)變機(jī)理與穩(wěn)定性評(píng)價(jià)、能源地下結(jié)構(gòu)與智慧工程研究。

［中圖分類號(hào)］ G642.0 ［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］ A ［文章編號(hào)］ 1674-9324（2024）36-0139-04 ［收稿日期］ 2023-08-18

高?；凇盎ヂ?lián)網(wǎng)+教育”教學(xué)模式開展線上教學(xué)，已成為線下教學(xué)與實(shí)踐的重要組成部分和有效方法。在線上教學(xué)模式如火如荼的開展過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)是一個(gè)極其重要又特殊的教學(xué)環(huán)節(jié)。實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)更注重培養(yǎng)學(xué)生在實(shí)際環(huán)境下動(dòng)手操作或?qū)嵺`的能力，尤其針對(duì)工科專業(yè)的學(xué)生來(lái)講，培養(yǎng)應(yīng)用型人才是各工科學(xué)科的首要培養(yǎng)目標(biāo)。劉洪南等［1］開發(fā)了實(shí)驗(yàn)課程的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)，對(duì)提高教學(xué)效率、提升教學(xué)效果發(fā)揮了重要作用。張春曉等［2］研究了實(shí)驗(yàn)實(shí)踐課程線上教學(xué)改革方案，將其應(yīng)用于“企業(yè)實(shí)訓(xùn)”課程在線教學(xué)，并取得了良好的教學(xué)效果。黎雨等［3］針對(duì)新工科背景下“工程材料學(xué)”課程線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式困難等問題，提出了基于線上課程授課和虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建與共享的方案，以應(yīng)對(duì)新工科線下教學(xué)模式與方法的優(yōu)化以及虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的探索。陳逸菲等［4］提出了實(shí)現(xiàn)過(guò)程等效和體驗(yàn)等效的教學(xué)設(shè)計(jì)及實(shí)施方法。張變蓮等［5］在教學(xué)中引入以Multisim為主要仿真軟件的在線實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，進(jìn)行了在線仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)以及多樣化考核驗(yàn)收。張宏勛等［6］探索建立了科學(xué)性與趣味性兼具、外在激勵(lì)與內(nèi)在激勵(lì)并重、硬約束與軟約束結(jié)合的線上資源庫(kù)。綜上所述，隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”時(shí)代的到來(lái)，高校與學(xué)生利用線上資源來(lái)教學(xué)或?qū)W習(xí)的例子不勝枚舉，也成為線下課程重要的輔助手段。

土木工程專業(yè)是一個(gè)實(shí)踐性較強(qiáng)的專業(yè)類別，專業(yè)課程教授過(guò)程中都會(huì)有室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的相關(guān)知識(shí)掌握和實(shí)際操作的環(huán)節(jié)。然而，有些現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)實(shí)際操作過(guò)程需要一定的時(shí)間和特有設(shè)備，無(wú)法滿足大學(xué)教學(xué)學(xué)時(shí)和場(chǎng)地安排，往往采用課上視頻和PPT講解，學(xué)生無(wú)法真正理解和掌握相關(guān)知識(shí)。例如，“地基基礎(chǔ)”課程中樁基承載力試驗(yàn)，采用傳統(tǒng)的靜載試驗(yàn)分析方法，繪制相關(guān)曲線得到樁基承載力值，其理論講解過(guò)程不難，但在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際試驗(yàn)和操作過(guò)程中需要花費(fèi)一定的時(shí)間和設(shè)備，往往學(xué)校無(wú)法提供，學(xué)生無(wú)法親身操作。為提升土木工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，“地基基礎(chǔ)”課程中樁基承載力試驗(yàn)采用線上虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)，探討虛擬實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)對(duì)于補(bǔ)充課程理論學(xué)習(xí)不足之處的作用。

一、線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)的優(yōu)勢(shì)

土木工程專業(yè)具有的共同特點(diǎn)為應(yīng)用性和實(shí)踐性強(qiáng)。在專業(yè)知識(shí)理論學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)之上，培育學(xué)生的動(dòng)手實(shí)操能力對(duì)于理解和掌握相關(guān)專業(yè)知識(shí)至關(guān)重要。實(shí)驗(yàn)教學(xué)就是培育學(xué)生實(shí)操能力的重要方式。對(duì)于很多受到時(shí)間、場(chǎng)地和設(shè)備等因素影響，無(wú)法開展的實(shí)操實(shí)驗(yàn)，線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)與虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)軌驈浹a(bǔ)線下實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足，有效解決影響因素所帶來(lái)的問題，從而達(dá)到預(yù)定的教學(xué)效果。

（一）利用線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)，學(xué)生可以做好預(yù)習(xí)與復(fù)習(xí)工作

1.利用騰訊會(huì)議、雨課堂、學(xué)習(xí)通等軟件，搭建了符合信息技術(shù)時(shí)代特點(diǎn)的自主學(xué)習(xí)環(huán)境——線上教學(xué)平臺(tái)，通過(guò)發(fā)送相關(guān)電子實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書、實(shí)驗(yàn)大綱、課件、視頻及預(yù)習(xí)任務(wù)要求等教學(xué)資料，讓學(xué)生隨時(shí)便捷地學(xué)習(xí)樁基承載力實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和要求、實(shí)驗(yàn)步驟和方法等相關(guān)內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生的自覺主動(dòng)學(xué)習(xí)能力。同時(shí)，學(xué)生課后可以實(shí)時(shí)查閱線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)資料，通過(guò)整理、分析與撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告，加深了對(duì)實(shí)驗(yàn)實(shí)操過(guò)程中涉及的理論知識(shí)和操作步驟的理解，教師通過(guò)審核學(xué)生提交的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，可以充分了解學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的掌握程度，與傳統(tǒng)文字背誦相比，效果顯著。

2.利用騰訊會(huì)議、雨課堂、學(xué)習(xí)通等軟件，搭建了符合信息技術(shù)時(shí)代特點(diǎn)的自主學(xué)習(xí)環(huán)境——線上教學(xué)平臺(tái)，能夠?qū)⒄n程的理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容做到有機(jī)融合和相互促進(jìn)，這對(duì)于專業(yè)教學(xué)質(zhì)量提升是十分重要的?；A(chǔ)知識(shí)在線學(xué)習(xí)和反饋，重點(diǎn)，難點(diǎn)知識(shí)和實(shí)現(xiàn)高階教學(xué)目標(biāo)的理論線下教學(xué)，實(shí)驗(yàn)基本理論和實(shí)驗(yàn)操作流程線上預(yù)習(xí)及反饋，線下實(shí)踐操作環(huán)節(jié)作為四個(gè)基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，在理論和實(shí)驗(yàn)交叉出現(xiàn)的過(guò)程中進(jìn)行基礎(chǔ)環(huán)節(jié)的組合，充分利用線上教學(xué)手段，實(shí)現(xiàn)理論和實(shí)驗(yàn)、線上和線下的充分融合和提升［7］。

（二）線下與線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)協(xié)同作用，提升學(xué)生認(rèn)識(shí)水平

基于線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)預(yù)習(xí)，學(xué)生已初步對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、步驟及儀器等有了了解，并可能會(huì)有暫時(shí)無(wú)法理解的問題。通過(guò)線下實(shí)驗(yàn)教學(xué)，學(xué)生可以帶著疑問認(rèn)真聽取教師的講解，全面和深入理解與掌握實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，完成實(shí)驗(yàn)過(guò)程，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)。利用線下與線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)相互補(bǔ)充共同作用，可以為學(xué)生提供多方位的專業(yè)知識(shí)和實(shí)驗(yàn)實(shí)操步驟的指導(dǎo)與解析，從而提升了學(xué)生對(duì)專業(yè)知識(shí)的認(rèn)知水平和動(dòng)手能力。由此可見，線上與線下實(shí)驗(yàn)教學(xué)協(xié)同作用，能夠?qū)崿F(xiàn)課前—課堂—課后的教學(xué)任務(wù)發(fā)布、學(xué)習(xí)效果反饋、課堂互動(dòng)和課后反饋等功能，為多樣化教學(xué)手段的實(shí)施提供了有力的工具。同時(shí)，能夠充分發(fā)揮引導(dǎo)學(xué)生自己動(dòng)手動(dòng)腦向?qū)I(yè)知識(shí)深度認(rèn)知和運(yùn)用學(xué)習(xí)發(fā)展，提升了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極自主性、主觀能動(dòng)性和實(shí)踐創(chuàng)造性。

（三）豐富考核方式，體現(xiàn)學(xué)生綜合素質(zhì)能力

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)考核以提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告為最終評(píng)定成績(jī)的方式，較為單一，比較明顯的弊端在于以小組形式完成的實(shí)驗(yàn)報(bào)告無(wú)法區(qū)分個(gè)體差異，也無(wú)法全面評(píng)價(jià)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)實(shí)操的掌握水平。將線上實(shí)驗(yàn)實(shí)操過(guò)程評(píng)價(jià)作為線下實(shí)驗(yàn)教學(xué)考核的重要組成部分，注重每個(gè)階段的評(píng)價(jià)，包括線上教學(xué)和線下教學(xué)的各個(gè)環(huán)節(jié)，可以全面評(píng)估學(xué)生對(duì)專業(yè)理論知識(shí)的理解和實(shí)驗(yàn)實(shí)操過(guò)程的掌握，能夠充分體現(xiàn)學(xué)生綜合素質(zhì)能力。

線上與線下實(shí)驗(yàn)教學(xué)協(xié)同作用，可以讓學(xué)生預(yù)先了解實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，在線下實(shí)驗(yàn)教學(xué)前后，線下實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可為學(xué)生提供直觀、形象和實(shí)際的操作平臺(tái)，有助于提高學(xué)生對(duì)土木工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程的全面掌握和實(shí)操。

二、線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)在土木工程專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用案例

以“地基基礎(chǔ)”中樁基承載力試驗(yàn)教學(xué)為例，利用已研發(fā)的“樁基靜載試驗(yàn)?zāi)M系統(tǒng)”，開展了“地基基礎(chǔ)”課程中樁基承載力試驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)，使學(xué)生可以隨時(shí)隨地學(xué)習(xí)和開展樁基承載力網(wǎng)上試驗(yàn)。通過(guò)學(xué)生不斷實(shí)踐和應(yīng)用，完善樁基承載力試驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的各項(xiàng)功能。

（一）樁基靜載試驗(yàn)基本概念

樁基靜載測(cè)試技術(shù)是隨著樁基礎(chǔ)在建筑設(shè)計(jì)中的使用越來(lái)越廣泛而發(fā)展起來(lái)的。樁基靜載試驗(yàn)是運(yùn)用在工程上對(duì)樁基承載力進(jìn)行檢測(cè)的一項(xiàng)技術(shù)，如圖1所示。在確定單樁極限承載力方面，它是最為準(zhǔn)確、可靠的檢驗(yàn)方法，作為判定某種動(dòng)載檢驗(yàn)方法是否成熟，均以靜載試驗(yàn)成果的對(duì)比誤差大小為依據(jù)。因此，每種地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)處理規(guī)范都把單樁靜載試驗(yàn)列入首要位置。在樁基靜載試驗(yàn)中，作用于樁上的荷載一般由反力裝置提供。反力裝置的易用程度直接影響著試驗(yàn)的過(guò)程和結(jié)果，常用的有堆載反力裝置，即在樁頂使用鋼梁設(shè)置一個(gè)承重平臺(tái)，上堆重物，依靠放在樁頭上的千斤頂將平臺(tái)逐步頂起，從而將力施加到樁身。反力裝置的主梁可以選用型鋼，也可用自行加工的箱梁，平臺(tái)形狀可以根據(jù)需要設(shè)置為方形或矩形，堆載用的重物可以選用沙袋、混凝土預(yù)制塊等。

（二）樁基靜載試驗(yàn)線上平臺(tái)教學(xué)

基于計(jì)算機(jī)語(yǔ)言，編寫樁基靜載試驗(yàn)程序，研發(fā)樁基承載力試驗(yàn)線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)程序，實(shí)現(xiàn)學(xué)生線上學(xué)習(xí)樁基靜載試驗(yàn)步驟、數(shù)據(jù)采集與分析過(guò)程，如圖2所示。該教學(xué)平臺(tái)具有以下特點(diǎn)：同課程的專題教學(xué)和多學(xué)科交叉的綜合教學(xué)；抓住典型工程樁基靜載試驗(yàn)，激發(fā)學(xué)生對(duì)工程質(zhì)量檢測(cè)工作的興趣；重視強(qiáng)化現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與檢測(cè)技術(shù)的練習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手和獨(dú)立工作的能力；引導(dǎo)學(xué)生利用實(shí)驗(yàn)教學(xué)線上平臺(tái)，考慮不同的工程地質(zhì)和設(shè)計(jì)要求，開展樁基承載力設(shè)計(jì)。

（三）樁基靜載試驗(yàn)虛擬實(shí)踐學(xué)習(xí)

學(xué)生利用課上和課下時(shí)間，進(jìn)入樁基靜載試驗(yàn)虛擬平臺(tái)，按照線上或線下課程教學(xué)內(nèi)容，自己實(shí)操樁基靜載試驗(yàn)過(guò)程，以此分析和計(jì)算樁基承載力值，實(shí)現(xiàn)對(duì)樁基承載力試驗(yàn)內(nèi)容、操作與分析全過(guò)程的熟練理解和實(shí)操。樁基靜載試驗(yàn)虛擬實(shí)踐學(xué)習(xí)展示了樁基工程原位試驗(yàn)，逼真模擬地質(zhì)工程原位試驗(yàn)的野外場(chǎng)景、儀器設(shè)備、測(cè)試步驟和成果處理等過(guò)程，在了解試驗(yàn)原理的基礎(chǔ)上熟悉試驗(yàn)儀器設(shè)備，首先，通過(guò)模擬仿真系統(tǒng)的操作演示熟悉試驗(yàn)技術(shù)要求（如試件或試坑的尺寸及要求、承壓板的尺寸、位移測(cè)量系統(tǒng)的安裝、加載方式及加荷等級(jí)、沉降觀測(cè)和穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)、試驗(yàn)終止條件等）和試驗(yàn)步驟。其次，學(xué)生在線上實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中進(jìn)行模擬試驗(yàn)操作，引導(dǎo)學(xué)生利用已有專業(yè)基礎(chǔ)理論知識(shí)，學(xué)會(huì)對(duì)試驗(yàn)獲得的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。最后，該系統(tǒng)設(shè)置了不同土層（黏性土、粉土、砂類土和含有少量碎石的土層）的選擇，使學(xué)生“真實(shí)感受”不同巖土體對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，提高學(xué)生的專業(yè)理論知識(shí)與實(shí)際工程相結(jié)合的能力，培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)技能和興趣，如圖3所示。

（四）樁基靜載試驗(yàn)學(xué)習(xí)考核

指定典型樁基工程案例和地質(zhì)參數(shù)，通過(guò)布置線上樁基靜載試驗(yàn)內(nèi)容思考題與試驗(yàn)操作擴(kuò)展性任務(wù)，讓學(xué)生自己熟練掌握專業(yè)試驗(yàn)知識(shí)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析過(guò)程。通過(guò)理論與實(shí)踐相結(jié)合的方式，考核學(xué)生對(duì)專業(yè)知識(shí)的掌握能力。

（五）教學(xué)效果評(píng)價(jià)

“地基基礎(chǔ)”課程中樁基承載力試驗(yàn)教學(xué)采取上述教學(xué)改革措施后取得了顯著的成效。首先，授課教師工程能力顯著提高，豐富了課程教學(xué)模式，使抽象的概念更加具體化，有效激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)熱情及專業(yè)興趣。其次，學(xué)生能力培養(yǎng)目標(biāo)更加明確，進(jìn)一步開闊了學(xué)生的專業(yè)視野，提高了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、動(dòng)手操作能力和創(chuàng)新能力，充分發(fā)揮了學(xué)生在教學(xué)中的主體作用，真正體現(xiàn)了成果導(dǎo)向、學(xué)生中心、持續(xù)改進(jìn)的理念。最后，通過(guò)對(duì)該試驗(yàn)教學(xué)滿意度進(jìn)行問卷調(diào)查分析可知，持續(xù)改進(jìn)的教學(xué)方法得到了學(xué)生的認(rèn)可［8］。

結(jié)語(yǔ)

線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)作為一種新型的實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段，在提升土木工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量方面得到了廣大師生的認(rèn)可。它可以彌補(bǔ)線下實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的不足之處，并與線下教學(xué)共同作用，提升學(xué)生認(rèn)識(shí)水平，也為學(xué)生應(yīng)對(duì)專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程考核提供了多元方式。通過(guò)線上與線下實(shí)驗(yàn)教學(xué)協(xié)同教學(xué)，激發(fā)了學(xué)生實(shí)驗(yàn)自學(xué)能力和實(shí)操興趣，提高了對(duì)學(xué)生全方面掌握土木工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)質(zhì)量，也為創(chuàng)新應(yīng)用型人才的培養(yǎng)提供了新的教學(xué)方法。

參考文獻(xiàn)

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Discussion on Improving the Quality of Civil Engineering Experimental Teaching Through Online Experimental Teaching

WU Ke1， CHEN Rong2， HAO Dong-xue2， LI Jing-long1

（1. School of Civil Engineering， Shandong University， Jinan， Shandong 250061， China;

2. School of Civil Engineering and Architecture， Northeast Electric Power University，

Jilin， Jilin 132012， China）

Abstract： With the advent of the “Internet plus” era， there are countless examples of colleges and students using online resources for teaching or learning， which also becomes an important auxiliary for offline courses. Civil engineering， as one of the most practical majors， involves the mastery of knowledge and practical operations related to indoor and on-site experiments during the teaching process of many professional courses. Using online experimental teaching methods can not only make up for the shortcomings in offline experimental teaching， but also work together with offline teaching to improve students’ understanding level and provide multiple ways for students to assess professional experimental courses.

Key words： online teaching; experimental teaching; Civil Engineering; assessment method