基于工程教育認證的土木工程專業實驗教學改革與實踐

黃正均, 苗勝軍, 張 磊, 劉彩平, 劉 鈺, 張 棟

(北京科技大學 土木與資源工程學院, 北京 100083)

工程教育專業認證是工程教育學位和工程師執業資格國際互認的基礎要求和前提條件。《華盛頓協議》是國際上最具權威和影響力的工程教育學位互認體系[1],2013年我國成為該協議第21個觀察成員國,2016年成為第18個正式成員國,對我國工程類后備人才的培養具有重要作用,標志著我國向工程教育國際化邁出重要步伐[2-6]。土木工程專業作為北京科技大學的特色新興專業之一,于2016年6月順利通過了住建部專業評估委員會組織的現場考查評估,并獲得3年有效期。同時,專家組對評估中發現的問題提出了改進建議。

本文從我校土木工程專業的特色和實際出發,并結合認證專家組所提意見和認證要求,對本專業實驗教學體系進行梳理改進,使其與專業認證要求、我校土木工程專業辦學定位及人才培養目標更相符合,并力爭在2019年的專業認證復評工作中取得更好成績。

1 專業認證要求和專家組建議

1.1 基本要求

住建部頒布的《全國高等學校土木工程專業評估(認證)文件》中,對土木工程專業評估(認證)從學生發展、專業目標、教學過程、師資隊伍、教學資源等方面列出了7個一級指標,25個二級指標,67個觀察點。其中包括工程教育專業認證通用標準,主要從學生、培養目標、畢業要求、持續改進、課程體系、師資隊伍、支持條件等7個方面進行了系統闡述；并結合土木工程專業特色和行業需求,從課程體系、師資隊伍和支持條件等3個方面作出了更為詳細的補充標準[7-8]。專業認證詳細標準如圖1所示。

圖1 土木工程專業評估(認證)標準

補充標準中尤其對畢業要求和對復雜工程的定義做了特別闡釋[7]。在關于研究能力的畢業要求中特別提出,要“能夠基于科學原理、采用科學方法對土木工程專業的復雜工程問題進行研究,包括設計實驗、收集、處理、分析與解釋數據,通過信息綜合得到合理有效的結論并應用于工程實踐”,對土木工程專業實驗實踐教學提出了特別要求。

1.2 對實驗教學部分的要求

上述專業評估(認證)標準和指標體系中,每個一級指標均對實驗課程體系相關部分有所要求,尤其是專業目標、教學資源、教學過程幾個指標。如教學過程中的實驗實踐環節,教學資源中的教學設施等,對實驗課程的內容及教學過程、方法、實驗設備、場地等均有詳細要求說明[7]。

(1) 專業目標中能力要求部分。能力要求指標中,“土木工程技術基礎應用的能力”和“解決工程實際問題的能力”兩個觀察點,均涉及相關實驗教學、實驗能力培養方面的闡述。其中,實驗和計算分析能力要求“具有制定土木工程技術基礎實驗方案、獨立完成實驗的能力,對實驗數據進行整理、統計和分析等能力”。

(2) 教學過程中實踐環節部分。整個實踐環節指標全部為對實驗教學的要求描述,如:實驗實踐教學安排合理、重視與工程實際的結合、嚴格按照教學大綱安排實踐教學環節、有完善的考核制度、指導教師應具有實踐教學經驗、配備的教師人數應滿足分組指導的要求等,同時還要求能為學生提供課外自主實驗的條件和有效指導。

(3) 教學資源中教學設施部分。教學設施中專門針對實驗室資源設置了觀察點,要求具備大學物理、化學、計算機、測量、力學(工程力學、流體力學)、材料、土工、結構等實驗室；要求實驗設備、儀器完好,場地面積和設備臺套數能滿足實驗教學的分組要求,操作型實驗分組應滿足人人動手的要求；實驗標準符合現行工程規范要求等。

1.3 初評專家組改進建議

2016年5月底的專業認證現場評估過程中,專家組針對我校自評報告和現場考查情況,對我校專業實驗教學相關部分提出了部分改進建議。比如,實驗多為基礎類實驗項目,建議增加設計類、創新類項目；實驗室教師偏少,不利于實驗教學；實驗設備的臺套數略顯不足；實驗室缺少場地規模；操作類實驗分組人數不滿足人人動手要求；實驗教學質量監控體系效果不明顯等。并建議在下一個評估周期之前進行有效改進。有鑒于此,針對上述建議對實驗教學相關內容進行改進建設已勢在必行。

2 基于專業認證的實驗教學改革

2.1 整合實驗教學資源,改善實驗教學條件

實驗教學資源主要包括實驗教學場地、儀器設備、標準方法等,優質的實驗教學資源,可以保障優質的實驗教學過程和教學效果。專業認證標準中要求具備物理、化學、力學、材料、土工和結構等實驗室,以及功能齊全、設備完好和臺套數足夠的儀器設備。為此,我們整合了學校相關的實驗教學資源,分為自然科學基礎實驗和學科專業實驗兩大類,包括場地、設備和標準方法等。

其中物理、化學、數學、力學和電工電子實驗等,主要依托學校自然科學中心、數理學院、化生學院等院系中心的實驗室進行,實驗場地面積充裕,儀器設備功能齊全、臺套數充足,且具有完善的實驗標準和操作規程。

專業實驗主要依托學院土木實驗室、地質實驗室和機械學院流體實驗室等進行,設有獨立的建材實驗室、土力學實驗室、巖石力學實驗室、測量實驗室、地質實驗室、流體力學實驗室等12個專業實驗室,整合教學科研全部相關設備,利用修購建設、科研經費等渠道購置新的實驗設備,并加大對結構方向的投入力度,滿足設備功能、臺套數等相關要求[9-10]。

此外,實驗室和系所課程負責人每年定期更新與各實驗課程相關的實驗方法、標準,全部與現行的國際標準、國內標準相吻合。同時引入科研領域部分先進的實驗方法,以體現實驗教學資源豐富性、設施完備性和方法前沿性的要求(見圖2)。

2.2 構建科學合理的實驗教學課程體系

根據我校土木工程專業的特色優勢及初評過程中專家給出的改進建議,同時對照《高等學校土木工程專業指導規范》和評估標準要求,系里組織校內外專業和行業領域部分專家論證,并結合學校2017版教學計劃修訂工作,對原有實驗教學課程體系進行重新修訂,將以理論為核心的教學體系重新構建為以實踐為導向的實踐教學體系。

圖2 土木工程實驗教學資源組成

行業內專家學者根據社會經濟發展的新形勢、新需要以及科技發展的新成果,提出了科學合理的實驗教學計劃制定方案,設置具有層次性、漸進性和可操作性的實驗教學內容,完善實踐教學體系[11-13]。據此,將本專業原有實驗課程累計18門、204學時(包括基礎類和專業必修、選修類),整合調整為通識類、學科平臺類、專業核心類、專業選修類和獨立實驗課程類5大類,共14門、220學時的實驗教學課程體系,另有上機類實驗教學課程3門、36學時。

改革后的實驗教學課程體系見圖3。其中,原有土力學和土木工程材料實驗合并擴容為土木工程基礎實驗,并增設綜合創新型、自主設計型課程設計。

圖3 土木工程實驗教學課程體系

2.3 完善實驗教學內容,形成多種模式相結合的教學形式

根據土木工程專業實驗實踐單元和知識技能要求,以及認證專家組建議和專業規范要求,并結合我校土木工程專業特色定位,在2017版教學計劃中對實驗教學內容重新進行梳理完善。根據規范要求和教學需要,對實驗內容和實驗大綱進行重新編寫,優化配置實驗學時,修訂實驗教材或指導書等。

自然科學基礎類和通識類實驗與專業規范要求內容全覆蓋,學科平臺類實驗項目繼續保留了我系特色的巖石力學實驗項目(國家級精品課程),并在原有8項巖石物理力學性質實驗的基礎上,新增了水理性質、多場耦合、聲發射等前沿性實驗項目,作為介紹和創新類教學內容。

“工程地質學”和“混凝土結構原理”兩門專業核心類實驗教學課程繼續保留在課堂課程中,但除原有實驗內容外,還新增了GIS地理信息技術和遙感圖像解譯、混凝土無損檢測技術等實驗內容。

原有“土力學”和“土木工程材料”兩門學科基礎實驗,合并擴容為土木工程基礎實驗,實驗內容在原有基礎上新增配合比設計、瀝青混合料實驗等4項內容。

原有16學時的“土木工程測試技術與方法”實驗課程擴容為32學時的“土木工程測試技術與專業實驗”,在原有鋼桁架靜載實驗、應變測試技術、橋式電路連接等內容基礎上,新增長短柱實驗、十字節點實驗和結構工程智能安全監測實驗、基礎工程智能安全監測實驗、結構工程虛擬實驗教學等內容。

此外,還保留并新增眾多專業選修和上機設計類實驗內容,如“土木工程勘測實驗”新增電法物探、靜力觸探等原位實驗內容,極大地豐富了專業實驗教學內容,使我專業的實驗教學不但滿足工程教育認證標準,還與社會發展和建筑工程行業需求相契合,對培養學生解決土木專業“復雜工程問題”能力和創新能力極具促進作用[14]。

同時,我們利用即將建成的AI結構虛擬實驗教學平臺,將結構類實驗教學項目通過虛擬環境,使學生完成實驗原理預習、過程操作、結果分析等工作,從而節省實際操作時間,提高效率,并達到以學生為中心、提倡自主學習的目的。

利用“巖石力學與工程”國家精品課程平臺,將實驗教學部分內容錄制為數字視頻,并網絡共享至學校和國家精品開放課程共享平臺,實現了實驗教學的數字化和網絡化,將傳統的“面授式”實驗教學模式轉變為自主型、在線式教學模式[15-16]。

通過上述教學方式改革,將實驗教學過程從傳統的面授式教學與AI虛擬技術教學、數字化教學、網絡化在線教學等模式相結合,豐富了實驗教學形式,對發揮學生主觀能動性、促進學習自覺性和提高學習效率等具有積極意義。

2.4 加強實驗教學過程指導和師資力量建設

所有列入教學計劃的實驗教學課程和項目,均已或即將全部開出(17版計劃尚未完全到達執行年度),并嚴格按照或優于專業規范和認證要求,進行分組操作和指導。

鑒于部分教學實驗場地面積有限,而專業學生班級和人數較多(約4個班130人/級)的情況,部分實驗教學采取分組、分批次進行方式,以保證全部實驗項目均滿足3～5人/組、5～7人/組,最大分組人數7～15人(巖石三軸實驗等)。

實驗教學過程由專職實驗教師和課程主講教師共同指導,當部分項目分組較多時,適當引入科研和相關實驗經驗豐富的高年級博士生參與輔助指導,實現了實驗教學過程中學生分組與指導教師一對一。

完善的實驗教學體系必須有專業知識扎實、實踐經驗豐富的師資隊伍作保障。我校土木工程專業采用內部培養、外部引進、以老帶新等方式,培養建立了專業的實驗教師隊伍。現有專職實驗教師4人,另有2位退休返聘的實驗教學領域優秀教授。同時,系所各專業課程理論課堂主講教師,以及部分專業實驗經驗豐富和能力出色的高年級博士生,也都參與到實驗教學指導過程中,共同組成了土木專業實驗教學師資隊伍。他們定期到本專業其他高校和行業內知名企業、研究院所等進行交流學習,以提高實驗教學的業務能力,促進我專業實驗教學工作穩步開展和提高教學效果[9,17]。

2.5 完善實驗教學保障體系和評價機制

目前,學校對課程理論教學部分的保障和評價機制較為完善,教務處和院系均有教學督導組和評課系統對教學過程和效果進行監控管理,但實驗實踐教學專業性強,由校、院進行統一的監督評價較為困難。

為此,我系聯合學院實驗中心、土木專業實驗室,成立了以系主任為組長,教學副主任、實驗中心主任為副組長的實驗教學督導組,制定科學合理的實驗實踐教學、實習設計等質量評價標準。評價標準由學生、教學督導組、教師同行、實驗室教師、用人單位等共同參與制定,并采用問卷調查的形式,對各課程的實驗教學過程、教學方法、教材選用、教學效果等進行監控評價[1,9]。

3 結語

土木工程專業行業特色明顯,評估標準較其他專業更高,尤其在實驗實踐教學部分。作為我校較早啟動和通過評估的專業之一,我院于2016年通過首次評估認證,對專業發展和人才培養起到了極大促進作用。本文結合專業認證標準要求及首評過程中的專家建議,對本專業實驗教學體系進行了較為系統的改革。通過整合實驗教學資源、改善教學條件、重新構建教學課程體系、完善教學內容、改革教學模式、強化教學過程指導和保障評價機制等措施,使其與我專業“立足首都,面向全國,服務于建筑、交通、礦業及城鎮基礎設施建設,培養基礎扎實、專業面寬、具有實踐能力和創新精神的應用研究型工程技術人才,建設特色突出、國內一流、國際知名的土木工程專業”的專業定位更為契合,并力爭在即將迎來的2019年專業認證復評工作中取得更好成績。