一流學科建設背景下土木工程實驗室教學改革對策研究

徐偉杰, 徐 明, 郭 彤， 宗周紅, 劉 艷

(東南大學 土木工程學院, 江蘇 南京 210096)

國務院2015年11月印發了《統籌推進世界一流大學和一流學科建設總體方案》,為我國建成高等教育強國明確了任務和路徑。作為高校科研、教學和對外服務重要場所的實驗室,在“雙一流”建設中的作用得到了廣泛關注,實驗室為“雙一流”建設提供支撐的觀點得以確立[1-4]。在“雙一流”建設中,需要以學科建設為基礎,優化學科結構、凝練學科發展方向、突出學科建設重點、創新學科組織模式、打造更多學科高峰。培養拔尖創新人才是“雙一流”建設的主要任務,要突出人才培養的核心地位,著力培養具有歷史使命感和社會責任心,富有創新精神和實踐能力的各類創新型、應用型、復合型優秀人才。然而,不同學科有不同的特點,各學科的實驗室功能和管理方法各不相同,很難有適用于所有學科人才培養的實驗室教學改革方案[5]。本文針對土木工程學科,從實驗室支撐一流學科人才培養的必要性和面臨問題入手,提出了教學改革的具體對策。

1 實驗室對土木工程一流學科建設的必要性

土木工程學科具有較強的工程實踐性,相關專業基礎課和專業課對實踐教學要求較高,與其他學科相比,實驗室對土木工程專業的發展有著無可替代的作用。高校土木工程學科的教學水平,往往可以直接從實驗室的建設情況反映出來。

1.1 實驗室直接承擔土木工程專業人才培養

對于土木工程專業,學生在課堂學到的知識,必須通過實驗才能真正掌握。部分課程除了課堂教學外,本身還安排了實驗教學學時,如“建筑結構設計原理”中的混凝土梁受彎承載力實驗,只有通過實驗教學,學生才能真正了解梁在不同荷載作用下的變形和破壞情況,將課堂上學到的知識融會貫通。類似的課程還有“工程力學”“建筑結構設計原理”“土力學”“水力學”和“結構檢測”等。還有部分土木工程專業課程,盡管本身不設置實驗部分,但是實驗室實驗可以使學生加深對課程的了解,如“大跨空間結構”“工程結構抗震與防災”等。因此,實驗室直接承擔著土木工程專業人才培養任務。

1.2 實驗室能夠提高土木工程人才綜合能力

除了教學實驗,實驗室還開展針對學生的自主創新實驗。當學生進行自主創新實驗時,當從構件的設計、加載方案的確定、實驗加載和結果分析等一整套流程完成時,可以有效提高學生的科研能力。在整個實驗過程中,學生需要親自動手解決實驗過程中的問題,有效地鍛煉學生的動手能力和發現問題、解決問題的能力。土木工程領域的創新實驗往往需要多人合作完成,因此通過實驗可以有效提高學生的團隊意識。在實驗過程中,學生需要與指導教師、實驗室教師、工人及其他學生進行溝通,可極大地提高學生的溝通能力。而上述的科研能力、動手能力、發現問題和解決問題的能力、團隊意識和與人溝通能力等都很難通過課堂教學獲得。

1.3 實驗室有助于培養學生的社會意識

土木工程專業所針對的建筑物與生活密切相關,很大一部分土木工程專業的學生都會進入土木工程施工單位和設計單位。由設計單位設計不合格或施工單位施工不合格而導致的建筑物破壞,往往會造成巨大的人員、財產傷亡。此外,土木工程專業學生必須具有足夠的社會擔當,來考慮地震、火災、風災等自然災害對建筑物的影響。通過在實驗室觀察建筑結構的破壞形態,可以使學生牢記土木工程學科的使命。可以說,學生在實驗室觀察到建筑結構破壞瞬間的感受遠比課堂教學深刻得多。

2 實驗室支撐土木工程一流學科人才培養面臨的問題

2.1 教學資源有限

土木工程學科具有較強的工程實踐性,相關專業基礎課和專業課對實踐教學要求較高。然而,土木工程學科實驗對象往往是大體量的結構或構件,制作安裝成本較高,且需要較大的實驗空間,因此在實際的實驗教學過程中往往需要分組,同一組實驗需要若干名甚至幾十名學生同時操作,弱化了學生通過教學實驗掌握相關知識的效果。此外,進行土木工程教學實驗往往需要相應的設備儀器,如土力學的三軸實驗機,結構檢驗中的無損檢測設備等,如果缺乏必要的教學設備,實體教學實驗則無法完成。因此,在土木工程一流學科建設中,實驗室教學資源的有限性是創新人才培養的不利因素。

2.2 教學理念落后

土木工程實驗教學理念落后主要體現在教學手段和教學對象上。目前土木工程實驗教學往往是將一整班的學生集中到實驗室進行實驗,這雖然可以提高學生的動手能力,但也存在實驗成本高、時間不靈活、存在安全隱患等問題。隨著土木工程技術的發展,當前的實驗教學手段已經很難滿足學生對先進土木工程技術的實踐需求。此外,目前土木工程實驗教學的對象往往僅限于本校土木工程專業的本科生,實驗教學資源無法共享,實驗室教學資源的有限性進一步凸顯。

2.3 教學人才缺乏

實驗室在教學上面臨的問題歸根結底還是人的問題,即土木工程實驗室沒有開展各項教學活動的充足人才。土木工程實驗室與其他學科實驗室相比,對人才的要求更高。首先,土木工程實驗是勞動密集型實驗,在構件的安裝和拆卸過程中,必須要由專業的施工團隊配合完成,包括電焊工、吊車工和裝卸工等。在實驗進行過程中,大型加載設備和部分教學實驗設備,如地震模擬振動臺、MTS伺服加載系統等需要專職人員操作。實驗過程中的數據采集人員、現象觀測人員等,也需要具備相應的知識和水平。此外,新實驗的開發不僅對相關人員的實驗能力有較高要求,還對科研能力有較高要求。因此,在人員編制有限的情況下,土木工程實驗教學只能采用一對多的形式,即一個實驗指導教師同時指導多名甚至多組學生進行實驗。

3 實驗室支撐土木工程一流學科建設的對策

3.1 改進教學方式,重視虛擬仿真實驗教學

目前土木工程教學主要以課堂教學為主,部分課程采用課堂教學與實體實驗相結合的模式。然而,由于實驗室場地和器材限制,大規模的實體實驗是不現實的。但隨著計算機仿真技術的不斷進步,基于數值模擬技術的土木工程虛擬仿真手段,在本專業的工程實踐應用和本學科的科學研究應用中,發揮著越來越重要的作用。因此,可以采用計算機技術開發虛擬仿真實驗,將傳統的課堂教學或課堂教學與實體實驗相結合的模式改為“課堂教學+虛擬仿真教學”和“課堂教學+虛擬仿真教學+實體實驗教學”的模式,通過虛擬仿真實驗彌補課堂教學和實體實驗的不足[6-7]。

土木工程虛擬仿真實驗的來源主要有3個,分別是實體教學實驗的虛擬仿真、數值模擬的虛擬仿真和實際工程的虛擬仿真。實體教學實驗的虛擬仿真主要針對構件層次,即實體教學實驗的虛擬再現,如混凝土梁柱的受壓、受彎等。通過實體教學實驗的虛擬仿真實驗,每個學生都可以參與實驗的整個過程,并且可以通過修改參數,觀察到實體實驗無法實現的實驗現象,從而成為實體教學的有效補充。數值模擬的虛擬仿真往往針對結構層次,如結構隔、減震實驗等。這種類型的實體實驗往往很難在實驗室再現和重復,通過虛擬仿真實驗可以加深學生對相關知識的理解,有效彌補課堂教學的不足。實際工程的虛擬仿真是將整個工程從開始施工到最終完成完全虛擬化,使學生能夠將所學的知識與實際相結合,提高學生的綜合能力。因此,虛擬仿真實驗教學是實驗室提高土木工程學科教學能力的重要舉措,有助于創新人才的培養。

3.2 進行教學資源共享,積極舉辦科普活動

教學資源共享是解決實驗教學資源有限問題的重要途徑,尤其是當虛擬仿真教學形成體系后,通過互聯網即可實現教學資源的共享[8-9]。通過教學資源共享,各個學校可以充分發揮自身優勢和特色,擴大優質教學資源影響力,提高教學資源的利用率,最終提高實驗教學水平。此外,土木工程實驗室還應積極舉辦科普活動,主動實現實驗設備對外共享,普及土木工程相關知識,提高全社會土木工程防震減災意識,如防災科技學院的災害模擬實驗室和東南大學的結構創新競賽[10-11]。

3.3 完善人才梯隊建設

作為土木工程實驗室的工作人員,應具備3個依次提升的層次要求。首先,應具備職業道德、法律意識和良好的身體素質。其次,應具備專業技能和服務意識。土木工程實驗室的核心職責是完成實驗教學和科研實驗,只有具備專業技能和服務意識,才能真正地履行職責。最后,還應具備創新能力和溝通能力,從而能夠面對一流學科建設中出現的新問題。其中,第1層次人員主要為中級以下職稱,即以勞務合同形式聘請一定數量的熟練工人,協助完成教學實驗和科研實驗任務。第2層次人員主要為中級和副高職稱,是實驗室的骨干人員,主要負責完成教學實驗、科研實驗及大部分對外服務任務。第3層次主要為副高和正高職稱,主要負責實驗室的統籌規劃[12]。