基于師生聯合研發土工教學設備的人才創新能力培養與實踐

王家全, 唐 毅, 張亮亮, 唐咸遠

(廣西科技大學 土木建筑工程學院, 廣西 柳州 545006)

科技創新是社會生產力發展的源泉,高等教育是知識傳播、科學研究與思維創新的主要方式,是為建設創新型國家提供創新型人才的重要途徑[1]。近年來,廣西科技大學依托巖土工程穩定控制與信息技術重點實驗室、土木工程實驗教學示范中心、預應力與控制技術重點實驗室等科研開發與創新實踐平臺,以培育具有“扎實理論基礎、敏銳創新意識、較強創新能力與實踐能力”的土木工程專業創新人才為目標,通過師生聯合研發科研實驗設備,對人才創新能力培養方式和土木工程實驗教學手段的優化改革進行了探索和實踐。學生作為設備研發主導,結合指導教師的科研經驗,自主研發教學設備,在很大程度上豐富了原有實驗教學手段和教學內容,提高了土工實驗的教學質量[2-3]。同時,通過引導學生積極主動參與設計研發設備,不僅可有效提升學生的積極性,還可極大促進學生創新思維與能力的發展。此外,師生聯合研發科研土工實驗設備的方式,很好地促進了學生基礎能力掌握、創新思維發散、理論知識創新實踐等實驗教學目的的達成。利用新理念、新思維、新方法、新材料、新技術、新環境等,在已有產教科研成果的基礎上進行二次開發,研制出不同種類的實驗教學設備,最終構建出基礎土工實驗—科研專項實驗—自研設備發明專利—工程應用等多層面、多維度的創新實驗教學體系與資源平臺,極大地提升了學生的理論認知與創新實踐的能力。

1 研究背景與研發思路

1.1 師生聯合研發教學設備的意義

在全國高校重視工程教育專業認證的背景下,我國高等教育對實驗教學示范中心規定了包括8個層面的建設目標和建設內容[4-5]。實驗教學作為我國高校人才培養的重要方法與手段,引發眾多高校對實驗教學模式與教學方法的思考探索[6]。隨著科技的不斷進步,實驗教學體系及內容不斷更新,高校實驗儀器設備配置也必須隨之進行創新優化,這樣才能達到實驗教學示范中心的8個層面的要求,進而塑造出一個良好的培養創新型人才的環境。然而,目前高校所采購的土工教學設備的應用范圍大多比較狹窄,部分儀器設備不能完全符合最新的實驗教學范圍和深度,不能滿足學生創新型實驗的要求,不能適應高校培養創新人才的需求。此外,不少高校由于實驗教學經費有限,能夠購置的最新實驗儀器設備有限,且這些儀器設備在實驗過程中會存在不足而需要改進。

因此,以學生為主體,結合教師科研實踐經驗,聯合研發土工教學設備,對高校實驗教學模式優化與改革十分重要。通過師生聯合研發實驗教學設備,不僅可以將學生的理論認知、創新意識、創新實踐能力充分調動起來,而且還能夠很好地把教師的科研工作與土工實驗教學需求及工程實踐對人才的創新需求相結合,凸顯土工實驗教學的特色和亮點,滿足現代實驗教學對綜合性、設計性、創新性的改革要求。此外,師生聯合研發土工實驗教學設備,還可以很好地激發學生的創新思維,強化理論認知,提升創新實踐能力,有利于培養具有良好科學素養的創新型人才。

1.2 師生聯合研發教學設備的思路

師生聯合研發土工實驗教學設備的總體原則是堅持“一個中心、六個結合”,即以學生為主導中心,學生理論認知與創新思維及能力相結合、學生創新實踐與教師科研經驗相結合、教學實際需求與研發效益相結合、基礎土工實驗教學與科學實驗研究相結合、自研設備發明專利與實際工程應用相結合、自研設備與實驗教學示范中心的8個層面要求相結合等。從理論與實踐2個層面出發,將創新思維與能力的培養貫穿至基礎土工實驗—科研專項實驗—自研設備發明專利—工程應用等多層面、多維度中去,進而構建一個創新土工實驗教學體系與資源平臺。以理論認知與創新實踐為著眼點,要求學生靈活、綜合、創造性地運用所學知識及應用原理,從現有實驗儀器設備出發,加強理論與實踐及基礎實驗與專業實驗的融合,對現有設備存在的不足及實驗內容進行改進優化,使學生的理論認知與創新能力向解決工程實際問題上遷移和轉化。同時,基于教師的科研能力與工作經驗,將教學成果與科研成果相融合,加強對學生的創新意識、創新能力、科研認知能力及問題解決能力的培養,利用學生的創新思維與能力引導和幫助學生自研實驗教學設備,盡可能為學生提供儀器設備制造所需的場所與平臺,提升實驗教學水平和質量。

2 師生聯合研發教學設備的實踐

以我校巖土工程穩定控制與信息技術重點實驗室所研發的土工合成材料大型可視化拉拔試驗設備[7]為例,介紹師生聯合研發土工教學設備,培養學生創新能力的具體實踐。

2.1 教學科研型與工程型實驗模型設備的研制

師生聯合研發的土工合成材料大型可視化拉拔試驗設備,如圖1所示。

圖1 師生聯合研發的自制設備示意圖

現有的拉拔試驗設備存在以下不足：

(1) 在拉拔試驗過程中,只測量加筋材料的前端位移,不能對加筋材料的中部和末端位移進行測量,在測量數據方面存在較大誤差；

(2) 由于設備尺寸相對較小,對筋土界面相互作用的研究受邊界尺寸效應的影響較為明顯；

(3) 試驗僅能得到筋土界面相互作用過程的宏觀力學響應,不能可視化地觀測拉拔試驗過程中筋土界面砂土細觀組構的演化規律,限制了加筋機理的深入研究；

(4) 試驗數據的讀取、記錄和處理也存在許多缺陷,容易產生人為誤差,無法獲得精確的試驗結果。

對拉拔試驗設備進行創新研發是一個很有意義的研究課題。自研設備所要解決的技術問題和創新內容是：針對現階段拉拔試驗設備的不足,提供一種試驗箱可視化、試驗過程誤差小、試驗數據精確的土工合成材料大型可視化拉拔試驗設備。該土工合成材料大型可視化拉拔試驗設備,主要包括放置試樣的試驗箱、豎向加載系統和水平加載系統。豎向加載系統安裝在試驗箱的上方,該豎向加載系統包括液壓伺服千斤頂、反力框架和液壓板,水平加載系統包括水平載荷施加裝置和拉拔夾具。通過相關聯動裝置進行拉拔試驗,試驗箱未開設出口和通孔的端面上設有鋼化玻璃板,鋼化玻璃板前面安裝了用于拍攝并記錄試驗箱中試樣變化過程的數碼攝錄裝置。試驗中,試驗箱中試樣的一端與拉拔夾具連接,另一端與位移傳感器連接。

師生聯合研發的該設備的先進性如下[8]：

(1) 拉拔試驗過程中可進行試樣中部和末端位移測量；

(2) 拉拔試驗箱為可視化；

(3) 拉拔試驗箱尺寸大型化,試驗箱內徑為600 mm×400 mm×500 mm；

(4) 數據采集自動化,減少了試驗過程中數據讀取、記錄和處理時產生的誤差,使數據更精確。

2.2 學生創新思維與創新能力的培養

師生聯合研發自制儀器設備與教學、科研、工程實踐可以很好地融合,能夠滿足高校人才培養不斷創新發展的需要。按照“一個中心、六個結合”的思路,充分結合學生理論認知、基礎土工實驗與科研實踐,逐步引導學生積極參與自制儀器設備的研發工作,利用學生的創新思維和實踐能力,使學生經歷包括構思設計、制造安裝、調試使用、成果轉化等各個環節的完整開發過程,進而使學生掌握科學研究的一般方法,提升他們的創新意識、創新思維與創新能力。

“拉拔試驗”是獲取土工合成材料力學參數的重要試驗方法,通過該試驗可以清楚地認知筋材的力學性能和筋土界面特性。在構思設計環節,要求學生在原有基礎土工實驗基礎上,通過對文獻資料的深入調研,以實驗需求為出發點,構思創新性實驗設想,并根據教師的評價與建議,提出構思設計方案。方案中應指出設備的主要技術指標及其先進性與適用性。在這個環節,以學生為主,教師給予輔助引導,培養學生對土工實驗方法及相關學科的認知轉化能力、理論聯系實際能力、創新思維及創新意識。該環節在師生聯合研發土工教學設備過程中,處于首要地位,起決定性作用,將決定研發的成敗。

在制造安裝環節,學生要根據在構思設計環節完成的設計方案,通過查閱相關技術資料、文獻等,并綜合運用不同學科知識,利用繪圖工具(CAD、UG等)繪制裝配組合示意圖(見圖1),以便指導生產制造廠家加工零配件和進行組裝。這個環節,主要從知識結構的調用及不同學科融合交叉層面,培養學生的創新思維與創新實踐能力。該環節在整個研發過程中起關鍵性作用,決定著設備研發的適用性與精準度。

在調試使用環節,學生根據掌握的理論知識與試驗能力,對新研發自制的拉拔試驗設備進行調試使用。在具體調試使用過程中,學生應及時處理試驗數據,并對設備性能的優良程度及試驗結果的精準度做出評價,為進一步優化完善該設備作好準備。這個環節主要培養學生的創新實踐能力及根據試驗結果對設備進行糾偏改良的能力。該環節在整個研發過程中起效果反饋作用,以便決定設備是否滿足預期目標及后期如何優化改良。

在成果轉化環節,學生對試驗數據及結果進行后處理與分析,進而形成系列成果,如形成拉拔實驗設備發明專利[7]、創新性實驗成果論文[8-9],并對其他土工教學儀器設備的研發自制提供借鑒,從而促進整個土木工程教學體系及內容的優化改革。該環節在整個研發過程中起評價作用,能很好地對學生的創新能力給予正面評價和激勵。

3 結語

培養創新型人才是土木工程實驗教學體系改革的內在要求,對學生創新意識、創新思維和創新實踐能力都有全新的定位。基于師生聯合研發土工教學設備培養學生的創新能力,必須堅持以學生為中心,對學生在基礎土工實驗—科研專項實驗—自研設備發明專利—工程應用等多層面應達到的創新意識、創新思維及創新能力有清楚的構想。師生通過設計研發能夠滿足創新要求且適宜使用的土木工程實驗設備,來提升學生的創新能力。通過實踐檢驗和成果轉化,來評價和優化自制的土木工程實驗教學設備,激勵學生創新思維的不斷形成和發展,最終形成一個層層優化、持續改進的創新教學體系與資源平臺,培養具有創新能力的綜合型專業工程人才。