工程實驗與理論教學的融合方法研究

楊 溥，賈傳果，劉立平，鄭妮娜，夏洪流

(重慶大學 土木工程學院，重慶 400030)

土木工程類高校培養方案中，一般包含理論教學和實驗教學兩部分內容，兩者相互影響和促進。工程結構試驗課程是推動專業基礎理論發展的主要手段，有助于學生夯實專業基礎、理論聯系實際，提高科技創新能力，實驗環節實質上是創新型人才培養的重要部分。以培養綜合型土木工程專業人才為目標，以實驗課程為平臺，創新教學方法和教學思路，積極展開教學改革，才能真正實現教學相長，推動教學質量的提高。

重視實踐已成為當前中國工程教育的一項重要任務，不論是基于《華盛頓協議》教育互認的要求，還是“卓越工程師”計劃的推行，實踐都是核心教學環節。因此，面對諸多專業課程，如何將工程實踐、實驗教學與理論教學有效融合是目前高校教學普遍討論和廣為關注的焦點之一，也是本科和研究生教學改革面臨的一大難點。以建筑結構抗震設計課程為例，該課程的目的是培養學生具備一定的結構抗震計算理論基礎，掌握基本的抗震設計原理，能從事普通房屋結構抗震設計工作。這門課程集成了結構力學(尤其是動力學)、地震學、荷載與結構可靠度原理、結構基本原理等理論課程，涉及的概念較為抽象、計算方法繁瑣難懂。針對當前教學中存在的問題，如何利用工程實驗有效促進課程學習、培養學生獨立思考和解決問題的能力，是需要積極探索的問題。

針對土木工程專業課程的特點，結合工程結構試驗，分析目前工程實驗和理論教學現狀及存在的主要問題，提出工程實驗與理論教學相互融合的教學方法，系統探討相應的教學內容、實驗項目、考核方式等教學改革措施，并通過工程結構試驗教學案例分析進行驗證。

一、工程實驗和理論教學現狀分析

目前實驗教學和理論教學尚存諸多問題，不僅源于學生對實驗教學的認識度和重視度不足，更主要的是和高校專業培養方案的要求、教師的教學理念、實驗室的硬件條件、教學方式、實驗組織和管理等因素有密切關系。對于土木工程專業的結構抗震設計課程和結構實驗而言，主要體現在3個方面。

1)“壓縮課時，提高效率”的教學改革使各專業課程的理論教學課時不斷減少，如何有效安排教學內容并在有限的教學時間讓學生掌握專業課程的精髓，為將來從事該領域工作準備必要的專業知識已成為當前理論課程教學改革與建設面臨的主要問題[1]。

對于結構抗震設計課程而言，其中重要的一章為結構減震控制，教學內容有隔震原理與方法、減震原理與方法、結構主動控制初步等，該類技術已在實際工程中得到廣泛應用，但分配的相應課時僅為1～2學時，僅靠課堂教學根本無法透徹講述這些原理和設計方法，只能大致列出結構控制的分類、特點及應用概況。學生畢業后碰到該類設計和施工問題仍需重新自學，嚴重制約了該門課程的教學效果和應用前景。如何彌補這個短板，是一直需要探索的問題，依靠課外引導學習和必要的實驗不失為彌補此短板的有效方式。實驗教學是對專業理論知識的補充和驗證，但目前絕大多數學生不重視實驗課，其原因在于教師和教學管理人員仍受傳統教育理念的束縛，不愿投入更多的時間去思考和實踐，未能形成具有特色的實驗教學模式。教師不轉變教育思想、教育理念，不能與時俱進，就不能構建新的實驗教學模式，課堂的枯燥陳舊造成學生重知識輕技能。

2)囿于實驗室硬件條件，目前普遍以驗證性、演示性實驗居多，學生參與度幾乎為零，學生發現問題和解決問題的研究能力和創新能力受到限制。

由于實驗室面積和實驗經費有限，實驗儀器設備陳舊，臺套數偏少，即使有些院校購買了新設備，學院也沒有充分考慮教學方面，而是重點考慮科研。在實際操作過程中省去了很多實際工程中必須處理的步驟，如設備調試、儀表使用、線路連接、數據采集、結果整理等，這些步驟是在課本中沒有出現的，但在將來的工作中又必定會遇到。實驗教學和考核中缺乏相應的刺激措施，沒有給學生參與實驗方案構思、設計、制作和對結果分析的機會，學生只需按照實驗指導書列出的實驗目的、實驗內容、實驗步驟操作，并在相應的表格填寫數據即可。

另外，實驗教學方法大多為灌輸式教學，缺少互動，學生動手操作機會較少，限制了學生發現問題和解決問題的研究空間及自主性和創新性[2-3]，導致學習積極性不高。大多數高等院校的實驗課時偏少，特別是單獨的實驗課程開設比例偏低，學時偏少，實驗內容交叉重復，缺乏實驗課程之間的關聯性[4]。

3)理論課程和實驗教學脫節，不能有機結合和融會貫通。實驗教學的組織和管理不當。土木工程專業課程的實驗內容復雜，被動灌輸式的實驗教學使學生來不及消化，加上學生對實驗的興趣及積極性不高，長此以往教師的目標是完成教學任務，學生的目標是完成實驗教學作業(實驗數據處理、實驗報告撰寫等)，在實驗過程中沒有得到啟發思考[5-9]，完成數據處理和實驗報告后，缺少集中討論和總結環節。

二、教學內容和方式改革研討

針對上述工程實驗和理論教學存在的問題，首先應注重培養教師和學生的工作學習態度，充分認識到實驗教學是專業理論課的有效提升和拓展。教師要精心設計實驗方案，注重實驗過程，嚴格要求實驗過程及實驗結果。教師應以身作則，培養學生實事求是、嚴謹認真的科學態度。在此基礎上，對教學內容、方法和考核方式進行改革。

(一)改進教學內容，優化實驗項目

充分利用課余時間，課前安排學生有針對性地查閱文獻資料，了解相關知識點或技術的特色和應用現狀，適當自學相關原理和推導相應的公式，從而彌補課堂教學課時的不足。另外，改革實驗教學內容，注重培養學生的研究和創新能力，為提高學生的實驗動手能力，培養學生科研能力，盡量減少驗證性實驗，增加綜合性、設計性、研究性實驗，突出創新能力的培養。同時采取必要的手段激勵教師增加研究性、啟發性的實驗內容。

(二)改革實驗課程的考核與評價方式

在大多數工程類高校中，考核方式主要根據平時作業、測驗、考勤及期末集中考試評定課程的最終成績，實驗部分成績所占比例非常小甚至可忽略不計，自然導致學生重視理論學習而輕視實驗教學。因此，課程考核中應加大實驗成績所占比重，并以論文撰寫、答辯、主動提問及集中難點研討等方式，全面培養學生的科學研究綜合素養。

(三)加強與科研融合的實驗平臺建設

土木工程專業實驗主要針對材料及結構受力性能，這類實驗以典型工程為背景，給出工程的主要技術特點，引導學生查閱相關的文獻資料以深入了解工程概況和具體參數，增強學生對結構實驗的重視程度，提高學習的積極性。實驗指導教師對學生在實驗中遇到的困難給予幫助，對操作上的錯誤及時給予必要的啟發和指導。

學校應大力搭建實驗平臺，教師和研究者共同提出實驗項目及細則，供學生根據自己興趣自由選擇，按項目報名分組。在對應項目教師的指導下，分小組開展實驗，對實驗過程中的疑惑，教師應為學生耐心講解。實驗后學生分析實驗現象，對實驗數據進行處理，探討分析結果，完成實驗報告，集中對比研討和反思。工程實驗與理論教學融合教學方法示意框圖見圖1。

“宣稱”資源在中美的報道中使用的都比較少，分別只占14.20%和6.88%。其中，在“贊同”一項中雙方使用最多的是“obviously”“of course”“certainly”等評價副詞，以強調某個觀點是無可爭議的，并暗示報道者和潛在對話者立場一致。例如：

三、教學案例分析

為充分發揮理論教學和結構實驗有機結合的效果，選取土木工程學院為本科生開設的專業課程——結構抗震設計方法和為研究生開設的實驗類課程——工程結構試驗技術為例，說明教學改革方法、具體措施和教學收獲。

(一)結構抗震設計專業課程

以重慶大學2015級土木工程學院卓越工程師班(以下簡稱卓越班)為研究對象進行了試點探討。針對結構抗震設計課程中結構減震控制的知識點，以結構減震試驗為契機，利用實驗室的小型振動臺進行實驗(Quanser Shake II，見圖2)。振動臺是加拿大Quanser公司為高等教育和振動研究機構使用而特別研發的第二代振動臺，由小型振動臺、功率放大器UPM、數據收集卡和配套的Q4終端擴展板、緊急停止按鈕和相應的電腦控制程序QUARC組成。另外，利用實驗室的加速度傳感器等數據采集設備，安排結構減震技術之調諧質量阻尼器(Tuned Mass Damper，TMD)試驗研討課。

調諧質量阻尼器TMD作為被動控制技術之一，在生產實踐中不斷得到應用[10-12]，是最常用的一種被動控制系統，在結構物頂部或上部某位置加載慣性質量，并配以彈簧和阻尼器與主體結構相連。TMD作為一種被動控制方式，其構造簡單、易于安裝、維護方便、經濟實用，且不需外力作用，具有其他方式無法比擬的優點，因此，在高層建筑風振控制、橋梁及海洋平臺振動控制等領域得到重視。

TMD控制系統由主體結構和附加在主結構上的子結構組成。附加的子結構具有質量、剛度和阻尼，通過調節子結構的自振頻率，使其盡量接近主結構的基本頻率或激振頻率。當主結構受激振而振動時，子結構會產生一個與主結構振動方向相反的慣性力作用在主結構上，從而減小主結構的響應，減輕結構構件的損傷。

TMD形式有多種，實驗中TMD主要針對水平單擺，將砝碼用細繩懸掛于單層單跨鋼框架上，實驗原理如圖3所示，模型實驗見圖4。其中框架梁處M0=2 000 g，調諧質量M分別取100 g和200 g，通過改變吊繩的長度調整單擺的自振頻率，將其調整至主結構自振頻率附近，以改變結構共振特性，同時調整砝碼的質量，以達到最佳的減振效果。

為彌補課堂授課時間的不足，首先引導學生利用課外時間查閱TMD技術的相關文獻資料以了解其應用現狀，如，美國波士頓60 層的John Hancock 大樓、中國臺北101大樓、澳大利亞的悉尼電視塔和中國廣州電視塔等工程應用。同時，要求學生推導單擺自振周期的理論計算公式，掌握TMD減震原理，從而確定單擺的最優擺長計算公式。結合結構減震試驗，幫助學生更直觀地了解TMD技術應用于結構的減震效果和結構動力反應的相關知識。

參加TMD減震控制試驗的卓越班學生共28人，分4組(每組7人)。首先，通過輸入白噪聲，測定普通框架結構的自振頻率f(f=1.461 Hz)。為便于觀測，僅輸入正弦波，即y=Asin(2πft)，其中A=1.0 m/s2，每組采用不同的頻率f，分別進行普通結構(即質量M=0)、TMD結構(即M分別取100 g和200 g)動力試驗。實驗結果對比見表1及圖5。

表1 結構減震效果對比表

圖5結構減震效果對比(第1組加速度響應)

通過實驗，對比分析結構頂點加速度反應，由表1可明顯地看到TMD減震效果，圖3繪制了結構頂點加速度時程曲線，讓學生直觀了解整個結構的振動過程。從實驗報告和實驗反饋中，可發現工程實驗與理論教學融合的教學效果良好，主要收獲和啟發反映在以下方面。

1)每組學生全程參與，分工明確(如查閱資料、推導公式、單擺擺長設計、拍照、處理數據及撰寫報告等)，協作完成。從每組報告中，都發現了M的不同，減震效果不同的普遍規律，僅從每組實驗數據(表1)來看，似乎質量M越大，減震效果越好，但學生的實驗報告中均指出并非M越重減震效果越好，這是難能可貴的，主要因為自學了TMD減震原理和單擺自振頻率的計算公式。

第1組學生事先依據框架結構的質量M0和剛度，計算結構自振頻率，掌握了單擺式 TMD理論自振頻率計算方法，從而根據TMD減震理論得到單擺的理論最優擺長。即對于自振頻率為1.465 Hz的結構，其單擺的最優擺長為4.07 cm。在鞏固理論知識的同時，提高了實驗效果，也極大增強了主動學習的積極性。

2)第2組學生在實驗觀測及數據處理過程中，發現自己組的結構頂點加速度時程曲線(圖6)與其他組的曲線(圖5)規律不同，敏銳地察覺到所在組的結構發生了共振現象，并主動與文獻[11]中的圖形進行對比分析，說明這是有阻尼結構的共振現象，如果是無阻尼結構，結構振動將無限增大。

3)學生主動學習MATLAB編程軟件來處理測試數據，各組采用Excel、Original等工具軟件繪制插圖，以獲取更佳的效果。

4)此次實驗沒有延續傳統上交實驗報告給出考核成績的習慣，而是組織學生講述實驗過程，總結收獲得失。教師啟發大家進行4組之間的數據和圖像對比，繪制結構振幅-頻率特征曲線(圖7)，并與文獻[10]和文獻[11]中的圖片進行對比分析，從而鞏固了動力學知識，加深對結構共振概念與原理的理解。

此次實驗與理論教學融合課以卓越班為試點，首次探索了專業課程的實驗教學模式和方法，得到土木工程學院的大力支持，受到卓越班學生的一致好評，讓學生熟悉以TMD為主的結構被動調諧減振控制裝置在建筑中的應用，更能理解建筑抗震和減震控制技術的重要性。

(二)工程結構試驗技術課程

工程結構試驗技術課程是土木工程專業碩士研究生的一門重要必修課程，教學內容主要包括建筑結構試驗的基本理論、實驗儀器、儀表和設備的操作規程以及結構試驗測試技術與方法，通過學習獲取該專業領域所必需的實驗基本技能和結構檢測能力。

對結構試驗技術課程已開展了諸多教學內容及方法的研討，但多數聚焦于土木工程本科教學，目前多數課程進行的都是演示性實驗，學生參與度不高，如何針對碩士研究生開展該門課程的教學改革，是目前研究生教學改革關注的焦點之一[7]。近年來，在教學內容、教學方式及考核方法等方面進行了探討，對實驗課程和專業課程的融合教學展開深入研究，具體包括：

1.課程基本教學內容

教師課堂教學部分共 8 學時，主要講述建筑結構試驗的基本理論、實驗儀器、儀表和設備的操作規程以及結構試驗測試技術與方法等，并充分利用最新科研項目的圖片、動畫、振動臺實驗錄像等資料，聚焦于結構動力、抗震、減震控制等技術及其實際應用展望，以提高課堂教學質量。

2.融合教學方法

在課程基本教學內容的基礎上，采用項目分組教學法，根據具體研究方向分組，選取與每位導師科研相關的最新研究題目。每組題目經授課教師確認后，以20 min左右的多媒體課件在課堂上講述，內容包括該課題最新的研究現狀和文獻綜述、編制實驗大綱、實驗技術準備工作(如試件制作、預埋傳感元件、實驗裝置、安裝和調試標定實驗設備以及相關材料性實驗等)、具體實驗過程(如采集并記錄實驗數據、實驗觀察等)以及實驗數據分析與總結，該部分主要偏重于實驗技術自身講解。在小組匯報結束后，其余小組學生或教師針對試件的受力簡圖及機理、結構破壞模式等提問，由答辯組成員解答。表2 給出了近兩年來的課程分組表。

小組實驗題目都是最新的結構研究前沿課題，包括建筑工業化裝配式建筑、韌性設計方法、結構抗震及減震技術等。通過工程結構試驗技術和專業課程的融合，進一步拓寬學生的研究視野，培養學生發現關鍵問題、深入思考問題和解決工程實際問題的能力，得到師生一致好評。

表2 實驗課程分組表

相應地，該實驗類課程的考核方法也由單一集中考試或實驗報告轉變為集中考試與平時成績組合、學生自評與教師評價相結合，從實驗方案、測試方案、數據處理等方面進行考評，兼顧文獻綜述、研究報告及成果等。充分利用課內外時間，從文獻資料、實驗方案、實驗裝置和實驗方法等方面總體考慮和集中講述，完成課程學習，收到良好的教學效果。

四、結語

工程類高校對于專業課程的教學，強調結構受力原理、基本概念和設計方法，不僅應保證課堂理論教學質量，避免滿堂灌的傳統教學模式，同時應加強理論教學和實驗教學操作的融合性和創新性，通過設置必要的實驗項目，充分發揮學生主動學習和查閱文獻的能力，利用精心設計的實驗課程，引導和啟發學生主動思考，培養其分析和解決問題的能力，開放實驗室培養學生的探索精神，以實現土木工程實驗教學改革與實踐目標。對于實驗類課程的教學，在強調實驗方案設計、測試方法的同時，重在領會實驗目的、實驗原理等，做到融會貫通。