科研與教學相融合的土木工程專業課程實驗教學模式探究

孟二從 傘磊 余亞琳

[摘要]科研與教學相融合的實驗教學模式對于培養學生的科研興趣、提升學生的動手操作能力及解決實際問題能力具有很大的作用。論文通過對西南大學土木工程專業部分課程實行科研與教學相融合的實驗教學模式情況及效果進行簡要介紹，分析這種教學模式對于土木工程專業實驗課程教學效果的提升作用，以期為相關實驗教學研究與創新實踐提供參考。

[關鍵詞]科研與教學融合;土木工程專業課程;實驗教學改革

[中圖分類號]G420 [文獻標識碼]A [文章編號]2095-3437（2020）05-0065-03

土木工程是指運用數學、物理、化學等基礎科學知識，力學、材料等技術科學知識以及土木工程方面的工程技術知識來研究、設計、修建各種建筑物和構筑物的一門學科。土木工程專業是工程應用背景明顯的一門專業，因而，在教學過程中強調專業理論基礎的同時，也應更加注重實驗教學質量的提高，用以培養學生的動手操作能力、創新能力和綜合素質。實驗教學是土木工程專業教學計劃的重要組成部分，是對課堂知識的直觀認識，也是連接知識與實踐、實踐與創新并使理論知識向實踐能力轉化的重要橋梁。實驗教育對提高學生的綜合素質，培養學生理論聯系實際能力、創新精神和實踐能力方面有著理論教學不可替代的特殊作用。因此，提升土木工程專業課程的實驗教學質量，對于培養我國未來優秀的土木工程師具有至關重要的作用。

一、西南大學土木工程專業概況

西南大學（下文也稱我校）土木工程專業起源于20世紀80年代的“農業建筑工程”專科專業和20世紀90年代的“農業建筑環境與能源工程”本科專業，1992年開始招收“建筑工程”專科生，2003年開始招收“土木工程”本科生。該專業按建筑工程、道橋工程等方向進行人才培養，丘陵山區建筑和道橋、新農村建設等是我校土木工程專業的特色和優勢。

西南大學土木工程專業培養方案要求學生經過4年專業培養后，應具備“能夠基于土木工程學科相關原理，并采用科學方法對土木工程領域的復雜工程問題進行研究，包括設計實驗、分析與解釋數據，并通過信息綜合得到合理有效的結論”等要求，這就要求我們一定要重視土木工程專業課程的實驗教學。

目前，西南大學土木工程專業已擁有可滿足本科基本教學需要的土木工程材料、結構、測量、力學等教學實驗室，但在教學的過程中也發現了很多問題，如實驗教學中部分教師與學生重理論輕實驗，實驗類型多驗證少設計以及實驗模式相對固定等問題。

二、土木工程專業實驗教學課程群

目前，西南大學土木工程專業按大類學科招生，招生規模約120人/年，大類基礎課程學習結束后，學生自愿選擇專業方向進行專業基礎和專業課程學習。對于課程類型的設置，在西南大學2018年土木工程專業培養方案中有3種類型，即傳統的理論講授課、實驗課及實踐課。相關實驗課程并非完全由實驗教學構成，以土木工程材料課程為例，其總學時為63學時，其中理論教學為36學時，實驗教學為27學時，實驗學時占該門課程總學時的43%。在本文中，為避免混淆，對于該類既有理論教學又有實驗教學的課程，統一歸類為實驗教學課程。我校土木工程專業目前主要按“建筑工程”及“道橋工程”這兩個方向進行人才培養，而無論哪個方向的培養，都有許多的實驗教學課程，如圖1所示。

三、土木工程專業實驗教學存在的問題

（一）國內部分土木工程專業實驗教學存在的問題

國內外很多土木類高校目前在實驗課程的教學效果上存在或多或少的問題。比如中南林業科技大學馮新對該校土木工程專業實驗課程調研后發現，該校土木工程所有實驗課程的開設基本上是以實驗項目為主，綜合性、設計性和研究創新性實驗項目相對較少，這就不利于培養學生的綜合創新能力。東南大學朱萬紅對180名本科生進行了土木工程材料實驗教學效果的調查，結果表明在參加試驗實踐情況選項中僅有30.23%的學生參與了所有的試驗;在小組成員安排與實驗效果的評價中，有52.91%的學生認為實驗小組成員較多，自己幾乎沒有動手的機會，有25%的學生認為自己基本沒有收獲;而在進入實驗室感覺選項中，有39.53%的學生不知道如何下手，47.67%的學生是看人家怎么做自己就怎么做，僅有5.81%的學生知道每一個步驟。吉林建筑大學白莉對該校建筑環境與設備實驗教學示范中心進行調研后發現，該校實驗教學主要是根據理論教學進度穿插于課程教學之間，時間上比較零散，沒有形成一個系統完整的培養體系，實驗教學缺乏整體規劃，嚴重制約了學生工程實踐能力和創新能力的提升。

（二）西南大學土木工程專業實驗教學存在的問題

我校土木工程本科專業自2003年才開始招生，與國內外其他土木工程院校相比，起步較晚，存在的實驗教學問題相對較多，總體而言有以下幾方面的典型問題。

其一，我校土木工程專業實驗課程大多分為理論教學與實驗教學兩部分，在該類課程教學過程中，部分教師與學生往往只注重理論部分而輕視實驗部分。與此同時，土木工程專業實驗課程往往涉及多方面知識內容，這就導致學生在有限的時間里，對相關實驗課程的學習只是泛泛了解，無法掌握相關實驗知識的內在本質，因而常出現從面到點的教育缺乏問題。

其二，我校土木工程專業學生在實驗室所做實驗相對較為固定，很少有自主選擇權利，因而無法發揮其主觀能動性。同時，學生所做實驗大多是驗證性實驗，而設計性實驗所占比例較小，比如土木工程材料實驗，此二者的比例為9：1，這就不利于培養學生獨立思考和綜合創新的能力。

其三，我校土木工程專業部分實驗室的教學儀器過于老舊，有些還是20世紀所購置的，部分儀器在實際工程中已被淘汰，無法滿足最新的工程應用。與此同時，部分先進的科研儀器又長期處于閑置狀態，沒有得到有效的利用，比如土木工程結構實驗室先進的MTS液壓伺服作動器就長期處于空置狀態，其有效利用率不高。

其四，我校土木工程專業部分實驗課程的教學評價機制較為單一，主要以學生實驗課程期末考試成績以及實驗報告中試驗結果和理論值的吻合情況作為學生實驗效果的評價依據，而對學生在實驗過程的動手操作情況、團隊配合效果以及分析和解決問題的能力等方面的考慮則相對較少。

四、科研與教學相融合的土木工程專業課程實驗教學模式探索

西南大學土建系為解決目前在土木工程專業課程實驗教學中存在的相關問題，在部分實驗課程的教學過程中融人了科研與教學相融合的教學理念，取得了良好的效果。

（一）科研與教學相融合實驗教學模式的構建

基于探究式教學、建構主義學習等理論，針對實驗教學中存在的“重理論輕實驗、從面到點的教育相對缺乏”的問題，西南大學土木工程專業在部分課程的實驗教學過程中，緊密圍繞教學一科研共同體的構建，從新工科背景下創新型人才培養的視角出發，以學生為主體，教師為主導，構建科研與教學相融合的實驗教學模式。

比如在“土木工程試驗”的理論教學過程中，教師在理論授課的同時便會強調實驗的重要性，要求學生做到理論知識學習與實驗操作并重。在實驗教學過程中，教師將其科研項目與本科實驗內容進行融合，并以專題報告形式對相關內容進行介紹，將科研項目里的相關實驗任務（和本科教學有密切關聯的部分）分配給學生。課后要求學生以小組形式進行相關的文獻調研與試驗設計工作，積極開展討論與交流，每個小組獨立完成試件的制作與加載測試以及數據分析的過程，從而使學生有效掌握相關實驗的關鍵知識。

（二）科研與教學相融合的實驗項目與實驗模式優化

針對學生在實驗室所做實驗相對固定，驗證性實驗多而設計性實驗少的問題，部分課程的任課教師在其實驗教學過程中對實驗教學的模式及實驗項目進行了優化，把新技術、新器件和科研成果引入實驗教學，適當減少驗證性實驗，增加綜合性、設計性實驗項目的比重，并確定合理的驗證性實驗和設計性實驗的比例。將工程應用前景較廣和可操作性較強的科研項目與科研成果及時轉化為實驗教學資源，在規定的實驗項目中給予學生自主選擇實驗項目的權利。

比如在“土木工程材料”實驗教學過程中，除必須完成的相關實驗外，還附加部分選做實驗，該部分實驗項目由教師根據課程大綱并結合最新的科研動態與工程前沿選定，學生可根據自身的興趣愛好選擇其中的幾項來完成。同時，在實驗項目的安排上，通過對學生的問卷調查，將驗證性試驗和設計性試驗的比例調整為4：1，從而保證在有限的教學時間里，能夠充分發揮學生的主觀能動性，增強其主體意識。

（三）制定符合科研與教學相融合理念的實驗室管理辦法

針對實驗室部分實驗教學儀器過于老舊，部分科研儀器未被充分利用的問題，西南大學土木工程專業在現有實驗室的基礎之上，本著立足現狀、著眼發展、統籌規劃、合理布局、優化配置的原則，淘汰相關過于老舊的實驗儀器，促使實驗教學緊跟科研與工程發展的前沿;找準科研與教學的結合點，將部分閑置的科研儀器應用于實驗教學中，從而提高設備的利用率，促進了教學與科研工作的共同發展。同時根據實驗室年度規劃，合理制訂實驗室對學生的開放計劃，實行綜合開放式實驗教學制度，充分優化實驗室的資源配置，引導學生自主探索，整合所學內容，進而融會貫通所學專業知識，培養探究能力和提高創新思維能力。

（四）建立科學的評價機制

針對土木工程專業相關實驗課程教學評價機制較為單一的問題，西南大學部分實驗課程在現有的實驗教學評價機制基礎之上，根據科研與教學相融合的教學理念，綜合考慮教師、學生、教學活動、教學內容、教學環境等因素的影響，制定以學生發展為根本、以多元化為特征、以指導和激勵為原則的更加科學合理的實驗教學評價機制。

比如在“土木工程材料”的教學評價過程中，對學生的評價不再僅僅注重其期末考試的卷面成績，還注重學生平時參與實驗的過程，評價的方式力求多元化。學生在完成教師布置的組內實驗討論時，讓學生進行自評與互評：通過自評，讓學生認識到自己的不足，同時對相關實驗過程及其不足之處做出改進與反思;通過互評，可讓學生看到自己與別人的差距。學生之間的評價與打分，也作為學生最終成績的一部分。同時綜合學生在實驗過程的參與情況與完成效果，并結合其期末考試成績來對學生的課程學習做出科學合理的評價。

五、科研與教學相融合的實驗教學模式的應用效果及推廣意義

實行科研與教學相融合的實驗教學，對實驗室而言，可以使實驗室的儀器設備得到充分利用，起到物盡其用的作用;對教師而言，教師在實驗教學及與學生的討論交流過程之中，可不斷提升自己的教學素養及理論水平;對學生而言，有利于提高學生參與實驗的積極性，激發其發散性與創造性思維，發揮其個性與特長，提升其工程實踐及創新能力。在此過程中，學生也更易接觸到學科前沿及工程實際問題，這對于培養學生的科研興趣、優化其知識結構及提升其解決實際工程問題的能力很有幫助。可見，土木工程專業實行科研與教學相融合的實驗教學模式具有明顯的應用效果與推廣意義。