基于創新型人才培養目標的路橋工程綜合性實驗教學改革

雷小磊 吳金榮 劉清華 魏成龍

(安徽理工大學 土木建筑學院，安徽 淮南 232001)

對于應用型高水平大學，教育和培養具有一定工程應用和創新實踐能力的大學生是根本任務，實驗教學是應用型專業課程教學必不可少的重要環節，為培養目標的實現提供了堅實的保障，也是高等教育改革的重要方向和內容。

隨著我國科學技術的不斷進步，社會對創新型人才培養的需求越來越迫切，尤其對于實踐性很強的土木工程路橋專業的學生，在獨立分析和解決問題、創新和實踐能力等方面的要求越來越高，這就要求高校不斷加強實驗和實踐等方面的教學。

目前，多數高校仍存在重課堂理論教學、輕實驗實踐教學的傳統觀念，實驗教學仍然采用“理論+演示/操作”的簡單模式方式，這不僅無法達到通過實驗培養學生的工程綜合素質和能力，驗證深化所學的理論知識的目的，更無法實現教育部關于“進一步加強實踐教學，注重學生創新和實踐能力培養”的基本改革目標[1]。

通過研究資料，綜合調研國內的東莞理工學院、西京學院、安徽工業大學、阜陽師范大學、合肥學院和新華學院6所普通高等學校土木工程實驗室建設及教學改革情況，重點以安徽理工大學土木建筑學院路橋工程實驗室教學改革為例，結合路橋工程專業實驗課的教學現狀，研究符合當代社會對應用型路橋工程專業畢業生要求的實驗教學模式和教學改革方法，通過綜合性實驗的改革，經過近兩年的教學模式改革實踐應用，發現學生參與科研工作和創新性實踐活動的積極性明顯增加，從而獲得了較好的成果。

一、路橋工程實驗教學現狀及問題

(一)實驗室基本概況

綜合調研的6所國內高校中，安徽理工大學土木建筑學院路橋工程實驗室建成較早，規模較大。該實驗室始建于2000年，經過近20年的建設，目前擁有實驗室面積700m2，儀器設備數達200余臺套。面向本科生所開設的實驗課程包括砂石的篩分、堆密度、視密度、含水率，水泥的細度稠度安定性凝結時間等路用材料的基本指標測定實驗；瀝青材料的針入度、軟化點、延伸度等基本指標測定實驗；路面摩擦系數、滲水系數、平整度、破損檢測、構造深度等路面基本指標檢測實驗，年均學時60個。供研究生培養方面的實驗主要包括瀝青及瀝青混合料、混凝土的結構性耐久性無損檢測等方面的研究實驗。實驗室現擁有專兼職指導教師7名，其中博士6名，高級職稱教師6名。

(二)路橋工程實驗教學現狀及問題

1.實驗教學體系不夠完善，綜合性建設滯后

近年來，隨著高校“大學科”建設方向改革，多數高校土木工程專業能以“大土木”學科為主要方向建設各專業的教學研究團隊，對傳統的教學理念并未改變太多。如對于土木工程、路橋工程、道橋與渡河工程等相似或有交叉的學科建設聯系不足，存在各自為戰、各自建設的情況，造成一些工程材料功能性指標性實驗的重復建設和不必要的浪費；傳統的重課堂輕實踐的思路沒有根本性改變，對實驗教學重視還不夠，影響實驗課程的獨立設置，實驗室所開設的實驗項目零碎地穿插在理論課程中，實驗項目設計缺乏科學性，專業間缺乏系統性，項目間缺乏關聯性，這對于培養學生的系統性綜合性的學科知識結構造成負面影響。

2.實驗儀器設備陳舊，臺套數少

實驗室的基本建設投入是決定實驗課順利開展的重要因素。以安徽理工大學為例，路橋實驗室已建成投入近20年，實驗室近70%的設備屬于2015年以前購置(或為2015年前生產)，由于日常的使用和缺乏必要的專業維修保養，部分儀器設備已經出現指針不靈敏、數據誤差較大、配件缺失等情況[2]。隨著專業的快速發展，招生數的不斷增加，儀器設備利用率也有所提高，加之儀器設備更新換代頻率較慢，造成路橋實驗室教學儀器設備臺套數不足、無法實現按照自然班一次開課的情況。開設課程和安排實驗課批次時更多的是要考慮儀器的臺套數，這就制約了實驗課程的改革，難以實現對學生實踐動手操作能力的培養和本科教學目標達成度的要求。

3.實驗課程不獨立，學時分配不足

多數高校土木工程專業實驗課主要為課程附帶設置，不能夠完全獨立，這給系統的實驗教學改革帶來一定的阻礙。由于實驗課不獨立，無法系統地編制規范的實驗教材，實驗指導書的編寫也僅僅是參考規范和儀器設備的操作指南等內容進行梳理，教材的內容相對滯后落后，無法體現教材的專業性，更無法實現“實驗教學重點是對課堂理論知識有效補充”的建設目標。

實驗課程不獨立最大的表現是學時不足，只能按照學時開設部分實驗課程。表1是安徽理工大學土木建筑學院路橋工程專業開設實驗課程信息統計，可以看出，課程的課堂教學部分學時遠遠大于實驗課學時，實驗室開設的實驗項目零碎不系統，學生實踐動手操作機會少，理論知識的轉化與創新能力的培養很難有效銜接。如路橋工程專業開設的必修課《路基路面工程》，一共40學時，其中課堂教學34課時，實驗課6課時，實驗課時僅占15%，所開設的實驗項目也僅僅是瀝青材料的基本指標的測定，顯然，這樣的課時安排無法滿足培養學生創新實踐能力的要求，應適當增加實驗課學時，可以增加開設瀝青材料的閃燃點、蒸發量損失、密度、黏度，瀝青混凝土材料配合比設計、馬歇爾穩定度、瀝青含量及車轍等實驗項目，進一步優化實驗項目，培養和提高學生的工程實踐意識。

表1 路橋工程實驗室開設實驗課程信息一覽表

4.教學方法傳統，綜合型設計性創新性缺失

路橋工程實驗室的建設現狀導致專業實驗課的內容陳舊，更新頻率緩慢，實驗室綜合性設計性創新性實驗條件不足，80%以上的課程仍屬于驗證性、演示性實驗。以實驗指導書為基礎，教學中采用傳統的灌輸式教學，上課時學生僅需要按照實驗指導書中列出的實驗目的、實驗內容、實驗步驟操作即可。這種被動式的教學，缺乏課堂的互動，學生實際動手操作的機會較少，這與綜合性創新性實驗鼓勵學生主動思考、分析問題、解決問題的初衷背道而馳。

5.實驗考核形式單一，不夠全面不夠客觀

實驗教學考核目的是檢查教學和實驗的效果，具有直觀、實踐、綜合和創新等基本特征[3]。目前，路橋工程專業實驗課程不獨立，教學以演示性、驗證性的實驗為主，實驗課的成績占課程總成績比例較少(一般為總成績的10%—30%)，無法激發提高學生實驗課的學習積極性。考核形式單一，對學生實驗課期間的綜合表現未形成具體的量化標準，僅僅只能結合平時表現和實驗報告的書寫完整相結合的評分模式，沒有將實驗的預習情況、實驗過程中的分析和思考過程、實驗課的表現等因素綜合考慮，缺乏科學、客觀、合理的指標體系，無法很好的體現學生創新能力的培養效果。

二、路橋工程綜合性實驗教學改革

基于目前路橋工程實驗課教學模式中存在的問題，采用文獻研究、訪談研究、調查研究、方案實施的比較研究等多種方法，以進一步提升學生實踐創新能力，培養適應社會需求的創新型工程專業人才為目標，提出以開創綜合性、設計性、創新性實驗課程為基礎的路橋工程實驗課教學改革模式，為路橋工程專業人才培養的可持續發展提供數據支持和經驗參考。

(一)轉變課程認識，轉換實驗課主體

1.培養創新型人才是高等教育改革的重要任務

隨著改革的深入推進，如何改進和加強實驗教學是培養具有創新精神和實踐能力的專業性工程應用型技術人才的重要研究方向。這就要求高等學校既要重視理論知識的教授，又要重視學生解決實際工程問題能力的培養；既要考慮學生的總體基礎，又要考慮學生的個體個性差異；既要考慮知識傳播，又要考慮趣味創新。

若要徹底改變實驗教學是理論知識教學的附屬附帶的傳統觀念，需要充分認識實驗課教學在工程技術人才培養中的重要性，建立理論知識與實驗教學并重的培養方案、教學計劃和大綱，在培養方案的制訂過程中切實提高實驗課學分及其在總學分中的比重[4]。

2.將學生轉換成實驗課的主體，指導教師輔助的實驗教學改革模式

將實驗室現有開設的實驗課程項目統籌規劃設計，將一個個獨立的實驗項目重新整合，開設綜合性設計性實驗項目，如將瀝青針入度、軟化點、延伸度三個基本指標測定實驗項目合并為瀝青基本指標綜合實驗，按照儀器臺套數將學生分成4—6人一組，從拿到實驗任務開始，由各小組對實驗選用的儀器設備、操作等進行實驗設計，設計方案經過指導教師審核通過后方能進行下一步實驗工作，瀝青試樣的選取，試件的制備和養護，實驗操作和數據處理，合格標準的判定、存在的問題和改善措施的總結等過程全部由各小組獨立完成，關鍵實驗步驟需要通過指導教師的審核。這種以學生為主體的全程參與的實驗教學模式已經在路橋工程實驗室試行，打破了傳統的教學模式，很大程度地增加了參與度，不僅對學生的實踐動手能力是一種訓練，也是對學生獨立分析和解決問題、工程實驗設計思路的一種培養。

(二)建立和優化“項目模塊”實驗教學體系

近年來，調研的部分高校土木工程專業順利通過教育部本科教學評估，這也對培養創新型工程技術人才目標方面提出了更高的要求。安徽理工大學土木建筑學院在實驗課程的教學方面進行了改革，以培養學生的基本實驗能力、工程應用實踐能力、綜合創新能力為主線，通過對實驗室按照土木工程基礎課和各專業實驗課施行綜合建設改革，成立土木工程實驗中心，按照理論教學與實驗實踐教學的內在邏輯關聯及時間順序，對實驗課程的指導教材、教學大綱、開設的實驗課項目進行模塊化建設，充分整合與優化，初步構建了集合土木工程及路橋工程等專業基礎實驗、綜合設計實驗、研究創新實驗的“項目模塊”式的實驗教學體系。

專業基礎實驗教學模塊。路橋工程作為土木工程專業的一個子方向，本科階段所開設的基礎課程基本相同，所以在進行專業基礎實驗教學模塊建設時，更多地依托土木工程專業所開設的實驗課程，著重培養和訓練路橋工程專業學生的基本實驗能力[5]。因為基礎實驗屬于工科類學生的必修課程，所以，此部分實驗課程的教學計劃由學校基礎課教研室全面統籌安排，一般在大學的一二年級。主要包括的課程有《大學物理》《普通化學》《工程測量》《電子電工技術》《流體力學》。

綜合設計實驗教學模塊。路橋工程專業的培養目標有別于其他工科專業，傾向于重點培養適應現代道路橋梁工程實際需要的應用型專業技術人才，模塊建設時要充分結合教學大綱的課程要求，以鞏固所學的基礎課、專業基礎課和專業課的知識為基礎，培養學生綜合應用所學知識進行設計實驗的能力、分析和解決實際工程問題的能力。此部分實驗課程的教學計劃由學院土木工程實驗中心牽頭，充分整合實驗室建設，各專業實驗室結合培養方案有所側重地選定本專業實驗課項目，制定各專業的實驗課程授課計劃和方案，一般在大學的二三年級。主要包括的課程有《AUTOCAD》《土木工程材料》《混凝土結構設計原理》《土力學》《材料力學》《土木工程測試技術》《混凝土無損檢測技術》《道路工程CAD》《道路工程材料》《路基路面工程》《橋梁工程》《道路橋梁測試技術》。

研究創新實驗教學模塊。隨著國家對創新型人才需求的不斷增大，僅僅依靠課堂和實驗室的基礎實驗課教學已經很難實現目標，這就需要全面開放實驗室，開設以研究和創新為目的的實驗課程[6]。面向路橋工程專業學生開設的課程重點依托大學生挑戰杯科技作品競賽、國家級省級校級大學生創新訓練計劃項目、大學生雙百雙創科技作品競賽、大學生結構設計大賽、路橋類BIM應用設計競賽、交通科技競賽、混凝土設計大賽、教師的科研課題項目等，通過專業基礎理論課和綜合設計實驗課的教學，積極參加各類學科競賽，激發學生的科研興趣，以解決路橋工程設計、施工中的具體的技術問題為驅動，以項目尋找指導教師的路徑，發揮以學生為主體的科研主動性，提高學生對不同課程、不同學科知識的學習和綜合運用能力，培養學生的拓展創新實踐能力。此部分實驗教學貫穿學生的大學完整周期，甚至部分項目的研究可延續到畢業后期的一段時間。

(三)整合實驗課程項目，改進教學方法

影響路橋工程實驗課改革的一個最重要因素是實驗課程的不獨立，實驗課學時偏少，這反映出來的正是傳統教學觀念的影響，這就要求在實驗課改革中充分結合以人為本、創新能力培養為目標的新理念，徹底改變實驗課是課堂教學課程附帶的這一思想觀念。為提高實驗教學效率，加大實驗室的利用率，培養和提高學生的路橋工程素質和實踐動手能力，可以將《土木工程材料》和《道路工程材料》中水泥、砂石、混凝土的實驗課內容整合合并，獨立設置為《土木工程材料》實驗課，整合《土木工程材料》和《道路工程材料》中瀝青及瀝青混合料的實驗課程內容，獨立設置為《瀝青及瀝青混合料》實驗課，獨立考評考核體系。

“興趣是學習最好的老師”“用對了方法事半功倍”，可見在實驗教學中，激發學生的學習興趣、使用合適的教學方法是重中之重。學生只有對實驗課產生了興趣，才能更加認真、投入地汲取課程知識。傳統的機械式教學模式極大影響了學生學習的主動性，催生了學生只要機械地完成學習任務就能順利畢業的簡單教與學模式，嚴重偏離了創新型人才培養的目標。結合所承擔的實驗課項目，路橋工程實驗室細化綜合性設計性實驗和研究創新性實驗分類，改變以學生為主體的實驗課教學模式，充分發揮學生的積極性主動性，從綜合實驗的規劃設計、課前預習、課前的準備到試件制作養護、儀器操作、實驗數據分析、報告撰寫及實驗總結整個實驗周期，實驗課指導教師參與關鍵環節，與學生參與討論設計方案，在學生遇到困難時，積極啟發，引領其積極思考，而不是直接給予答案，真正做一名引領者[7]。

根據“大土木”專業建設目標的教學要求，土木工程實驗中心要全面統籌建筑工程、巖土工程、路橋工程等不同專業方向實驗室的資源和課程。考慮到實驗課程學時偏少的情況，路橋工程實驗室執行了相應的改革措施，在實驗課前采用多媒體實驗教學工具對實驗內容進行先期教授，能夠在一定程度上緩解教學內容與課時緊的矛盾。通過多媒體對實驗儀器的操作進行動畫演示或實驗視頻播放，圖文并茂，直觀地了解實驗的操作，使實驗內容變得生動有趣，激發了學生上課的積極性。目前，實驗時所選用的視頻材料多數是從網絡下載或出版社提供，版本比較舊，存在部分內容與現行規范和設備不匹配的情況。下一步，路橋工程實驗室擬結合現行規范要求，對本科生實驗課程的教學視頻進行拍攝和制作，供學生在課外下載觀看，充分利用碎片時間學習，進一步開拓學生的專業視野、豐富專業知識面。

(四)探索建立實驗課考評考核體系

要保證路橋工程綜合性實驗的教學作用效果，僅僅依靠激發學生個人興趣還不足夠。要徹底改變傳統的“輕準備、重操作、重報告”考核形式，以整個實驗過程為周期，構建以 “設計”“準備”“操作”“報告”并重的綜合考核體系，將傳統的終結性評價改為過程性評價與終結性評價相結合，根據實驗課程和項目的訓練中心分別確定權重指數，逐漸完善和豐富開放性實驗的考評辦法，更客觀地對學生參與綜合性實驗過程進行評價[8]。

路橋工程實驗室在建立考評考核體系時，重點將綜合實驗的整體規劃方案、實驗方案制定、實驗過程中儀器的操作實施、實驗結果分析判定、實驗報告的撰寫等環節分別加權，按照課程學時的分配綜合給定實驗課成績。如對《道路工程材料》中的水泥技術性能指標綜合實驗考評考核設計時，充分考慮實驗課對學生能力培養的側重因素，試將加權系數設定為：實驗的整體規劃方案：0.2；實驗方案制定：0.3；實驗操作過程的實施：0.2；實驗結果分析判定：0.15；實驗報告的撰寫：0.15。經過實踐，結果表明，這種有所側重點的實驗課考評考核體系基本能全面考察學生的綜合性設計性實驗能力水平，也能促進學生參與綜合性設計性實驗積極性的顯著提高。