新工科背景下土木工程專業試驗課程教學改革
——以土木工程材料課程試驗為例

李宏斌，宇云飛，孟志良

(河北農業大學，河北 保定 071000)

2016年以來，我國工程教育改革進入快車道，加入了《華盛頓協議》，開展了新工科研究與實踐，實施了卓越工程師教育培養計劃(2.0)，各項工作緊鑼密鼓，層層推進。2017年教育部啟動新工科建設工程，以復旦共識、天大行動、北京指南為標志的工程教育改革進入到一個新階段。教育部2018年6月的成都會議和2019年7月的海口會議，提出把全面振興本科教育作為新時代高等教育改革發展的核心任務。并提出強化質量意識、掀起質量革命、樹立質量品牌、提高本科教育質量的口號。伴隨中國經濟的快速發展，基礎建設投資增大，土木工程技術的發展也日新月異，對土木工程專業畢業生質量要求更高，需要在新工科戰略指導下創新土木工程人才培養模式，培養出符合“新工科”內涵要求的專業性人才[1]。為了更好地達成上述目標，需要轉變教學理念，以學生發展為中心，以產出為導向，注重學生能力的培養，對土木工程專業教學進行改革，其中包括對傳統試驗教學模式進行深度改革。

一、土木工程專業試驗教學改革的必要性分析

《高等學校土木工程本科指導性專業規范》指出，教學中要以工程實際為背景，以工程技術為主線，著力提升學生的工程素養，培育大學生的工程實踐能力和工程創新能力[2]。土木工程專業教育要培養具有扎實的理論基礎、較高的工程實踐能力及創新能力的高素質人才。而工程實踐能力和工程創新能力只有通過高質量的實踐教學才能得到培養，因此試驗教學作為實踐教學的主要組成，應發揮其應有的重要作用。

土木工程專業是具有很強工程實踐性的專業，主干專業課程都有配套的試驗。試驗課程教學是理論聯系實際、鞏固和提高理論知識理解和掌握的有效途徑，試驗教學質量決定著實踐能力培養目標的達成，進而影響畢業生質量達成度的實現。學生通過試驗課所培養的綜合能力和操作技術，會轉化成就業后的職業能力。基于此，設有土木工程專業的國內工科高校，近幾年對土木工程專業的試驗教學開展了一些探索研究。但試驗課教改多是依附在課程教改中，試驗課教改目標也是服務于本課程的達成度要求，試驗教學改革不能獨立之外，教改措施不能根據試驗課程特點自成體系。造成試驗教學改革的深入度不足，專業課程之間交叉融合不足，與生產實踐和工程技術發展的時代背景脫節，試驗教學目標和教學成果呈低階性。

土木工程專業人才培養方案和教學計劃中普遍存在“重理論輕實踐”現象，理論教學比重大，試驗教學課時嚴重不足，對試驗教學和能力培養達成度的支撐認識不足。試驗內容中驗證性試驗居多，試驗教學方法簡單，試驗管理落后，試驗指導教師工程經驗不足，試驗內容滯后工程技術的發展，試驗考核評價不合理。這些問題的存在，直接制約著“新工科”人才培養目標的實現。

在新工科建設背景下，以學習成果為導向、以能力培養為宗旨，對試驗教學目標提出了更高的新要求，必須對傳統的試驗教學模式進行改革，將試驗教學任務目標由單一性轉變為多重性，以培養學生綜合能力為高階目標，并與現代土木工程技術發展同步。只有以學生的發展為中心，主動適應人才成長規律，建構和整合試驗資源，才能為創新型技術人才的培養提供沃土。

經過多年的探索，結合土木工程專業主干課程試驗的內容及特點，將傳統的驗證性試驗改革為開放性的設計型、綜合型試驗，倡導實施自主性試驗，實施線上線下混合式試驗教學，將有關聯的課程試驗進行銜接貫通，并引導學生開展以創新發明為目標的研究性試驗。基于此，提出了土木工程專業試驗課程教改的三層次教學法，并創設貫通性試驗模式。下面以土木工程材料課程試驗為例，論述試驗教學改革措施。

二、土木工程專業試驗課程教改的三層次教學法

新工科建設的核心是培養能適應甚至引領未來工程發展需求的復合型創新人才。需要具備創新意識、全球視野、終身學習能力、批判性思維、引領技術進步的想象力和創造力等新素養、新能力[3]。新工科的“新”其內涵在于：新理念、新模式、新體系、新技術等，基于新工科的“新”要求，作為地方院校，結合本校實際情況，主要從試驗內容、教學模式、教學技術、管理和評價幾個方面深入開展試驗教學改革和創新探索。提出了符合土木工程專業發展且具有自己特色的試驗教學模式“三層次教學法”。

(一)三層次教學法的特點

1．整合試驗內容，打破章節限制。土木工程專業試驗課程一般包括若干個試驗項目。傳統試驗教學中，試驗內容與講授章節相對應，相對獨立分散，并且難易程度不同。學生在進行試驗學習時由于認知能力的限制，導致“只見樹木不見森林”，很難將前后章節的知識體系相聯系。特別是一、二年級的學生，專業知識體系尚未成型，分析和解決較復雜問題的技術能力和思維能力不足，導致試驗教學效果較差，達不到能力培養達成度指標的要求。針對這個問題，將試驗內容進行整合，劃分為若干個模塊。例如土木工程材料試驗整合為三大模塊，分別是鋼筋混凝土模塊、砌體模塊和瀝青混合料模塊，幫助學生在知識點間建立聯系，更好地對接工程實踐。

2．開放實驗室，打破課時限制，實施開放性試驗。傳統試驗教學中，試驗內容受制于固定課時，為了在指定時間內(通常是兩學時)完成試驗，不得不“削足適履”，對試驗項目進行取舍，致使許多必要試驗無法開展。例如水泥體積安定性試驗，試件制備約30分鐘、養護24小時、沸煮3小時，持續時間超過28小時，受限于課時，不得不放棄。但該試驗需要的真正操作時間并不多，其中約27小時屬于等待狀態，而實施開放性試驗，開放實驗室，學生自主安排試驗時間，就能完成“耗時持久”的試驗項目。

為了合理使用試驗室資源，提高利用率，對應試驗室開放而重新制定了試驗室使用制度和試驗室管理條例，實施試驗申請預約和試驗方案審核審批制，做到試驗時間、試驗空間、試驗項目、試驗設備、試驗指導的全方位開放[4]。

3．簡化試驗講授環節，變講授為指導，強化自主學習，加強預習指導。要真正實現自主性試驗，提高試驗課的時間效率，必須強化試驗預習。傳統的試驗教學模式是以教師講授為主體，學生根據要求分組進行試驗驗證。教師講解試驗目的、儀器設備、試驗方法等內容，通常會占用1/4以上的試驗課時，不僅縮短了學生試驗操作時間，而且學生在短時間內被動接收大量新知識，很難掌握，更談不上對整個試驗操作的理解，無法調動學生對試驗的興趣和探究意識。這種試驗教學模式無法滿足培養創新意識和科研能力的培養要求，與“以學生為本”，強調學生自主性的教學理念是不相符的。針對以上問題，強化課前預習環節，把課堂講解變為課前指導。按試驗改革目標編寫設計型開放式試驗指導書，充分利用課外時間，指導學生自主學習儀器設備的使用、操作步驟和數據處理方法。這樣，學生進入實驗室后自主性開展試驗，分工合理，有條不紊，能夠順利完成試驗任務。實踐證明，有效的預習是開放式自主性試驗的前提保障。

4．借力網絡新媒體技術，實現線上教學指導和遠程管理。試驗技能學習不同于書本知識學習，單憑文字圖片很難學會。全媒體時代，指導教師應發揮新網絡媒體的優勢，創新性運用網絡媒體技術指導學生，挖掘網絡資源，制作試驗視頻，建設課程資源庫，讓學生自主學習設備儀器使用方法、試驗步驟。師生間通過QQ、微信進行個體化即時交流，通過學習通、騰訊會議或騰訊課堂、雨課堂實現線上教學，變課上集中講解為課前課中遠程指導。

由于開放性試驗的試驗用時的不確定性和個性化的試驗方案各異，指導教師和實驗室管理人員全天候現場指導管理是不現實的。利用即時通訊軟件和攝像器材，學生拍攝試驗過程、試驗現象，同步傳送給指導教師，即可實現遠程指導。管理人員利用試驗室監控系統，隨時掌控試驗進程，可實現遠程管理。

(二)三層次試驗教學法的內容

三層次試驗教學法，即將試驗內容按認知規律和能力培養路徑劃分為3個層次，由簡到難依次遞進。第一層次是基礎試驗，第二層次是綜合性試驗，第三層次為生產性試驗。下面以土木工程材料試驗的鋼筋混凝土模塊來說明：試驗項目圍繞鋼筋混凝土這一主線而開展，由簡至繁、由易到難、由驗證到設計，直至到綜合性生產制作鋼筋混凝土構件。試驗教學兼顧基礎技能培養，更注重科研能力、創新能力、團隊協作能力和探究精神的培養。

1．由淺入深，難度遞進的層次化試驗內容。鋼筋混凝土模塊的第一層次試驗包括水泥、砂、石、摻和料和鋼筋5個單項基礎試驗；第二層次試驗為綜合性試驗，是利用第一層次的試驗結果和培養的學習能力、動手能力、分析能力，完成混凝土配合比設計及混凝土性能測定的設計型綜合試驗；第三層次為應用型生產性試驗，按照設計圖紙完成鋼筋混凝土構件的生產，這些構件將用于后續相關課程的試驗。3個層次試驗的難度、復雜性、工作量逐步增加，階梯形遞進，由單人可操作的簡單試驗，到團隊協作才能完成的綜合性大型試驗，試驗能力由入門到提高，到最后形成處理綜合工程問題的能力。

第一層次的基礎試驗部分，是不同材料的單獨試驗，表面看是孤立的，其試驗結果將用于第二層次的混凝土配合比設計試驗，彼此之間就產生了關聯，并且各項原材料的性能影響著混凝土配合比設計結果和混凝土性能的優劣。因此，第一層次試驗目的具有雙重性，一是檢驗材料的性能，學習試驗方法和操作技能；二是評價其質量能否滿足工程要求，分析其性能參數對混凝土性能(工作性、強度、耐久性、經濟性)和配合比設計的影響。在教學中教師要將其中的關聯，材料質量對工程質量的影響傳達給學生，引發學生對每一次試驗的重視度，借以培養學生嚴謹的治學精神。

2．“以教師為中心”轉變為“以學生為中心”，實施自主性試驗。以往的教學模式大多數屬于以教師為中心的模式，這種模式強調教師的教學主導作用，忽視學生的學習主體作用,不利于培養學生的學習能力、創新能力。以學生為中心的教學模式可以發揮學生的主動性、積極性，使學生由被動灌輸知識轉變為主動加工信息，有利于學生的主動探索發現，有利于學習能力的培養[5]。為了實現這種轉變，在三層次試驗教學中采取以下措施。

實施自主性試驗，激發學生的主動性和積極性。傳統的試驗教學模式通常是講解、示范、練習3個步驟，以老師為中心的講授演示模式，會使學生在試驗課開始就感到枯燥乏味，被動性執行老師的試驗指令，不僅失去試驗的興趣，更談不上創新思維和探究意識的培養。實施自主性試驗，學生在充分預習的基礎上，自主完成試驗內容。鼓勵學生在完成必選試驗項目后，根據自己的興趣拓展試驗內容。并給予學生一定的試驗時間自由度，從而由固定時間固定內容的試驗課，轉變為可增時增項、可重復修正的試驗，從而有效激發學生對試驗課的興趣和積極性。

以目標為導向，開展設計性試驗，培養創新意識。試驗教學的培養目標是以獲取職業勝任力為目標，為學生職業生涯準備核心才能，要實現能力培養的高階教學效果。因此在各項試驗中，有目的地引導學生提出問題、解決問題。鼓勵學生在已有知識水平、能力水平的基礎上通過查詢文獻資料自己設計試驗內容和試驗方案，大膽構思，小心求證，借以培養創新精神和探究意識。例如水泥性能試驗，以往基本是對一種水泥樣品的性能和質量進行試驗評定；倡導設計性試驗后，學生根據所學理論知識，提出個性化試驗問題，并進行試驗探究。例如：普通硅酸鹽水泥和礦渣水泥性能差異的對比性試驗；不同品種水泥為什么不能混合使用？配制泵送高流態混凝土宜選用普通硅酸鹽水泥而不宜選擇礦渣水泥的原因；受潮嚴重的水泥為什么不能用于結構工程？等等。這樣的試驗改進，可以發揮學生的主觀能動作用，培養學生探究精神與專業思維，提升學生工作后解決實際工程問題的能力。

3．以生產性試驗，提升學生實踐能力和工程素養。三層次試驗教學模式的第三層次是大型生產性試驗，是將試驗與土木工程生產實踐相結合，不再是驗證性和研究性試驗內容，是將企業的施工生產搬移到實驗室，是對試驗范疇的突破，是大膽的創新嘗試。例如工程質量檢測試驗，將試驗地點搬移到在建或建成的建筑工程，按施工質量驗收規范要求，對混凝土強度、結構尺寸偏差、鋼筋位置等實地檢測,為企業提供質量數據。再以土木工程材料實驗為例：第三層次試驗是按照土木工程的施工工藝流程完成大型鋼筋混凝土構件制作，它將第一層次的單項材料試驗和第二層次的混凝土配合比設計試驗綜合起來，試驗的綜合性、復雜性、技術性和工作量大大增加，難度更大。

構件制作工作嚴格按實際工程的工藝流程進行，主要包括：設計圖的識讀、鋼筋下料計算和加工綁扎、混凝土配合比設計和施工配合比換算、應變片粘貼、模板組裝、混凝土拌制和澆筑養護、構件檢測。所用到的理論知識除土木工程材料課程外，還主要涉及工程制圖識圖、混凝土結構原理和土木工程施工等課程。通過上述試驗環節，能夠將所學理論知識運用于實踐中，積累感性認識，鞏固專業知識，并為土木工程施工、工程質量事故分析等后續專業課程的學習打下基礎。

“真槍實干”的生產性試驗就是一次真實的工程工作經歷，是理論與實踐的結合，它不僅需要一定的理論知識支撐，更要求相應的技術能力和團隊協作能力。由于試驗模擬真實施工過程，流程復雜，難免出現意外情況，例如從料堆取石子時，級配、含土量、含水率的變化都會導致混凝土的坍落度發生明顯變化，怎樣調整？粘貼應力片時涂膠厚度怎樣控制才能既牢固又不影響測試結果？振搗時怎樣避免碰撞鋼筋，并保證控制鋼筋保護層的卡子和墊塊不移位脫落？后期大型構件如何拆模和吊裝搬運？這些實際問題的解決，可以鍛煉學生分析解決專業技術問題的工程應用能力，特別是讓他們體會到“看似容易，做好很難”，有利于培養學生踏實務實的工作作風，并讓學生獲得很強的勞動成就感，也是對學生吃苦耐勞、不懼臟累、不畏困難的職業品質鍛煉。

4．打破課程限制，將關聯度較高的課程試驗融合銜接，實現貫通性試驗。傳統教學中各門課程的教學內容劃分明確，各自為戰，這實際上與工程實踐是相違背的。在工程實踐中，不管是規劃、設計還是施工，各個環節都需要綜合知識體系。因此，轉變課程本本思想，打破課程體系界限，將土木工程專業相關課程試驗融合銜接，實現貫通性試驗。例如將不同學年不同學期的工程制圖、土木工程材料、結構力學、材料力學、混凝土結構、土木工程施工、建筑結構試驗、土木工程專業試驗、工程質量事故分析等試驗課相銜接，互相滲透，互相結合，協同共享，由課程獨立建設發展轉變為跨界融合貫通，互相支撐，幫助學生建立完整的專業知識和專業技能體系。學生按照混凝土結構、建筑結構實驗、土木工程專業實驗課程的要求設計構件，利用工程制圖課程實驗繪制構件圖紙，依據土木工程施工課程知識完成鋼筋下料計算和混凝土施工配合比換算，通過土木工程材料課程試驗完成混凝土配合比設計和構件的生產制作。試驗所制作的構件，用于混凝土結構和建筑結構試驗、土木工程專業試驗等課程的試驗中，學生自己生產的構件用于未來的試驗，會獲得較強的成就感。事實證明，學生在此生產實踐中表現出很高的積極性、責任意識、競爭意識和團隊榮譽感。

貫通性試驗是多個融合銜接的課程試驗的集合體，從一年級的專業基礎課程試驗貫穿至四年級的主干專業課試驗，以能力培養為主線，不同課程試驗如同遞進的驛站，承上啟下，串聯組合。指導教師不僅要完成本課程的教學任務，還應該明確與其他課程的知識能力的傳遞關系，完成對其他課程的支撐服務。

三、借鑒企業管理經驗，改革試驗教學管理，強化學生責任意識

三層次試驗教學法，打破固定課時、固定試驗內容，實施自主性開放性試驗，以學生為主體，教師為輔助，如果缺乏有效的過程管理，單純靠學生的自覺性，很難保證試驗完成質量，學生能力培養的達成度指標就不可能實現。試驗教學模式改變，對應的試驗教學管理也應進行改革。

土木工程專業試驗的特點和工作量，需要以試驗小組形式完成。小組成員之間不僅有學習能力和動手能力的差異，還有學習態度和合作意識的差異，容易出現“混試驗”的學生，成為試驗的旁觀者，共享數據結論，這是分組試驗的普遍性問題。為破解分組試驗只“看”不做的問題，實現人人參與、積極動手、責任共擔，將建筑工程企業的項目責任制引用到試驗教學管理上。管理方法如下：

(一)試驗項目責任制

以試驗小組的組長作為總負責人，將每次的試驗項目分解為若干子項目，每名成員分別擔任子試驗的主做人、協作人和復核人，實行試驗數據和試驗現象記錄復核簽字制，小組成員明確自己的職責和任務，各負其責。試驗出現嚴重失誤，追究試驗人的責任。每次試驗小組成員都有機會擔當試驗的“主角”主持試驗。

例如混凝土骨料試驗，包含表觀密度、堆積密度、含土含泥量、含水率測定和篩分試驗，試驗小組每人主做一項，交叉擔任協作人和數據記錄復核人。再集體完成設計性試驗內容。這樣既有分工，又有團隊合作，培養了認真負責、勇于擔當、團結協作的精神，也消除了“濫竽充數”和“旁觀者”的現象。

(二)試驗方案審批制

設計型和綜合型試驗，要求學生先進行小組討論，初步確定試驗項目方向，再查閱文獻資料研討確定試驗設計方案，同時確定所需的材料和儀器設備，并對試驗結果和可能出現的問題進行預測。試驗前將試驗設計方案報送指導老師審核，填報試驗申請表。申請表中列明試驗計劃時間、所用時長、材料品種和數量、試驗儀器設備，由指導老師和實驗室管理人員簽署批準意見后，方可進入實驗室試驗。試驗方案的審核，既要保護學生創新的積極性，也要保障個性化試驗的科學性、嚴謹性、安全性和經濟性。

(三)預習考核機制和預習承諾保證制

要求學生在試驗之前，通過學習試驗資源庫的資料和參加儀器設備安全操作培訓，認真學習試驗操作規程和設備使用方法。并通過有效的預習，明確試驗目的、測試原理、試驗步驟、數據計算和分析方法，做好充足的試驗準備。在此基礎上，填寫預習承諾保證書，以誠信促進預習，以承諾培養擔當精神。

同時利用學習通或雨課堂系統建立試驗習題庫，設置預習線上考核機制，線上考核學生，學生必須完成隨機生成的答題，只有小組所有成員達到要求的合格率才能進行試驗操作。以此促進學生對試驗的預習，避免臨陣磨槍，倉促試驗。

(四)試驗成果署名制和評比制

各種試驗試件、構件或作品，采用標簽或墨水標記組別和制作人員姓名，制作完成后進行展示評比，由任課教師、試驗指導教師和試驗組組長根據制作質量予以評判。嚴格按工程規范和試驗規程的質量標準進行檢測，按優、良、合格、不合格進行評定等級，作為試驗成績評定的主要依據。對質量好的試驗組予以表揚和加分獎勵。不合格的制品，由制作者分析說明原因，重新制作，并扣減此試驗的量化分值。以此提高學生對試驗的重視度、認真度，強化學生的責任意識、集體榮譽意識。

四、改進試驗考核模式，采取多元化考核評價方法

制定試驗課程考核的科學評價方法也是課程建設和教學改革的重要任務。教學理念更新、教學目標轉變、教學模式變革，相應的考核標準及方法也要適應新工科建設的要求而變革。創新考核評價方法：采用試驗小組學生互評和教師評價結合方式，制定量化評分表和評分細則，改變以試驗報告和考勤評定成績的傳統考核模式。

設計型試驗是具有各試驗小組個性創意的試驗，試驗數據和結論各異，考核沒有標準答案，評判依據具有開放性。考核不僅要注重試驗過程的考量，更要注重所形成能力的考核，要充分考慮學生個體學習能力和創造力的差異，合理制定考核指標，按預習測評、試驗操作、試驗分析和結論、制品質量、試驗報告和試驗答辯等多個環節，對自主學習能力、試驗技能、創新能力、團隊合作能力、科研能力、分析解決問題能力以及擔當精神、科學認真的工程意識等進行綜合考評。

考核標準多元化，將量性評價和質性評價相結合，尊重學生個性，注重試驗過程考察，從知識、能力、素質上多維度科學合理評價。

五、試驗教學實施過程中需要注意的問題

三層次試驗教學不同于以往的試驗教學，新的方法必然出現新的問題。為了更好地推進三層次試驗教學，取得更好的教學效果，在具體實施過程中要解決好以下幾方面問題：

1.合理設置試驗目標，試驗的技術難度和創新性應與學生的能力相適應。學生的試驗能力從無到有，從低到高，是漸進發展的，在教學中需按試驗內容的復雜性、技術性和難度，合理劃分層次，按基礎性試驗、綜合性試驗、生產性試驗的順序進行，使試驗任務和研究難度逐層提高，既具有挑戰性，又能夠實現既定試驗目標。防止出現超過學生能力的，技術要求和知識難度過高的試驗，以免挫傷學生的積極性和信心。

部分優秀學生在完成課堂試驗任務的基礎上還可以開展創新性試驗，可以是試驗過程中產生的新思路新創意，也可以參與創新創業課題或教師科研課題。創新試驗是課堂試驗的延伸，用以培養學生的科研能力。

2.科學規劃試驗時間，提高試驗的時間利用率。在有限的時間內，完成系列復雜的試驗，必須科學規劃試驗時間。試驗過程中可以打破試驗項目順序，利用試驗中的必需間斷時間相互穿插進行。組長做好組織協調工作，確定試驗計劃，完成試驗申請報告。

開放性試驗賦予學生較大的自由度，而設計性試驗結果又具有不確定性，往往與預期結果相差較多，很難做到一次性成功。反復試驗，不僅占用實驗室資源，也會占用大量時間。有效預習試驗規程、熟悉儀器設備操作方法，提前對試驗影響因素進行分析，減少人為失誤，組內同學通力合作，才能提高試驗的時間利用率。

3.改變管理理念，全天候開放實驗室。開放性試驗打破固定課時的限制，要求實驗室全天候對學生開放，管理難度遠大于固定時間、固定內容的傳統試驗教學。這就要求更完善的實驗室管理，對設備的使用、保管、維護、出借、調用有一套嚴格的管理登記責任制度。

設計型、綜合型的開放式試驗，對于試驗指導教師和實驗室管理教師而言，意味著工作量的大幅增加，需要協調好試驗場地、設施數量、試驗時間，試驗前做安全和技術的培訓，試驗時做現場技術指導，試驗后要整理放置設備儀器。教師要樹立為學生服務、為科研服務的意識，要有甘于奉獻的精神，為學生創新探索提供便利條件。

六、結語

土木工程專業試驗教學是培養土木工程類大學生創新能力和實踐能力的重要環節和有效手段。自2018年6月成都的本科教育工作會議后，深化本科教育改革態勢已經形成，工程教育也進入了快速和根本性變革時期。新工科建設的最終目的是培養能夠適應未來工程需求的人才。面對新工業時代和土木工程行業發展對人才能力提出的新要求，土木工程試驗教學要積極求變和主動求變，轉變教學理念，深化試驗教學改革勢在必行[6]。教學有法，教無定法，貴在得法，因此，根據院校實際情況和專業培養目標，以學生為中心，以產業為導向，不斷探索適合新工科升級建設的新教學方法、新教學手段，倡導開放性、自主性試驗，在兼顧基礎實驗基礎上增加設計型、綜合型、生產性試驗，適應社會產業發展的需要，培養符合“新工科”內涵要求的，既具有堅實知識基礎，又具有創新創業能力的專業性人才 。