基于CDIO理念的溫控界面儀實踐教學與課程思政

孔綱強 孟永東 高磊 劉杰 王瑞紅

摘要：基于土工三軸儀設備，聯合溫控系統創新性地研發了溫控界面儀，實現三軸應力狀態下結構物與土體界面特性的測試，為揭示結構物-土體相互作用機理提供了技術支撐。基于CDIO工程教育理念，將溫控界面儀科研成果轉化為實踐或實訓教學項目。本科生參與溫控界面儀的開發、測試與試驗過程，學習優質科研成果的創新路徑和創新方法，從而以該工程為示范掌握工程項目構思（Conceive）、設計（Design）、實現（Implement）和運行（Operate）全過程。學生們不僅學習科學知識，而且掌握科研思維方法，最終實現學生分析與解決問題能力、創新創業能力全面提升。

關鍵詞：CDIO理念;結構物-土體界面;溫控界面儀;實訓教學;課程思政

中圖分類號：G642 ? 文獻標志碼：A ? 文章編號：1005-2909（2021）06-0121-07

能源地下結構是將淺層地溫能與地下結構相結合的一種新型技術，適應地下空間開發與利用和節能減排國家戰略需求;地下結構物承擔荷載的同時，起到淺層地溫能熱交換器的作用[1]。因此，能源地下結構物設計與計算時，必須考慮循環溫度影響下地下結構物與土體的界面承載特性問題[2]。基于土工直剪儀，用模擬結構物的試樣（如混凝土、鋼材等）替代原本位于直剪儀下剪切盒的土樣形成界面剪切儀，探討土體類型、含水率以及界面粗糙度等因素對結構物-土體界面特性的影響規律，是目前研究界面剪切特性的主要思路與方法[3]。依托三峽大學三峽庫區地質災害教育部重點實驗室優勢科研平臺資源，李春紅等引進基于土工直剪儀改造的溫控界面儀設備，在溫控環境條件下開展了黏性土與結構物力學特性研究[4]，基于土工三軸儀，自主研發了一套溫控界面儀[5]，克服了原有設備無法測定土體的孔壓和體變等問題，實現了循環溫度影響下地下結構物-土體熱力學特性的研究，為揭示地下結構物與土體界面強度、變形特性演變機理提供了技術支撐。科研項目完成后，進一步優化改造，促使科研成果適用于實踐（或實訓）教學要求，通過科研成果（樣品）、教學演示和實踐操作（制作成品）的多層次結合，培養學生的實踐與創新能力、發現與解決問題的能力，以及學習探究的激情[6-7]。

為此，以學生為本，以滿足行業對畢業生要求為目標導向，結合學校土木工程專業教學實際情況，依托巖土工程測試技術課程，開設“溫控界面儀研發與測試”項目工程實踐訓練課程，引入CDIO工程教育模式[8- 9]，在制訂實踐課程的教學目標、教學內容、教學方法及評價模式等環節，以構思（Conceive）、設計（Design）、實現（Implement）和運行（Operate）作為模塊和鏈條，貫穿整個溫控界面儀工程實踐教學過程，實現富有特色的教學改革與實踐。

一、常規土工直剪儀與三軸儀簡介

土體的力學性質試驗主要包括固結試驗、無側限抗壓強度試驗、直剪試驗、三軸剪切試驗、K0試驗和擊實試驗，這也是巖土工程測試技術課程主要涉及的室內土工試驗種類。土體的內摩擦角和凝聚力值是反映土體抗剪切強度的兩個主要參數指標，也是土壓力計算、地基承載力和擋土墻計算的主要依據，測試這兩個參數的儀器設備主要有土工直剪儀和土工三軸儀。

（1）土工直剪儀。將土樣置于直剪儀的活動下盒和固定上盒里，對土樣施加豎向壓力，然后水平推動下盒，通過上下盒之間的錯動達到土樣剪切破壞的目的，根據庫侖定律確定土體的內摩擦角和凝聚力值。

（2）土工三軸儀。將土樣置于壓力腔內，通過對土體試樣分級施加軸向壓力荷載直至試樣破壞（應力控制式），或者通過對土體試樣進行等軸向變形加載直至試樣破壞（應變控制式），測得土體的應力-應變關系曲線，進而計算獲得強度與變形參數指標。與直剪儀相比，三軸儀可以控制排水條件、測量孔隙水壓力，同時還可以進行多種應力組合試驗，因而被工程技術人員接納。

然而，常規土工直剪儀與三軸儀都要求在室溫下工作，沒有考慮溫度對土體試樣的影響，不適用于能源地下結構，因此，研發溫控界面儀尤為迫切。

二、溫控界面儀的研發與驗證

（一）基于土工直剪儀的溫控界面儀

為了研究地下結構物（如樁基、隧道、地下連續墻，以及錨桿等）與土體界面的力學特性，相關學者基于土工直剪儀，用結構物材料替代下剪切盒的土體試樣，形成界面儀。Di Donna等、Yavari等在土工直剪儀改造成的界面儀的基礎上，在下剪切盒里的結構物材料中增設循環溫度系統（圖1），研究了溫度對砂土/黏-混凝土、超固結黏土-混凝土界面的力學特性的影響[10-11]。基于土工直剪儀的溫控界面儀，操作簡單、易于實現，考慮了結構物溫度、土體溫度同步升降的情況，但無法分別控制結構物試樣溫度和土體試樣溫度，且無法有效觀測界面孔隙水壓力、體積變形等變化規律。此外，直剪儀本身存在的界面有效剪切面隨位移變化而改變、實測精度相對較低等問題也無法避免。

（二）基于土工三軸儀的溫控界面儀

基于南京土壤儀器廠有限公司生產的飽和土體應變控制式土工三軸儀，筆者所在團隊研制了一套溫控界面儀試驗系統（圖2），包括①界面三軸試驗機、②三軸試驗量測控制儀、③溫度控制系統、④計算機等[5， 12]。

該裝置能實現對結構物和土體試樣溫度的獨立控制，定量測定循環溫度作用下界面剪切應力-應變關系、樁體位移、孔壓及體變規律。溫度控制范圍為-40℃～100℃，誤差±2℃，溫度傳感器量測精度0.1℃[5]，應力控制邊界。該裝置原理明確、結構簡單、拆裝方便，可切換成普通溫控三軸儀，研究土體熱力學特性。溫控界面儀的試驗系統指標如表1所示。與傳統三軸儀相比，筆者所在團隊研制的溫控界面儀試驗系統具有如下特征。

（1）將傳統實心圓柱土樣改造成空心圓柱土樣和實心圓柱結構物試樣，實心圓柱結構物試樣的外徑與空心圓柱土樣內徑一致、且同心設置，構成圓柱形界面;通過實心圓柱結構物試樣的上下移動，形成剪切作用。

（2）結構物、土體試樣分別設置溫控系統（含循環系統和溫度傳感器），可以實現兩者溫度的差異調控。

以混凝土-飽和福建標準砂界面特性測試為例，試驗測試時將三軸試驗室腔內溫度控制在22℃，然后將混凝土材料升溫至50℃，待溫度恒定后，施加圍壓，調整混凝土試樣上下位移，開始CD剪切（圖3）和CU剪切試驗（圖4）。由圖3、圖4可知，飽和砂土-混凝土界面存在軟化現象，溫度對界面存在一定的影響。該試驗有效驗證了所研發的溫控界面儀的準確性和可靠性。

三、基于CDIO理念的溫控界面儀實踐教學嘗試

首先，在溫控界面儀實踐或實驗教學中，挖掘和梳理思政元素。其次，將新時代的“工匠精神”、科學發展觀等思政元素有效融入實踐教學中。如：設備研制與實驗操作體現“工匠精神”、能源地下結構應用于淺層地溫能開采體現“科學發展觀”等思政元素，以期實現“鹽溶入湯”“潤物細無聲”的立德樹人目標，培養學生對中國特色社會主義制度的政治認同和文化自信[13]。

結合三峽大學土木工程等專業教學實際情況，依托巖土工程測試技術課程，進行“溫控界面儀研發與測試”項目工程實踐教學嘗試，并將德育、實踐和創新育人元素融入CDIO工程教育全過程[14-15]（圖5）。

（一）實踐或實驗教學目標（C）

基于CDIO工程教育理念，制訂溫控界面儀實驗教學目標、構建課程體系，為教學內容和教學方法的設計與選擇提供依據。將實驗教學模塊分解為構思（C）、設計（D）、實現（I）和運行（O）四個環節，有機融入德育、實踐和創新理念，開展溫控界面儀的實驗教學，實現立德樹人的最終目標。

（二）實踐或實驗教學內容（D）

面向行業對能源地下結構設計與計算的目標需求，開展實驗教學內容設計。主要包括循環溫度作用下結構物與土體界面的力學特性原理講解、溫控界面儀科研成果演示（結合實物和虛擬仿真技術，圖6），以及溫控界面儀的實際操作。教學內容充分體現已挖掘的思政元素，并結合生動的事例進行佐證。比如：以上海世博軸能量樁技術應用為例，介紹上海世博為目前世界范圍內單體工程能量樁應用數量最多的項目（6 000根），以此激發學生們的文化自信，增加對社會主義國家制度的認同感。

（三）實踐或實驗教學方法（I）

主體采用項目驅動教學法。首先，結合多媒體技術、虛擬仿真技術等輔助手段，幫助學生認識、理解溫控界面儀的技術原理;其次，分解項目任務內容，以小組團隊形式完成調查分析、操作實踐和答辯匯報等。依托實際工程案例或大學生創新創業訓練項目，讓學生在做中學、做中思考，培養發現問題和解決問題的能力。

拓展校外課堂系統。首先，利用行業龍頭企業技術和人力資源優勢，擴充實踐教學師資隊伍，與校內教師形成互補，相互促進提高;其次，結合行業龍頭企業相關工程案例分析溫控界面儀的測試結果，驗證溫控界面儀實踐學習的必要性和有效性。

（四）實踐或實驗教學評價（O）

綜合考慮大學生的德育、實踐和創新因素，基于CDIO工程教育理念，制定多層次、全方位的溫控界面儀實驗項目教學成果評價體系。三峽大學巖土工程測試技術課程溫控界面儀學習評價內容及權重分配如表2所示。

四、結 語

分析了依托三峽大學三峽庫區地質災害教育部重點實驗室平臺完成的優質科研成果——溫控界面儀的研發過程與技術優點，結合三峽大學巖土工程測試技術課程教學實際，將德育、實踐和創新育人元素引入CDIO工程教育模式，通過溫控界面儀實驗項目的微嘗試，進行土工試驗實踐教學改革試點，挖掘新時代的“工匠精神”、科學發展觀和文化自信等思政元素，并將其融入溫控界面儀實驗教學實踐中，實現新時代社會主義事業接班人的立德樹人培養目標，培養學生的綜合素養，為學校“一流學科”內涵建設提供參考。

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Abstract： Based on temperature controlled triaxial equipment， temperature controlled interface instrument was developed. It can be used to measure the interface characteristics of structure and soil in the three-axis stress state， and provides technical support for revealing the mechanism of structural-soil interaction. Based on CDIO engineering education concept， the scientific research achievements of the temperature-controlled interface instrument are transformed into practical teaching project. The undergraduates participated in the whole-life development， testing and testing process of this innovation instrument. The innovative path and innovative methods of high-quality scientific research results can be learned during these processes. The whole processes of Conceive， Design， Implementation， and Operation can also be learned through this project. The students not only learnt the knowledge but also mastered scientific thinking. Finally， it can improve the students’ analysis and problem-solving ability， innovation and entrepreneurial ability.

Key words： CDIO concept; interface of structure and soil; temperature controlled interface instrument; training teaching; curriculum ideological and political education

（責任編輯 梁遠華）

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