專業認證背景下民族地區地方高校新辦土木工程專業實驗室建設

卓德兵

(吉首大學 土木工程與建筑學院，湖南 張家界 427200)

專業認證(評估)是檢驗高校辦學實力和教育質量的尺子。開展土木工程專業認證(評估)的目的是加強國家和行業主管部門對高等學校土木工程專業教育的宏觀指導和管理，保證和提高土木工程專業的教育質量，更好地貫徹教育必須為社會主義建設服務的方針，使我國高等學校土木工程專業畢業生能夠符合國家規定的申請參加注冊工程師考試的教育標準，為與其它國家和地區相互承認同類專業的學歷創造條件[1]。截至2019年12月，全國已有102所高校通過了土木工程專業認證(評估)。湖南省內土木工程專業辦學實力雄厚的湖南大學和中南大學早在1995年和1997年就通過了認證(評估)，中南林業科技大學和湖南科技大學也先后于2014年和2018年通過了認證(評估)，如表1所示。

表1 湖南省通過土木工程專業認證(評估)的高校名單

吉首大學是湖南省屬綜合性大學，也是武陵山片區唯一的綜合性大學。學校所在地區是武陵山連片特困區，是國家脫貧攻堅的主戰場。近年來，隨著 “武陵山經濟協作區”“武陵山片區區域發展與扶貧攻堅”等國家重大戰略先后實施，該地區土建類人才的需求越來越大[2]。為填補長期以來該地區土建類人才培養的空白，更好地服務地方經濟社會發展，為當地城鎮、路橋建設等方面培養急需人才，2011年吉首大學正式開辦土木工程專業。

實驗室是高校開展實驗教學的重要場所，是培養學生實踐能力和創新精神的重要平臺，也是專業認證(評估)的重要考核指標。自專業開辦以來，學校以加入“中西部高校基礎能力建設工程”項目為契機，高度重視土建類專業辦學條件的建設提升，不斷加大實驗建設經費投入，以專業認證(評估)為導向，以培養高級應用型土建類技術人才為宗旨，以打造省級土建類專業學生創新創業教育中心、省級土木工程實驗教學示范中心和湘西北地區土木工程質量檢測中心為目標，科學籌劃，穩步推進，實現了實驗室建設跨越式發展，促進人才培養質量和專業辦學水平的穩步提升[3—4]。

一、專業認證(評估)對土木工程專業實驗室的基本要求

2011年頒布的“全國土木工程本科指導性專業規范”(以下簡稱“專業規范”)以及在“全國高等學校土木工程專業評估(認證)文件”(以下簡稱“專業認證文件”)中，對土木工程專業實踐教學環節中的實驗部分應開設的實驗項目都進行了明確規定，土木工程專業本科四年期間必須要開設的實驗主要包括大學物理實驗、大學化學實驗、材料力學實驗、流體力學(水力學)實驗、土木工程材料實驗、混凝土與鋼結構基本構件實驗、土力學實驗、土木工程測試技術、專業綜合實驗等。同時，“專業規范”還對實驗領域核心實踐單元的學時要求也做了具體規定，如表2所示。

表2 土木工程專業實驗領域核心實踐單元及學時要求

在此基礎之上，“專業認證文件”進一步對土木工程專業辦學應具備的實驗室條件進行了明確：具備大學物理、化學、計算機、測量、力學(工程力學、流體力學)、材料、土工、結構等實驗室；實驗設備、儀器完好，場地面積和設備臺套數能滿足實驗教學的分組要求，操作型實驗分組應滿足人人動手的要求；實驗標準符合現行工程規范要求[5]。

二、實驗室建設思路

1.緊扣規范，瞄準認證

在實驗室建設過程中，始終緊扣“專業規范”、專業人才培養方案及教學大綱等制度規范，瞄準“專業認證文件”要求，嚴格依據實驗項目選設備，對于需要人人動手的實驗項目，設備臺套數和實驗面積需要優先得到保證。如，在“專業規范”和培養方案中，明確要開設的土木工程材料實驗有材料的基本性能實驗、水泥實驗、混凝土集料檢測實驗、混凝土和易性及強度檢測實驗、鋼筋力學與機械性能實驗和瀝青實驗6個項目，教學要求均為掌握，因此，相應的實驗設備要能保證這些項目都能按要求開展。對于這其中需要人人動手的集料實驗，則要嚴格保證實驗場地面積和設備臺套數能滿足實驗教學的分組要求。

2.廣泛調研，科學論證

土木工程實驗所涉及的儀器設備品種多、數量大、造價高、規格復雜。民族地區地方高校由于工科辦學基礎薄弱、辦學經驗缺乏、建設經費有限，想在較短的時間內將其建好，需要廣泛調研，汲取其他各高校建設過程中的經驗教訓，少走彎路，更要進行科學細致的論證，保障有限的資金用在“刀刃”上。如，結構實驗室中反力墻和反力臺座造價較高，建設難度較大，能夠進行設計和施工的單位較少，且一旦建成后，若不符合要求返工難度極大，后期也很難進行升級改造；結構實驗室核心設備，如多通道擬動力電液伺服加載系統，需要投入大量經費。因此，要在廣泛而深入的調研基礎上，制定初步建設方案，同時，邀請專家和同行從土建結構形式、實驗室功能布局、建設規模、建設步驟及遠景規劃等方面進行科學細致的論證，最后制定詳細的實施方案。

3.突出重點，分步實施

由于實驗室建設經費比較大，對于民族地區地方高校來說，很難一步建設到位，可結合自身財政狀況，采取統籌規劃、突出重點、分步實施的策略[6]。對于本科實驗教學需要的公共基礎和專業基礎實驗設備，應按輕重緩急，依次建設到位。建設過程中應以學生創新實踐動手能力培養為重點，加強綜合性、設計性和創新性實驗設備的配置，保證學生最大程度參與到實踐過程中。如，對于某些項目實驗設備在選型時，應盡量避免盲目追求“全自動系列”和“智能系列”，盡量選擇“手動系列”或“經典系列”，給學生創造更多的動手機會，從而加深對基本概念和原理的理解。對于專業實驗室大型儀器設備的購置，則要從專業學科發展、平臺打造以及社會服務等方面，綜合考慮其性能是否穩定、技術是否先進、工作是否可靠等多種因素，本著立足當前、著眼未來、突出特色的原則，有條不紊推進建設。

4.虛實結合，相互補充

土木工程專業實驗如鋼筋混凝土梁靜載破壞實驗、三軸壓縮實驗等實驗項目，普遍存在實驗操作復雜且有安全隱患、實驗現象短暫且無法再現、實驗儀器設備昂貴且易損壞、實驗耗材準備困難且成本較高等問題，加之地方高校實驗實訓條件不足或短期無法建設到位，實驗室師資力量有限等多方面原因，使得在傳統教學模式中，教師習慣于采用演示的方法進行教學，學生很難自己動手參與到整個實驗過程中，教學效果大打折扣，未能真正達到培養學生實踐能力的目的。基于此，本著“虛實結合、相互補充”的教學理念，通過自主研發、校企合作等方式構建貼近工程、高度仿真的虛擬實驗教學資源，并搭建虛擬仿真實驗教學平臺，采用傳統教學與虛擬仿真教學相結合的方式，將虛擬仿真教學有機融入到傳統實驗教學課前、課中和課后全過程，取長補短，充分發揮各自的優勢，最終達到提高實驗教學效果，培養學生實踐動手能力的目的[7—8]。

三、實驗室建設內容

結合“專業規范”和“專業認證文件”要求，將土木工程實驗室劃分為基礎實驗室、專業實驗室和虛擬仿真實驗室三部分進行介紹。

1.基礎實驗室

土木工程基礎實驗室又分為公共基礎實驗室和專業基礎實驗室。公共基礎實驗室主要包含測量實驗室、工程制圖實驗室、計算機輔助設計實驗室、物理實驗室和化學實驗室5個模塊。在該項目的建設過程中，考慮到學院及所在校區已有相近專業先期進行的建設，不能完全滿足新增專業的教學需要。2011年學校臨時自籌經費50萬元購買了所需設備，并對該實驗室進行了擴充改造，以滿足土木工程專業工程測量、工程制圖、大學物理和大學化學等課程的實驗教學需要，如表3所示。

表3 公共基礎實驗室

專業基礎實驗室主要是為了滿足大二學生的材料力學實驗、流體力學實驗、土木工程材料實驗、土力學實驗，大三學生混凝土結構基本原理、土木工程試驗等課程共計74課時的實驗課開設問題而建設的[9]。為解決第一批學生專業基礎課的教學急需，學院于2011年立項了中央財政支持地方高校發展專項資金，并于2012年實施完成。該項目包含力學實驗室、建材實驗室、流體力學實驗室、土力學實驗室、工程檢測實驗室、教學用結構實驗室6個子模塊，新增實驗室面積1 140m2，共投入經費300萬元，如表4所示。該項目的建成，使學院土木工程專業的辦學條件得到了改善，極大的緩解了首批土木工程專業學生的實驗教學壓力。

表4 專業基礎實驗室

2.專業實驗室(結構實驗室)

結構實驗室是土木工程專業最重要的實驗室之一，是開設專業課和專業方向課的實踐場地，同時也是開展學科競賽和創新實踐活動的重要場所，更是專業認證、學科平臺打造和社會服務的重要依托,在專業人才培養中發揮著不可替代的作用[2]。為建好結構實驗室，2011年學校多次組織學院領導、實驗室主任、專業骨干教師到國內10余所同類高校就結構實驗室建設進行學習交流，汲取各校結構實驗室建設經驗，如表5所示。綜合考慮民族地區高校辦學實際、辦學定位以及學科發展規劃，制定了初步的建設方案，然后邀請同行專家和實驗室建設廠家進行深入論證和修改，最終確定了本校的結構實驗室實施方案。

表5 國內部分高校結構實驗調研結果

最終確定的結構實驗室廠房采用混凝土結構，實驗室總面積為1 100m2，其中附屬用房面積約200m2，實驗大廳長42米，寬21米，高15米。考慮將來開展三維擬動力加載實驗，采用了厚度為3米的L形反力墻，其中長邊長度為15米，高度為10米，短邊采用階梯型，總長度為10米，其中靠近長邊近端高度為10米，遠端高度為7.5米。同時，采用了經濟性較好且完全滿足使用要求的槽道式反力臺座，臺座長度為35米，寬度為12米，實驗航吊采用跨度為19.5米，額定起重量為20T的電動橋式雙梁起重機。

結構實驗室建設經費主要依靠中央財政支持地方高校發展專項資金、中西部高校基礎能力建設工程項目資金及其他建設資金。2014年學校建設了工程結構實驗室，購置了四通道美國MTS擬動力伺服加載系統，其中高性能疲勞試驗作動器100T一套，50T兩套，25T一套，及相應的油源和控制軟件。2017年學校又建設了工程結構與設計大學生創新實踐基地，購置了東華測試32通道動態信號測試分析系統、無線靜態應變測試分析系統、美國國家儀器PXI動態信號測試系統、振動測試與控制教學實驗系統等結構實驗室常用的信號采集設備和部分結構實驗模型。2020年學校建設了道路與橋梁工程實驗室，購置了結構工程陣列加載試驗系統反力架，500T壓力試驗機，60T微機控制電液伺服萬能試驗機，10T微機控制電子萬能試驗機等大型設備。截止到2020年，結構實驗室已基本建成，累計投入經費近2 000萬元。

3.虛擬仿真實驗室

2012年，學校建設了虛擬仿真實驗室，購置了6通道環幕立體投影系統和高性能工作站，為開展虛擬仿真教學創造了良好的硬件條件。同時，還聯合西安三好、上海曼恒、北京瑞尼爾、盈建科、邁達斯等多家企業開發虛擬仿真教學資源，并打造了土木工程虛擬仿真實驗教學平臺。該教學平臺分為三大模塊，如圖1所示，分別是力學性能虛擬仿真模塊、結構設計虛擬仿真模塊和工程實訓虛擬仿真模塊。

力學性能虛擬仿真模塊共分為鋼筋拉伸實驗虛擬仿真、鋼筋混凝土簡支梁靜載破壞實驗虛擬仿真、簡支鋼桁架靜載非破壞實驗虛擬仿真和三軸壓縮實驗虛擬仿真4個子模塊，主要服務于土木工程專業大二及大三學生“土力學”“混凝土結構基本原理”“土木工程試驗”等課程。本模塊能夠滿足學生自行設計實驗方案，學習實驗構件制作，自行搭架實驗環境及裝配操作實驗儀器，自行動手操作實驗過程，觀察現象并記錄數據，完成數據分析處理等多種需求，讓每位學生都能參與進來，幫助學生熟悉實驗操作過程，同時，有效克服了破壞性實驗所帶來的危險性，降低實驗成本，減少儀器設備的損壞。

結構設計虛擬仿真模塊主要包含結構構件設計虛擬仿真、建筑結構設計虛擬仿真、橋梁結構設計虛擬仿真、工程結構創新虛擬仿真4個子模塊，主要服務于土木工程專業大三學生的“建筑結構計算機輔助設計”“橋梁結構計算機輔助設計”“結構設計模型制作”等課程以及課程設計、畢業設計和結構設計大賽等集中實踐教學環節和創新實踐活動。本模塊主要能夠訓練學生應用電子計算機對結構構件、建筑結構、橋梁結構以及各類其他結構形式進行方案設計、結構分析和構件設計，培養學生電算的操作技能及對計算結果合理性的判斷能力，使學生具備工程結構設計的基本素質和創新意識。

工程實訓虛擬仿真模塊包含BIM模型綜合設計虛擬仿真、工程構造虛擬仿真、建筑工程施工虛擬仿真、路橋工程施工虛擬仿真、工程項目管理虛擬仿真5個子模塊，主要服務于土木工程專業大四學生的“工程施工仿真”“工程項目管理”“BIM技術應用”等課程以及生產實習、畢業實習等集中實踐教學環節。本模塊主要以施工技術、工程管理、安全文明施工為教學重點，加強學生對施工工藝、施工規范、安全規范、進度及質量控制的理解和認識。

土木工程虛擬仿真平臺所包含的各模塊系統涵蓋了土木類專業80%的實踐教學內容，有效降低了設備、場地、經費等條件限制對實踐環節的影響，強化了工程素質培養，也有助于培養學生的專業學習興趣。

四、建設成效

目前，全新的10 000m2工程實訓大樓與1 000m2的結構實驗室已經建成并投入使用，其中各類實驗室總面積近4 000m2，擁有各類儀器設備1 339臺件，總價值1 500余萬元。“實驗中心”實行校、院兩級管理，共有實驗人員20名，其中高級職稱教師的比例達到45%，具有碩士學位以上教師比例達80%。

近年來，實驗中心已成為教師開展實踐教學、科學研究和社會服務的重要場地。依托實驗中心，學校教師主持國家自然科學基金項目兩項，省廳級科研、教改課題50余項，校級實驗室開放基金項目60余項，社會服務項目40余項，發表學術論文300余篇，獲得各類專利20余項。2013年，專業教師自主開發“鋼筋拉伸實驗”虛擬仿真教學軟件，獲得湖南省教師現代教育技術應用競賽一等獎。2016年，與企業共同開發“工程施工虛擬仿真軟件”，獲湖南省教師信息化教學競賽二等獎。2019年，“混凝土結構基本原理”課程被認定為湖南省線上線下混合式一流課程。

同時，依托實驗中心，學院成立了工程設計與管理創新工作室，為大學生科技創新活動搭建了有效平臺，為各類學科競賽的開展提供場地、設備與專業技術支持。自工作室成立以來，先后開展了大學生結構設計競賽、大學生力學競賽、混凝土設計競賽等校級、省級、國家級賽事的籌劃、組織、選拔、培訓及指導工作。通過開展多種類型的創新實踐活動，學生的創新實踐能力得到了極大的提高。近年來，學生在各類學科競賽當中屢獲大獎，共獲得省級以上學科競賽獎勵20余項，尤其是代表湖南省參加第八屆、第十屆和第十二屆全國大學生結構設計大賽均取得了一等獎的好成績。同時，學生還積極申報大學生研究性學習與創新性實驗計劃項目，其中“防爆抗沖擊仿生混凝土材料的研發”等4項獲得國家級立項，“變截面Euler-Bernoulli梁自由振動固有頻率研究”等9項獲得省級立項。除此之外，學生還積極參加與專業相關的各類職業技能培訓、社會服務、“互聯網+”、科技創意等活動30余項。

2015年，土木工程專業順利通過本科辦學水平評估和新增學士學位授權學科專業評估。2016年，“力學與工程虛擬仿真中心”被認定為湖南省虛擬仿真實驗教學中心。同年，土木工程專業獲批校級“十三五”專業綜合改革試點項目。2017年，學院獲批湖南省建筑工人培訓考核機構。2018年，“規劃設計工程實踐創新創業教育中心”被認定為湖南省創新創業教育中心。2019年，“能力導向、特色發展：西部地方高校土建類專業應用創新型人才培養改革與實踐”獲得國家民委教學成果二等獎。2020年，土木工程專業獲批成為湖南省一流本科專業建設點。

五、結語

實驗室是高校開展實驗教學的重要場所，是培養學生實踐能力和創新精神的重要平臺。實踐表明，對于新建土木工程專業的民族地區地方高校來說，通過采取緊密結合專業認證要求，采用緊扣規范、瞄準認證，廣泛調研、科學論證，突出重點、分步實施，虛實結合、相互補充的建設思路，從基礎實驗室、專業實驗室和虛擬仿真實驗室等幾個方面進行建設，能夠取得較好的建設成效，從而為提升專業辦學水平和人才培養質量打下堅實的基礎。