產學合作協同育人項目驅動的土木工程實驗教學探索

宋彥朋，程剛

（武漢工程大學郵電與信息工程學院，湖北武漢 430073）

土木工程專業為應用型學科，實踐是訓練學生工程技能的主要方式之一，而實驗教學又是實踐的重要組成部分，是專業學習的重點內容，是培養學生創新能力、研究和解決工程問題能力的關鍵環節[1-2]。但傳統的土木工程實驗教學存在著教學體系不完整、教學模式單一等問題。本文根據武漢工程大學郵電與信息工程學院（以下簡稱我院）土木工程專業實驗教學的現狀以及面臨的問題，依托教育部產學合作協同教育工程項目，并根據與主辦院校武漢工程大學土木與建筑工程學院（以下簡稱本部土建院）共建共管共用資源的土木工程實驗中心，開展了實驗教學的全面改革研究。

1 我院土木工程專業實驗教學現狀

我院土木工程專業的實驗教學分為三部分：公共必修課、專業基礎課和專業必修課，具體情況如表1 所示。

表1 土木工程專業實驗課程統計表

本專業實驗教學存在的問題如下：

（1）實驗教學課時設置以課內實驗為主。除了物理實驗外，其他內容都依附于理論課程。我院實驗課的教學一般采取以理論教師為主、主辦高校實驗室人員為輔的模式完成授課。因此部分教師偏重理論教學而忽視了實驗教學，學生在學習過程中也以理論學習為主。同時土木工程專業的實驗往往涉及的知識比較廣泛，在有限的學時里學生只能初步了解實驗知識，難以掌握實驗的本質[3]。

（2）實驗內容存在一定的交叉重復，教學缺乏整體規劃。我院本專業實驗教學內容的設置往往以理論教學為依據，但各專業課知識存在交叉重復，因此實驗內容出現交叉重復現象，例如在土木工程材料的實驗教學中，會設置低碳鋼的力學性能的檢測，同時材料力學實驗教學內容也會設置相應的實驗[4]。

（3）實驗教學模式單一。目前大多數實驗均以驗證結論為主要目的，教學方法主要是“課前教師進行實驗準備→課中教師進行講解示范，學生模擬重復實驗內容→課后學生完成實驗報告的撰寫”，這種教學方式以教師為主導，學生簡單重復，難以最大限度地激發學生學習的主動性和積極性[5]。

2 土木工程專業實驗教學改革的基礎

根據我院土木工程專業實驗教學現狀，本專業教師團隊積極探索實驗教學的體系方法等方面的創新。教學改革有一定的硬件基礎，同時兼具軟件條件。

我院與主辦院校共同合作建設了土木工程實驗中心，該實驗中心總使用面積為2 686m2,共投入資金近1 000 萬元。該教學實驗中心綜合了土木工程建筑材料實驗室、材料力學與特性實驗室、水土力學研究室、橋梁構造與模型室、工程測量實訓室、施工項目管理實訓活動中心等29 個實驗實訓室。可以滿足我院土木工程專業開設的所有實驗課程需求[6]。

借助教育部產學合作協同育人平臺，我院聯合煙臺新天地試驗技術有限公司申請了師資培訓項目《面向應用型人才培養的力學相關實驗技能培訓》。該企業主要開展實驗教學領域的實驗裝置研發和測試技術研發[7]。公司具備技術資源優勢,我院將與之協同進行師資建設和培養,通過選派教師團隊成員先后赴公司進行技術培訓,尤其是利用關于材料力學、工程力學等的實踐課題研究、課程標準構建、實驗教學模式設計等方面的前沿理論,對教師開展力學實踐與技術訓練,以提高教師實驗力學的實踐操作與技能水平,從而更好地使理論知識和實驗課程相互融通。同時進行實驗方案設計，使實驗教學方案既能和理論知識緊密聯系，又能與實際工程結構，特別是橋梁工程和大型土木工程結構接軌，滿足學生應用技術學習的要求。在實驗方案中體現科學性與實用性。

基于教育部產學合作協同育人項目，依托與主辦院校共建共管共用的實驗中心，我教研團隊梳理整合了土木工程專業實驗教學體系，革新了實驗教學方法，豐富了實驗教學內容。

3 土木工程專業實驗教學改革內容

3.1 遞進式的實驗教學體系的梳理

我院土木工程專業培養目標為應用型創新人才，因此在進行實驗教學時，既要完成基礎性實驗教學，還要設置綜合性和創新性實驗項目[8]。根據目前土木工程實驗中心的建設情況，依據不同的專業課程特點進行實驗教學體系的重新梳理。學科的基礎實驗分為材料力學實驗課程、結構力學實驗課程、工程測量技術實驗課程、土木工程材料學實驗課程等；專業技能實踐包含土木工程結構實驗課程、路基路面實驗課程、鋼結構實驗課程、工程結構檢測課程等；創新性綜合實驗包含混凝土構件無損測試、有限元分析實驗、鋼結構的自振頻率和模態實驗等[9]，如圖1 所示：

圖1 土木工程實驗中心功能

3.2 集中與開放式相結合的實驗教學模式創新

集中授課指的是根據理論教學安排實驗教學課在周中進行，開放式實驗教學指的是開課周次其余時間的下午、晚上。

集中授課的部分以基礎性驗證實驗為主。這些實驗大多需要教師來講解實驗目的、實驗原則、實驗儀器、實驗要求、實驗過程、數據等，由學生進行重復操作。這種教學模式使學生較快地掌握實驗內容與現象，加深對相關理論知識的掌握，在人才培養中起到重要的作用，且沒有基礎實驗的循序漸進，學生很難完成設計性、研究性、探索性實驗。但這種教學方法不利于學生創造力的培養。將集中授課和開放式教學相結合可以很好地彌補此類缺點[10-11]。

開放式的實驗教學第一步需要學生查閱大量的資料，包括相關設計手冊、國家行業企業標準、學術論文等文獻資料，觀看實驗過程的視頻講解和動畫演示等影視資料、實驗數據收集分析環境、以往數據的分析等與實驗教學相關的內容，完成實驗預習過程。實驗預習要求學生可以提出具體的實驗目的,根據實驗原理編寫詳盡的實驗操作與流程,熟悉實驗裝置使用,熟悉實驗數據處理的方式,同時進行實驗預習報告的編制。由實驗教師對實驗的預習報告進行審核修改,分組安排開放性實驗。開放式實驗教學,通過學生的獨立思考可以培育其創造精神[12]。

3.3 目的對應式的實驗教學層次設置

不同的崗位要求學生掌握的理論層次不同，因此在教學過程中我們以生為本，以學定教。實驗是理論聯系實踐的橋梁，同時實驗教學過程及結果也是檢驗學生理論知識掌握情況的手段。實驗教學要根據學生的學習情況服務于多層次理論教學，對應不同層次的理論，設計不同類型的實驗項目，如圖2 所示：

圖2 實驗教學與理論教學對應關系

以材料力學課程的金屬擠壓實驗為例,該實驗首先需要我們仔細觀察各種性質金屬材料如低碳鋼、鑄鐵、鋁合金等在擠壓實驗時的變形和破壞情況，并研究分析原因，形成感性認識。在此基礎上了解基本概念壓應力導致試件發生斷裂破壞的形式、原因以及測量方式。然后對試件在壓縮實驗中的相關概念進行量化，如材料的流動極限 、強度極限 ，定點測量壓縮實驗中應力變化，找到其變化規律。最后制定深化研究目的，如根據試件壓縮實驗過程中加載、卸載曲線，分析材料彈性模量的變化。

3.4 創新性地補充綜合實驗

綜合性實驗能進一步促進學生知識能力素質的培養和形成，更有利于學生解決復雜工程問題，且國家本科教學評估文件中要求創新性綜合實驗的比例需達80%以上[6]。綜合性實驗涉及多門課程，多種實驗方法，是在基礎性實驗的基礎上，由教師給定實驗任務、學生自行設計實驗方案的基礎上完成的。

以《混凝土結構設計原理》為例，將“混凝土梁正截面受彎實驗”的基礎實驗改設為“各種配筋梁受彎破壞實驗”的綜合實驗，由學生自行設計、制作、養護試件，加載、分析不同配筋梁（超筋梁、少筋梁、適筋梁）受彎破壞形態[13]。實驗內容涉及多門課程的知識，如《土木工程材料》《土木工程施工技術》《混凝土結構設計原理》《建筑結構檢測》等。采用綜合性實驗，對先行課程的知識進行串聯，增強了學生對理論知識的把握,并鍛煉了學生分析問題、解決問題的能力[14]。

4 結語

綜上所述,通過本實驗課程改革將一方面促進對學生實驗能力與創新能力的培養,從而更好地適應社會對專業人才的需要,另一方面促進了我院教師隊伍的建設，提高了教師的實驗教學水平。