面向“新工科”的“土木工程結構試驗”課程體系建設與改革

鄭緯奇 朱志輝 劉曉春

1.中南大學土木工程學院 湖南長沙 410075；2.高速鐵路建造技術國家工程研究中心 湖南長沙 410075

1 概述

“新工科”針對新興專業，以工業智能化為核心，開展適應未來產業發展的工程教育教學改革，培養滿足未來新產業需要、具有創新創業能力、動態適應能力、高素質的交叉復合型卓越工程科技人才[1-2]。“新工科”是基于國家戰略發展新需求、國際競爭新形勢、創新人才培養新要求提出的工程教育改革方向，“新工科”的建設為我國高等工程教育改革帶來了重大機遇[3-4]。土木工程專業作為傳統工科之一，結合“新工科”的建設要求，為滿足行業和產業發展培養新型人才是最重要、最核心的任務[5-6]。其中，人才培養的專業體系建設至關重要。

“結構試驗”作為土木工程專業基礎課之一，目標是提升學生分析和解決問題的能力，助力培養學科交叉復合型卓越工程科技人才。目前，人工智能、大數據、信息技術等產業蓬勃發展，相關技術的發展帶來了土木工程結構試驗技術的更新換代，為土木工程結構試驗注入新的發展活力[7]。由此，緊密結合新興技術和行業需求，面向“新工科”建設要求，從“土木工程結構試驗”課程體系建設入手，結合學生應具備的工程能力，探索適應新形勢人才培養理念的“土木工程結構試驗”課程體系，建設特色一流專業課程，培養高素質專業人才。

2 面向“新工科”的“土木工程結構試驗”課程體系建設

本節以中南大學土木工程專業課程“結構試驗”為依托，總結其多層次、多場景的課程體系建設經驗，及以任務式為主線的試驗課程模式，為“土木工程結構試驗”課程面向“新工科”建設提供參考。

2.1 課堂教學

課堂教學的任務是試驗基礎理論教育，主要針對“結構試驗”的基礎理論和關鍵技術[8]，包括結構試驗的發展概述、加載測試技術及儀器設備、結構靜載試驗、結構動載試驗、結構無損檢測技術、結構試驗數據處理等。通過課堂展示結構試驗的組織流程，將材料力學、結構力學、結構設計原理等內容與結構試驗深度融合，使各專業課基礎知識融會貫通，培養學生的宏觀思考能力和知識遷移能力，并為試驗實操奠定良好的理論基礎。

2.2 試驗實操

試驗實操分多場景、多主題、多層次開展，按培養目標循序漸進，逐步深入。試驗實操主要包括基本實驗技能、經典試驗重現、試驗結合行業特色以及無損檢測技術應用等。

2.2.1 基本試驗技能培養

熟練掌握基本實驗技能是開展“土木工程結構試驗”的基本要求之一。本課程在理論基礎知識教學的基礎上，進一步對學生的基本試驗實操技能進行培養。本課程中基本實驗技能培養環節主要包括電阻應變片的粘貼實操和靜態應變儀接橋練習。

電阻應變片的粘貼實操要求學生了解電阻應變片的工作原理，掌握電阻應變片粘貼的標準流程，提煉試驗實操過程的關鍵注意事項，并動手完成電阻應變片的粘貼和測試；靜態應變儀接橋練習要求學生了解電阻應變儀的構造和各類電橋的測試原理，掌握各類電橋橋路的接橋方式，理解溫度補償片的布置方式和作用，并結合等強度梁結構，在電阻應變儀上進行不同接橋方式的結構應變測試，并與理論計算結果進行對比，體驗試驗測試的過程，培養試驗實操技能和興趣。

2.2.2 經典結構試驗重現

在學生掌握基本試驗技能的基礎上，結合課堂教學中試驗組織等相關內容，對“土木工程結構試驗”中的經典案例進行試驗重現，并對比分析試驗結果與理論值，以培養學生提出問題、分析問題和解決問題的能力。在本課程中，考慮到試驗場地、加載條件和學生知識儲備等，以簡支梁靜載試驗為典型案例，分為鋼桁簡支梁靜載力學性能試驗和混凝土簡支梁靜載破壞試驗，如圖1所示。

(a)鋼桁梁

(b)混凝土梁圖1 簡支梁靜載試驗

在鋼桁簡支梁靜載試驗中，主要關注鋼桁梁在彈性工作階段分級加載過程中關鍵斷面的應變和變形值，并根據荷載傳感器記錄的實際加載值，計算出其相應的理論解，整理結果并繪制關鍵桿件截面的荷載—應變曲線、測點的荷載—撓度曲線以及各級荷載作用下鋼桁梁的整體撓度曲線。對于混凝土簡支梁靜載破壞試驗不僅要關注其荷載—應變曲線、測點的荷載—撓度曲線以及各級荷載作用下整體撓度曲線，而且要重點關注跨中截面應變及梁體裂縫分布，并可依據《混凝土結構工程施工質量驗收規范》(GB50204—2015)對混凝土梁的性能做出合理評定。由此，加深學生對經典結構試驗的相關認識，分析各類試驗現象的產生原因，學習試驗結果的修正方法，培養學生舉一反三、知識遷移能力。

2.2.3 試驗結合行業特色模式

動力特性測試是“土木工程結構試驗”的重要內容之一。眾所周知，引起工程結構動力響應的輸入荷載豐富多樣，包括活載、風、地震等。緊密結合中南大學土木工程專業鐵路行業特色，本課程中設計制作了軌道交通試驗測試梁和軌道小車，如圖2所示。基于此，可開展多工況動力性能測試試驗，要求學生學習編制結構動載試驗計劃，熟悉動態測試儀器系統，熟練掌握結構動力系數的測定方法及結構動力特性的測試方法，理解典型試驗現象及其產生機制，并完成動載試驗數據整理和報告編寫。

圖2 試驗測試梁(mm)

依托上述試驗測試梁和軌道小車，在軌道小車上配置偏心質量塊，可實現多車速、多激振荷載級下的車致橋梁結構振動試驗研究。此外，可采用多種測試方法，如自由振動法、共振法等，測試橋梁結構的動力特性參數，典型試驗場景如圖3所示。結構動力特性試驗結合鐵路行業特色，可加深學生對于相關專業知識的認知，并激發學生學習和探索興趣，提升其對于本專業的認同感。

圖3 結構動力特性測試試驗

2.2.4 無損檢測技術

無損檢測技術廣泛應用于土木工程結構試驗與檢測中，是結構試驗的重要補充，涉及多學科交叉應用，不同于傳統測試傳感器等單點測試設備，無損檢測往往可通過某專業測試裝備獨立完成檢測，并進行結構評估。本課程中無損檢測技術主要包括回彈法、超聲法等技術手段，要求學生掌握混凝土超聲儀、回彈儀、鋼筋位置測定儀的使用方法，了解超聲回彈綜合法檢測混凝土強度的要求；掌握回彈法及超聲回彈綜合法檢測混凝土強度的基本原理，熟悉鋼筋位置和保護層厚度的測定方法；理解超聲法測混凝土結構缺陷的基本原理和測試方法，并開展各類無損檢測設備的實操應用；熟悉相關國家規范和技術規程，掌握工程結構試驗檢測流程，編寫試驗分析報告，培養并提升學生的專業素養。

3 面向“新工科”的“土木工程結構試驗”課程改革

3.1 結合虛擬仿真，增進課程體驗

虛擬仿真是“土木工程結構試驗”模擬分析的重要技術手段之一，數值模擬等虛擬仿真方法可有效重現土木工程結構試驗的整個過程，并可對關鍵試驗現象進行反演，提升相關試驗現象的展示度和學生的試驗參與感[9]。虛擬試驗仿真平臺可作為學生進行試驗實操的學習資料，指導學生試驗預習和課后復習，能夠快捷有效地傳達結構試驗的關鍵信息，增進試驗課程體驗，鞏固試驗學習效果。

以混凝土簡支梁靜載破壞試驗為例，對虛擬仿真技術的應用進行介紹。混凝土簡支梁靜載試驗中，隨著試驗加載荷載的增大，混凝土梁逐步由彈性狀態到塑性狀態直至破壞，各個試驗階段表現出顯著不同的試驗現象。目前，學生在本科階段學習中“混凝土結構設計原理”等相關課程重點關注結構的設計計算，往往對混凝土結構的塑性損傷行為不做過多講解，導致學生對混凝土梁加載試驗中的塑性開裂僅僅停留在表觀現象的觀察，缺乏機理行為和力學特征的深刻認識，而對關鍵試驗現象不夠敏感。采用有限元數值模擬手段，借助通用有限元軟件(如ABAQUS、ANSYS等)可實現對混凝土簡支梁加載破壞過程的精細化模擬，對比試驗加載過程中觀測到的試驗現象和數值模擬的可視化結果，如圖4所示，可增強學生的試驗體驗感和參與度，提升課程試驗教學效果。

(a)混凝土梁開裂試驗測試

(b)混凝土梁開裂數值模擬[10]

3.2 基于工程實際，探索“產、學、用”模式

“結構試驗”屬于土木工程專業本科階段的應用型教育課程，在培養學生掌握課程基本原理和試驗實操技能的基礎上，應結合實際工程，加強工程教育與工程實踐的結合，讓學生深入工程一線，在實際工程中掌握結構試驗技術的應用技巧，結合專業實踐或實習培養環節，使學生建立工程概念，開展“產、學、用”模式探索，以滿足社會需求為原點，多學科交叉，實現工程教育與行業發展的耦合，培養復合型卓越工程科技人才。

以混凝土簡支梁靜載試驗為例，結合實際工程需求，在實際工程應用中進一步提升專業知識認知。簡支梁成橋檢測可認為是混凝土簡支梁靜載試驗的現場應用拓展場景，建立工程實際和課程試驗的聯系，讓學生實現從書本、課堂到工程一線的跨越，樹立其工程理念，為培養卓越工程師助力。

3.3 依托科研平臺，探索前沿科技

科學與工程協同發展，是“新工科”建設的要求之一。依托高校的優勢科研平臺，在傳統“土木工程結構試驗”中引入新興技術，新興試驗技術往往涉及多學科交叉，跨專業知識交叉融合是結構試驗發展的關鍵，可開拓學生的專業視野，激發學生的專業興趣和探索精神，樹立學生的終身學習觀。

以混凝土簡支梁靜載破壞試驗為例，依托高速鐵路建造技術國家工程研究中心科研平臺，在采用傳統測試手段開展相關試驗的基礎上，引入光學散斑測試技術(DIC)，如圖5所示，對比傳統試驗測試手段和光學散斑先進測試技術的應用效果。基于光學散斑測試技術可得到混凝土梁靜載破壞過程的全場應變及演化過程，相比傳統手段，試驗測試效率和精度更有所保障，深刻闡釋了科學技術是第一生產力。由此，拓寬學生專業視野，提升其接受新技術的能力，培養其終身學習的理念，激發其探索前沿科技的驅動力，進而造就一批具有創新創業能力和跨專業整合能力的高素質專業技術人才。

(a)混凝土梁破壞光學散斑測試技術

(b)混凝土梁開裂全程位移場測試圖5 混凝土簡支梁靜載破壞試驗及散斑測試技術

4 總結

“結構試驗”是土木工程專業的基礎課程之一，結合“新工科”的建設要求，為滿足培養土木工程專業學生工程實踐能力和創新意識，“結構試驗”課程體系建設和改革具有重要意義。本文立足于專業基礎課程理論體系，將“結構試驗”課堂教學與試驗實操緊密結合，拓寬科學眼界、科研引入教學、突出行業特點，多場景、多主題、多層次開展項目式教學，理論聯系實際，探索面向“新工科”的“土木工程結構試驗”課程體系建設與改革措施，建設特色一流土木工程專業課程，助力培養高素質的學科交叉復合型卓越工程科技人才。