“紙杯-砂組合體軸壓性能”開放性實(shí)驗(yàn)案例分析與研究生創(chuàng)新能力培養(yǎng)

路冰 趙寶成 劉聰 史慧媛

摘要：研究生創(chuàng)新能力的提高是研究生教育的重要課題。目前研究生培養(yǎng)多以導(dǎo)師指導(dǎo)作為主要培養(yǎng)手段，而在研究生課程教學(xué)過程中則以演示講述為主，研究生運(yùn)用所學(xué)專業(yè)知識(shí)解決實(shí)際工程問題的機(jī)會(huì)較少，對(duì)于研究生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)也淺嘗輒止。蘇州科技大學(xué)土木工程學(xué)院土木工程專業(yè)是江蘇省優(yōu)勢(shì)學(xué)科，在研究生《組合結(jié)構(gòu)》課程講授過程中，設(shè)計(jì)“紙杯-砂組合體軸壓性能”開放性實(shí)驗(yàn)，為培養(yǎng)研究生創(chuàng)新能力提供了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。結(jié)合三屆研究生所完成的“紙杯-砂組合體軸壓性能”開放性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)分析發(fā)現(xiàn)，研究生的創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力有所提高，對(duì)于專業(yè)知識(shí)的運(yùn)用能力有所增強(qiáng)。

關(guān)鍵詞：研究生教育；創(chuàng)新能力；開放性實(shí)驗(yàn)

創(chuàng)新，一詞在我國史書出現(xiàn)很早，《魏書》中記載“革弊創(chuàng)新”。創(chuàng)新，一方面指創(chuàng)造絕無僅有的新事物，另一方面指對(duì)舊事物進(jìn)行創(chuàng)造性的改造進(jìn)而獲得與舊事物有較大差異的新事物。在西方，創(chuàng)新，Innovation，起源于拉丁語，原意有三層意思，一是更新，二是創(chuàng)造，三是改變。1912年，美國經(jīng)濟(jì)學(xué)家熊彼得在《經(jīng)濟(jì)發(fā)展理論》一書中首次提出了“創(chuàng)新理論”。熊彼得界定了經(jīng)濟(jì)學(xué)中創(chuàng)新的五種形式：開發(fā)新產(chǎn)品；引進(jìn)新技術(shù)；開辟新市場(chǎng)；發(fā)掘新的原材料來源；實(shí)現(xiàn)新的組織形式和管理模式。研究生教育的首要任務(wù)在于培養(yǎng)創(chuàng)新人才，需要著力提升研究生創(chuàng)新能力。從研究學(xué)者針對(duì)國內(nèi)研究生創(chuàng)新能力評(píng)測(cè)的調(diào)查結(jié)果來看，我國研究生創(chuàng)新能力不足已經(jīng)是迫在眉睫的重要研究生教育課題[1]。目前，對(duì)于任何一個(gè)國家而言，創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)基地在大學(xué)，而大學(xué)中創(chuàng)新型人才聚集在研究生階段。因此，研究生創(chuàng)新能力是衡量高校研究生教育質(zhì)量的重要指標(biāo)[2]，而提升研究生創(chuàng)新能力培養(yǎng)即是高校研究生教育工作的重點(diǎn)和難點(diǎn)，也是國家創(chuàng)新能力的重要源泉[3]。對(duì)于工科類研究生而言，創(chuàng)新的內(nèi)在驅(qū)動(dòng)力在于生產(chǎn)力的提升，因此，工科類研究生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)的前提在于認(rèn)識(shí)生產(chǎn)力，并了解制約生產(chǎn)力提升的社會(huì)因素、制度因素和技術(shù)因素，而培養(yǎng)工科類研究生創(chuàng)新能力的關(guān)鍵在于發(fā)掘制約生產(chǎn)力提升的技術(shù)層面的科學(xué)問題[4]。蘇州科技大學(xué)作為一所以工科為主、工理文管藝多學(xué)科協(xié)調(diào)發(fā)展的全日制普通高校，未來學(xué)校的發(fā)展定位是高水平教學(xué)研究型大學(xué)，因此，培養(yǎng)研究生創(chuàng)新能力是學(xué)校研究生教育工作的重中之重，而開放性實(shí)驗(yàn)是培養(yǎng)研究生創(chuàng)新能力的重要手段[5]。在蘇州科技大學(xué)土木工程專業(yè)研究生《組合結(jié)構(gòu)》課程講授過程中，設(shè)計(jì)了紙杯-砂組合體軸壓性能開放性實(shí)驗(yàn)，其目的在于培養(yǎng)學(xué)生發(fā)掘科學(xué)問題的能力，并能夠運(yùn)用所學(xué)專業(yè)知識(shí)提出解決科學(xué)問題的可行性方案。自2021年以來，共有三屆研究生完成的53次實(shí)驗(yàn)。通過對(duì)實(shí)驗(yàn)案例進(jìn)行系統(tǒng)分析，進(jìn)一步發(fā)掘培養(yǎng)研究生創(chuàng)新能力的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，提出改進(jìn)措施，建立長效反饋機(jī)制，為研究生創(chuàng)新能力課程培養(yǎng)方案提供借鑒。

一、實(shí)驗(yàn)介紹

蘇州科技大學(xué)土木工程學(xué)院開設(shè)《組合結(jié)構(gòu)》課程，該課程培養(yǎng)目標(biāo)為使學(xué)生了解組合結(jié)構(gòu)的基本概念與性能特點(diǎn)，掌握組合梁與組合柱的受力機(jī)理、傳力機(jī)制與構(gòu)造要求。組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一個(gè)核心概念是將兩種或多種不同性質(zhì)的材料組合在一起，以實(shí)現(xiàn)大于兩種或多種不同性質(zhì)的材料簡(jiǎn)單疊加的效果，即“1+1>2”。課程授課內(nèi)容中組合梁類型有兩種，即鋼-混凝土組合梁和型鋼-混凝土組合梁；組合柱類型有三種，鋼管混凝土柱，鋼管約束混凝土柱和型鋼混凝土柱。對(duì)比這五種組合結(jié)構(gòu)構(gòu)件，其中，鋼管混凝土柱對(duì)于組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)核心觀點(diǎn)的闡釋最為直接，也最能吸引學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。該課程以此為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了紙杯-砂組合體軸壓性能開放性實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)以紙杯和砂土作為基本材料，設(shè)計(jì)三個(gè)基本試件，即掏空底部紙杯，紙杯狀砂土，紙杯-砂組合體。該實(shí)驗(yàn)的開放性體現(xiàn)在可以在實(shí)驗(yàn)中增加任意材料用于改善紙杯-砂組合體軸壓性能，提高其軸壓承載能力。該實(shí)驗(yàn)旨在幫助研究生在學(xué)習(xí)組合結(jié)構(gòu)課程的過程中更好領(lǐng)會(huì)組合結(jié)構(gòu)的核心概念，也可以幫助其更好地理解課堂中所講述的一些偏于晦澀難懂的專業(yè)知識(shí)，如套箍理論，約束混凝土，鋼管局部屈曲等。該實(shí)驗(yàn)的目的在于分析紙杯-砂組合體的承壓機(jī)理，觀察紙杯與砂破壞形態(tài)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行描述，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，訓(xùn)練其開展實(shí)驗(yàn)研究的能力，提高提煉科學(xué)問題的能力，鍛煉其數(shù)據(jù)總結(jié)與分析能力。此外，該實(shí)驗(yàn)為團(tuán)隊(duì)合作實(shí)驗(yàn)，可以培養(yǎng)研究生團(tuán)隊(duì)意識(shí)和合作能力。在進(jìn)行不同類型紙杯-砂組合體軸向承壓承載力測(cè)量方面，考慮到經(jīng)濟(jì)性、簡(jiǎn)便性與易操作性，在降低測(cè)量精度的條件下，建議以書本作為加載物，以體重計(jì)作為稱重設(shè)備。從現(xiàn)有案例分析結(jié)果來看，該測(cè)量方式足夠用于區(qū)分不同類型紙杯-砂組合體軸壓性能，可以幫助研究生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的定性分析處理。

二、案例分析

按照蘇州科技大學(xué)土木工程學(xué)院研究生《組合結(jié)構(gòu)》課程教學(xué)大綱要求，該課程為考查課，期末考試以大作業(yè)作為評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)。該課程大作業(yè)共設(shè)計(jì)了三種類型，即紙杯-砂組合體軸壓性能實(shí)驗(yàn)、組合結(jié)構(gòu)構(gòu)件研究現(xiàn)狀文獻(xiàn)綜述和組合結(jié)構(gòu)構(gòu)件力學(xué)性能數(shù)值模擬分析。下面將就每一年選修該課程研究生選擇紙杯-砂組合體軸壓性能實(shí)驗(yàn)的案例進(jìn)行分析。

（一）2021年

2021年進(jìn)行第一次開放性實(shí)驗(yàn)。在第一次考核中，紙杯-砂組合體軸壓實(shí)驗(yàn)案例共計(jì)17份，參與學(xué)生49人。在這17組例開放性實(shí)驗(yàn)中，僅考慮單次實(shí)驗(yàn)偶然性而進(jìn)行重復(fù)實(shí)驗(yàn)的共有5例，其中4例重復(fù)實(shí)驗(yàn)3次，1例重復(fù)實(shí)驗(yàn)5次。僅考慮砂土粒徑影響的有1例，對(duì)比紙杯-粗砂組合體與紙杯-細(xì)沙組合體軸壓承載力的差異。僅考慮濕砂影響的有1例，對(duì)比紙杯-濕砂組合體與紙杯-干砂組合體軸壓承載力的差異。僅考慮砂土壓實(shí)度影響的有7例，對(duì)于紙杯-壓實(shí)砂組合體與紙杯-松散砂組合體軸壓承載力的差異。僅考慮紙杯底部掏空與否影響的1例，對(duì)比不掏空紙杯-砂組合體與掏空紙杯-砂組合體軸壓承載力的差異。以上共計(jì)14例，學(xué)生僅考慮單一因素影響。考慮砂土壓實(shí)度與砂土內(nèi)嵌十字形硬紙影響的有2例，其中十字形硬紙?zhí)畛浼埍瓋?nèi)起到支撐作用，可以顯著提高紙杯-砂組合體軸壓承載力。考慮砂土粒徑、砂土壓實(shí)度和濕砂三種因素影響的有1例。

從當(dāng)年所搜集的案例來看，學(xué)生的創(chuàng)造性思維得到一定釋放，多數(shù)同學(xué)在基本試件基礎(chǔ)上增加單一因素進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，僅少數(shù)同學(xué)可以同時(shí)考慮兩種以上因素。印象較為深刻的有一點(diǎn)，即在砂土中內(nèi)嵌十字形硬紙。從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析來看，由于絕大多數(shù)研究生并未有開展開放性實(shí)驗(yàn)的經(jīng)歷，只是進(jìn)行試探性實(shí)驗(yàn)與分析，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理過于簡(jiǎn)單。由此可以看出，研究生的創(chuàng)新能力不足已經(jīng)成為共性問題。

（二）2022年

2022年進(jìn)行第二次開放性實(shí)驗(yàn)。在第二次考核中，紙杯-砂組合體軸壓實(shí)驗(yàn)案例共計(jì)21組，參與學(xué)生42人。在這21組案例中，僅考慮砂土壓實(shí)度影響的有5例，僅考慮砂土種類的1例，對(duì)比采用紙杯-壓實(shí)砂土組合體與紙杯-壓實(shí)黏土組合體軸壓承載力的差異。其余15例中，考慮兩種因素的有11例，考慮三種因素的有4例。在11例考慮兩種因素的案例中均考慮砂土壓實(shí)度的影響，其中，1例額外考慮砂土中含水率影響，含水率精確到1.0%，1.5%和3.0%；?1例額外考慮濕砂與干砂影響；1例額外考慮在砂土中增設(shè)普通紙卷鋼筋；1例額外考慮在砂土中增設(shè)硬紙卷鋼筋；1例額外考慮在砂土中增設(shè)工字形硬紙；1例額外考慮將紙杯揉捏用以模擬鋼管腐蝕影響；2例額外考慮在砂中增設(shè)十字形硬紙；3例額外考慮單次實(shí)驗(yàn)偶然性而進(jìn)行重復(fù)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)均重復(fù)3次。在4例考慮三種因素的案例中均考慮砂土壓實(shí)度的影響，其中，1例額外考慮紙杯層數(shù)與砂土內(nèi)嵌三角形硬紙的影響；1例額外考慮皮筋數(shù)量與砂土內(nèi)嵌粗骨料的影響；1例額外考慮套箍紙杯與砂土內(nèi)嵌工字形硬紙的影響；1例額外考慮砂土內(nèi)嵌硬紙與硬紙形狀的影響，包括工字形硬紙，十字形硬紙與矩形硬紙。

從當(dāng)年所搜集的案例來看，學(xué)生的創(chuàng)造性思維得到進(jìn)一步釋放，多數(shù)同學(xué)在基本試件基礎(chǔ)上考慮兩種以上因素進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，僅少數(shù)同學(xué)考慮單一因素。從影響因素的考查范圍來看，學(xué)生的思維深度和廣度得到提高，嚴(yán)謹(jǐn)性也得到進(jìn)一步啟發(fā)。印象較為深刻的有四點(diǎn)，一是，將含水量精確到百分?jǐn)?shù)，二是，將紙杯揉捏模擬真實(shí)環(huán)境中的鋼管銹蝕，三是，紙杯外套皮筋進(jìn)行徑向約束，四是，考慮硬紙形狀的影響。本次在考核前展示上一年研究生的實(shí)驗(yàn)成果照片，對(duì)于啟發(fā)研究生開展開放性實(shí)驗(yàn)有一定幫助，并且可以調(diào)動(dòng)他們的積極性和求勝心。在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理分析方面也較去年更好一些，特別是從紙杯-砂組合體軸壓性能實(shí)驗(yàn)聯(lián)想到圓鋼管混凝土柱軸壓性能試驗(yàn)，對(duì)于鋼管與混凝土的受力機(jī)理進(jìn)行了類比分析。

（三）2023年

2023年進(jìn)行第三次開放性實(shí)驗(yàn)。在第三次考核中，由于嚴(yán)格控制實(shí)驗(yàn)人數(shù)，紙杯-砂組合體軸壓實(shí)驗(yàn)案例只有15組，參與學(xué)生30人。在這15組案例中，僅考慮砂土種類的1例，對(duì)比采用紙杯-壓實(shí)砂土組合體與紙杯-壓實(shí)黏土組合體軸壓承載力的差異。其余14例中，考慮兩種因素的有9例，考慮三種因素的有5例。在9例考慮兩種因素的案例中有8例考慮通過在紙杯外增設(shè)套箍紙杯，或者纏繩，或者采用工業(yè)尼龍?jiān)鷰нM(jìn)行困扎，或者用皮筋進(jìn)行困扎，以增加紙杯對(duì)砂土的約束作用。同時(shí)，在這8例采用套箍措施的案例中，1例額外考慮砂土內(nèi)嵌星形硬紙的影響；1例額外考慮砂土內(nèi)嵌方形硬紙的影響；1例額外考慮砂土內(nèi)嵌十字形硬紙的影響；1例額外考慮砂土內(nèi)嵌空心方形紙管的影響；2例額外考慮砂土內(nèi)嵌粗骨料的影響；1例額外砂土壓實(shí)度的影響；1例額外考慮單次實(shí)驗(yàn)偶然性進(jìn)行重復(fù)實(shí)驗(yàn)。在考慮兩種因素的案例中尚有1例同時(shí)考慮砂土壓實(shí)度與砂土內(nèi)嵌普通紙卷鋼筋的影響。在考慮三種因素的案例中，1例考慮紙杯層數(shù)、套箍紙杯和砂土內(nèi)嵌三角形硬紙的影響；1例考慮砂土壓實(shí)度、套箍紙杯和砂土內(nèi)嵌十字形硬紙的影響；1例考慮砂土壓實(shí)度、紙卷鋼筋和砂土內(nèi)嵌粗骨料的影響；1例考慮砂土內(nèi)嵌粗骨料、砂土內(nèi)嵌竹筷和砂土壓實(shí)度的影響；1例考慮砂土壓實(shí)度、套箍紙杯和砂土內(nèi)嵌方形硬紙的影響。

從當(dāng)年所搜集的案例來看，學(xué)生的創(chuàng)造性思維得到一定釋放，多數(shù)同學(xué)在基本試件基礎(chǔ)上考慮兩種以上因素進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，僅個(gè)別同學(xué)考慮單一因素。從影響因素的考查范圍來看，學(xué)生的思維深度和廣度較之去年沒有更大的擴(kuò)展，其思維深度與廣度受到專業(yè)知識(shí)和認(rèn)知范圍的局限。印象較為深刻的有三點(diǎn)，一是，考慮砂土壓實(shí)度的影響的案例從上一年20例減少到僅5例，而采用各種方式進(jìn)行紙杯套箍的案例從上一年3例增加到11例；二是，考慮空心紙管尺寸對(duì)紙杯-砂組合體軸壓性能的影響，，類比中空夾層鋼管混凝土柱；三是，在進(jìn)行數(shù)據(jù)分析時(shí)可以進(jìn)行正交對(duì)比分析，分析不同材料對(duì)紙杯-砂組合體軸壓承載力的影響。從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析來看，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理能力得到進(jìn)一步提升。

結(jié)語

研究生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，不能再依靠填鴨式灌輸?shù)姆绞剑鼞?yīng)該以開放性實(shí)驗(yàn)為鍛煉手段，讓研究生有機(jī)會(huì)靈活運(yùn)用所學(xué)習(xí)的專業(yè)知識(shí)，進(jìn)行開放性實(shí)驗(yàn)研究，以獲取更多啟發(fā)性的認(rèn)識(shí)，并提高對(duì)專業(yè)知識(shí)的掌握與運(yùn)用能力。紙杯-砂組合體軸壓性能實(shí)驗(yàn)的出發(fā)點(diǎn)在于體現(xiàn)組合結(jié)構(gòu)一個(gè)核心設(shè)計(jì)理念（1+1>2），學(xué)生在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)總結(jié)過程中，也會(huì)將其與鋼管混凝土結(jié)構(gòu)受力機(jī)理進(jìn)行聯(lián)想，可以幫助其理解鋼管混凝土柱傳力機(jī)制。該實(shí)驗(yàn)中可以體現(xiàn)工科類創(chuàng)新的形式在于以不斷突破原始結(jié)構(gòu)形式（紙杯-砂組合體），推陳出新，提出各種方式來提升原始結(jié)構(gòu)形式的力學(xué)性能（采用各種材料與形式提升紙杯-砂組合體的軸壓承載力）。該實(shí)驗(yàn)中研究生在制作每一個(gè)紙杯-砂組合體時(shí)所花費(fèi)的時(shí)間和精力是不同的，而采用各種材料和形式提升紙杯-砂組合體的軸壓承載力的效果也是顯而易見。由此，研究生從實(shí)驗(yàn)中可以認(rèn)識(shí)生產(chǎn)力，并體會(huì)提升生產(chǎn)力方式方法。在第三次考核中，采用分組演示的方式進(jìn)行成果考核，通過提問方式讓其深刻領(lǐng)會(huì)制約生產(chǎn)力提升的技術(shù)層面的因素，并能夠總結(jié)提煉出實(shí)驗(yàn)所解決的關(guān)鍵科學(xué)問題，即如何用最少的材料，耗費(fèi)較少的人力，實(shí)現(xiàn)紙杯-砂組合體更大的軸向承載力。對(duì)于工科類研究生而言，這種形式的創(chuàng)新是最基礎(chǔ)的，也是最實(shí)用的。

從新一年的考核中對(duì)上一年的案例進(jìn)行總結(jié)，向?qū)W生具象化一個(gè)科學(xué)問題的研究歷程，并將個(gè)別優(yōu)秀研究生提出經(jīng)典創(chuàng)造性思維的案例進(jìn)行細(xì)致闡述，提高學(xué)生的參與熱情和創(chuàng)新積極性。創(chuàng)新能力的培養(yǎng)并不是一蹴而就，需要多學(xué)科交融，更需要全社會(huì)和高校在研究生教育方面提供支持，并不能夠僅僅通過一門課程的一次開放性實(shí)驗(yàn)完成。研究生具有一定的專業(yè)知識(shí)，也有一定的理解能力，開放式實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)可以最少的成本，獲得研究生創(chuàng)新能力的極大培養(yǎng)，應(yīng)該提倡和推廣。今后，將不斷加強(qiáng)對(duì)參與實(shí)驗(yàn)研究生的科研進(jìn)展情況進(jìn)行回訪，并聽取其對(duì)開放性實(shí)驗(yàn)的反饋意見，以期設(shè)計(jì)更多開放性實(shí)驗(yàn)。

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項(xiàng)目基金：2023年中國建設(shè)勞動(dòng)學(xué)會(huì)《住房和城鄉(xiāng)建設(shè)建設(shè)高質(zhì)量發(fā)展要素和人才支撐》科研項(xiàng)目（編號(hào)：CCLI2023R005和CCLI2023R006），蘇州科技大學(xué)“五育融通”教學(xué)研究專項(xiàng)課題（編號(hào)：2023WYY-01）

作者簡(jiǎn)介：路冰（1988—??），男，漢族，山東泰安人，博士，講師，主要從事結(jié)構(gòu)工程與工程抗震方面研究；趙寶成（1970—??），男，漢族，內(nèi)蒙古赤峰人，博士，教授，主要從事結(jié)構(gòu)工程方面研究；劉聰（1992—??），男，漢族，河南濮陽人，博士，副教授，主要從事結(jié)構(gòu)工程方面研究；史慧媛（1989—??），女，漢族，山東濟(jì)南人，博士，副教授，主要從事結(jié)構(gòu)工程與工程材料方面研究。