線上實驗教學對提升土木工程實驗教學質量的探討

［摘 要］ 隨著“互聯網+”時代的到來，高校與學生利用線上資源來教學或學習的例子不勝枚舉，也成為線下課程重要的輔助。土木工程專業作為實踐性較強的專業之一，其很多專業課程在教授過程中都會有室內試驗和現場試驗的相關知識掌握和實際操作。利用線上實驗教學方法，不僅可以彌補線下實驗教學中的不足之處，并與線下教學共同作用，還可以提升學生認識水平，也為學生對專業實驗課程考核提供了多元方式。

［關鍵詞］ 線上教學；實驗教學；土木工程；考核方式

［基金項目］ 2022年度山東大學教育教學改革研究項目“疫情防控背景下工科實驗實踐類教學改革——以土木工程專業為例”（2022Y179）

［作者簡介］ 武 科（1978—），男，河北棗強人，博士，山東大學土建與水利學院教授，主要從事大型地下空間結構災變機理與穩定性評價、能源地下結構與智慧工程研究。

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2024）36-0139-04 ［收稿日期］ 2023-08-18

高校基于“互聯網+教育”教學模式開展線上教學，已成為線下教學與實踐的重要組成部分和有效方法。在線上教學模式如火如荼的開展過程中，實驗實踐教學是一個極其重要又特殊的教學環節。實驗實踐教學更注重培養學生在實際環境下動手操作或實踐的能力，尤其針對工科專業的學生來講，培養應用型人才是各工科學科的首要培養目標。劉洪南等［1］開發了實驗課程的網絡教學平臺，對提高教學效率、提升教學效果發揮了重要作用。張春曉等［2］研究了實驗實踐課程線上教學改革方案，將其應用于“企業實訓”課程在線教學，并取得了良好的教學效果。黎雨等［3］針對新工科背景下“工程材料學”課程線上實驗教學模式困難等問題，提出了基于線上課程授課和虛擬實驗平臺的搭建與共享的方案，以應對新工科線下教學模式與方法的優化以及虛擬實驗教學模式的探索。陳逸菲等［4］提出了實現過程等效和體驗等效的教學設計及實施方法。張變蓮等［5］在教學中引入以Multisim為主要仿真軟件的在線實驗教學模式，進行了在線仿真實驗教學以及多樣化考核驗收。張宏勛等［6］探索建立了科學性與趣味性兼具、外在激勵與內在激勵并重、硬約束與軟約束結合的線上資源庫。綜上所述，隨著“互聯網+”時代的到來，高校與學生利用線上資源來教學或學習的例子不勝枚舉，也成為線下課程重要的輔助手段。

土木工程專業是一個實踐性較強的專業類別，專業課程教授過程中都會有室內試驗和現場試驗的相關知識掌握和實際操作的環節。然而，有些現場試驗實際操作過程需要一定的時間和特有設備，無法滿足大學教學學時和場地安排，往往采用課上視頻和PPT講解，學生無法真正理解和掌握相關知識。例如，“地基基礎”課程中樁基承載力試驗，采用傳統的靜載試驗分析方法，繪制相關曲線得到樁基承載力值，其理論講解過程不難，但在現場實際試驗和操作過程中需要花費一定的時間和設備，往往學校無法提供，學生無法親身操作。為提升土木工程實驗教學質量，“地基基礎”課程中樁基承載力試驗采用線上虛擬實驗教學，探討虛擬實驗學習對于補充課程理論學習不足之處的作用。

一、線上實驗教學的優勢

土木工程專業具有的共同特點為應用性和實踐性強。在專業知識理論學習的基礎之上，培育學生的動手實操能力對于理解和掌握相關專業知識至關重要。實驗教學就是培育學生實操能力的重要方式。對于很多受到時間、場地和設備等因素影響，無法開展的實操實驗，線上實驗教學與虛擬實驗能夠彌補線下實驗教學的不足，有效解決影響因素所帶來的問題，從而達到預定的教學效果。

（一）利用線上實驗教學，學生可以做好預習與復習工作

1.利用騰訊會議、雨課堂、學習通等軟件，搭建了符合信息技術時代特點的自主學習環境——線上教學平臺，通過發送相關電子實驗指導書、實驗大綱、課件、視頻及預習任務要求等教學資料，讓學生隨時便捷地學習樁基承載力實驗內容和要求、實驗步驟和方法等相關內容，培養學生的自覺主動學習能力。同時，學生課后可以實時查閱線上實驗教學資料，通過整理、分析與撰寫實驗報告，加深了對實驗實操過程中涉及的理論知識和操作步驟的理解，教師通過審核學生提交的實驗報告，可以充分了解學生對實驗的掌握程度，與傳統文字背誦相比，效果顯著。

2.利用騰訊會議、雨課堂、學習通等軟件，搭建了符合信息技術時代特點的自主學習環境——線上教學平臺，能夠將課程的理論和實驗教學內容做到有機融合和相互促進，這對于專業教學質量提升是十分重要的?；A知識在線學習和反饋，重點，難點知識和實現高階教學目標的理論線下教學，實驗基本理論和實驗操作流程線上預習及反饋，線下實踐操作環節作為四個基礎環節，在理論和實驗交叉出現的過程中進行基礎環節的組合，充分利用線上教學手段，實現理論和實驗、線上和線下的充分融合和提升［7］。

（二）線下與線上實驗教學協同作用，提升學生認識水平

基于線上實驗教學預習，學生已初步對實驗內容、步驟及儀器等有了了解，并可能會有暫時無法理解的問題。通過線下實驗教學，學生可以帶著疑問認真聽取教師的講解，全面和深入理解與掌握實驗內容，完成實驗過程，實現實驗目標。利用線下與線上實驗教學相互補充共同作用，可以為學生提供多方位的專業知識和實驗實操步驟的指導與解析，從而提升了學生對專業知識的認知水平和動手能力。由此可見，線上與線下實驗教學協同作用，能夠實現課前—課堂—課后的教學任務發布、學習效果反饋、課堂互動和課后反饋等功能，為多樣化教學手段的實施提供了有力的工具。同時，能夠充分發揮引導學生自己動手動腦向專業知識深度認知和運用學習發展，提升了學生學習的積極自主性、主觀能動性和實踐創造性。

（三）豐富考核方式，體現學生綜合素質能力

傳統實驗教學考核以提交實驗報告為最終評定成績的方式，較為單一，比較明顯的弊端在于以小組形式完成的實驗報告無法區分個體差異，也無法全面評價學生對實驗實操的掌握水平。將線上實驗實操過程評價作為線下實驗教學考核的重要組成部分，注重每個階段的評價，包括線上教學和線下教學的各個環節，可以全面評估學生對專業理論知識的理解和實驗實操過程的掌握，能夠充分體現學生綜合素質能力。

線上與線下實驗教學協同作用，可以讓學生預先了解實驗目標，在線下實驗教學前后，線下實驗平臺可為學生提供直觀、形象和實際的操作平臺，有助于提高學生對土木工程專業實驗課程的全面掌握和實操。

二、線上實驗教學在土木工程專業教學中的應用案例

以“地基基礎”中樁基承載力試驗教學為例，利用已研發的“樁基靜載試驗模擬系統”，開展了“地基基礎”課程中樁基承載力試驗網絡教學，使學生可以隨時隨地學習和開展樁基承載力網上試驗。通過學生不斷實踐和應用，完善樁基承載力試驗網絡教學的各項功能。

（一）樁基靜載試驗基本概念

樁基靜載測試技術是隨著樁基礎在建筑設計中的使用越來越廣泛而發展起來的。樁基靜載試驗是運用在工程上對樁基承載力進行檢測的一項技術，如圖1所示。在確定單樁極限承載力方面，它是最為準確、可靠的檢驗方法，作為判定某種動載檢驗方法是否成熟，均以靜載試驗成果的對比誤差大小為依據。因此，每種地基基礎設計處理規范都把單樁靜載試驗列入首要位置。在樁基靜載試驗中，作用于樁上的荷載一般由反力裝置提供。反力裝置的易用程度直接影響著試驗的過程和結果，常用的有堆載反力裝置，即在樁頂使用鋼梁設置一個承重平臺，上堆重物，依靠放在樁頭上的千斤頂將平臺逐步頂起，從而將力施加到樁身。反力裝置的主梁可以選用型鋼，也可用自行加工的箱梁，平臺形狀可以根據需要設置為方形或矩形，堆載用的重物可以選用沙袋、混凝土預制塊等。

（二）樁基靜載試驗線上平臺教學

基于計算機語言，編寫樁基靜載試驗程序，研發樁基承載力試驗線上實驗教學程序，實現學生線上學習樁基靜載試驗步驟、數據采集與分析過程，如圖2所示。該教學平臺具有以下特點：同課程的專題教學和多學科交叉的綜合教學；抓住典型工程樁基靜載試驗，激發學生對工程質量檢測工作的興趣；重視強化現場試驗與檢測技術的練習，培養學生動手和獨立工作的能力；引導學生利用實驗教學線上平臺，考慮不同的工程地質和設計要求，開展樁基承載力設計。

（三）樁基靜載試驗虛擬實踐學習

學生利用課上和課下時間，進入樁基靜載試驗虛擬平臺，按照線上或線下課程教學內容，自己實操樁基靜載試驗過程，以此分析和計算樁基承載力值，實現對樁基承載力試驗內容、操作與分析全過程的熟練理解和實操。樁基靜載試驗虛擬實踐學習展示了樁基工程原位試驗，逼真模擬地質工程原位試驗的野外場景、儀器設備、測試步驟和成果處理等過程，在了解試驗原理的基礎上熟悉試驗儀器設備，首先，通過模擬仿真系統的操作演示熟悉試驗技術要求（如試件或試坑的尺寸及要求、承壓板的尺寸、位移測量系統的安裝、加載方式及加荷等級、沉降觀測和穩定標準、試驗終止條件等）和試驗步驟。其次，學生在線上實驗系統中進行模擬試驗操作，引導學生利用已有專業基礎理論知識，學會對試驗獲得的原始數據進行處理。最后，該系統設置了不同土層（黏性土、粉土、砂類土和含有少量碎石的土層）的選擇，使學生“真實感受”不同巖土體對試驗結果的影響，提高學生的專業理論知識與實際工程相結合的能力，培養學生的專業技能和興趣，如圖3所示。

（四）樁基靜載試驗學習考核

指定典型樁基工程案例和地質參數，通過布置線上樁基靜載試驗內容思考題與試驗操作擴展性任務，讓學生自己熟練掌握專業試驗知識和試驗數據分析過程。通過理論與實踐相結合的方式，考核學生對專業知識的掌握能力。

（五）教學效果評價

“地基基礎”課程中樁基承載力試驗教學采取上述教學改革措施后取得了顯著的成效。首先，授課教師工程能力顯著提高，豐富了課程教學模式，使抽象的概念更加具體化，有效激發了學生學習熱情及專業興趣。其次，學生能力培養目標更加明確，進一步開闊了學生的專業視野，提高了學生的自主學習能力、動手操作能力和創新能力，充分發揮了學生在教學中的主體作用，真正體現了成果導向、學生中心、持續改進的理念。最后，通過對該試驗教學滿意度進行問卷調查分析可知，持續改進的教學方法得到了學生的認可［8］。

結語

線上實驗教學作為一種新型的實驗教學手段，在提升土木工程專業實驗教學質量方面得到了廣大師生的認可。它可以彌補線下實驗教學中的不足之處，并與線下教學共同作用，提升學生認識水平，也為學生應對專業實驗課程考核提供了多元方式。通過線上與線下實驗教學協同教學，激發了學生實驗自學能力和實操興趣，提高了對學生全方面掌握土木工程專業實驗的教學質量，也為創新應用型人才的培養提供了新的教學方法。

參考文獻

［1］劉洪南，王東愛，劉美華，等.遠程線上參與性實驗教學模式的設計與實踐［J］.實驗室科學，2023，26（3）：80-83.

［2］張春曉，彭必雨，程海明.工科實驗實踐課程線上教學改革研究與實踐［J］.皮革科學與工程，2023，33（3）：104-108.

［3］黎雨，徐春.新工科下《工程材料學》線上教學改革與虛擬實驗方案的探索［J］.產業與科技論壇，2023，22（2）：147-149.

［4］陳逸菲，宋瑩，孫寧.線上實驗教學的實質等效設計與實現［J］.計算機教育，2022（12）：253-258.

［5］張變蓮，楊森林，張運良，等.新工科背景下“電路分析基礎”線上仿真實驗探究［J］.科技與創新，2022（15）：4-6+9.

［6］張宏勛，楊君，謝玲玲，等.高校實驗教學線上資源的有效利用研究［J］.洛陽師范學院學報，2022，41（8）：78-83.

［7］姚小俊.土木工程“理論+實驗”類課程混合教學改革研究［J］.科技視界，2022，12（19）：72-74.

［8］曹兵，吳楨，黃博，等.基于工程教育的土木工程專業混凝土結構設計原理課程“線上+線下”教學改革與實踐［J］.安陽工學院學報，2021，20（6）：71-74.

Discussion on Improving the Quality of Civil Engineering Experimental Teaching Through Online Experimental Teaching

WU Ke1， CHEN Rong2， HAO Dong-xue2， LI Jing-long1

（1. School of Civil Engineering， Shandong University， Jinan， Shandong 250061， China;

2. School of Civil Engineering and Architecture， Northeast Electric Power University，

Jilin， Jilin 132012， China）

Abstract： With the advent of the “Internet plus” era， there are countless examples of colleges and students using online resources for teaching or learning， which also becomes an important auxiliary for offline courses. Civil engineering， as one of the most practical majors， involves the mastery of knowledge and practical operations related to indoor and on-site experiments during the teaching process of many professional courses. Using online experimental teaching methods can not only make up for the shortcomings in offline experimental teaching， but also work together with offline teaching to improve students’ understanding level and provide multiple ways for students to assess professional experimental courses.

Key words： online teaching; experimental teaching; Civil Engineering; assessment method