砌 體 結 構 課 程 實 驗 與 創 新

沙吾列提·拜開依， 阿肯江·托呼提， 阿布都塞買提·卡力，胡什塔爾·尼亞改， 韓 霞

(新疆大學 建筑工程學院，新疆 烏魯木齊 830047)

0 引 言

實踐性教學環節是高校土木工程專業教學計劃中的重要組成部分, 在人才培養方面發揮著獨特的作用。加強實驗教學環節, 不僅能有效地提高本科教學質量和辦學水平，而且對培養高素質、實踐型、應用型、創新型人才和土木工程專業學科理論的發展有著巨大的促進作用。在就業壓力居高不下的宏觀背景下，用人單位對高校畢業生動手實踐能力的要求越來越高，客觀上要求理論學習的同時，要求加強實驗、實踐等教學環節。因此，目前如何培養學生的動手能力、分析能力，造就全面發展的創新型人才，已經成為眾多高校教育者關注和思考的問題。

新疆大學是首批進入國家“211工程”行列的全國重點綜合性大學，是國家教育部與新疆維吾爾自治區人民政府共建高校。建筑工程學院作為新疆大學具有鮮明特色的工科學院之一,秉承新疆大學“團結，奮進，求實，創新”的教育理念，在學校和學院各級領導的支持下，進一步加大了實踐性教學的改革力度，利用自治區重點學科(結構工程)、自治區重點產業緊缺專業(土木工程)國家特色專業(土木工程)和自治區土木工程實驗教學示范中心等資源，完善了實踐性教學環境軟硬件建設等，全面提高了實驗教學水平。學院近幾年來開展了以實踐創新能力培養為核心的專業課程實驗改革與探索，取得了一定的效果。在實踐教學環節中引入了不同的理念和創新，拓寬了學生的知識面，對學生的創新能力的培養起到了一定的作用。本文重點介紹砌體結構課程實踐教學環節中的部分探索成果以及課程實驗創新中取得的成效和體會。

1 砌體結構及在實踐教學中作用

砌體結構是在我國應用廣泛的結構形式之一。大量的低層、多層、中高層建筑以及交通、水利工程的構筑物都可采用砌體結構。砌體材料資源分布較廣，今后一個相當長的時期內，許多建筑乃至其他土木工程中砌體和砌體結構仍然是一種主要的材料和承重結構體系[1]。

砌體結構課程是我國高等學校土木工程專業的一門必修專業課，是全國一、二級注冊結構工程師考試科目之一。通過砌體結構課程的學習和實踐環節的鍛煉，要求學生掌握砌體及基本材料的力學性能；掌握砌體結構房屋各種墻(柱)的受力和破壞原因；掌握砌體結構的承載力計算方法；掌握混合結構房屋墻體及相應構件的設計原理及方法，對一般工業與民用砌體房屋進行較合理的結構選型和布置，能夠準確地定出驗算點，畫出計算簡圖，進行承載力驗算；能夠進行一般混合結構房屋的結構設計。

培養創新型、應用型工程技術人才的根本在于實踐[2-3]，實踐教學是砌體結構課程教學的重要組成部分，是實踐能力培養的關鍵教學環節。通過實踐性教學環節，不僅可以加強學生對砌體結構基本原理的理解，提高學生的學習興趣和教學質量，還可以培養學生嚴謹的治學態度和創新精神。課程教學試驗的價值并不在于得到某種主要的科研成果，而是在于以課程試驗實踐為機會，使學生參與試驗的全過程，獲得直觀的感性認識，在試驗過程中發現問題、分析問題、提出假設、設計方案、收集整理試驗資料、科學分析，得出結論和驗證結論。使學生在課程實驗訓練中學習和鞏固專業知識，通過課程實驗活動培養學生的思維能力和科學探究能力，發揚學生的科學精神。

2 課程試驗的完善及創新

2.1 課程試驗

實驗教學具有直觀性、實踐性、綜合性、探索性和啟發性等特點，符合土木工程專業的認知規律與特征，在培養學生理論聯系實際、創新思維能力、實踐應用能力和創業精神方面具有不可替代的作用。

目前土木工程專業學生砌體結構課程試驗有磚的抗壓強度試驗、砂漿立方體抗壓強度試驗、磚砌體抗剪強度試驗和磚砌體抗壓強度試驗四種，塊體材料可選用普通磚、多孔磚和免燒磚等。在實驗課堂上，學生通過分組親自動手操作(見圖1和圖2)，從制作試件、進行試驗、分析數據(觀察試驗現象、極限承載能力、荷載-移曲線、裂縫等)、撰寫實驗報告等全部內容學生自己完成，具體實驗步驟如圖3所示。

圖1 學生制作試件

圖2 學生制作的試件

圖3 課程實驗的步驟

砌體結構課程是一門實踐性較強的課程之一，授課中應注意采用理論聯系實際，靈活多樣的教學方法，使學生對所學知識，深刻領會，獨立思考，創造性地運用所學知識解決學習中或實踐中所遇到的問題。為此建議在課堂教學和實踐性教學環節過程中應做到以下幾點：

(1) 在教學過程中，不要局限于書本知識，結合當前砌體結構的發展，給學生補充新知識，如工程實例、規范知識、地方性建筑材料、FRP材料用于砌體結構加固、格構式鋼板加固、嵌埋式加固、組合墻等，使學生了解新知識、新技術，進一步鞏固、加深、拓寬所學的理論知識，培養學生的創新精神。不斷充實和更新教學內容，把科研的思想、方法及成果引入教學，在教學中鼓勵學生把學習與研究結合起來，在學習中研究、在研究中學習，培養學生探索和創新精神。在教學過程中盡量彌補學生實踐環節上的缺陷，使之走上工作崗位后能很快地進行結構工程設計、施工和管理工作。

(2) 提高教師隊伍的水平和創新能力，強化實驗教學團隊的研究能力。實驗室建設除了儀器設備等硬件條件建設外，最重要的是實驗室管理人員以及實驗指導教師綜合素質的提高。在建設創新型國家進程中，提高實驗技術水平，實驗室教師隊伍建設和形成創新型人才培養指導隊伍勢在必行。

(3) 在教學中努力創造學生參與砌體結構試驗的環境和條件，使學生在試驗中加深對理論知識的理解。建設以學生為本的教育理念，不斷改革實驗教學方法，提高砌體結構實驗的教學質量。實踐性教學環節中發揚學生的主體作用，通過理論學習、實驗方案設計、設計制做、儀器設備須知、實驗操作、實驗現場觀察、數據分析和實驗報告撰寫等方面的訓練提高學生的綜合素質。注重培養學生的創新精神、實踐能力和科學態度。

(4) 傳統的課程試驗內容單一，以驗證性試驗為主，因此，增強了綜合性、設計性實驗內容，減少驗證性、重復性實驗內容。傳統的土木類教育課程體系在主觀認識上存在重理論，輕實踐教學，實驗課主要作為理論課的輔助課程，不設置獨立的實驗課程，在實驗教學定位、實驗教學內容設置以及實驗考核與評價等方面存在的一些問題，與其重要性和所處地位存在著很大的矛盾[4]。因此，在培養計劃中相對增加實驗教學學時比重和實驗教學內容，將實驗課單獨設課不依附課堂理論教學。

(5) 完善實踐性教學環節參考指導書、實驗報告等。

2.2 課程試驗創新

改革應著重于實驗教學模式、內容和方法的創新，使之適應現代實驗教學需要，傳統的實驗教學多是采用課堂統一講授實驗內容，然后，老師在實驗室內指導學生開展實驗，枯操的課堂講授不利于調動學生對實驗學習的興趣，導致實驗教學質量不高、不能在實驗中鍛煉學生的創新思維能力和動手能力。

在保證基礎型、綜合型實驗的同時，適度開展研究創新型實驗。在研究創新型實驗中堅持以學生為主體，以教師為主導，以科研項目為依托，重視營造有利于創新人才培養的環境氛圍，全面提高學生實驗技能、實踐能力和創新能力。創新性實驗項目選題來源為與實驗課程內容有關的自主創新命題，如綜合性試驗、研究性試驗、大學生創新試驗、科研訓練、基金項目、研究生畢業論文等。

為了適應現代教學理念的教學體系，積極開展大學生創新素質培養的探索與實踐。根據砌體結構課程特點，適當拓展了課程的教學和實踐性教學內容，結合新疆的實際情況和特點，提出土坯砌體、改性(土坯中滲和各粗砂、麥秸桿和石膏等提高其強度)土坯砌體、土坯組合砌體(加木構造柱和木圈梁)；泥漿砌體等。并提出新的概念，即網狀FRP增強砌體。

2.2.1土坯及土坯砌體

生土建筑是一種最古老的建筑形式，國內外的研究表明，土坯墻體結構房屋具有施工技術靈活；材料可再生性；吸放濕作用，具有可調節室內濕度；具有較大的蓄熱性，可保證房屋冬暖夏涼等優點，其建筑物理性能卓越，是一種綠色建筑。但生土建筑的抗震性能差，材料強度較低等嚴重阻礙了這一綠色建筑的發展。目前仍有新建的土坯砌體結構房屋，見圖4。

圖4 新建土坯砌體民居

新疆土坯砌體房屋具有經濟、因地制宜、保護傳統民居特色和當地生態的可持續發展的理念。結合新疆土坯砌體房屋(民居、歷史文物建筑等)，開展了對土坯及土坯砌體房屋的研究[5-9]， 圖5為素土坯墻體抗側力承載力試驗。

圖5 素土坯墻抗側力承載力試驗

2.2.2改性土坯砌體

新疆傳統生土建筑多以土坯砌體墻和夯筑墻作為承重墻體，這類建筑在新疆已有悠久建造歷史。單塊土坯的力學性能是影響生土建筑及土坯砌體墻的抗震性能的重要因素，對單塊土坯和砌筑泥漿中摻和麥秸稈(植物纖維)、粗砂、熟石灰等提高其力學性能(承力能力、抗裂能力、延性)，并通過試驗研究得出了最優麥秸稈、粗砂和熟石灰摻和量[10-11](見圖6、7)。

2.2.3土坯組合砌體

組合墻體是指木柱、梁和土坯組合所組成的墻體。試驗對木柱、梁-土坯組合墻體施加固定豎向荷載和反復水平荷載，進行了擬靜力試驗，如圖8、圖9所示。

(a) 立壓

(b) 臥壓

(c) 平壓

圖7 改性土坯砌體圖8 木框架抗側力承載力試驗

尺寸為1 200 mm×1 000 mm×310 mm。木柱、梁對素土坯墻體的整體性，剛度，延性和抗側承載力起到了很好的的提高作用。木柱、梁對素土坯墻體來說，抗側承載力提高90.8%，延性提高121.2%。試驗結果表明：采用木柱、梁來提高墻體抗側承載力和延性，彌補素土坯墻體本身的不足是完全可行的，而且效果極佳。

圖9 組合墻體抗側力承載力試驗圖10 泥漿砌筑的多孔磚砌體

2.2.4泥漿砌體

泥漿砌體是指用泥漿或低強度非水泥砂漿砌筑，如圖10所示，在臨時建筑、施工現場中的臨時用房、圍墻和非地震區農村居住建筑等中可采用泥漿砌體。泥漿砌體有拆遷方便、磚可以二次利用、不產生建筑垃圾、節能、符合可持續發展等優點。

2.2.5網狀FRP增強磚砌體

與鋼結構和混凝土結構相比砌體結構房屋的抗震性能較差，如何提高砌體的承載力和整體性，引用網狀配筋砌體的概念，提出了網狀纖維增復合材料(Fiber Reinforced Polymer/Plastic，FRP)增強磚砌體，如圖11～14所示，將FRP布條按照特定的構造方式鋪設在砌體水平灰縫砂漿層中，協同磚砌體共同工作的新型砌體結構形式，網狀FRP增強層(或稱配纖層)具體的鋪設方式為FRP布條(圖11(a))、FRP格柵(圖11(a))或FRP筋(圖11(c))。FRP材料根據需要可采用目前土木工程加固中采用的碳纖維、玻璃纖維、紡綸纖維、連續玄武巖纖維和混合纖維等。

圖11 網狀FRP增強砌體

圖12 不同豎向配纖層構造

圖13 學生制作試件

圖14 試驗加載設備

研究了網狀FRP增強對改善砌體構件受壓性能效果，研究初步證明了網狀FRP增強砌體構件的可行性和有效性。提出的網狀FRP增強砌體構件，改變了構件的破壞模式和力學性能；顯著提高了構件的承載力改善了砌體構件的整體性。結果表明增強效果主要與采用的FRP布條的強度、砂漿強度、塊體強度、配纖率和纖維層構造等因素有關[12-13]。

3 實踐性教學環節建設成效

實踐教學作為人才培養工作的一個重要環節，在高等學校培養高素質創新型人才的過程中發揮著極其重要的作用。以課程試驗、科研項目需求為牽引，通過多年的探索與實踐，促進了教師學術研究，在培養教師和學生的實踐動手能力和科研能力有了明顯提高，取得了顯著成效。

自2005年以來，獲土木工程學生已完成創新實驗項目國家級和校級項目各1項(傳統土坯民居土體材料的改性及受壓力學性能試驗研究091075521和網狀FRP增強磚砌體軸心受力性能的試驗研究)；獲國家自然科學基金項目3項(網狀FRP增強磚砌體受力機理和性能的試驗研究51268053、木柱梁-土坯組合墻體抗震性能及加固研究50768010和植物纖維土坯基砌塊及砌體的力學性能試驗研究50968015)；獲自治區教育廳重點科研項目2項(新疆傳統生土民居抗震性能及加固研究xjedu2006-8和地震作用下土坯砌體倒塌機理和加固研究XJEDU2010I09)。

2008年“砌體結構課程建設與實踐”獲得新疆大學教學成果三等獎。2011年“改性地坯抗壓性能試驗研究” 榮獲第十二屆“挑踐杯”全國大學生課外學術技術作品競賽新疆賽區自然科學類學術論文二等獎， 榮獲“挑戰杯”全國大學生課外學術科技作品競賽三等獎。2012年，網狀CBF增強磚砌體軸心受力性能試驗研究論文，獲得中國力學學會結構工程專業委員會和中國力學學會工程力學編委會頒發的優秀論文一等獎，2012年，土坯砌體抗壓強度試驗研究論文，獲得第十二屆新疆維吾爾自治區自然科學優秀學術論文三等獎。

經過多年的探索和實踐，逐步總結、規范了砌體結構課程教學大綱、試驗指導書、試驗報告、多媒體教學課件、習題集等。為了滿足實踐性教學環節的需要，編寫了“砌體結構實踐性教學環節指導書”、“砌體結構實踐性教學環節試驗報告書”和“砌體結構習題及學習指導”；正式出版了“砌體結構多媒體教學課件”。2012年“砌體結構”課程獲新疆大學校級精品課程。

4 體 會

(1) 要進一步突出特色、多途徑、多方面加強實踐性教學環節，抓住砌體結構課程的特點，強化每一個教學環節，不斷改善教學方法。

(2) 為了不斷推動高等學校教學水平和教學質量，一定要重視有效地促進實踐性環節教學改革的發展和實踐性環節教學質量的提高[14-15]，在理工科學生的培養過程中，教師必須進一步提升和更新實驗教學觀念，以強化培養學生創新精神、工程實踐能力和科研實踐能力為目標，注重實踐、強調應用、重視思路，使學生善于通過查找資料來處理問題和解決問題，要將專業知識運用到工程實踐中。

(3) 創新實驗項目能夠提高學生的自主性、創新性和協作性，使得實驗教學質量明顯提高。通過理論知識指導實驗教學，又由實驗教學促進理論學習，使學生對本門課程產生極強的求知欲望。通過實踐性教學環節，有助于培養學生實踐動手能力、分析問題的能力、解決問題的能力、溝通交流能力和團隊協作能力等，并能給學生發揮的空間，引導學生領悟、思考。

(4) 課程試驗創新帶動了實驗教學的全面改革，教學隊伍和人才培養質量顯著提高。教師的橫向、縱向課題在立項數量和項目經費上都有了質的飛躍。

5 結 語

砌體結構實踐性教學環節的建設過程對其它課程實驗都有借鑒意義，它能引導我們對實驗教學理念進行再思考，對實驗教學目標導向進行再定位，為開拓創新教育模式提供了一種新的思路。建筑工程專業的發展日新月異，研究創新型實驗改革任重道遠，雖然我們的工作取得了一定成績，但也只是剛剛起步，今后我們將繼續努力探索、反復實踐、不斷總結與提高，繼續深入教學改革、創新實驗教學模式和內容，在培養優秀人才工作中做出應有的貢獻。

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