“三層開放”與“三開放”實驗教學法改革嘗試

摘 要：武昌理工學院城建學院工程力學實驗室嘗試簡化工程實際問題，開設綜合型實驗。針對不同層次的學生，進行了三層開放的教學方法，滿足學生做綜合實驗的需求；為了使學生對實驗進行更深入地研究，又采用了三開放的實驗教學形式，進而更好地做完綜合設計研究型實驗內容，收到很好地教學效果。

關鍵詞：三層開放；教學法；研究型實驗

中圖分類號：G641 文獻標識碼：A

一、簡化工程開設綜合性實驗

武昌理工學院城建學院工程力學實驗室大膽改革實驗教學，簡化工程開設綜合性實驗，取得了一些效果。例如，開設了索力測試的綜合型實驗；開發(fā)了混凝土構件缺陷測試的綜合型實驗；開設了熱處理前后球摩機筒體材料的殘余應力及疲勞極限的測試實驗；開設了CTOD測試的綜合型實驗；開設了多處激振，定點測試，故障診斷的研究型實驗；混凝土梁蠕變實驗等。開設了這些綜合、設計、研究型實驗，對拓展學生知識面有很大好處的。應用工程實例，拉伸、壓縮實驗課，應用觀模式教學，表演搶答式討論方式，提高了學時利用率及學生的動手能力；擴大了學生視野，提高了對實驗課的興趣。進行三層開放與三開放教學方法的改革嘗試，效果良好。為了更好地保證開放性實驗的正常進行，更好搞好實驗教學開發(fā)內化，特制定實驗室開放規(guī)章制度如下：

1）參加開放性實驗的學生要經過實驗室的同意或指導員的批準；

2）試驗時間要和實驗室預約；

3）實驗室開放形式可以多種多樣，推薦用有計劃的形式實行全天候開放；

4）實驗所需的試件由實驗者提供；老師對方案、原理、實驗步驟進行指導；

5）有計劃的形式包含實驗學時、學分、經費、教材均由教務部門認可；

6）以創(chuàng)新產品組織實驗教學的要有教學成果，創(chuàng)新產品等；

7）也可以和目前實驗班級一起做教學實驗，把提交的實驗報告計入實驗成績；

8）實驗室可以提供開放性實驗教材，通過自愿報名或推薦，可以分批進行實驗；

9） 參加開放性實驗的學生必須遵守實驗室的規(guī)章制度。

二、“三層開放”教學法簡介及實施

全面開放實驗室是運作模式創(chuàng)新的關鍵，它為創(chuàng)新教育的廣泛實施提供了條件，是充分利用教育資源的有效措施之一①。開放分三個層次：一是參觀性開放，學生通過參觀實驗室，了解科研動態(tài)，開闊眼界，啟發(fā)思維；二是完成正常的教學實驗，這種實驗的開放，可以讓學生自主地支配時間，為預習和深入實驗創(chuàng)造條件；三是完成自擬題目的實驗或科研實驗，對有余力的學生開放自擬實驗，有利于培養(yǎng)學生自主學習能力、科學研究能力。全面開放實驗室，對指導教師從時間上和水平上提出了更高的要求，而且設備的損耗和實驗的損耗會明顯增加，因此建立一種良性的開放運行機制需要實踐的探索和認真的研究。第一、二層次的開放，通過計劃和預約來安排，第三層次的開放則需對學生有一個基本條件的限制。

在進行第一層開放時，采用預約和學術講座相結合的方法，其目的是：首先讓學生知道工程力學實驗室所做實驗內容，其實驗內容包括以下三個方面：一是測定材料機械性質的實驗；二是驗證理論的實驗；三是實驗應力分析實驗。其次，做這些實驗需要一些什么儀器。最后是實驗室的科研狀況。為了讓學生在參觀過程中對實驗過程了解的更加透徹，在參觀之前，對機械性能測試原理、電測原理、光測原理進行簡單介紹，并給每個人發(fā)相關輔導材料（包括機械測試、電測、光測內容），然后分小組進行參觀講解，并用數(shù)碼相機對整個過程進行了攝相，之后在本次實驗的基礎上，寫出了多媒體實驗教學教案并制作成光盤用于實驗教學。通過教學效果調查，學生認為老師知識面寬，教學方法得當，使學生了解了目前科研動態(tài)，開闊眼界，啟發(fā)思維，為后續(xù)課程開了一個好頭。

二層次的開放通過計劃和預約來安排，由于這類開放學生多，工作量大，采用了“三段式” 教學法：一段為基礎實驗階段，本階段以機械性能測試及驗證性實驗為訓練的主要內容。在學生初步形成基本的實驗能力后，就進入第二階段——綜合實驗階段。在這個階段，通過對一個組合系統(tǒng)的研究和測試，達到對多個原理、多種組合方法和多種實驗手段增加認識，培養(yǎng)學生系統(tǒng)分析方法和系統(tǒng)認識能力。第三階段的實驗是設計性的實驗，這種實驗可結合課程設計和畢業(yè)設計進行。我們將每一次實驗分為三個過程①：一是預習過程，該過程需要熟悉實驗目的、內容、方法，課前經教師檢查后進行第二過程，即實驗過程，實驗過程中要仔細操作，觀察，記錄。數(shù)據(jù)經教師審核后方可進行第三個過程，即寫實驗報告過程。本過程需要查閱資料，分析數(shù)據(jù)，解釋現(xiàn)象，回答討論題，提出建議，總結體會。該過程中，老師要認真批改報告，并對報告中存在的相關問題進行討論及解釋。

三層開放是結合實際科研項目進行的，新開發(fā)的綜合性實驗有：CTOD實驗，鋼絲繩的松弛實驗，飽水瀝青混凝土的疲勞實驗，有裂紋構件的參數(shù)識別實驗，混凝土梁的蠕變實驗，成橋檢測綜合型實驗等。對上述實驗采用了開放式實驗的方法，開放式實驗教學對學生研究自擬的實驗題目是非常行之有效的。

三、“三開放”實驗法簡介及實施

開放實驗室是提高實驗學時利用率的好辦法。所謂三開放是指時間開放、內容開放、和方法開放。開放實驗室是手段，目的在于給學生創(chuàng)造一個生動活潑地進行實驗教學的環(huán)境與條件，這是一個經實踐證明有助于提高實驗教學的好辦法。不僅可以更好地貫徹因材施教，而且可以彌補當前實驗教學時數(shù)的不足。這不是權宜之計，而是在實驗教學中帶有根本性的改革措施。

開放是相對于“約束”而言。常規(guī)的實驗教學，一是時間上的約束，學生只能按規(guī)定的時間進實驗室；二是內容上的約束，只有必做實驗，沒有選做實驗；三是方法上的約束，只能按實驗指導書上規(guī)定的方案、方法、步驟做實驗。這對于學生能力的培養(yǎng)十分不利。

內容和方法上的開放：除必做和必選的實驗外，應安排學生自選實驗。也可將教師的部份科研任務，安排為專題性實驗，以及開展第二課堂和學生科技小組活動。個人或小組，自擬實驗課題，自行設計實驗方案，自定實驗步驟和方法，自選儀器設備組裝實驗裝置，經批準后，獨立進行實驗，例如我們開設的成橋檢測實驗，混凝土構件探傷實驗等。并以小論文的形式提交實驗報告。實驗室的開放可分階段進行。

結合工程實際問題及監(jiān)測監(jiān)控科研項目進行試驗，其測試結果與教學效果很好②。學生在工程中學到了一些新內容，并實地用儀器做實驗及測試實際工程項目的扣索索力，掌握了測試方法，鞏固了理論知識。將索力測試實驗引進大課堂后，可利用實驗課剩余的時間，講解索力實驗原理和儀器操作方法，課后對要做本實驗的同學登記好，另找課外的時間來做本實驗，這是一種方法。另一種方法是進行索力測試實驗課外講座及實驗的辦法，把新實驗寫成指導書，講座完畢后，可進行實地做實驗。第三種方法為：調解分組人員，即將一個班的學生分為兩半。這樣實驗時，可使做實驗的學生人人動手操作儀器，而另外一組，可進行新實驗的內容，之后相互調換。這樣既提高了學生的動手能力，又擴大了學生的知識面，向實驗課內容的深度進行了引伸。最后一種方法整班學生開設新實驗，這樣既深化了實驗課內容，又將綜合型實驗引入實驗教學。這整班學生可以是本科生，也可以是課外小組人員，也可以是五小制作的學生。不論是以前開設的綜合

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余新武，揚水金，呂監(jiān)泉.加強試驗室建設與管理，提高基礎化學實驗教學質量[A].秦憶，張鉅斌主編.管理.改革.創(chuàng)新[C].北京：中國人事出版社，1999：337-338.

② 李永信.開設索力測試的教學改革嘗試[J].實驗室管理與研究，2001（1）：36.

性大實驗也好，舉辦的科技課外小組活動也好，或以后計劃模擬工程實際問題，所開設的大跨度橋梁施工過程中的監(jiān)測監(jiān)控實驗也好，目的只有一個：加深學生對所學理論知識的理解，提高學生的動手能力，擴大知識面，把教學改革搞好，使實驗的內容更能解決工程中遇到的實際問題。

四、三層開放與三開放教學法應用舉例

（一）結合工程實際問題開設綜合性實驗

簡化工程實際問題開設綜合性的實驗。本著走出去，請進來，抓的住，放的開的原則來開發(fā)綜合設計研究型實驗。通過嘗試效果不錯。走出去：參加工程項目之后開發(fā)新實驗非常便利，曾結合三峽復建工程、京珠高速公路項目、宜昌工程建設，來開發(fā)新實驗。結合湖北秭歸龍?zhí)逗哟髽蚪ㄔO（見圖1，本橋為大跨度雙肋中承式鋼管混凝土拱橋，主跨200米），開設了

圖1 湖北秭歸龍?zhí)逗哟髽?/p>

索力測試的綜合型實驗；結合蔡甸漢江公路大橋建設，開發(fā)了混凝土構件缺陷測試的綜合型實驗。請進來：把工程項目測試內容接到實驗室來做，對開發(fā)新實驗來講就更方便了。結合黃石水泥廠球摩機殘余應力測試項目，開設了熱處理前后球摩機筒體材料的殘余應力及疲勞極限的測試實驗。結合深圳某公司海洋平臺材料的斷裂力學參數(shù)的測試（目前做的82×164×800毫米的大CTOD試件，在國內外是名列前茅的），開設了CTOD測試的綜合型實驗。抓得住：新工程結構實驗室建成之后（見圖2），及時開發(fā)創(chuàng)新實驗。

圖2 工程結構實驗室

城建學院工程結構實驗室可以做以下創(chuàng)新實驗：混凝土梁彎曲破壞實驗；空芯板梁荷載實驗；鋼屋架應力撓度測試實驗，橋梁靜、動態(tài)檢測荷載模擬實驗；斷裂韌性CTOD試驗以及樓房動力特性測試試驗等。新實驗室的建立，主要抓了新儀器及配套附件的訂購，安裝，功能消化及創(chuàng)新實驗地開發(fā)；教學及科研工作配套設施的配套及加工；多媒體房間的功能開發(fā)及利用。抓要抓的緊，效率高，不要全面開花，要重點突破，集中優(yōu)勢兵力（人力、物力、財力）搞好一個房間，之后再搞下一個房間，這樣見效快。當然還要有一個不怕吃苦，樂于奉獻、團結的、有戰(zhàn)斗力的集體。有了過硬的設備及熟練的技術，才能把工程項目接到手，我們已做過有益的嘗試。放的開：實驗室隨時開放，只有開放，學生才能真正一鼓作氣地把實驗做完。目前正在修訂各門課的教學大綱，今后要用綜合設計型實驗代替驗證型實驗，這是以后的發(fā)展趨勢。當然綜合型實驗也有缺點，比如，時間花的多、要編寫的參考資料多等，這是需要改進的地方。相信通過不斷的改進，綜合、設計、研究型實驗會順利實施的。

（二）綜合性實驗的開設辦法①

有了新內容的實驗，我們首先帶畢業(yè)設計的學生進行嘗試，其測試結果與教學效果很好。學生在工程中學到了一些新內容，并實地用儀器做實驗，例如：測混凝土的密實度、測扣索索力、鋼管拱吊裝過程中監(jiān)測監(jiān)控實驗、測塔架及鋼管拱應力、進行混凝土橋面裂縫深度測定實驗等。做預應力損失實驗，疲勞及預應力損失實驗，球磨機的殘余應力測定實驗，疲勞應力測試實驗，鍍鎳曲軸疲勞實驗，橋梁的振動特性及應力測試實驗等。之后將這些工程問題，進行必要的簡化，搬進課堂及實驗室，為廣大學生進行開放式實驗教學。所謂開放式，即內容開放，實驗室開放，教學形式開放，時間開放，只有這樣才能真正把實驗室辦成老師的教學科研基地，學生的第二科研課堂活動基地，培養(yǎng)學生動手能力的好地方。所謂內容開放：即在原來內容的基礎之上，增加與工程實際問題有關的工程材料及結構力學性能測試的新實驗。該實驗內容涉及面很廣，開設前要將目錄全部印出來，學生根據(jù)自己的時間任意選擇。教學形式開放，即可以在課內用工程錄像及VCD電化教學，也可用圖片進行講解，也可用實際儀器進行示范操作表演，形式不拘，達到讓學生了解實驗內容為止。實驗室開放，即有針對性的開放，比

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李永信.開設混凝土構件缺陷測試實驗的教學改革嘗試[J].實驗室管理與研究，2001（2）：20.

如大跨度橋梁施工監(jiān)測監(jiān)控室開放兩個月，在此期間，有愿意做此實驗的學生，盡管預約時間來進行實際操作實驗，為保證實驗質量，必須保證每人一臺儀器進行實際操作及測試。過一段時間，可換其它實驗項目，或用其它房間進行實驗項目的開放。這樣既提高了老師的實驗技術水平，也提高了學生的實驗興趣。所謂教學時間開放，就是以科研或實驗項目的結束而結束，不是以45分鐘或2小時為基準，只有這樣，學生在實驗過程中，才能安下心來進行仔細的研究，真正把實驗室辦成教學科研基地。曾針對本科生畢業(yè)班的學生、課外小組、五小制作的學生做過一些力所能及的改革，但步子不大。要大膽創(chuàng)新，走出新路，就要有一套比較系統(tǒng)比較完善的管理辦法，確保新開的實驗順利進行。

五、課堂效果檢查與調查

課堂效果檢查首先從檢查實驗人數(shù)開始，沒有來的同學安排補做實驗。其次看講課的內容是否把主要的問題講清楚，是否給同學留有創(chuàng)新思維的空間，學生是否全神貫注地注意聽講，是否結合工程實際問題進行講解。對老師的課堂效果的評價可按下列項目進行評定或打分：講課有熱情，精神飽滿；講課有感染力，能吸引學生的注意力；對問題的闡述深入淺出有啟發(fā)性；對課程內容斕熟，運用自如；對問題的闡述簡練準確，重點突出，思路清晰；講述內容充實，信息量大；教學內容能反映或聯(lián)系學科發(fā)展新思想、新概念；能給予學生思考、聯(lián)想、創(chuàng)新的啟迪；能調動學生情緒，課堂氣氛活躍；能有效地利用各種教學掛圖、模型、多媒體進行教學。還要看是否運用課中及課終的空余時間組織學生對關鍵的問題進行討論。最后看同學們的動手情況，是否真正的把儀器操作搞清楚了，遇到類似的問題，看是否可用所使用過的儀器來進行解決，2個小時的時間是否運用的非常合理。可派檢查小組來聽課，審核實驗教材、講稿、機器儀器的套數(shù)、實驗空間及對實驗資金的投入等等，看實驗的全過程之后，對列出的項目進行評分，全面的評價課堂效果。也可以發(fā)調查表給班級學生，讓其進行評定打分。通過以上措施最終確定每次實驗課課時利用率的高低。

六、開放式實驗教學的體會

實驗證明，“三層開放與三開放實驗教學法”是一種比較好的實驗教學方法。通過改革嘗試，認為目前改革后的學時安排是合理的，利用率很高；結合工程開設的綜合性實驗，為后面的實驗室開放奠定了基礎；三層開放教學法可因地制宜地搞好實驗教學；開放實驗室，為學生的動手能力培養(yǎng)提供了可靠保證；課內討論可加深學生對問題的理解，對解決實際工程中的問題有創(chuàng)新的啟迪；開放實驗室更能提高同學們的動手能力及學時利用率提高教學質量；素質考試辦法可使學生更認真對待每次實驗的預習，做實驗及寫實驗報告；有利于學生綜合素質的提高，培養(yǎng)嚴謹?shù)膶嶒炞黠L，實事求是的科學態(tài)度，堅忍不拔的創(chuàng)新精神；在實驗內容的選擇上，注意引進國內外新的科研成果，開闊了學生的視野，增強了學生的參與于意識，激發(fā)了學生的求知欲；充分發(fā)揮了實驗室儀器設備的利用率。

（本文審稿 陳敏林）