基于研究性教學方法的土木工程專業探索性實驗設計

葛折圣

摘 要：研究性教學是教育部“卓越工程師教育培養計劃”大力提倡和著力推廣的教學方法。該文針對華南理工大學土木工程專業“卓越全英班”實驗教學要求，采用研究性教學方法開展探索性實驗的設計和評價。結果表明，采用研究性教學方法，與教師的研究課題相結合，進行探索性實驗教學是培養和提高學生創新能力的重要舉措；有利于調動學生參與教師研究課題的積極性和主動性；也對教師的理論水平和實踐經驗提出了更高的要求。

關鍵詞：研究性教學 探索性實驗 土木工程 創新能力

中圖分類號：G642.4 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）09（b）-0150-02

“卓越工程師教育培養計劃”是促進我國由工程教育大國邁向工程教育強國的重大舉措。該計劃的實施目標是培養造就一大批創新能力強、適應經濟社會發展需要的高質量各類型工程技術人才，為國家走新型工業化發展道路、建設創新型國家和人才強國戰略服務?！白吭焦こ處熃逃囵B計劃”具有三個特點：一是行業企業深度參與培養過程；二是學校按通用標準和行業標準培養工程人才；三是強化培養學生的工程能力和創新能力。教育部將在五個方面采取措施推進該計劃的實施：一是創立高校與行業企業聯合培養人才的新機制；二是以強化工程能力與創新能力為重點改革人才培養模式；三是改革完善工程教師職務聘任、考核制度；四是擴大工程教育的對外開放；五是教育界與工業界聯合制訂人才培養標準。

2010年7月，華南理工大學成為全國第一批“卓越工程師教育培養計劃”實施高校。土木工程“卓越全英班”是該計劃的重要組成部分，是為探索個性化創新型人才培養模式而開辦的。注重培養學生掌握力學、結構基本理論和設計方法、先進施工技術及工程管理知識，突出外語、計算機應用能力。大部分課程采用全英教學，注重和加強實踐和創新教學環節，配備高水平教師擔任導師進行專業學習和科研實踐指導。開設科技前沿專題講座，參與國際工程實踐。培養具有良好的人文、科學與工程的綜合素質，具有國際視野和國際交往能力的土木工程優秀創新人才，力爭與國際土木工程領域的培養模式接軌。

研究性教學是一種符合工程能力培養規律和綜合素質形成邏輯的教學組織形式和教學方式，得到“卓越工程師教育培養計劃”的大力提倡和著力推廣。該文著重介紹采用研究性教學方法進行土木工程專業道路工程方向的一項探索性試驗設計過程及其效果。

1 典型的研究性教學方法

研究性教學是以探究為基礎的教學，它以學生的發展為本，把學習與研究相統一，引導學生發現問題、思考問題和解決問題，使學生成為教學活動的中心，成為自我反思和自我發展的主體[1]。作為一種教學方法體系，研究性教學主要有案例教學、基于問題解決的學習和基于問題的學習等三種典型的教學方法。

1.1 案例教學法

案例教學法是一種使得學生處在面臨問題的決策者角色的教學方法。在案例教學法課堂，無論是教師和學生必須以不同的方式被激活。教師和學生相互依賴、互相學習。教師一般都是專家，但他們很少直接告知學生專業知識。

案例教學法主要是用在商業學院和公共政策學院教學活動中。例如，1908年已被用于在哈佛商學院和公共政策學院。教學案例研究是全球頂尖的商學院進行核心功能。他們常常組織比賽確定最佳的新的教學案例。商業案例是模仿或模擬真實情況下的文檔。案例陳述的現實讓讀者參與其中。案件往往說明企業或政策形勢需要解決問題，還包括課堂討論和研究的其他信息。在沒有明顯的解決方案的情況下，提供了充分的事實基礎上激發學生獲得一切可能的結果。作為現實的模擬，案例必須具有三個特征：一個重要的業務問題或問題。沒有問題的情況下，沒有教育價值；充分的信息基礎；沒有明確的結論。

在案例教學過程中，教師的作用是選擇和組織案例，這也是實現教學目標的關鍵。

1.2 基于問題解決的學習

基于問題解決的學習方法是1980年美國數學教師協會正式提出來的[2]。它將學習內容設計成問題，或由學生提出問題，讓學習者通過解決問題來獲得相應的知識和能力。

讓學生提出高質量的問題是這種教學方法的關鍵。要求學生將問題具體化和形象化，構造成模擬實際生活的故事情節。學生在原有知識和經驗的基礎上，通過分析解決問題，發現更加復雜和深入的問題。

因此，學生提出問題的多少、思考問題的廣度和深度等是基于問題解決的學習方法的重要的評價標準。

1.3 基于問題的學習

基于問題的學習是一種以學生為中心的教學方法。學習的目的是獲得解決問題的經驗、思考策略和該領域的知識[3]?；趩栴}的學習的目標是幫助學生形成靈活的知識、有效解決問題的能力、自主學習、有效的協作能力和內在動機。

基于問題的學習是一個主動的學習方式[4]。在工作過程中，學生發現他們已有的知識，需要知道什么，以及如何和在哪里獲得新的信息，可能會有益于該問題的解決。教師的作用是為了促進學生的學習、支持、指導和監控學習過程。導師必須建立學生對解決問題的信心，并鼓勵學生，同時也拓展他們的理解。

Barrows定義了基于問題的學習模型為[5]：

（1）以學生為中心的學習。

（2）學習是學生小團體做的，理想的6～10人。

（3）教師指導學生而不是教學。

（4）以問題為基礎組織和激發學生學習。

（5）問題是設置是提高學生解決問題能力的基礎，是刺激的認知過程。

（6）學生通過自我導向學習獲得新的知識。

基于問題的學習要求教師的教學風格達到幾個主要標準：首先，要有一個與教師科研相關的“學習中心”，所有的學生都需要圍繞該中心。第二個標準是必須有一個驅動問題，學生通過完成項目獲得問題的答案。這個問題也不能有一個預定的結果，它應該要求學生使用的先驗知識來所有可能的結果。其他標準包括建設性的調查研究、學生的自主權等。endprint

基于問題的學習的主要教學過程包括提出問題、分析問題、形成假設、驗證假設、修正假設。

2 土木工程探索性試驗設計

近年來華南理工大學開展了“探索性實驗”教學項目建設工作，引導教師將科研項目成果轉化為計劃內實驗教學內容，從而深化實驗教學內容和體系改革，推進實驗室開放共享；通過科研與教學融合，切實促進學生實踐創新能力的培養。

下面介紹用研究性教學方法設計所申報的“探索性實驗”教學項目“瀝青混合料多軸加載試驗”。

2.1 提出問題

最新版的《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTG E20-2011）中瀝青混合料的試驗方法主要包括：單軸壓縮、單軸拉伸、小梁彎曲和劈裂試驗等。試驗過程中，瀝青混合料試件處于單軸或雙軸應力狀態。而實際瀝青路面中，瀝青混合料處于多軸受力狀態，承受壓縮、拉伸、剪切的交互作用。因此，現有瀝青混合料的試驗裝置與方法無法模擬實際瀝青路面材料的多軸受力狀態。

2.2 分析問題

為了模擬實際瀝青路面材料的多軸受力狀態，采用如圖1所示的試驗裝置。通過轉動的橡膠輪胎帶動圓柱體試件轉動，試件受到橡膠輪胎的表面摩擦力F和鉛垂方向的壓力P作用。同時，在試件水平方向施加壓力Q。從而模擬實際路面材料多軸受力狀態，使得試件承受壓縮、拉伸、剪切的交互作用。

2.3 試驗步驟

（1）試件制作。采用擊實法、靜壓法或旋轉壓實法制作的圓柱體試件；或在輪碾法制作的板塊狀試件中鉆取的圓柱體試件；或在路面中鉆取圓柱體的芯樣。

（2）安裝試件。將試驗室的環境溫度控制在試驗溫度±0.1 ℃范圍內。加載前，保溫時間為90～120 min。

（3）水平方向加載。通過水平加載油缸對試件施加水平方向拉伸或壓縮荷載。

（4）鉛垂方向加載。通過鉛垂方向加載裝置在橡膠輪上施加荷載，從而在試件中部上方施加鉛垂方向荷載。

（5）啟動橡膠輪驅動馬達，使得橡膠輪單向旋轉，轉速為1～100 r/s。

2.4 試驗結果的分析與討論

試件轉動一定次數后，量測試件中部加載位置的直徑，計算直徑變化率。加載后試件中部直徑的變化百分率計算公式為：100%×加載一定次數后加載位置試件直徑/加載前試件直徑。

同時，量測試件長度，計算加載后試件長度的變化率。加載后試件長度變化百分率計算公式為：100%×加載一定次數后試件長度/加載前試件長度。

教學過程中，共15位同學參與該項試驗，分為3組，每組5人（表1）。

3 教學效果

采用研究性教學方法，有助于把學生納入教師的科研項目，驅使學生調查研究，組織討論會，分析問題，解決問題，完成工作任務。

授課教師與同學們一起通過該試驗項目掌握了實際路面材料的受力狀態，并創新性的設計了“瀝青混合料多軸加載試驗”方法。依托研究成果申報了2項實用新型專利和2項發明專利。在國外SCI源刊投稿論文2篇。

4 結語

研究性教學是一種符合工程能力培養規律和綜合素質形成邏輯的教學組織形式和教學方式，得到“卓越工程師教育培養計劃”的大力提倡和著力推廣。本文著重介紹采用研究性教學方法進行土木工程專業道路工程方向的一項探索性試驗設計過程及其效果。主要結論如下。

（1）采用研究性教學方法，與教師的研究課題相結合，將土木工程專業實驗教學中部分傳統的驗證性實驗改革為探索性實驗是培養和提高學生創新能力的重要舉措。

（2）開展探索性實驗有利于調動學生參與教師研究課題的積極性和主動性，對他們今后開展研究工作具有重要幫助。

（3）開展探索性實驗活動過程中，為了引導學生提出問題、分析問題和解決問題，也對教師的理論水平和實踐經驗提出了更高的要求。

參考文獻

[1] Ellet，William.The Case Study Handbook[M].Boston：Harvard Business School Press，2007.

[2] 趙洪.研究性教學與大學教學方法改革[J].高等教育研究，2006，27（2）：71-75.

[3] Hmelo-Silver，Cindy E."Problem-Based Learning：What and How Do Students Learn？[J].Educational Psychology Review，2004，16（3）：235.

[4] Schmidt，Henk G，Rotgans，Jerome I，Yew，Elaine HJ.The process of problem-based learning：What works and why[J].Medical Education，2011，45（8）：792-806.

[5] Hung，Woei.Theory to reality：A few issues in implementing problem-based learning[J].Educational Technology Research and Development，2011，59（4）：529.endprint

基于問題的學習的主要教學過程包括提出問題、分析問題、形成假設、驗證假設、修正假設。

2 土木工程探索性試驗設計

近年來華南理工大學開展了“探索性實驗”教學項目建設工作，引導教師將科研項目成果轉化為計劃內實驗教學內容，從而深化實驗教學內容和體系改革，推進實驗室開放共享；通過科研與教學融合，切實促進學生實踐創新能力的培養。

下面介紹用研究性教學方法設計所申報的“探索性實驗”教學項目“瀝青混合料多軸加載試驗”。

2.1 提出問題

最新版的《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTG E20-2011）中瀝青混合料的試驗方法主要包括：單軸壓縮、單軸拉伸、小梁彎曲和劈裂試驗等。試驗過程中，瀝青混合料試件處于單軸或雙軸應力狀態。而實際瀝青路面中，瀝青混合料處于多軸受力狀態，承受壓縮、拉伸、剪切的交互作用。因此，現有瀝青混合料的試驗裝置與方法無法模擬實際瀝青路面材料的多軸受力狀態。

2.2 分析問題

為了模擬實際瀝青路面材料的多軸受力狀態，采用如圖1所示的試驗裝置。通過轉動的橡膠輪胎帶動圓柱體試件轉動，試件受到橡膠輪胎的表面摩擦力F和鉛垂方向的壓力P作用。同時，在試件水平方向施加壓力Q。從而模擬實際路面材料多軸受力狀態，使得試件承受壓縮、拉伸、剪切的交互作用。

2.3 試驗步驟

（1）試件制作。采用擊實法、靜壓法或旋轉壓實法制作的圓柱體試件；或在輪碾法制作的板塊狀試件中鉆取的圓柱體試件；或在路面中鉆取圓柱體的芯樣。

（2）安裝試件。將試驗室的環境溫度控制在試驗溫度±0.1 ℃范圍內。加載前，保溫時間為90～120 min。

（3）水平方向加載。通過水平加載油缸對試件施加水平方向拉伸或壓縮荷載。

（4）鉛垂方向加載。通過鉛垂方向加載裝置在橡膠輪上施加荷載，從而在試件中部上方施加鉛垂方向荷載。

（5）啟動橡膠輪驅動馬達，使得橡膠輪單向旋轉，轉速為1～100 r/s。

2.4 試驗結果的分析與討論

試件轉動一定次數后，量測試件中部加載位置的直徑，計算直徑變化率。加載后試件中部直徑的變化百分率計算公式為：100%×加載一定次數后加載位置試件直徑/加載前試件直徑。

同時，量測試件長度，計算加載后試件長度的變化率。加載后試件長度變化百分率計算公式為：100%×加載一定次數后試件長度/加載前試件長度。

教學過程中，共15位同學參與該項試驗，分為3組，每組5人（表1）。

3 教學效果

采用研究性教學方法，有助于把學生納入教師的科研項目，驅使學生調查研究，組織討論會，分析問題，解決問題，完成工作任務。

授課教師與同學們一起通過該試驗項目掌握了實際路面材料的受力狀態，并創新性的設計了“瀝青混合料多軸加載試驗”方法。依托研究成果申報了2項實用新型專利和2項發明專利。在國外SCI源刊投稿論文2篇。

4 結語

研究性教學是一種符合工程能力培養規律和綜合素質形成邏輯的教學組織形式和教學方式，得到“卓越工程師教育培養計劃”的大力提倡和著力推廣。本文著重介紹采用研究性教學方法進行土木工程專業道路工程方向的一項探索性試驗設計過程及其效果。主要結論如下。

（1）采用研究性教學方法，與教師的研究課題相結合，將土木工程專業實驗教學中部分傳統的驗證性實驗改革為探索性實驗是培養和提高學生創新能力的重要舉措。

（2）開展探索性實驗有利于調動學生參與教師研究課題的積極性和主動性，對他們今后開展研究工作具有重要幫助。

（3）開展探索性實驗活動過程中，為了引導學生提出問題、分析問題和解決問題，也對教師的理論水平和實踐經驗提出了更高的要求。

參考文獻

[1] Ellet，William.The Case Study Handbook[M].Boston：Harvard Business School Press，2007.

[2] 趙洪.研究性教學與大學教學方法改革[J].高等教育研究，2006，27（2）：71-75.

[3] Hmelo-Silver，Cindy E."Problem-Based Learning：What and How Do Students Learn？[J].Educational Psychology Review，2004，16（3）：235.

[4] Schmidt，Henk G，Rotgans，Jerome I，Yew，Elaine HJ.The process of problem-based learning：What works and why[J].Medical Education，2011，45（8）：792-806.

[5] Hung，Woei.Theory to reality：A few issues in implementing problem-based learning[J].Educational Technology Research and Development，2011，59（4）：529.endprint

基于問題的學習的主要教學過程包括提出問題、分析問題、形成假設、驗證假設、修正假設。

2 土木工程探索性試驗設計

近年來華南理工大學開展了“探索性實驗”教學項目建設工作，引導教師將科研項目成果轉化為計劃內實驗教學內容，從而深化實驗教學內容和體系改革，推進實驗室開放共享；通過科研與教學融合，切實促進學生實踐創新能力的培養。

下面介紹用研究性教學方法設計所申報的“探索性實驗”教學項目“瀝青混合料多軸加載試驗”。

2.1 提出問題

最新版的《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTG E20-2011）中瀝青混合料的試驗方法主要包括：單軸壓縮、單軸拉伸、小梁彎曲和劈裂試驗等。試驗過程中，瀝青混合料試件處于單軸或雙軸應力狀態。而實際瀝青路面中，瀝青混合料處于多軸受力狀態，承受壓縮、拉伸、剪切的交互作用。因此，現有瀝青混合料的試驗裝置與方法無法模擬實際瀝青路面材料的多軸受力狀態。

2.2 分析問題

為了模擬實際瀝青路面材料的多軸受力狀態，采用如圖1所示的試驗裝置。通過轉動的橡膠輪胎帶動圓柱體試件轉動，試件受到橡膠輪胎的表面摩擦力F和鉛垂方向的壓力P作用。同時，在試件水平方向施加壓力Q。從而模擬實際路面材料多軸受力狀態，使得試件承受壓縮、拉伸、剪切的交互作用。

2.3 試驗步驟

（1）試件制作。采用擊實法、靜壓法或旋轉壓實法制作的圓柱體試件；或在輪碾法制作的板塊狀試件中鉆取的圓柱體試件；或在路面中鉆取圓柱體的芯樣。

（2）安裝試件。將試驗室的環境溫度控制在試驗溫度±0.1 ℃范圍內。加載前，保溫時間為90～120 min。

（3）水平方向加載。通過水平加載油缸對試件施加水平方向拉伸或壓縮荷載。

（4）鉛垂方向加載。通過鉛垂方向加載裝置在橡膠輪上施加荷載，從而在試件中部上方施加鉛垂方向荷載。

（5）啟動橡膠輪驅動馬達，使得橡膠輪單向旋轉，轉速為1～100 r/s。

2.4 試驗結果的分析與討論

試件轉動一定次數后，量測試件中部加載位置的直徑，計算直徑變化率。加載后試件中部直徑的變化百分率計算公式為：100%×加載一定次數后加載位置試件直徑/加載前試件直徑。

同時，量測試件長度，計算加載后試件長度的變化率。加載后試件長度變化百分率計算公式為：100%×加載一定次數后試件長度/加載前試件長度。

教學過程中，共15位同學參與該項試驗，分為3組，每組5人（表1）。

3 教學效果

采用研究性教學方法，有助于把學生納入教師的科研項目，驅使學生調查研究，組織討論會，分析問題，解決問題，完成工作任務。

授課教師與同學們一起通過該試驗項目掌握了實際路面材料的受力狀態，并創新性的設計了“瀝青混合料多軸加載試驗”方法。依托研究成果申報了2項實用新型專利和2項發明專利。在國外SCI源刊投稿論文2篇。

4 結語

研究性教學是一種符合工程能力培養規律和綜合素質形成邏輯的教學組織形式和教學方式，得到“卓越工程師教育培養計劃”的大力提倡和著力推廣。本文著重介紹采用研究性教學方法進行土木工程專業道路工程方向的一項探索性試驗設計過程及其效果。主要結論如下。

（1）采用研究性教學方法，與教師的研究課題相結合，將土木工程專業實驗教學中部分傳統的驗證性實驗改革為探索性實驗是培養和提高學生創新能力的重要舉措。

（2）開展探索性實驗有利于調動學生參與教師研究課題的積極性和主動性，對他們今后開展研究工作具有重要幫助。

（3）開展探索性實驗活動過程中，為了引導學生提出問題、分析問題和解決問題，也對教師的理論水平和實踐經驗提出了更高的要求。

參考文獻

[1] Ellet，William.The Case Study Handbook[M].Boston：Harvard Business School Press，2007.

[2] 趙洪.研究性教學與大學教學方法改革[J].高等教育研究，2006，27（2）：71-75.

[3] Hmelo-Silver，Cindy E."Problem-Based Learning：What and How Do Students Learn？[J].Educational Psychology Review，2004，16（3）：235.

[4] Schmidt，Henk G，Rotgans，Jerome I，Yew，Elaine HJ.The process of problem-based learning：What works and why[J].Medical Education，2011，45（8）：792-806.

[5] Hung，Woei.Theory to reality：A few issues in implementing problem-based learning[J].Educational Technology Research and Development，2011，59（4）：529.endprint