土木工程專業(yè)結構試驗課程教學改革實踐

彭苗

[摘 要]結構試驗是土木工程專業(yè)一門重要的實踐課程。廈門理工學院土木工程專業(yè)對結構試驗課程進行了教學改革。其將結構試驗課程設置為兩部分，分別在兩個學期安排教學。課程設置改革不僅對材料力學、結構力學、混凝土結構原理等理論課程形成了良好的支持，也對大學生創(chuàng)新性試驗、結構設計競賽等學生科技活動起到了有力支撐作用。在教學過程中，教師引導學生將理論知識與實際相結合，增強了學生的理論應用能力、動手能力和協(xié)作能力，取得了較好的教學效果。

[關鍵詞]土木工程；結構試驗；教學改革

[中圖分類號] G642.3 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2017）10-0036-03

土木工程是一門實踐性較強的專業(yè)，其教學計劃中除了常規(guī)的理論教學外，還結合不同課程的特點安排了多種多樣的實踐教學環(huán)節(jié)。結構試驗就是其中一門重要的實踐性課程，其任務是通過理論和實踐教學環(huán)節(jié)，使學生獲得工程結構試驗、檢測方面的基礎知識和基本技能，并培養(yǎng)其進行試驗設計和試驗規(guī)劃的能力。掌握結構試驗的理論和技能是順利開展生產(chǎn)和科研工作的重要保障。該課程設置的試驗理論及試驗操作環(huán)節(jié)，能夠引導學生將結構理論與試驗測試進行有機結合，既加深了對結構理論的認識，又提高了試驗分析能力。

由于對實踐教學重視程度不夠，試驗設備經(jīng)費投入不足，導致試驗儀器落后；加上多數(shù)院校對于土木工程結構試驗的教學存在著重視理論教學、輕視試驗教學的情況，結構試驗教學一直以來效果較差，無法發(fā)揮其應有的功能。近幾年來，各院校普遍開始重視實踐教學，結構試驗場地、試驗設備和師資均有了較大程度的提高。廈門理工學院是一所地方性本科高校，主要是為地方培養(yǎng)應用型人才，根據(jù)此定位，在教學過程中開展了結構試驗教學改革研究。本文主要介紹我校結構試驗課程教學改革的實踐探索經(jīng)驗，以資同類高校參考借鑒。

一、結構試驗課程設置改革

我國高等院校土木工程專業(yè)培養(yǎng)方案中均設置了結構試驗與檢測課程，不少院校將結構試驗與檢測設置為一門課程，且以理論講授為主，實踐課時較少。結合我校應用型定位，土木工程專業(yè)將結構試驗與檢測設置為結構試驗和結構檢測兩門獨立課程。結構試驗課程的教學內(nèi)容主要包括結構試驗基礎理論與結構試驗技術兩部分，結構檢測課程的教學內(nèi)容主要是與行業(yè)新技術應用結合較緊密的巖土、建筑和橋梁結構檢測理論與方法。

在學期安排上，以前我校參考一些高校的做法，將結構試驗課程安排在大四上學期。這樣安排導致結構試驗課程與相關理論課程之間存在著明顯的脫節(jié)，理論課程往往比結構試驗提前了好幾個學期。結構試驗課程除了承擔結構試驗理論和試驗技術教學任務外，還應有配合支持本專業(yè)結構理論課程教學的任務。為了與相關專業(yè)課程對接以形成互相支持關系，我校將結構試驗課程設置為上、下兩部分，分別安排在大二下學期和大三上學期，以改善過去結構試驗教學與材料力學、結構力學、混凝土結構基本原理等課程之間脫節(jié)的問題。結構試驗（上）（下）的主要課程安排如表1所示。

二、結構試驗對理論課程的實證

結構試驗中有混凝土受彎梁（含少筋梁、適筋梁、超筋梁三種構件）、受剪梁（含剪壓、斜壓、斜拉三種構件）和偏壓柱的破壞性試驗。在混凝土結構基本理論課程中，教師一般通過圖片進行解說，學生往往難以直觀理解各構件的破壞規(guī)律，影響了教學效果。在結構試驗課程中，除偏壓柱是演示試驗外，每個小組都要獨立完成受彎梁和受剪梁共六種構件的試驗測試過程。在試驗測試過程中，學生能夠直接地觀測到裂縫的產(chǎn)生、發(fā)展直至構件完全破壞的過程。整個構件的破壞規(guī)律和破壞形態(tài)會讓學生得到深刻印象，學生對照混凝土結構基本理論課程上的相關論斷，會加深并鞏固所學知識。完成這一試驗后，與混凝土結構理論教學就構成了完整的理論與試驗的印證關聯(lián)，同時學生也要進一步運用混凝土結構理論完成試驗分析和報告。等強度梁的應力測試試驗和鋼桁架靜載試驗都是非破壞性試驗，分別對材料力學和結構力學相關理論知識進行了實證，同時也需運用相關知識完成試驗任務。

三、結構試驗對理論課程的升華

在試驗教學過程中，我們特別注意啟發(fā)、引導學生思考理論知識與實踐知識之間的聯(lián)系，進一步對所學理論知識進行反思和升華。在結構試驗課程教學中，等強度梁的應力測試需要應用材料力學的知識；鋼桁架的靜載試驗需要應用結構力學知識進行桁架桿件的應力計算、節(jié)點的撓度計算；混凝土受彎、受剪試驗需要應用混凝土結構原理課程知識，同時試驗構件破壞過程也是混凝土結構原理理論知識的直觀化呈現(xiàn)。在結構試驗教學中，教師要注重理論與實際之間的差別與聯(lián)系。在教學實踐中，我們一般從實際結構與結構力學模型二者之間的聯(lián)系與差異來引導學生思考。

將現(xiàn)實結構簡化為結構力學模型，這個過程就是建模。建模在結構分析中是非常關鍵的第一步工作。在鋼桁架靜載試驗之前，教師要讓學生先到實驗室觀察鋼桁架實際結構，然后引導學生思考如何將實際結構轉(zhuǎn)化為結構力學模型。在這個過程中，啟發(fā)學生思考：實際結構的桿件如何簡化為結構力學模型中的桿件？為什么鋼桁架桿件可以簡化為軸心受力桿件？其對荷載作用有什么限制？對于鋼結構節(jié)點區(qū)域，結構力學模型是如何簡化的？是否存在著誤差？誤差到底有多大，是否可以推翻結構力學的基本假設？試驗鋼桁架構件的支座如何設置才能滿足結構力學中支座的力學特性要求？實際的支座與結構力學中的理想狀態(tài)差別在哪里？進一步的，可以引導學生思考：鋼桁架桿件應力測點選在哪些位置，為什么要遠離節(jié)點區(qū)域？節(jié)點區(qū)域應力是什么狀態(tài)，是否可以用結構力學知識求解？如何進行應力測試？經(jīng)過一系列的提問，引導學生思考力學建模的過程和誤差來源，從而加深對結構知識的認識與理解。

在結構課程教學實踐中發(fā)現(xiàn)，學生一般較關注桿件的簡化和計算，但容易忽略結點和支座建模，遇到實際結構有時候不知道簡化為何種結點、支座形式。對照鋼桁架結構，教師重點講解了桁架節(jié)點區(qū)域在力學模型中的簡化，隨即啟發(fā)學生思考這種簡化是否會帶來誤差、誤差有多大。學生一般能回答出這種簡化會帶來誤差，能夠回答力學模型中是鉸結點，但對實際結構結點與理想鉸結點之間的誤差到底有多大回答不出來。教師可以有針對性地引入次應力的概念，引導學生課下自行查閱次應力的相關課外知識。endprint

在結構試驗教學過程中，教師引導學生將以前學過的各門理論課程知識與本門課程實踐聯(lián)系起來，對結構理論起到了反思、強化和提高的作用，加強了結構建模和結構分析知識的應用，改變了過去為完成試驗教學任務而試驗的狀況，取得了較好的教學效果。

四、結構試驗對學生實踐能力的提高

根據(jù)我校地方應用型高校的定位，結構試驗課程要保證每個學生有充分的動手訓練機會。除學時要保證足夠外，在分組時上也要保證每位學生在試驗中都有職責，以杜絕“袖手旁觀”現(xiàn)象。因此，應變測試技術試驗要求2人一組，其他試驗要求5～6人一組，且每組都要求有明確分工；各組員分工合作完成試驗任務，既能充分訓練每個人的動手能力，又能鍛煉其團隊協(xié)作能力。

在結構試驗過程中，試驗構件的表面處理、貼片、吊運、安裝、聯(lián)線、調(diào)試和試驗測試整個過程都由學生以小組形式協(xié)同完成。教師主要負責安全、技術、質(zhì)量方面的把關指導，試驗過程中遇到的問題均需要組員在教師指導下協(xié)作解決；如一個試驗不能完成，則所有小組組員的課程成績都不及格。經(jīng)過近幾年實踐，學生都能做到積極動手參與試驗，較好地掌握了試驗測試的理論和技術，取得了較好的教學效果。

五、結構試驗對大學生結構設計競賽的支持

大學生結構設計競賽是培養(yǎng)大學生創(chuàng)新意識、合作精神和工程實踐能力的學科性競賽。大學生結構設計競賽對提高大學生的創(chuàng)新設計能力、動手實踐能力和綜合素質(zhì)，加強高校間的交流與合作具有重要意義，同時也為高等學校開展創(chuàng)新教育和實踐教學改革、加強高校與企業(yè)之間聯(lián)系、推動學科創(chuàng)新活動起到積極示范作用。目前大學生結構設計競賽已具備全國、跨省片區(qū)、省、市、校等多級競賽體系格局，參與面廣，是土木工程專業(yè)最有影響力的專業(yè)競賽之一。結構設計競賽一般需要進行結構設計、理論計算并制作結構模型進行結構加載測試，其整個過程實質(zhì)上包含了結構設計和結構試驗內(nèi)容。鑒于結構設計競賽的參賽主力是大二、大三學年學生，我們將結構試驗課程提前到大二學年開設，學生能夠盡早學習結構試驗測試理論和技術方面的知識，對于結構競賽起到了很好的支持作用。

六、結構試驗對大學生創(chuàng)新性試驗的支持

大學生創(chuàng)新性實驗計劃是我國高等學校本科教學“質(zhì)量工程”的重要組成部分。該計劃的啟動和實施旨在探索并建立以問題和課題為核心的教學模式，倡導以本科學生為主體的創(chuàng)新性實驗改革，調(diào)動學生的主動性、積極性和創(chuàng)造性，激發(fā)學生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新意識，在校園內(nèi)形成創(chuàng)新教育氛圍，建設創(chuàng)新教育文化，全面提升學生的創(chuàng)新實驗能力。通過開展實施計劃，帶動廣大學生在本科階段得到科學研究與發(fā)明創(chuàng)造的訓練，改變目前高等教育培養(yǎng)過程中實踐教學環(huán)節(jié)薄弱、學生動手能力不強的現(xiàn)狀，改變灌輸式的教學方法，推廣研究性學習和個性化培養(yǎng)的教學方式，形成創(chuàng)新教育的氛圍，建設創(chuàng)新文化，進一步推動高等教育教學改革，提高教學質(zhì)量。目前，大學生創(chuàng)新性試驗形成了國家級、省級、校級等完整體系，是覆蓋面廣、影響廣泛的本科生科研項目之一。

大學生創(chuàng)新性試驗項目中，學生是項目的主體，導師只是起輔導作用。參與項目的本科學生創(chuàng)新團隊，在導師指導下，要自主選題設計、自主組織實施、獨立撰寫總結報告。土木工程專業(yè)的大學生創(chuàng)新性試驗很多是在導師指導下開展新材料、新結構方面的科研，且必須具備一定學科基礎知識才能申報，因此學生一般以大二、大三學生為主。學生由于在大二學習了結構試驗課程，掌握了結構試驗理論和測試技術，再加上其他專業(yè)課程的知識基礎，就具備了開展創(chuàng)新性試驗項目研究的基礎。因此，我們對結構試驗課程設置的相關改革，對大學生創(chuàng)新性試驗項目的開展十分有利，部分優(yōu)秀學生可以提前跟隨導師開展科研活動，也可以將后續(xù)研究延伸至畢業(yè)設計環(huán)節(jié)。

七、結構試驗對教師科研和畢業(yè)設計（論文）的支持

積極引導大學生參與課外科技創(chuàng)新活動，對提高學生的創(chuàng)新意識具有非常積極的意義。其中一個很重要的形式是參與教師科研活動。土木工程專業(yè)的科研項目大多需要做試驗研究，以教師和研究生為主體；但近些年來，由于對創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育的日益重視，本科生作為后備科研力量越來越多地參與了教師科研活動，相當多的本科生取得了較好的科研成果，這也有助于盡早發(fā)現(xiàn)好的科研苗子。由于我們在大二下學期就開設了結構試驗課程，學生學習了結構試驗的基礎理論和基本測試技術，這給學生參與教師科研打下了必備的知識技能基礎。很多學生在參與教師科研活動后，將所參與的科研項目延伸至畢業(yè)設計（論文）階段，繼續(xù)開展結構試驗科研，為進一步深造打下了堅實的基礎。

八、結語

針對土木工程專業(yè)結構試驗課程的教學改革實踐，我校改變了過去結構試驗課程不受重視的狀況，將結構試驗教學提升到了土木工程專業(yè)實踐教學中的重要位置。在教學過程中，教學內(nèi)容對材料力學、結構力學、混凝土結構原理等課程形成呼應關系，并利用既有知識在實踐中進一步強化應用，起到了很好的理論與實踐結合的作用。課程設置的改革對大學生創(chuàng)新性試驗、結構設計競賽、參與教師科研等學生科研創(chuàng)新活動起到了較好的支撐作用。同時，學生動手能力、協(xié)作精神、克服困難的意識都得到了明顯提升。總體而言，結構試驗課程教學改革取得了較好的效果。

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[責任編輯：劉鳳華]endprint