基于研究性理念的土工實驗教學改革探索

譚曉慧+侯曉亮+儲誠富+查甫生+錢家忠+馬雷

摘要：實驗教學是高等學校教學工作的重要組成部分，是溝通理論與實踐的橋梁。為了提高實驗教學質量，培養具有較高科研素質、較強創新精神和實踐能力的創新型拔尖人才，提出了土工實驗教學改革的兩個具體辦法：要求學生進行研究性預習，提交實驗所需的電子表格；對實驗過程進行數值模擬分析，深入理解實驗過程及影響因素。通過教學改革，可以提高學生的預習效果，提高實驗課教學質量；可以更好地將理論與實踐相結合，促進學生對實驗過程、現象及影響因素的深入理解，

學會深入分析問題。這種改革有利于培養具有扎實理論基礎、較強工程實踐能力及創新能力的高素質人才。

關鍵詞：實驗教學；教學改革；研究性；土工實驗

中圖分類號：G642；423；TU41文獻標志碼：A文章編號：

10052909（2017）05010404

一、研究背景

培養創新型拔尖人才是新時期高等教育教學改革的核心目標之一，“加強自主創新、建設創新型國家”已成為中國社會主義現代化建設的國家戰略。培養和造就創新型人才，是建設創新型國家、實施科教興國戰略和人才強國戰略的關鍵所在。創新型人才是指具有創新意識、創新精神、創新能力，能夠取得創新成果的人才。創新型拔尖人才的培養最重要地是培養創新能力和創新思維。在培養過程中，應充分調動學生學習的積極性和主動性，要通過一系列的創新型教育活動，使學生學會提出問題、分析問題和解決問題[1]。

實驗室是高校教學與科研的重要基地，實驗教學是教學工作的重要組成部分，是培養具有創新精神和實踐能力的創新型拔尖人才的重要環節，是溝通理論與實踐的橋梁[2]。理論教學與實驗教學兩者相互依存、相互促進，二者的有機結合有利于培養全面發展的創新型高層次專業技術人才。實驗教學可以增加學生對抽象理論的感性認識，加深對理論知識的理解，它不僅可以培養學生的實際動手能力，培養學生發現問題、分析問題和解決問題的能力，還可以培養學生獨立思考的工作作風和科學思維。這對于學生畢業后從事工程實踐或科學研究具有十分積極的意義[3]。

土工實驗是土木工程、地質工程、水利工程等專業重要的實驗內容之一。隨著國家基礎設施建設步伐的加快，高層建筑、復雜水利水電工程、高速公路與鐵路等工程大量興建，社會對土木工程人才的需求越來越高，這種需求不僅表現在數量上，而且更注重質量的提升。如何培養具有扎實理論基礎、較強工程實踐能力、具有創新思維及創新能力的高素質人才，已成為當前高等院校土木、地質、水利等相關專業教學中面臨的十分重要的課題[2，4-5]。

在計算機技術高速發展的今天，高校學生具有較為開闊的專業視野，有跟蹤熱點工程的意愿和濃厚的科研興趣[6]。高校教師大多具有從事科研工作的豐富經驗，有扎實的土力學知識、良好的實驗技術和計算能力。在實驗教學中，教師結合學生的求知意識，注重培養學生的科學探究能力，可以充分調動學生學習的熱情，提高教學效果。研究性實踐教學是培養創新型及應用型人才的內在要求，能夠為社會培養所需的基礎寬、能力強的復合型、應用型、創新型人才[7]。為此，筆者以土工實驗教學為例，探討基于研究性理念的工科實驗教學模式與方法。

二、土工實驗教學現狀

土工實驗是土木工程、地質工程、水利工程等專業課程教學體系中非常重要的實踐性教學環節，是相關專業本科實驗教學的基礎。通過土工實驗，可以使學生深入了解土的工程性質，熟悉土工實驗各種儀器設備的操作，培養學生動手操作

、分析整理實驗報告、獨立思考和創新的能力，為今后從事專業技術工作打下良好的基礎[8]。

傳統土工實驗教學普遍存在實驗內容單一、驗證性實驗多、綜合設計類實驗少的問題；

不重視實驗預習環節，注重實驗過程對學生操作技能的訓練，忽視對其科研素質及創新能力的培養；實驗結束，只是簡單套用公式或圖表對實驗數據進行計算分析，未展開對實驗結果的比對分析，雖然在實驗過程中學生也會進行分析、探討，但分析較為簡單，缺乏深度。

為了提高人才培養質量，滿足國家對創新型拔尖人才的需求，很多高校進行了土工實驗教學改革，提出了一系列改革措施[2，6，9]。如：增購儀器設備、建立開放實驗室、增加綜合與設計性實驗的比例、自制模型演示實驗、加強校企合作[10]等。這些改革舉措為提高土工實驗的教學效果起到了促進作用，但具體執行效果仍有待進一步提高。如：增購實驗儀器需要層層報批，具體落實有難度。建立開放實驗室，學生做實驗的時間相對靈活，能充分挖掘學生的潛力，訓練學生的動手能力，培養學生的創新思維，但開放實驗室學生做實驗的時間戰線較長，教師無法全程陪同并及時給予指導，實驗教學的效果取決于學生自身的態度。增加綜合與設計性實驗的比例是提高學生創新實踐能力的有效措施，但實驗教學效果也與學生的學習態度和教師對實驗過程的掌控息息相關。

為充分調動學生的積極性，激發其創新潛質，在現有的教學條件下，在實驗教學過程中強調研究性預習及實驗后續數值分析的重要性，為培養創新性拔尖人才提供了一種新途徑。

三、基于研究性理念的實驗教學改革

（一）研究性預習

預習對于實驗教學同樣具有重要作用，良好的預習是保證學生動手實踐能力和創新能力得以提升的基礎。在常規的實驗教學中，教師一般要求學生在實驗課前預習

，了解實驗內容、目的、原理、方法和注意事項等。雖然多年來教師一直強調實驗預習的重要性，但學生預習效果差強人意。多年的實驗教學經驗表明：很多學生在預習時只關注具體的實驗內容及步驟，保證能按時完成實驗任務；學習態度較為認真的學生還會準備實驗記錄表格，以便及時填入實驗數據，但是，學生在實驗之前很少關注實驗數據的具體處理方法。由此導致的結果往往是學生機械地做實驗，記錄實驗結果，至于為何進行這樣的實驗，實驗數據是否正確，如何對實驗結果進行分析處理，endprint

缺乏更為深層的思考。如果實驗結果有問題，學生也很難及時重復實驗或改進實驗方法。

為了提高學生實驗課預習的質量，提前布置研究性預習任務，要求學生課前不僅要閱讀實驗指導書、了解實驗內容，而且要用EXCEL做好電子表格。電子表格做好后在實驗課之前上交教師評閱、修改、打分。在電子表格中，要明確區分實驗數據記錄區域及實驗數據處理區域。在數據記錄區只能填寫實驗過程中直接觀測到的讀數，而在結果處理區域，則要求輸入相應的計算公式，并計算最終結果，必要時，還可繪制實驗結果曲線圖。

上述內容看似簡單，但近年來的教學實踐表明，這樣的研究性預習有如下優點。

（1） 將傳統教學中實驗結束后部分工作提前至實驗開始之前，讓學生做到有的放矢。學生研究性預習后必須提交電子表格，因而教師能對學生的預習效果有明確的檢驗標準。學生的預習不再流于形式，而需要花大量時間，精心準備。學生通過帶有明確任務的研究性預習，能夠對實驗目的與內容有更好的了解。通過制表，學生能明確實驗過程中需要測定的物理量，能夠計算得到具體值以及實驗數據處理的具體方法。學生在實驗過程中及時將實驗數據填入電子表格之后，能夠實時得出計算結果，這有助于判斷實驗結果是否正確，及時分析實驗過程中存在的問題。

（2）有助于培養學生的研究性思維及創新實踐能力。學生在充分了解實驗內容的基礎上再進行實驗操作，更有利于理解實驗內容及本質。此時，學生不再被動按照教材或教師的指導按部就班地完成實驗，他們有更多的時間思考實驗過程中遇到的問題，并提出相應解決辦法，這對于培養學生的研究性思維及創新實踐能力有促進作用。

（3）有助于提高學生對電子表格及計算機的應用能力。EXCEL是辦公軟件OFFICE的組件之一，熟練使用EXCEL是大學生的必備技能之一。雖然EXCEL的入門非常簡單，但能真正利用其強大的計算及繪圖功能卻有一定難度。通過研究性預習，學生可以在電子表格中直接輸入簡單公式。當公式較為復雜時，還可以通過EXCEL內嵌的VB編程功能編寫小程序，使數據處理更為簡潔。對于計算所得數據，還可以用圖形直觀表示數據間的內在關系，有助于深入分析實驗結果。這樣，學生既能學習專業知識，又能提高自己的計算機應用能力，滿足用人單位對復合型人才的需求，達到事半功倍的效果。

（二）實驗過程的數值模擬

在傳統的實驗教學過程中，分析處理實驗數據、編寫實驗報告是實驗結束之后的主要任務。在教學過程中我們發現，很多學生愿意主動去學相關數值分析軟件（如：有限差分軟件FLAC，有限元軟件ANSYS、SIGMA/W等），但由于缺乏合適的工程實例作支撐，學生自學效果不佳。按照書本指導去學習軟件只能達到入門級要求，帶著具體的工程問題去學習軟件才能達到對軟件的深入了解和靈活應用。

土工實驗一般安排在大三進行，由于大三學生的專業知識較為欠缺，讓他們用數值計算軟件去分析實際工程問題難度很大。但是，在實驗教學之后，讓學生用軟件分析實驗過程卻相對簡單。學生通過對實驗過程的數值模擬，既能學習專業軟件的使用，又能對實驗內容進行深入分析。例如，以土的直剪實驗為例，可以讓學生模擬直剪實驗的全過程，了解土樣在實驗過程中的應力與應變的變化規律，以及初始條件與邊界條件對數值計算結果的影響；可以選擇不同的本構模型進行數值模擬，了解不同本構模型對應的土體應力與應變特性；可以結合固結與滲流分析，讓學生分析快剪、固結快剪與慢剪的實驗過程，分析三種實驗方法的本質區別；可以改變土工參數，

分析參數的敏感性，了解土的黏聚力、內摩擦角、彈性模量及泊松比等對抗剪強度及土體變形的影響。

學生通過對實驗過程的數值模擬分析，可以達到以下效果。

（1）數值模擬分析可以與實驗教學互為補充，相互促進。相同條件下的實驗結果與數值模擬結果可以互為驗證，使得理論與實踐結合更為緊密。在數值模擬過程中需要輸入相應的計算參數，而計算參數的獲取又必須通過實驗獲取。不同的計算參數對應不同的計算結果，這種形象化計算會讓學生深入理解土工實驗的重要性，培養學生認真開展土工實驗的科學態度。

（2）數值模擬分析可以促進學生對理論知識的理解與掌握。培養學生的動手實踐能力是實踐教學的主要任務，但由于實驗學時數有限，實驗條件也相對固定，要想開展大量的土工實驗不切實際，而且，一些土工實驗歷時較長，學生在短時間內無法真正完成實驗。例如：黏性土的固結實驗，實驗教學中只能讓學生模擬實驗操作，通過數值模擬計算可以靈活改變實驗條件，分析實驗過程及各種實驗條件的影響。這對培養學生的創新思維及創新能力有良好的促進作用。

（3）通過對室內實驗進行數值模擬分析，學生不僅可以熟練地掌握數值模擬軟件的操作和使用方法，而且還可以為其今后的工作和學習打下良好的基礎。

四、結語

實驗教學是高等學校教學工作的重要組成部分，是理論聯系實際的橋梁，是培養創新型拔尖人才的重要環節。為了提高實驗教學的質量，培養具有較高科研素質、較強創新精神和實踐能力的創新型拔尖人才，筆者提出了基于研究性理念的土工實驗教學改革的兩個具體辦法：一是要求學生開展研究性預習，讓學生制作并提交實驗所需的電子表格；二是要求學生對實驗過程采用專業軟件進行數值模擬分析及參數敏感性分析，讓學生理解實驗過程及實驗的各種影響因素。通過改革，可以增強實驗課的預習效果，提高實驗課教學質量；可以更好地將理論與實踐相結合，促進學生對理論知識的深入理解；可以使學生較為全面地分析實驗過程的多種影響因素，學會科學的思維方法，培養具有扎實理論基礎、較強工程實踐能力及創新能力的高素質人才。參考文獻：

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[10] 呂玉增， 韋柳椰. 勘查技術與工程專業實驗教學改革的探討[J].中國地質教育， 2008（1）： 113-115.

Abstract： Experimental teaching is an important part of teaching work in colleges and universities. It is a bridge of communication between theory and practice. To improve the quality of experimental teaching and to cultivate innovative talents with high scientific research qualities， strong innovative spirits and practice abilities， two specific methods for the reform of geotechnical experimental teaching were proposed. The first method is to demand students to conduct researchoriented preview and then design and submit spreadsheets for the geotechnical experiments. The second method is to carry out numerical simulations for some geotechnical experiments and to analyze the influence factors on the experimental process. Through this teaching reform， the quality of preview and the experimental teaching can be improved and the combination between theory and practice can be promoted. Students can understand the experiment process， phenomenon and influence factors more clearly and they can learn to analyze problems deeply. This teaching reform helps to cultivate highquality talents with solid theoretical foundation， strong engineering practice abilities and innovative abilities.

Keywords： experimental teaching； teaching reform； researchoriented； geotechnical experiment

（編輯梁遠華）endprint