“三性”巖土實驗教學體系中實驗項目的設計及實踐

曾召田 朱銀紅 莫紅艷 孫剛臣 牟春梅

摘 要：針對傳統巖土實驗教學模式的弊端，結合“工程教育專業認證”要求和“三性”實驗內涵，對“三性”巖土實驗教學體系中的實驗項目及內容進行了設計和分析，在此基礎上，對“三性”巖土實驗教學體系實驗項目在我校土木工程專業教學的改革實踐及成效進行了總結和評價。

關鍵詞：工程教育專業認證；土木工程專業；巖土實驗教學體系；“三性”實驗項目

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2018）19-0074-03

Abstract： Aiming at the disadvantages of traditional geotechnical experimental teaching mode， the experimental projects and contents of "three features" geotechnical experimental teaching system are designed and analyzed with the demands for "engineering education professional certification" and connotation of "three features" experiments. On the basis， the reform practice and achievements of the "three features" experimental projects of geotechnical experiment teaching system of civil engineering specialty in our university are summarized and evaluated.

Keywords： engineering education professional certification； civil engineering specialty； geotechnical experimental teaching system； "three features" experiment project

近年來，圍繞著大學生的素質教育和創新能力培養，各高校進行了相應的教學改革，取得了一定成效。但是，受課程學時大幅度縮減、實驗室管理落后等客觀因素的影響，目前驗證性實驗在我國高校傳統的土木工程專業巖土實驗項目中占絕對的主導地位，綜合性、設計性、創新性巖土實驗項目在各高校的課程設置中普遍缺乏。驗證性實驗可以培養學生的動手能力，使其掌握基本的儀器使用和理解相關的實驗原理，但缺少對學生創新、實踐、綜合分析與解決問題能力的培養。

由此可見，改變傳統的巖土實驗教學模式，減少驗證性實驗項目，提高綜合性、設計性、創新性實驗項目的比例，構建“三性”巖土實驗教學新體系，是“工程教育專業論證”背景下土木工程巖土實驗教學改革的必由之路。在此形勢下，巖土教研室、實驗室的老師們組成了教學改革研究團隊，在原有驗證性實驗項目的基礎上，大量增加綜合性、設計性、創新性巖土實驗項目，并圍繞“三性”巖土實驗，進行一系列的教學改革探索。

一、“三性”實驗的定義與內涵

教育部首次提出“開出一批新的綜合性、設計性實驗”，并從實驗性質的角度，將實驗項目分為綜合性、設計性、創新性三類，簡稱為“三性”實驗；在《教育部關于普通高等學校本科教學評估工作的意見》（教高[2011]9號）中，明確地給出了“三性”實驗的定義，并要求開設設計性、綜合性的實驗課程比例須達到80%以上。由此可見，實驗環節對培養學生創新精神的重要性和必要性。

綜合性實驗以學生對驗證性實驗的熟練掌握為基本條件，實驗內容包括相關知識的綜合理解和相關方法、手段的綜合運用，綜合培養學生的知識、能力、素質；設計性實驗是學生按照教師指導，自行設計實驗方案、選擇實驗方法和儀器、擬定實驗步驟，自己對實驗結果進行分析和處理的過程；上述兩類實驗有利于培養學生的創新思維，是新時期實踐教學發展的必由之路。創新性實驗是學生結合自己的研究領域或導師選定的學科方向，針對某一選定研究目標所進行的具有探索、創新性質的實驗，有利于培養學生的科研能力和科學素養，特別是對于繼續讀研深造的同學具有非常顯著的影響。

因此，“三性”實驗可以克服以往巖土實驗教學模式的弊端，有效培養學生的動手能力、實驗技能，促進學生由“被動學習”向“主動學習”轉變，教師由“填鴨式”教學向“引導式”教學轉變，有利于培養學生的科研能力和科學素養。

二、“三性”巖土實驗項目設計

課題組成員對巖土實驗教學與管理方面的改革進行了長達10年的研究，積累了寶貴的經驗教訓，收集了大量的相關研究資料；在此基礎上，課題組經過調研、討論，對巖土實驗項目及內容的選擇遵循以下設計原則：

1.保留基礎的驗證性實驗，如土的比重、密度、含水率等物性指標測試。這些實驗內容能較好地配合理論教學，促進學生對土力學基本理論的理解與消化；同時，這也是進行土工實驗的基礎，對培養學生基本的實驗技能具有舉足輕重的作用。這些驗證性實驗全部為“必做”項目。

2.新開設綜合性實驗，如土的常規物理力學指標綜合實驗、混合土的顆粒分析實驗等。這些實驗對同一試樣進行綜合分析，在實驗過程中需要采用不同的實驗方法和儀器，整理實驗結果時需要對各指標參數進行綜合分析。以混合土的顆粒分析實驗為例，實驗過程中，粗顆粒采用篩分法、細顆粒采用比重計法分別進行顆粒分析實驗，然后綜合兩部分實驗數據進行顆粒分析，繪出混合土的顆粒級配曲線。這些實驗需要學生綜合運用相關知識或實驗方法、手段，對學生的知識、能力、素質形成綜合培養。這些綜合性實驗全部為“必做”項目。

3.新開設設計性實驗，如實驗方法對抗剪強度指標的影響、排水條件對三軸剪切強度的影響等。這種類型實驗需要學生自行設計實驗方案、進行相關實驗和分析實驗結果，可以培養學生發生問題、解決問題的能力，通過有意識地引導，讓感興趣的同學利用現有實驗條件進行簡單的科研活動。這些設計性實驗全部為“選做”項目，感興趣的同學可利用課余時間來完成，老師則指導和協助學生完成相關操作和分析。

4.新開設創新性實驗。這類實驗對學生的要求相對較高，需要學生具有一定的專業理論知識、基本實驗技能和綜合分析能力。主要分為2類：第1類，大學生課余相關的科技活動，如“大學生創新創業”、“互聯網+”、“挑戰杯”等；第2類，一線教師邀請學生參加部分課題實驗工作。在這些創新性實驗的開展過程中，學生根據研究內容進行一系列的自主性活動：（1）全面、綜合的實驗分析，（2）查閱文獻、制定方案，（3）選擇儀器、擬定步驟；教師則嚴格把關實驗過程與結果，讓學生盡早熟悉科研流程，樹立利用現有實驗條件開展科學研究的意識，為有意識深造的學生搭建進入科研殿堂的平臺。

課題組設計的“三性”巖土實驗項目詳見表1。由此可知，表1所列的10個實驗項目，分“必做”與“選做”兩大類。在選擇實驗項目和內容時，以驗證性、綜合性實驗作為學生的基本技能訓練項目，內容安排上有一定的廣度；在此基礎上，開設一定數量的設計性、創新性巖土實驗，教師加以一定程度的引導和訓練，讓學生在實驗方案設計、儀器設備選擇、實驗條件確定、實驗結果分析等各方面受到良好的培訓。同時，由表1也可看出，在“三性”巖土實驗項目設計過程中，始終遵循“三性”實驗內容的自主性、實驗結果的未知性、實驗方法的探索性等特點。為鼓勵和引導更多學生參加“三性”巖土實驗，我們盡可能多地讓巖土工程專業教師和經驗豐富的高級工程師圍繞著自身課題研究設置一些創新性課題，充分考慮學生的能力與興趣、土木專業實踐性強、工程背景濃厚的學科特點，構建了一個多層次、多模式的巖土實驗體系。

三、“三性”巖土實驗教學改革實踐及成效

我校土木類專業成立于1995年，是廣西最早擁有土木工程專業辦學點之一。目前我校開設巖土實驗的專業有：土木工程專業三方向（巖土工程、工民建、交通土建）、建筑工程、工程管理、環工水工等多個專業。課題組成員都是理論與實驗教學的一線教師，有著豐富的教學經驗；并且課題組成員多人曾在設計、施工單位工作，積累了較為豐富的生產實踐經驗；2015年開始，課題組成員結合自身教學、科研、生產等活動積極推行“三性”巖土實驗教學改革實踐并初見成效，主要體現在以下四個方面。

（一）舉辦土工技能大賽，掌握驗證性實驗技能

驗證性實驗主要考核學生的基本實驗技能、促進學生對土力學基本理論的理解與消化，是巖土實驗體系的基礎。學生只有充分理解土力學的基本理論，熟練掌握土工試驗基本技能，才有能力和機會進行后續的綜合、設計和創性實驗。因此，我們特別注重學生對驗證性實驗中基本技能的掌握，為此，從2015年開始，巖土實驗室特地推出“土工試驗技能大賽”這項活動，主要針對已開設過《土力學》課程并完成土工試驗的二、三年級大學生進行一些基本的土工試驗競賽，如土的密度和含水率測試、直剪試驗等，每年舉辦1次，學生可以組隊自由參賽。通過這種形式，調動了學生的積極性，提高了實驗興趣，增強了學生對驗證性實驗技能的掌握程度。

（二）結合工程實踐，開設綜合性實驗

土木工程專業是一個實踐性很強、工程性質十分明顯的專業學科，很多理論、經驗都來源于工程實踐中。巖土實驗教學作為土木工程專業課程學習中理論與實踐相結合的一個重要實踐性教學環節，需要學生深入掌握巖土物理力學性質的實驗方法和土力學的一些理論知識，要求學生了解基本土工實驗的儀器操作和實驗技能，學會整理測試資料和分析測試數據，有利于培養學生的工程意識和綜合素質，為今后從事土木工程專業技術工作打下良好的基礎。因此，課題組成員在進行相關理論課的授課時，會結合工程實踐進行“三性”巖土實驗教學。譬如，《邊坡工程》的授課教師會帶領學生來到一處滑坡現場，指導學生通過現場勘探取樣、室內土工試驗獲得一系列滑坡現場土體的綜合實驗數據，對各指標參數進行綜合分析，對滑坡穩定性進行綜合評價。這樣的綜合性實驗來源于工程實踐，通過學生的綜合分析，對實際問題進行了有效評判和合理解決，激發了學生的自豪感，增強了學生的自信心。

（三）立足學生興趣，開設設計性實驗

設計性實驗是學生在教師的指導下，根據給定的實驗目的和實驗條件，自己設計實驗方案、選擇實驗方法、選擇實驗器材、擬定實驗操作程序，自己加以實現并對實驗結果進行分析處理的實驗。在這類實驗中，學生是實驗的主體，學生興趣是促使他進行實驗的動力。因此，課題組成員立足于學生興趣，開設一些學生比較感興趣的設計性實驗。譬如，針對淺層地熱能開采過程中熱濕遷移現象及對周圍環境的影響，我們設計了“含水率對土體熱導率的影響”這一實驗，學生通過自行選定實驗土樣按照設計性實驗的指導原則，一步步通過自己的工作獲得他想要的結果，滿足了學生探索未知世界的好奇心，鍛煉了學生的創新能力，培養了學生的探索精神。

（四）服務學生科研創新，開設創新探索性實驗

研究探索性實驗是指在導師指導下，在自己的研究領域或導師選定的學科方向，針對某一或某些選定研究目標所進行的具有研究、探索性質的實驗。課題組成員每年都會服務于學生科研創新需要，開設并指導學生進行一些創新探索性實驗，例如我校2016級土木工程專業學生呂玉輝主持申報的“三軸試驗中飽和黏性土剪破角的測試與分析”，獲得2017年大學生創性創業項目（國家級）資助，本文第一、第三作者共同為該項目的指導教師。通過“三性”巖土實驗的訓練，學生自主學習能力、創新思維能力、科研探索精神等得到了培養與提升，科研興趣變得更濃厚。

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