土木工程專業課程實踐教學模式改革探索

劉文洋 張兆強 鄭鑫

摘 要：實踐教學是培養學生實踐能力和創新能力的重要環節，土木工程專業的綜合性、實踐性較強，實踐教學環節尤為重要。文章分析了土木工程專業課程傳統實踐教學模式存在的問題，對土木工程專業課程實踐教學模式的現狀進行了總結，介紹了國內外部分高校在改善實踐教學效果方面采取的具體措施，對土木工程專業課程實踐教學模式的改革提出了建議。

關鍵詞：土木工程；實踐教學；教學改革

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1002-4107（2018）10-0025-02

實踐教學是培養學生實踐能力和創新能力的重要環節，也是提高應用型人才培養質量的重要途徑。近些年來，國內外各高校普遍開始重視實踐教學，強化應用型人才培養。工程實踐能力的培養作為工科教育的重要內容，不僅是應用型人才區別于研究型人才的顯著特點，也是檢驗人才培養質量的關鍵指標，更是社會各界對人才培養的迫切要求。土木工程專業的綜合性、實踐性相對較強，與工程實際聯系緊密，因此本科生的實踐教學尤為重要。

土木工程專業本科教育實踐教學體系主要包括各類實驗、實習、課程設計、畢業設計、社會實踐等形式。但對于結構原理與設計類課程，目前還是以理論講解為主，缺乏相關的實踐教學環節，僅有部分課程結合相關的課程設計培養學生的知識運用能力。這類課程的特點往往是理論推導多、計算公式多、規范條文多、理解難度大，枯燥的內容使學生對相關知識的學習興趣和理解程度大打折扣。因此，作為土木工程專業教學的有益補充，探索主干課程實踐教學新模式已成為應用型大學提高教學質量，培養學生學習興趣的當務之急。

一、土木工程專業傳統實踐教學模式存在的問題

傳統的土木工程專業課程實踐教學往往采用工廠或工地參觀實習、部分課程配套驗證性試驗、少量學生參與科研試驗等方式。但由于目前開設土木工程專業的院校眾多，招收的學生數量也比較大，因此傳統的實踐教學方式和方法已經不能滿足新形勢下的教學需求。主要存在以下幾個方面的問題。

（一）實踐教學資源不足

土木工程專業實習由于受工程安全、企業效益和施工進度等因素的影響，實習企業很難接收大量的實習學生，并且難以有效保證專業實習的連續性和穩定性。這就導致了很多專業課只能以課堂上的理論教學為主。如“鋼結構”“混凝土結構”等課程教學中的實踐性教學環節僅有課程設計一項內容，學生在學習的過程中沒有機會見到實際的結構體系，也很難了解鋼結構加工、制作、混凝土結構的施工具體是如何進行的。雖然教學實習中安排了認識實習和施工生產實習，但也只能從片面去進行了解，無法全面深入地理解各類基本構件和結構體系的受力性能與設計原理。

（二）實驗條件不足

土木工程結構試驗往往需要具備大量的實驗設備和試驗用房，前期投入大、后期使用維護費用高，目前僅有少部分科研條件較好的國內領先的高校可以利用科研實驗室為本科教學提供支持，大多數高校特別是地方高校還不具備這種條件，而且大量的重復建設也存在資源浪費的問題。

（三）實施效果不顯著

由于土木工程專業的學生數量較多，而師資力量相對有限，因此無論是在實習還是實驗教學中，有限的教師數量很難保證教師在有限的時間內細致地指導大量的學生。

（四）創新性不足

實踐教學應以培養學生的實踐能力、設計能力和創新能力為主要任務，但目前開展的本科實驗教學還是主要根據實驗指導書進行重復的驗證性實驗，學生自由發揮的空間有限，創新能力難以提升，無法滿足對大學生創新創業能力培養的需求。

二、土木工程專業課程實踐教學模式現狀分析

高等學校土木工程專業指導委員會制定的《高等學校土木工程專業本科教育培養目標和培養方案及課程教學大綱》，把土木工程專業的主要專業課程分為原理和設計兩個部分，同時還設置了相應的課程設計。目前，無論是從培養方案和課程教學大綱還是從各高校的實際執行情況來看，原理類課程教學還是主要以理論講解為主，實踐教學環節相對缺乏，而教學內容又往往主要集中于計算公式的推導與使用、設計規范條文的解釋與說明等相對枯燥的內容。在這種情況下，枯燥的理論推導、計算公式和規范條文往往導致學生的學習興趣不高，極大地影響了課程的教學效果，部分理解能力較差的學生甚至可能會放棄相關重點和難點的知識學習。即使結合多媒體授課，也難以對學生產生足夠的吸引力。

單一的教學模式已經難以適應現代化土木工程教育的時代環境和當代大學生群體的個性需求。因此，為緩解土木工程專業課程教學中的這種不利局面，改善教學效果并提高人才培養質量，目前國內外高校在實踐教學環節方面都推出了相應的舉措。例如，美國高校雖然也以課堂教學為主，但比較注重引導學生積極主動地參與科研活動，鍛煉學生社會實踐、科學研究等綜合能力。在麻省理工學院有一項UROP計劃，本科各年級優秀學生都能報名參加課題研究，每周需要抽出6—20小時投入研究工作，暑假期間投入的時間更多。這種做法不僅培養、鍛煉和提高了大學生的研究能力，還拓展了他們的學科視野[1]。國內少部分高校探索建立了多功能實驗教學平臺[2]，通過實驗平臺訓練學生對基本構件和連接的試驗技能，同時培養學生的創新意識與創新能力。而大部分不具備條件的高校則采取參觀工廠、工地或工程項目，觀看視頻資料，設計制作結構模型等措施來增強學生對工程結構的認識和理解[3]。

建設高水平的實體實驗教學平臺固然可以取得較好的教學效果，但這需要大量的資金和資源投入，對于許多經費有限、資源不足的地方高校來說并不現實，而且大量的重復建設也存在資源浪費的問題。而參觀工程項目或觀看視頻資料僅能為學生提供對工程結構的直觀認識，對學生全面深入理解各類基本構件的設計原理幫助十分有限。

三、土木工程專業課程實踐教學模式改革的建議

采用仿真模擬技術輔助土木工程專業課程實踐教學，可以通過仿真模擬試驗形象直觀地再現各種基本構件和結構體系的完整受力過程，展示各種復雜節點和結構的構造方式，不需要實體實驗室和復雜的加載設備，可大量地減少資金和資源的投入，這對于大部分教學資源不足、經費有限的地方應用型大學來說是一種切實可行的實踐教學模式。因此，部分高校已開始探索建立仿真模擬實踐教學平臺[4-5]，利用仿真模擬技術來輔助實踐教學。這種模式打破了傳統教學采用板書或多媒體教學的方式，豐富了教學手段，有助于增強學生對教學難點的深入理解和記憶，為學生的創新和實踐能力培養提供廣闊的自由發展空間。同時也使課堂教學更生動，能有效調動學生的學習積極性。

對于如何將仿真模擬實踐教學與土木工程專業課程教學有機地結合起來，探索切實可行的土木工程專業課程實踐教學模式，提出以下建議。

（一）制定合理的專業課程實踐教學實施方案

一方面可針對土木工程專業的結構原理與設計類課程，在教學過程中結合仿真模擬技術增設適當的實踐教學環節來彌補理論教學的不足，對理論課的實踐教學模式和實施方案進行總體規劃，科學合理地制定課程教學中的具體實施辦法，在各相關課程的教學過程中付諸實踐并持續改進。另一方面也可以通過專業講座、項目訓練或課外科技活動等方式對學生進行仿真模擬技術的訓練，通過項目訓練或課外科技活動等方式既可以在一定程度上解決實踐環節過多占用理論學時的問題，同時也可以有效地對學生的參與程度、實踐效果等各方面做出合理的評價與考核。

（二）建設仿真模擬實踐教學平臺

在土木工程專業課程的教學過程中，可結合有限元仿真模擬技術對工程結構基本構件和結構體系進行受力分析并建立教學資料庫。針對各類復雜節點和結構采用實體建模的方式在計算機軟件中立體展示其構造方式與受力機制，并能夠通過調整視角（如平移、旋轉等）來實現對虛擬模型的立體觀察。針對工程結構基本構件及典型結構體系進行受力過程仿真模擬試驗，對各類構件和典型結構的受力過程與受力性能進行計算機再現，例如鋼結構基本構件的失穩過程、混凝土基本構件的受力過程與破壞特征、典型節點和結構體系的空間組成分析與受力性能等。還可結合相關軟件編制建模和分析程序，實現自動化參數分析，并進一步構建土木工程專業課程仿真模擬實踐教學平臺。

（三）將虛擬實踐教學平臺與課程教學相結合

將各類構件、節點、結構體系的仿真模擬方法、仿真模擬試驗過程和結果應用于相關的專業課程教學中，更加形象直觀地展示課程中難以理解的知識重點和難點。并通過項目訓練或課外科技活動等方式，讓學生分組完成具體的分析項目，不僅能使學生對課程的重點和難點加深理解，還可進一步訓練學生的團隊合作能力和科學研究能力。課堂+課外、講授+自學、理論+實踐等教學環節的全方位引導和訓練，使學生能夠把課外時間利用上，把課堂時間利用好。讓學生能夠開闊視野、增長見識、培養能力。對表現優秀的學生，還可以鼓勵他們主動學習，指導他們掌握相關的分析和研究方法，為參加科技競賽、參與科學研究工作和培養創新創業能力做好技術和人才儲備。

綜上所述，構建基于仿真模擬技術的土木工程專業課程虛擬實踐教學模式、探索切實可行的土木工程專業課程虛擬實踐教學實施方案就具有十分重要的理論意義和現實需要。不僅有助于把理論教學與實踐環節有機地結合起來，改善教學效果，而且具有低成本、高效率、內容豐富、不受場地和設備限制等特點，可以為數量眾多的地方應用型大學提供參考和借鑒。

參考文獻：

[1]魯正，武貴，熊海貝.美國高等工程教育及啟示[J].高等建 筑教育，2013，（3）.

[2]郭小農，王偉，蔣首超，等.鋼結構基本原理實驗教學探索 [J].高等建筑教育，2011，（1）.

[3][4]劉文洋，張兆強，解恒燕.鋼結構課程實踐教學環節改 革與探索.實驗室科學，2013，（3）.

[5]李楠，賈宏俊.基于仿真模擬平臺的土木工程主干專業課 程實踐教學改革[J].高等建筑教育，2016，（1）.