土木工程專業(yè)物理模型試驗(yàn)教學(xué)探索
——基于OBE教學(xué)模式

杜怡韓，李永勝，王昌勝

（1.安徽工程大學(xué) 建筑工程學(xué)院，安徽 蕪湖241000；2.中建八局第一建設(shè)有限公司，山東 濟(jì)南250000）

自2016年6月成為《華盛頓協(xié)議》組織正式成員后，我國工程教育專業(yè)認(rèn)證體系實(shí)現(xiàn)國際實(shí)質(zhì)等效［1］，為深化工程教育改革提供了良好契機(jī)。當(dāng)前，國家推動(dòng)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展，以新技術(shù)、新業(yè)態(tài)、新模式、新產(chǎn)業(yè)為代表的新經(jīng)濟(jì)蓬勃發(fā)展，對(duì)工程技術(shù)人才提出了新的要求，迫切需要加快工程教育改革創(chuàng)新，使培養(yǎng)出的畢業(yè)生能夠更好地適應(yīng)實(shí)際工作，并能夠通過培訓(xùn)和實(shí)踐性訓(xùn)練獲得職業(yè)能力與專業(yè)資格。

為培養(yǎng)與國際接軌的中國土木行業(yè)工程師，各高校開展土木工程專業(yè)教育認(rèn)證，認(rèn)證包含“產(chǎn)出導(dǎo)向、學(xué)生中心、持續(xù)改進(jìn)”三個(gè)核心理念［2］，這與OBE教育模式高度契合。物理模型試驗(yàn)可拓展專業(yè)課的教學(xué)空間，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，幫助學(xué)生更好地掌握和理解理論知識(shí)，因此，以物理模型試驗(yàn)為載體，在整個(gè)物理模型教學(xué)過程中始終貫徹OBE教育模式，確定學(xué)習(xí)目標(biāo)的前提下，在每個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)中堅(jiān)持以學(xué)生為主導(dǎo)，指導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)、思考、操作、反饋、修正，使得學(xué)生綜合能力得到提高；增加教與學(xué)的互動(dòng)性，使學(xué)生更多地了解復(fù)雜結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)過程，從而更深刻地理解所學(xué)專業(yè)課內(nèi)容。

一、土木工程專業(yè)本科試驗(yàn)教學(xué)中的問題

現(xiàn)行本科教育存在如下問題：重知識(shí)輕能力，重傳統(tǒng)輕發(fā)展，重理論輕實(shí)踐，教學(xué)內(nèi)容局限于教材，教學(xué)形式局限于課堂，教學(xué)手段局限于講授，即使是最能提高學(xué)生實(shí)踐能力和綜合能力的某些試驗(yàn)型課程，也主要以教師為中心，對(duì)學(xué)生講授試驗(yàn)過程，讓學(xué)生按照試驗(yàn)流程操作完成試驗(yàn)，結(jié)果是即使學(xué)生能夠完成試驗(yàn)，獲得合理的數(shù)據(jù)，但是由于缺乏主動(dòng)思考、發(fā)現(xiàn)問題、解決問題和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)過程，往往無法深刻理解相關(guān)原理，實(shí)踐能力和綜合素質(zhì)并沒有得到明顯提高，無法滿足新形勢下社會(huì)對(duì)本科畢業(yè)生的要求。

此外，試驗(yàn)課程的評(píng)估手段也存在問題，通常是對(duì)考勤、課堂表現(xiàn)、試驗(yàn)報(bào)告三部分進(jìn)行考核，其中權(quán)重最重的是試驗(yàn)報(bào)告，而課堂時(shí)間有限，教師缺乏跟學(xué)生的交流，僅僅通過紙質(zhì)試驗(yàn)報(bào)告的正確性和規(guī)范性進(jìn)行評(píng)判，無法真正了解學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握程度、對(duì)試驗(yàn)的思考研究和理解程度，評(píng)估缺乏客觀性。一次完成打分，無法激發(fā)學(xué)生在試驗(yàn)過程中不斷學(xué)習(xí)不斷改進(jìn)的積極主動(dòng)性和創(chuàng)新精神。學(xué)生在試驗(yàn)課結(jié)束后上交試驗(yàn)報(bào)告完成試驗(yàn)課程，導(dǎo)致試驗(yàn)中存在的問題無法及時(shí)有效反饋，限制了學(xué)生的進(jìn)步。

未來新興產(chǎn)業(yè)和新經(jīng)濟(jì)需要的是工程實(shí)踐能力強(qiáng)、創(chuàng)新能力強(qiáng)、具備國際競爭力的高素質(zhì)復(fù)合型“新工科”人才。顯然，按照傳統(tǒng)模式培養(yǎng)出來的學(xué)生無法滿足社會(huì)發(fā)展的需求，對(duì)于培養(yǎng)模式和教學(xué)理念的革新勢在必行。

二、OBE教學(xué)理念簡介

OBE是成果導(dǎo)向教育（Outcome-based education）的簡稱，亦稱為能力導(dǎo)向教育、目標(biāo)導(dǎo)向教育或需求導(dǎo)向教育，于1981年由Spady等人提出，現(xiàn)已成為美國、英國、加拿大等國家教育改革的主流理念。理念上，OBE是 “以學(xué)生為本”的教育哲學(xué)，是聚焦于學(xué)生受教育后獲得什么能力和能夠做什么的培養(yǎng)模式。一切教育活動(dòng)、教育過程都是圍繞實(shí)現(xiàn)預(yù)期的學(xué)習(xí)成果。

在OBE教育中，主要包括以下幾個(gè)核心問題：要學(xué)生學(xué)習(xí)、掌握什么？為什么要學(xué)生學(xué)習(xí)這些內(nèi)容？如何幫助學(xué)生取得這些學(xué)習(xí)成果？如何有效地知道學(xué)生取得這些學(xué)習(xí)結(jié)果？如何保障學(xué)生有效地取得這些學(xué)習(xí)成果？

上述的學(xué)習(xí)成果是學(xué)生最終取得的學(xué)習(xí)結(jié)果，是學(xué)生通過某一階段學(xué)習(xí)后所能達(dá)到的最大能力。

OBE的特點(diǎn)正好可以解決傳統(tǒng)本科教學(xué)存在的問題。基于OBE的試驗(yàn)教學(xué)與傳統(tǒng)試驗(yàn)教學(xué)的區(qū)別主要有以下方面，具體見表1。

表1 OBE與傳統(tǒng)試驗(yàn)教學(xué)的對(duì)照表

三、試驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

（一）物理模型試驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)培養(yǎng)體系

土木工程專業(yè)學(xué)習(xí)中試驗(yàn)是不可或缺的重要組成部分，基于教師科研項(xiàng)目，通過物理模型試驗(yàn)將相關(guān)課程重要試驗(yàn)有機(jī)組合在一起，課程目標(biāo)為培養(yǎng)學(xué)生掌握設(shè)計(jì)試驗(yàn)、操作試驗(yàn)、理解試驗(yàn)原理，總體目標(biāo)為培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力。具體來說通過物理模型試驗(yàn)?zāi)M天然工況和暴雨工況，確定不同工況下?lián)跬翂Ρ惩翂毫Γ婕暗健巴亮W(xué)”“工程地質(zhì)”“基礎(chǔ)工程”“結(jié)構(gòu)力學(xué)”等課程知識(shí)，以及“相似比理論”“有限土體土壓力”等學(xué)科研究前沿知識(shí)，同時(shí)涵蓋了各土工試驗(yàn)、混凝土試驗(yàn)等實(shí)踐操作環(huán)節(jié)，此外，還需要學(xué)生具有團(tuán)隊(duì)意識(shí)，協(xié)同合作能力，嚴(yán)密的邏輯思維能力，動(dòng)手能力等。

根據(jù)物理模型試驗(yàn)教學(xué)特點(diǎn)，結(jié)合土木工程畢業(yè)要求及分解指標(biāo)說明，見表2，構(gòu)建其與學(xué)生畢業(yè)能力要求矩陣［3］，見表 3。

表2 畢業(yè)要求及分解指標(biāo)項(xiàng)表

表3 物理模型試驗(yàn)與畢業(yè)要求關(guān)系矩陣

根據(jù)表2、表3可以看出，物理模型試驗(yàn)與畢業(yè)要求2（問題分析）中的分解指標(biāo)3（即2-3）具有高關(guān)聯(lián)度，此外，具有高關(guān)聯(lián)度的畢業(yè)要求還包括3-3、4-3、9-2，與 5-2、6-2、10-1 及 12-2 具有中等關(guān)聯(lián)度，與8-3關(guān)聯(lián)度較低。

（二）物理模型試驗(yàn)教學(xué)流程設(shè)計(jì)

結(jié)合土木工程專業(yè)認(rèn)證人才畢業(yè)需求，反向設(shè)計(jì)綜合物理模型試驗(yàn)教學(xué)流程：依托教師科研項(xiàng)目，以工程實(shí)例為背景，分析測定不同工況下?lián)跬翂Ρ惩翂毫Φ倪^程中可能出現(xiàn)的問題，分解問題，依照土力學(xué)等相關(guān)課程的理論知識(shí)、相關(guān)規(guī)范、相關(guān)文獻(xiàn)，探討解決問題的辦法。具體來說，首先將土壓力測定分為天然工況和暴雨兩種工況下模型的制作和測試兩方面，模型與實(shí)際工程之間可通過相似比聯(lián)系起來，模型又可以分解為土體、巖體、模型箱三個(gè)部分，對(duì)于土體和巖體，關(guān)鍵是通過一系列土工試驗(yàn)，確保其物理力學(xué)性質(zhì)與工程實(shí)例的相關(guān)性，相關(guān)試驗(yàn)的設(shè)計(jì)和完成將成為考察學(xué)生的重要指標(biāo)，模型箱的設(shè)計(jì)制作則涉及到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的知識(shí)，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力，測試元件的安放和設(shè)備操作也是評(píng)價(jià)重點(diǎn)，最終通過整個(gè)設(shè)計(jì)、制作、試驗(yàn)、成果等全方面對(duì)學(xué)生進(jìn)行綜合評(píng)估。整個(gè)過程分為對(duì)工程實(shí)例的解析、問題分析、解決問題、過程評(píng)價(jià)及綜合評(píng)價(jià)幾方面，教學(xué)流程設(shè)計(jì)，見圖1。

圖1 綜合試驗(yàn)教學(xué)流程圖

（三）物理模型試驗(yàn)教學(xué)模塊設(shè)計(jì)

根據(jù)綜合物理模型試驗(yàn)的內(nèi)容和特點(diǎn)，結(jié)合學(xué)生能力培養(yǎng)目標(biāo)，將綜合試驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)為以下模塊：問題模塊、知識(shí)模塊、能力模塊、評(píng)價(jià)模塊，如圖2所示。

圖2 綜合試驗(yàn)教學(xué)模塊圖

從最終成果中提煉出問題模塊，包括兩種不同工況、模型制作、測試等方面，根據(jù)問題模塊導(dǎo)出相應(yīng)的知識(shí)模塊，在解決問題的過程中，培養(yǎng)學(xué)生統(tǒng)籌規(guī)劃、自主學(xué)習(xí)、設(shè)計(jì)、制作、協(xié)作等多方面能力，在整個(gè)過程中，通過與學(xué)生的交流、計(jì)劃書、設(shè)計(jì)圖紙等客觀成果，對(duì)學(xué)生進(jìn)行評(píng)價(jià)打分，形成評(píng)價(jià)模塊。

（四）成果輸出評(píng)價(jià)

將整個(gè)物理模型綜合試驗(yàn)實(shí)施過程分為三階段，第一階段為發(fā)現(xiàn)問題、分解問題階段，第二階段為學(xué)習(xí)相關(guān)理論知識(shí)、統(tǒng)籌規(guī)劃階段，完成試驗(yàn)計(jì)劃書、物理模型設(shè)計(jì)圖紙等，第三階段為試驗(yàn)操作、模型制作、土壓力測試，獲得試驗(yàn)報(bào)告、物理模型及測試數(shù)據(jù)。第一階段共20分，第二階段共30分，第三階段共50分，總分100分，每階段平時(shí)成績占各階段總分的15%，教師通過學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度、積極性對(duì)學(xué)生進(jìn)行打分，每階段階段性匯報(bào)及答辯成績占25%，教師通過學(xué)生匯報(bào)和回答教師提問情況進(jìn)行打分，每階段總分的10%為學(xué)生間互評(píng)平均分，同學(xué)們根據(jù)溝通協(xié)作能力對(duì)其他同學(xué)進(jìn)行打分，其余50%根據(jù)各階段匯報(bào)總結(jié)、設(shè)計(jì)書、設(shè)計(jì)圖紙、試驗(yàn)成果、測試成果等進(jìn)行打分。評(píng)分分區(qū)圖，見圖3。

圖3 評(píng)分分區(qū)圖

四、試驗(yàn)教學(xué)的實(shí)施

本次物理模型試驗(yàn)基于教師科研項(xiàng)目和實(shí)際工程，將OBE教學(xué)理念引入物理模型教學(xué)，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，讓學(xué)生理解物理模型研究的意義和預(yù)計(jì)產(chǎn)出的成果——有限土體墻后土壓力分布規(guī)律，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題——如何獲得有限土體土壓力分布規(guī)律，指導(dǎo)學(xué)生分階段解決問題——查閱文獻(xiàn)、學(xué)習(xí)理論知識(shí)、設(shè)計(jì)、選材、制作、測試、分析。最終各階段成果綜合評(píng)估學(xué)生。以下進(jìn)行具體說明：

第一階段通過指導(dǎo)學(xué)生查閱國內(nèi)外論文文獻(xiàn)，讓學(xué)生了解目前有限土體土壓力研究現(xiàn)狀，結(jié)合實(shí)際工程現(xiàn)場調(diào)研，使學(xué)生進(jìn)一步認(rèn)識(shí)物理模型試驗(yàn)的必要性、研究內(nèi)容和研究方法，以及預(yù)計(jì)的成果，并以成果為導(dǎo)向，提煉出兩大問題：天然工況下有限土體土壓力和暴雨工況下有限土體土壓力研究，上述兩大問題可繼續(xù)分解為不同工況下模型的建立和模型的測試，進(jìn)一步分解，模型的建立包括模型箱的設(shè)計(jì)制作、巖土體設(shè)計(jì)制作、擋土墻設(shè)計(jì)制作，模型的測試包括測試元件的選擇和放置、測試儀器的操作、測試數(shù)據(jù)的整理。學(xué)生完成第一階段成果總結(jié)。

第二階段根據(jù)第一階段的分解問題，引導(dǎo)學(xué)生思考如何通過專業(yè)知識(shí)解決各個(gè)具體問題，以及問題之間的邏輯關(guān)系。針對(duì)模型箱和擋土墻的設(shè)計(jì)制作需要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的知識(shí)，指導(dǎo)設(shè)計(jì)最有利于模型測試的結(jié)構(gòu)并完成制作圖紙；巖土體配比設(shè)計(jì)應(yīng)考慮相似比，及其密度、含水率、抗剪強(qiáng)度等物理力學(xué)性質(zhì)，指導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)掌握相關(guān)理論知識(shí)和規(guī)范，完成試驗(yàn)計(jì)劃書；測試元件選用土壓力盒，指導(dǎo)學(xué)生完成土壓力盒數(shù)量、量程設(shè)計(jì)，并學(xué)習(xí)使用DH3819數(shù)據(jù)接收器以及軟件，讓學(xué)生形成研究問題、解決問題的思路，完成總規(guī)劃說明書和技術(shù)路線圖，教師及時(shí)予以修正。

第三階段學(xué)生通過前期準(zhǔn)備，按照計(jì)劃首先搭建模型試驗(yàn)箱，學(xué)生結(jié)合實(shí)際情況和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定原理，從矩形框架——梯形框架——三角形框架，不斷改良形成最穩(wěn)固的試驗(yàn)箱，接下來是巖土體的制作，針對(duì)滑坡巖層材料的選定，學(xué)生通過相似比理論的學(xué)習(xí)，對(duì)于巖層的制作，采用內(nèi)部磚石砌筑表面水泥砂漿抹面。學(xué)生對(duì)已學(xué)知識(shí)點(diǎn)，如磚石砌筑、水泥砂漿配合比設(shè)計(jì)、C10混凝土的配合比設(shè)計(jì)等進(jìn)行了實(shí)踐操作。巖層制作完成后，再確定擋土墻材料，學(xué)生提出采用石膏和磚石砌筑兩種方案，通過微模型試驗(yàn)比選，最終選擇磚石砌筑擋土墻，墻身表面采用水泥砂漿抹面處理。

接下來是安裝測試元件土壓力盒，為研究擋土墻墻背土壓力分布規(guī)律，沿豎向和水平向分別安裝土壓力盒，對(duì)于土壓力盒，其主要問題是土壓力盒量程的選擇。若選擇量程過小，將無法正常量測擋土墻墻背土壓力，不符合物理試驗(yàn)的合理性；若選擇量程過大，則精度上不能滿足要求。教師對(duì)學(xué)生提出問題，學(xué)生積極思考，通過滑坡原型估算出土壓力大小范圍，再利用相似理論算得該物理模型所產(chǎn)生的土壓力大致范圍，再與商家溝通，最終確定了土壓力盒示數(shù)為0~100 kPa。

對(duì)于DH3819數(shù)據(jù)接收器以及相應(yīng)軟件的使用，為模擬持續(xù)強(qiáng)降雨過程，僅僅靠單次取樣是無法實(shí)現(xiàn)的，學(xué)生經(jīng)過一個(gè)星期的摸索研究，熟練掌握了DH3819測試軟件的各種功能，主要包括單次采樣、定時(shí)采樣、連續(xù)采樣、采樣數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為折線等多種功能。

墻后土體的制作，需要確定土體的物理力學(xué)指標(biāo)。基于相似比理論，結(jié)合土力學(xué)相關(guān)知識(shí)，運(yùn)用土工試驗(yàn)來確保模型土體物理力學(xué)參數(shù)與滑坡原型之間的關(guān)聯(lián)度，土體填裝采用多段分層擊實(shí)的方法，保證所填土體的均勻性，該過程需多人協(xié)同操作，分工合作。待土體填裝、固結(jié)沉降后，再對(duì)滑坡土體的上、中、下部取樣，再次進(jìn)行土工試驗(yàn)，保證土體填裝、固結(jié)沉降后該土體能夠達(dá)到模型試驗(yàn)要求。學(xué)生制作及測試模型，見圖4。

圖4 學(xué)生制作測試物理模型

在整個(gè)第三階段，基于物理模型試驗(yàn)的產(chǎn)出和學(xué)生最終的能力要求，一步步完成整個(gè)試驗(yàn)過程，在每個(gè)步驟中以學(xué)生為主，主動(dòng)學(xué)習(xí)，不斷反饋問題，教師及時(shí)輔助。

五、結(jié)語

基于OBE教育模式的物理模型試驗(yàn)教學(xué)是對(duì)學(xué)生綜合能力的培養(yǎng)，不僅包括理論知識(shí)的學(xué)習(xí)，更多的則是培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力、學(xué)習(xí)和運(yùn)用新知識(shí)的能力，此外還有經(jīng)濟(jì)性比較能力、協(xié)同合作能力、管理能力等。以成果輸出為目的，引導(dǎo)學(xué)生在物理模型試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題，本次物理模型試驗(yàn)取得了較好的效果，與“新工科”人才培養(yǎng)目標(biāo)相契合。