土建類專業“三位一體”開放性實驗教學實踐
——基于學科競賽為載體

陳軍浩 趙振偉 翁旭然 王啟云 張丙強

(福建工程學院 土木工程學院 福建福州 350118)

0 引言

當前，地方應用型本科高校的工科專業培養目標相近，大都是旨在培養學生在大學期間能夠獲得工程師基本素質，并具有創新精神和實踐能力的高級應用型技術人才[1]。誠然，在地方應用型本科高校中，特別是對于專業性、實踐性、創新性要求很高的土建類專業，學生的教學實踐環節則對學生學習成長起到非常關鍵的作用。目前，土建類各專業雖然均開設有各類型實習、課程設計、工藝技能訓練、綜合實驗、畢業設計等實踐教學環節，也注重培養學生的實踐、創新能力。但在當前新技術、新產業、新業態、新模式經濟發展態勢與產業轉型升級過程中，對土建類專業畢業生的要求更高，已明顯逐漸向應用型、復合型、創新型人才轉變，要求學生除了具備扎實的專業技術外，對專業知識能力、創新能力、綜合素質能力這三方面能力提出了更高要求。因此，除了常規實踐教學環節外，還需借助其它手段予以補充和加強[2-4]。

面對新時代經濟社會對人才需求的態勢，近年來各高校紛紛組建創新創業教育學院，對大學生在校期間的科創活動進行積極引導。與此同時，由國家各相關部門、各專業教學指導委員會、各專業學會與協會牽頭發起的學科競賽也越來越多。這些學科競賽活動在高校中多數是由學生社團組織，缺少專業教師指導，參與群體多數為低年級學生，對專業知識積累不夠；加之，參加活動更多是為了滿足好奇心與年度評獎評優需要，客觀上弱化了學科競賽的主要作用，對學生專業知識能力、創新能力的提升影響度較小。基于此，將學科競賽融入到高年級學生開放性實驗教學環節中，以選修課學分形式體現，既調動了高年級學生的參與積極性，又促使高年級學生充分利用以往所學專業基礎知識，將學科競賽的作用發揮最大化，真正實現學生專業知識能力、創新能力、綜合素質能力的提升[5-6]。

1 “三位一體”開放性實驗教學改革

所謂開放性實驗教學，是指高校實驗室在時間、空間、內容和教學方法等方面對學生開放，由學生自主選擇并進行實驗學習與研究的一種教學改革方式，是現代高校培養綜合型、創新型人才的新途徑。將開放性實驗教學與各學科歷屆全國性模型競賽相結合，積極探索創新型實驗項目的建設與開展，是對常規實踐教學的重要補充[7-8]。以土建類巖土與地下工程方向專業實踐教學為例，基于學科競賽可以將工程實際中地下工程結構模型轉化到實驗教學中，進行不同類型地下結構模型設計、制作、優化、加載分析，從而避免了學生在校學習更多停留在理論知識學習層面、對地下工程結構模型認識抽象、虛玄、不夠全面等問題。通過構建地鐵與隧道工程模型設計與加載試驗，基坑支護模型設計與加載試驗以及邊坡擋土墻模型設計與加載試驗，其它巖土相關模型設計與加載試驗等多模塊、開放式的實驗教學新體系，學生則能利用課堂所學的多門專業知識學習，借助有限元分析軟件，對模型結構進行分析與優化，進一步推進學生理論聯系實際，收獲培養高素質應用型人才的實質效果，實現以下3個能力的提升：

(1)專業知識能力提升：學生能夠利用已學的力學與專業基礎知識，對一定荷載條件下不同模型結構力學性能進行簡單計算、初步設計出模型結構。通過該環節鍛煉，可以鞏固并加強學生對地下工程結構的力學特性認識。

(2)創新能力提升：學生能夠在專業老師指導下，采用有限元數值計算軟件，對不同工況條件下不同模型結構進行力學計算，選取出最優模型結構。通過該環節鍛煉，可以提升學生創新能力、數據分析能力。

(3)綜合素質能力提升：按一定比例進行模型制作并加載，對加載過程中一些變形或力學特征參數進行采集，同時分析結構破壞原因。通過該環節鍛煉，可以加強學生綜合實踐動手與團隊合作能力。

綜之，這3個環節在開放性實驗教學過程中相互融合、相互影響，實現培養與提升學生專業知識能力、創新能力、綜合素質能力“三位一體”的目標，如圖1所示。

圖1 “三位一體”開放性實驗教學實踐示意

2 開放性實驗教學改革實踐示例

近年來，福建工程學院土木工程學院積極探索實驗教學改革，以全國高校城市地下空間工程專業大學生模型設計競賽為載體，開展開放性綜合實驗改革。該賽事由中國巖石力學與工程學會主辦的，每年六月確定賽題并發布比賽通知，十月或十一月舉辦。賽題涉及巖土與地下工程結構多種類型，旨在激發青年學生的創新意識，提高對巖土與地下工程及相關學科的學習興趣，鍛煉并提高學生的專業知識能力、創新能力、綜合素質能力。本文以第二屆模型設計競賽為例，賽題為利用亞克力板拼裝組合而成加載箱，采用230g巴西白卡紙、速干白乳膠、蠟線等材料進行格柵拱架模型的設計與建造，模型外輪廓尺寸限定在600mm×500mm×350mm的空間內，并通過在拱架模型頂部施加重力砝碼進行分級靜力加載，檢驗其承載力和變形特性。競賽要求采用最少的材料而能承受最大設計荷載，從而確定支護結構的可行性、合理性與科學性。

基于競賽活動目標和要求，我校開放性實驗教學過程主要由以下幾個環節組合：

(1)實驗準備階段：每年六月份，實驗教學項目指導教師及時跟蹤賽題發布情況，準備實驗所需的材料，并及時廣泛動員高年級學生和組織學生選擇該項目，做好學生分組。

(2)模型結構初步設計：學生根據已學的材料力學、結構力學、隧道工程、地鐵工程、地下建筑結構等專業基礎知識，在該階段對格柵拱架模型進行初步簡要設計，利用結構力學求解器進行簡單力學計算并比較，選取力學特性較好的結構模型，如圖2所示。

圖2 格柵拱架模型加載示意圖(單位：mm)

(3)模型結構分析與優化：該階段學生通過所學的有限元方法、地下工程結構電算、BIM技術等課程知識，建立二維或三維結構模型并進行有限元數值計算與分析，以計算出最優的模型結果，達到模型在一定變形控制條件下，所能承受的荷載值與模型質量比值最大，如圖3所示。

(a)BIM建模(b)ANSYS有限元建模圖3 采用不同手段進行結構建模

(4)模型結構制作與加載：模型結構制作的精細程度，以及在加載過程充填標準砂、堆放加載砝碼等情況，都會直接影響模型的承載效果。因此，在該階段，注重學生團隊協作精神，充分發揮學生綜合素質能力。

(5)加載結果分析與模型進一步優化設計：通過對模型質量、加壓荷載、模型變形等參數記錄，分析出模型薄弱環節及受力最大位置，再次繼續采用有限元數值計算軟件對模型結構做進一步優化設計，直至比選出最優的模型結構。

(a)模型結構實例 (b)模型加載過程

本開放性實驗每個項目8個學時，均安排在學生課余時間，在學院大學生雙創中心實驗室進行，由3名專業教師共同指導，土木工程、城市地下空間工程、道路橋梁與渡河工程、勘查技術與工程等土建類專業學生均可積極報名參與。在開放性實驗中表現良好的學生可通過校內選拔參加全國高校城市地下空間工程專業大學生模型設計競賽。我校近兩年成績優異，參賽隊伍均獲得三等獎以上佳績。

3 結論

以學科競賽為載體的土建專業“三位一體”開放性實驗教學模式，能夠充分調動高年級學生參與積極性。在專任教師指導下，學生可以結合課堂所學的多門專業基礎知識，同時借助有限元數值計算軟件，對模型結構進行設計、分析與優化，促進學生對地下工程結構力學特性有更深入的認識，提升學生知識能力、創新能力、綜合素質能力，達到培養高素質應用型人才的目的。