工程結構實驗教學改革的探索與實踐

于卓然

【摘 要】基于吉首大學工程結構實驗教學課程的現狀，闡述了當前培養模式存在的問題。以“學生為主體”為指導思想，強調學生的參與意識，并從教學方法、教學手段、考核方式等方面進行了改革，培養了學生的動手能力和創新意識。

【關鍵詞】工程結構;實驗教學;改革;虛擬仿真

中圖分類號： G642.4文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）19-0111-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.19.052

工程結構設計原理是土木工程的專業核心課，它的理論性和實踐性比較強，很多理論需要用實驗來進行驗證，因此工程結構實驗課程就顯得尤為重要[1-3]。實驗教學能鍛煉學生的實踐能力，培養學生對土木工程專業的興趣和熱情[4]。筆者結合吉首大學工程結構實驗教學的現狀，強調學生是進行實驗的主體[5]，對實驗教學方法和考核方法進行了改革，獲得了專業學生的好評。

1 工程結構設計原理實驗教學現狀

吉首大學土木工程與建筑學院經過專業認證改革之后，結構設計原理實驗課已獨立于理論課程單獨開課，成為土木工程專業實驗課程的一個重要組成部分。該課程包括鋼筋混凝土超筋梁和少筋梁的正截面受彎性能實驗、鋼筋混凝土斜截面破壞實驗、鋼筋混凝土柱偏心受壓實驗和鋼柱軸心受壓失穩實驗等。實驗過程大致包括以下步驟：（1）實驗指導教師根據理論授課進度，安排好每項實驗的進程;（2）實驗指導教師將指導書和實驗報告分發給學生，督促學生做好課前預習;（3）實驗指導教師完成實驗試件的設計、制作以及測量儀器的安裝。（4）實驗指導教師進行演示實驗，專業學生觀測正截面應變分布以及裂縫、撓度的發展和開裂，并記錄數據;（5）專業學生根據記錄的數據撰寫實驗報告;（6）指導教師批閱報告，將成績錄入系統。以上培養模式雖然能夠讓學生觀察到實際結構的破壞過程，基本達到教學大綱的要求，但是仍然存在以下問題：

1.1 學校配套硬件設施較薄弱

吉首大學土木工程專業發展歷史較短，結構實驗中心尚未建設完成，原實驗室場地有限，短時間內實驗人數眾多，學生往往只能觀摩教師進行演示實驗，客觀上不能參與結構實驗的全過程。因此，學生的實驗內容僅僅是記錄儀器儀表的數據，并根據數據撰寫實驗報告。至于這些數據的內在聯系是什么，是否存在誤差，產生誤差的原因是什么，學生一無所知。

1.2 學生不熟悉實驗過程

雖然在實驗課程開設之前，指導教師已經把指導書下發給學生，并督促學生提前預習，但由于缺乏相關的考核機制，最后成績僅僅由實驗報告一錘定音，導致很多學生未進行預習就直接進實驗室，不清楚實驗的內容和目的，成了一個機械的“數據記錄儀”。另一方面因為學生未直接參與試件的制作過程，所以對指導書里的如何綁扎箍筋，如何貼應變片等內容缺乏直觀的認識，導致預習起來枯燥無味，預習效果大打折扣。

1.3 實驗報告存在雷同現象

由于進行的是集體觀摩實驗，組內同學記錄的數據都相同，實驗報告的格式固定，導致實驗報告的撰寫過程變成了簡單的填鴨式體力勞動，抄襲現象難以避免，失去了其原本的意義。指導教師只能根據實驗報告的字體評分，最后的成績也大同小異，沒有明顯的區分。

1.4 學生缺乏反饋意見

學生在提交實驗報告后，意味著這門課程的結束，指導老師評閱實驗報告后進行成績登錄。學生雖然能通過系統看到自己的成績，但是不清楚報告的扣分點在哪里。此時學校已經進行材料存檔，就算想進行修改，由于實驗成績已經確定，也缺乏內在動力。

2 工程結構設計原理實驗教學的改革

針對以上存在的問題，筆者在實際教學過程中，著手進行這方面的改革，摸索出了一套有效的實驗方案，經過問卷調查，在專業學生中反映良好，受到普遍歡迎。

2.1 讓參與實驗變得“有門檻”

在以往的培養模式中，不管學生是否進行預習，都可以參加實驗，筆者通過雨課堂系統，增加了相應的預習考核模塊，針對實驗指導書的內容，建立一個題庫，學生在正式參加實驗前要通過相關考核，考試隨機抽取20道題目，答對16道以上才能去參加實驗，這一措施能有效提高預習的效果。

2.2 讓學生參與實驗全過程

工程結構設計原理實驗課程針對大三學生開設，他們中的大部分并沒有一線施工經歷，對于指導書中試件的制作過程十分困惑。筆者要求學生分小組完成實驗計劃，各同學根據實驗計劃的內容進行早期準備工作的分工，其中涉及的工作十分細致，例如要制作混凝土試件，就需要購買材料。利用課余時間，學生根據構件設計的大小，確定購買鋼筋、沙子、水泥、石子的品種、數量、級配等。這一過程看似與實驗內容無關，但是能極大地提高學生的社會實踐能力，對土木工程學科有個更直觀的認識。材料準備齊全后，要讓每一位學生參與澆筑、養護的過程，在儀器安裝過程中，讓學生親自貼應變片，放置位移計等，最后分小組按照設計的加載方式進行破壞試驗。

2.3 用虛擬仿真系統教學

由于吉首大學結構實驗中心尚未建設完成，實際實驗條件受限，在學生人數眾多的情況下，實驗指導教師難以讓每一個人都清楚地了解實驗的過程，特別是如何放置實驗測量儀器的細節。故學校開發了工程結構實驗虛擬仿真系統，該系統可實現學生自行設計實驗方案、學習實驗構件制作、自行搭建實驗環境及裝配實驗儀器、自行動手操作實驗過程、觀察現象并記錄數據。它能讓每個學生參與進來，達到較好的預習和理解實驗的效果。

該系統可以方便地用Web端登錄，不需另外安裝客戶端，在登錄框中輸入姓名/學號之后，點擊“登錄”進入。如圖1所示。經過一系列參數設定，例如鋼筋強度、混凝土強度、箍筋間距等，就可以進入虛擬實驗環節，如圖2所示。然后根據自己設計的實驗過程進行分級加載，實驗數據會自動生成Excel。

2.4 實驗報告的改革

以往的實驗報告由指導教師提供，格式統一，存在雷同現象。筆者要求學生采用開放形式的實驗報告，報告中一定要指出在前期分工階段自己的準備工作和實驗過程中的問題。例如有一次實驗出現了異?，F象，按指導書應該產生正截面破壞的梁最后卻發生了斜截面破壞，學生通過分析鋼筋和水泥等級、構件尺寸等參數，進行理論計算，最終得到了滿意的解釋。這一過程能鍛煉學生主動思考的能力和勇于挑戰的能力，讓學生明白“盡信書不如無書”的道理。

另一方面，要求學生用科技論文寫作格式去撰寫實驗報告，很多學生有一種“畏難”的情緒，不過通過詳細的格式講解，大部分學生都能夠自己主動查資料去進行撰寫。事實證明，由于學生的高參與度，大家都樂意把自己的成果以論文的形式展示出來，有些同學還做得非常好。比如能將中文摘要翻譯成英文，用Endnote快速插入文獻等，為以后繼續深造打下基礎。

2.5 考核方式的改革

成績與學生的利益息息相關，為了改變以往僅依靠實驗報告“一刀切”的考核方法，評出真正能夠體現學生具體工作的成績，筆者在實踐過程中總結了以下內容：

（1）新的考核方式由三部分組成，雨課堂系統實驗預習成績占20%，小組內工作互評占20%，學生實驗報告成績（根據個人答辯成績乘以修正系數）占60%。

（2）學生按實驗分組進行答辯，以PPT匯報的形式進行。每個小組推選一名代表人進行10分鐘的闡述，但每位成員也要上臺進行各自工作的匯報，比如在購買石子的過程中，在哪里買，如何進行合理的級配劃分等，答辯評委根據個人的實際工作內容進行提問。主要提問內容包括：實驗前期準備的工作、實驗過程中儀器的使用和遇到的問題、實驗數據的處理等。

（3）學生實驗報告的成績采用小組答辯和個人答辯相結合的方式，教師先根據答辯情況給出一個小組總分，然后根據個人答辯情況給予相應的修正系數。

答辯成績優秀乘以系數1.1（超過滿分按滿分計），答辯成績良好乘以系數1.0，答辯成績中等乘以系數0.85，答辯成績合格乘以系數0.7，答辯成績不合格乘以系數0.6。通過集體與個人成績的結合，能夠提高學生的合作意識，也能夠讓做了實事的同學在成績上有所體現，一定程度上減少了“渾水摸魚”的現象。

（4）教師評閱實驗報告以后，將指導意見反饋給學生，學生根據意見修改實驗報告，再次提交給教師。教師根據修改后的實驗報告給出成績修正，對錯誤修改得比較好的同學在原實驗報告成績上提高10%。通過二次提交，能夠讓學生對自己的錯誤有充分認識，提高學生思考和解決問題的能力。

3 結語

在我校創建一流土木工程學科的背景下，全體土木老師不懈努力，改進工程試驗的教育教學方法，在學生中取得了不錯的效果。通過問卷調查，學生對各項實驗的理解明顯加深。通過自己參與試件制作的過程，極大地激發了學生的主觀能動性，并且對相應的理論課程有了更大的學習動力，使混凝土結構基本原理教材中枯燥的理論以直觀的形式展現出來，培養了學生的動手能力和解決實際工程的能力。

【參考文獻】

[1]蔣田勇，田仲初.土木工程專業實驗教學改革的探索與實踐[J].高教論壇，2016（05）：45-47.

[2]吳旻，方圓，丁峰.土木工程專業結構實驗教學改革探討[J].安徽工業大學學報（社會科學版），2015，32（03）：97-98.

[3]徐明，宗周紅，張蓓，等.工程結構設計原理實驗課程教學改革[J].高等建筑教育，2015，24（05）：111-114.

[4]徐明，李紅兵，肖士者，等.基于虛擬儀器的工程結構設計原理實驗教學演示系統設計[J].高等建筑教育，2015，24（06）：141-145.

[5]王立成.學生全過程參與“鋼筋混凝土結構”教學實驗探索[J].實驗技術與管理，2019，36（04）：27-30.