工程實驗與理論教學的融合方法研究

楊 溥，賈傳果，劉立平，鄭妮娜，夏洪流

(重慶大學 土木工程學院，重慶 400030)

土木工程類高校培養(yǎng)方案中，一般包含理論教學和實驗教學兩部分內(nèi)容，兩者相互影響和促進。工程結(jié)構(gòu)試驗課程是推動專業(yè)基礎理論發(fā)展的主要手段，有助于學生夯實專業(yè)基礎、理論聯(lián)系實際，提高科技創(chuàng)新能力，實驗環(huán)節(jié)實質(zhì)上是創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的重要部分。以培養(yǎng)綜合型土木工程專業(yè)人才為目標，以實驗課程為平臺，創(chuàng)新教學方法和教學思路，積極展開教學改革，才能真正實現(xiàn)教學相長，推動教學質(zhì)量的提高。

重視實踐已成為當前中國工程教育的一項重要任務，不論是基于《華盛頓協(xié)議》教育互認的要求，還是“卓越工程師”計劃的推行，實踐都是核心教學環(huán)節(jié)。因此，面對諸多專業(yè)課程，如何將工程實踐、實驗教學與理論教學有效融合是目前高校教學普遍討論和廣為關(guān)注的焦點之一，也是本科和研究生教學改革面臨的一大難點。以建筑結(jié)構(gòu)抗震設計課程為例，該課程的目的是培養(yǎng)學生具備一定的結(jié)構(gòu)抗震計算理論基礎，掌握基本的抗震設計原理，能從事普通房屋結(jié)構(gòu)抗震設計工作。這門課程集成了結(jié)構(gòu)力學(尤其是動力學)、地震學、荷載與結(jié)構(gòu)可靠度原理、結(jié)構(gòu)基本原理等理論課程，涉及的概念較為抽象、計算方法繁瑣難懂。針對當前教學中存在的問題，如何利用工程實驗有效促進課程學習、培養(yǎng)學生獨立思考和解決問題的能力，是需要積極探索的問題。

針對土木工程專業(yè)課程的特點，結(jié)合工程結(jié)構(gòu)試驗，分析目前工程實驗和理論教學現(xiàn)狀及存在的主要問題，提出工程實驗與理論教學相互融合的教學方法，系統(tǒng)探討相應的教學內(nèi)容、實驗項目、考核方式等教學改革措施，并通過工程結(jié)構(gòu)試驗教學案例分析進行驗證。

一、工程實驗和理論教學現(xiàn)狀分析

目前實驗教學和理論教學尚存諸多問題，不僅源于學生對實驗教學的認識度和重視度不足，更主要的是和高校專業(yè)培養(yǎng)方案的要求、教師的教學理念、實驗室的硬件條件、教學方式、實驗組織和管理等因素有密切關(guān)系。對于土木工程專業(yè)的結(jié)構(gòu)抗震設計課程和結(jié)構(gòu)實驗而言，主要體現(xiàn)在3個方面。

1)“壓縮課時，提高效率”的教學改革使各專業(yè)課程的理論教學課時不斷減少，如何有效安排教學內(nèi)容并在有限的教學時間讓學生掌握專業(yè)課程的精髓，為將來從事該領域工作準備必要的專業(yè)知識已成為當前理論課程教學改革與建設面臨的主要問題[1]。

對于結(jié)構(gòu)抗震設計課程而言，其中重要的一章為結(jié)構(gòu)減震控制，教學內(nèi)容有隔震原理與方法、減震原理與方法、結(jié)構(gòu)主動控制初步等，該類技術(shù)已在實際工程中得到廣泛應用，但分配的相應課時僅為1～2學時，僅靠課堂教學根本無法透徹講述這些原理和設計方法，只能大致列出結(jié)構(gòu)控制的分類、特點及應用概況。學生畢業(yè)后碰到該類設計和施工問題仍需重新自學，嚴重制約了該門課程的教學效果和應用前景。如何彌補這個短板，是一直需要探索的問題，依靠課外引導學習和必要的實驗不失為彌補此短板的有效方式。實驗教學是對專業(yè)理論知識的補充和驗證，但目前絕大多數(shù)學生不重視實驗課，其原因在于教師和教學管理人員仍受傳統(tǒng)教育理念的束縛，不愿投入更多的時間去思考和實踐，未能形成具有特色的實驗教學模式。教師不轉(zhuǎn)變教育思想、教育理念，不能與時俱進，就不能構(gòu)建新的實驗教學模式，課堂的枯燥陳舊造成學生重知識輕技能。

2)囿于實驗室硬件條件，目前普遍以驗證性、演示性實驗居多，學生參與度幾乎為零，學生發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的研究能力和創(chuàng)新能力受到限制。

由于實驗室面積和實驗經(jīng)費有限，實驗儀器設備陳舊，臺套數(shù)偏少，即使有些院校購買了新設備，學院也沒有充分考慮教學方面，而是重點考慮科研。在實際操作過程中省去了很多實際工程中必須處理的步驟，如設備調(diào)試、儀表使用、線路連接、數(shù)據(jù)采集、結(jié)果整理等，這些步驟是在課本中沒有出現(xiàn)的，但在將來的工作中又必定會遇到。實驗教學和考核中缺乏相應的刺激措施，沒有給學生參與實驗方案構(gòu)思、設計、制作和對結(jié)果分析的機會，學生只需按照實驗指導書列出的實驗目的、實驗內(nèi)容、實驗步驟操作，并在相應的表格填寫數(shù)據(jù)即可。

另外，實驗教學方法大多為灌輸式教學，缺少互動，學生動手操作機會較少，限制了學生發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的研究空間及自主性和創(chuàng)新性[2-3]，導致學習積極性不高。大多數(shù)高等院校的實驗課時偏少，特別是單獨的實驗課程開設比例偏低，學時偏少，實驗內(nèi)容交叉重復，缺乏實驗課程之間的關(guān)聯(lián)性[4]。

3)理論課程和實驗教學脫節(jié)，不能有機結(jié)合和融會貫通。實驗教學的組織和管理不當。土木工程專業(yè)課程的實驗內(nèi)容復雜，被動灌輸式的實驗教學使學生來不及消化，加上學生對實驗的興趣及積極性不高，長此以往教師的目標是完成教學任務，學生的目標是完成實驗教學作業(yè)(實驗數(shù)據(jù)處理、實驗報告撰寫等)，在實驗過程中沒有得到啟發(fā)思考[5-9]，完成數(shù)據(jù)處理和實驗報告后，缺少集中討論和總結(jié)環(huán)節(jié)。

二、教學內(nèi)容和方式改革研討

針對上述工程實驗和理論教學存在的問題，首先應注重培養(yǎng)教師和學生的工作學習態(tài)度，充分認識到實驗教學是專業(yè)理論課的有效提升和拓展。教師要精心設計實驗方案，注重實驗過程，嚴格要求實驗過程及實驗結(jié)果。教師應以身作則，培養(yǎng)學生實事求是、嚴謹認真的科學態(tài)度。在此基礎上，對教學內(nèi)容、方法和考核方式進行改革。

(一)改進教學內(nèi)容，優(yōu)化實驗項目

充分利用課余時間，課前安排學生有針對性地查閱文獻資料，了解相關(guān)知識點或技術(shù)的特色和應用現(xiàn)狀，適當自學相關(guān)原理和推導相應的公式，從而彌補課堂教學課時的不足。另外，改革實驗教學內(nèi)容，注重培養(yǎng)學生的研究和創(chuàng)新能力，為提高學生的實驗動手能力，培養(yǎng)學生科研能力，盡量減少驗證性實驗，增加綜合性、設計性、研究性實驗，突出創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。同時采取必要的手段激勵教師增加研究性、啟發(fā)性的實驗內(nèi)容。

(二)改革實驗課程的考核與評價方式

在大多數(shù)工程類高校中，考核方式主要根據(jù)平時作業(yè)、測驗、考勤及期末集中考試評定課程的最終成績，實驗部分成績所占比例非常小甚至可忽略不計，自然導致學生重視理論學習而輕視實驗教學。因此，課程考核中應加大實驗成績所占比重，并以論文撰寫、答辯、主動提問及集中難點研討等方式，全面培養(yǎng)學生的科學研究綜合素養(yǎng)。

(三)加強與科研融合的實驗平臺建設

土木工程專業(yè)實驗主要針對材料及結(jié)構(gòu)受力性能，這類實驗以典型工程為背景，給出工程的主要技術(shù)特點，引導學生查閱相關(guān)的文獻資料以深入了解工程概況和具體參數(shù)，增強學生對結(jié)構(gòu)實驗的重視程度，提高學習的積極性。實驗指導教師對學生在實驗中遇到的困難給予幫助，對操作上的錯誤及時給予必要的啟發(fā)和指導。

學校應大力搭建實驗平臺，教師和研究者共同提出實驗項目及細則，供學生根據(jù)自己興趣自由選擇，按項目報名分組。在對應項目教師的指導下，分小組開展實驗，對實驗過程中的疑惑，教師應為學生耐心講解。實驗后學生分析實驗現(xiàn)象，對實驗數(shù)據(jù)進行處理，探討分析結(jié)果，完成實驗報告，集中對比研討和反思。工程實驗與理論教學融合教學方法示意框圖見圖1。

“宣稱”資源在中美的報道中使用的都比較少，分別只占14.20%和6.88%。其中，在“贊同”一項中雙方使用最多的是“obviously”“of course”“certainly”等評價副詞，以強調(diào)某個觀點是無可爭議的，并暗示報道者和潛在對話者立場一致。例如：

三、教學案例分析

為充分發(fā)揮理論教學和結(jié)構(gòu)實驗有機結(jié)合的效果，選取土木工程學院為本科生開設的專業(yè)課程——結(jié)構(gòu)抗震設計方法和為研究生開設的實驗類課程——工程結(jié)構(gòu)試驗技術(shù)為例，說明教學改革方法、具體措施和教學收獲。

(一)結(jié)構(gòu)抗震設計專業(yè)課程

以重慶大學2015級土木工程學院卓越工程師班(以下簡稱卓越班)為研究對象進行了試點探討。針對結(jié)構(gòu)抗震設計課程中結(jié)構(gòu)減震控制的知識點，以結(jié)構(gòu)減震試驗為契機，利用實驗室的小型振動臺進行實驗(Quanser Shake II，見圖2)。振動臺是加拿大Quanser公司為高等教育和振動研究機構(gòu)使用而特別研發(fā)的第二代振動臺，由小型振動臺、功率放大器UPM、數(shù)據(jù)收集卡和配套的Q4終端擴展板、緊急停止按鈕和相應的電腦控制程序QUARC組成。另外，利用實驗室的加速度傳感器等數(shù)據(jù)采集設備，安排結(jié)構(gòu)減震技術(shù)之調(diào)諧質(zhì)量阻尼器(Tuned Mass Damper，TMD)試驗研討課。

調(diào)諧質(zhì)量阻尼器TMD作為被動控制技術(shù)之一，在生產(chǎn)實踐中不斷得到應用[10-12]，是最常用的一種被動控制系統(tǒng)，在結(jié)構(gòu)物頂部或上部某位置加載慣性質(zhì)量，并配以彈簧和阻尼器與主體結(jié)構(gòu)相連。TMD作為一種被動控制方式，其構(gòu)造簡單、易于安裝、維護方便、經(jīng)濟實用，且不需外力作用，具有其他方式無法比擬的優(yōu)點，因此，在高層建筑風振控制、橋梁及海洋平臺振動控制等領域得到重視。

TMD控制系統(tǒng)由主體結(jié)構(gòu)和附加在主結(jié)構(gòu)上的子結(jié)構(gòu)組成。附加的子結(jié)構(gòu)具有質(zhì)量、剛度和阻尼，通過調(diào)節(jié)子結(jié)構(gòu)的自振頻率，使其盡量接近主結(jié)構(gòu)的基本頻率或激振頻率。當主結(jié)構(gòu)受激振而振動時，子結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生一個與主結(jié)構(gòu)振動方向相反的慣性力作用在主結(jié)構(gòu)上，從而減小主結(jié)構(gòu)的響應，減輕結(jié)構(gòu)構(gòu)件的損傷。

TMD形式有多種，實驗中TMD主要針對水平單擺，將砝碼用細繩懸掛于單層單跨鋼框架上，實驗原理如圖3所示，模型實驗見圖4。其中框架梁處M0=2 000 g，調(diào)諧質(zhì)量M分別取100 g和200 g，通過改變吊繩的長度調(diào)整單擺的自振頻率，將其調(diào)整至主結(jié)構(gòu)自振頻率附近，以改變結(jié)構(gòu)共振特性，同時調(diào)整砝碼的質(zhì)量，以達到最佳的減振效果。

為彌補課堂授課時間的不足，首先引導學生利用課外時間查閱TMD技術(shù)的相關(guān)文獻資料以了解其應用現(xiàn)狀，如，美國波士頓60 層的John Hancock 大樓、中國臺北101大樓、澳大利亞的悉尼電視塔和中國廣州電視塔等工程應用。同時，要求學生推導單擺自振周期的理論計算公式，掌握TMD減震原理，從而確定單擺的最優(yōu)擺長計算公式。結(jié)合結(jié)構(gòu)減震試驗，幫助學生更直觀地了解TMD技術(shù)應用于結(jié)構(gòu)的減震效果和結(jié)構(gòu)動力反應的相關(guān)知識。

參加TMD減震控制試驗的卓越班學生共28人，分4組(每組7人)。首先，通過輸入白噪聲，測定普通框架結(jié)構(gòu)的自振頻率f(f=1.461 Hz)。為便于觀測，僅輸入正弦波，即y=Asin(2πft)，其中A=1.0 m/s2，每組采用不同的頻率f，分別進行普通結(jié)構(gòu)(即質(zhì)量M=0)、TMD結(jié)構(gòu)(即M分別取100 g和200 g)動力試驗。實驗結(jié)果對比見表1及圖5。

表1 結(jié)構(gòu)減震效果對比表

圖5結(jié)構(gòu)減震效果對比(第1組加速度響應)

通過實驗，對比分析結(jié)構(gòu)頂點加速度反應，由表1可明顯地看到TMD減震效果，圖3繪制了結(jié)構(gòu)頂點加速度時程曲線，讓學生直觀了解整個結(jié)構(gòu)的振動過程。從實驗報告和實驗反饋中，可發(fā)現(xiàn)工程實驗與理論教學融合的教學效果良好，主要收獲和啟發(fā)反映在以下方面。

1)每組學生全程參與，分工明確(如查閱資料、推導公式、單擺擺長設計、拍照、處理數(shù)據(jù)及撰寫報告等)，協(xié)作完成。從每組報告中，都發(fā)現(xiàn)了M的不同，減震效果不同的普遍規(guī)律，僅從每組實驗數(shù)據(jù)(表1)來看，似乎質(zhì)量M越大，減震效果越好，但學生的實驗報告中均指出并非M越重減震效果越好，這是難能可貴的，主要因為自學了TMD減震原理和單擺自振頻率的計算公式。

第1組學生事先依據(jù)框架結(jié)構(gòu)的質(zhì)量M0和剛度，計算結(jié)構(gòu)自振頻率，掌握了單擺式 TMD理論自振頻率計算方法，從而根據(jù)TMD減震理論得到單擺的理論最優(yōu)擺長。即對于自振頻率為1.465 Hz的結(jié)構(gòu)，其單擺的最優(yōu)擺長為4.07 cm。在鞏固理論知識的同時，提高了實驗效果，也極大增強了主動學習的積極性。

2)第2組學生在實驗觀測及數(shù)據(jù)處理過程中，發(fā)現(xiàn)自己組的結(jié)構(gòu)頂點加速度時程曲線(圖6)與其他組的曲線(圖5)規(guī)律不同，敏銳地察覺到所在組的結(jié)構(gòu)發(fā)生了共振現(xiàn)象，并主動與文獻[11]中的圖形進行對比分析，說明這是有阻尼結(jié)構(gòu)的共振現(xiàn)象，如果是無阻尼結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)振動將無限增大。

3)學生主動學習MATLAB編程軟件來處理測試數(shù)據(jù)，各組采用Excel、Original等工具軟件繪制插圖，以獲取更佳的效果。

4)此次實驗沒有延續(xù)傳統(tǒng)上交實驗報告給出考核成績的習慣，而是組織學生講述實驗過程，總結(jié)收獲得失。教師啟發(fā)大家進行4組之間的數(shù)據(jù)和圖像對比，繪制結(jié)構(gòu)振幅-頻率特征曲線(圖7)，并與文獻[10]和文獻[11]中的圖片進行對比分析，從而鞏固了動力學知識，加深對結(jié)構(gòu)共振概念與原理的理解。

此次實驗與理論教學融合課以卓越班為試點，首次探索了專業(yè)課程的實驗教學模式和方法，得到土木工程學院的大力支持，受到卓越班學生的一致好評，讓學生熟悉以TMD為主的結(jié)構(gòu)被動調(diào)諧減振控制裝置在建筑中的應用，更能理解建筑抗震和減震控制技術(shù)的重要性。

(二)工程結(jié)構(gòu)試驗技術(shù)課程

工程結(jié)構(gòu)試驗技術(shù)課程是土木工程專業(yè)碩士研究生的一門重要必修課程，教學內(nèi)容主要包括建筑結(jié)構(gòu)試驗的基本理論、實驗儀器、儀表和設備的操作規(guī)程以及結(jié)構(gòu)試驗測試技術(shù)與方法，通過學習獲取該專業(yè)領域所必需的實驗基本技能和結(jié)構(gòu)檢測能力。

對結(jié)構(gòu)試驗技術(shù)課程已開展了諸多教學內(nèi)容及方法的研討，但多數(shù)聚焦于土木工程本科教學，目前多數(shù)課程進行的都是演示性實驗，學生參與度不高，如何針對碩士研究生開展該門課程的教學改革，是目前研究生教學改革關(guān)注的焦點之一[7]。近年來，在教學內(nèi)容、教學方式及考核方法等方面進行了探討，對實驗課程和專業(yè)課程的融合教學展開深入研究，具體包括：

1.課程基本教學內(nèi)容

教師課堂教學部分共 8 學時，主要講述建筑結(jié)構(gòu)試驗的基本理論、實驗儀器、儀表和設備的操作規(guī)程以及結(jié)構(gòu)試驗測試技術(shù)與方法等，并充分利用最新科研項目的圖片、動畫、振動臺實驗錄像等資料，聚焦于結(jié)構(gòu)動力、抗震、減震控制等技術(shù)及其實際應用展望，以提高課堂教學質(zhì)量。

2.融合教學方法

在課程基本教學內(nèi)容的基礎上，采用項目分組教學法，根據(jù)具體研究方向分組，選取與每位導師科研相關(guān)的最新研究題目。每組題目經(jīng)授課教師確認后，以20 min左右的多媒體課件在課堂上講述，內(nèi)容包括該課題最新的研究現(xiàn)狀和文獻綜述、編制實驗大綱、實驗技術(shù)準備工作(如試件制作、預埋傳感元件、實驗裝置、安裝和調(diào)試標定實驗設備以及相關(guān)材料性實驗等)、具體實驗過程(如采集并記錄實驗數(shù)據(jù)、實驗觀察等)以及實驗數(shù)據(jù)分析與總結(jié)，該部分主要偏重于實驗技術(shù)自身講解。在小組匯報結(jié)束后，其余小組學生或教師針對試件的受力簡圖及機理、結(jié)構(gòu)破壞模式等提問，由答辯組成員解答。表2 給出了近兩年來的課程分組表。

小組實驗題目都是最新的結(jié)構(gòu)研究前沿課題，包括建筑工業(yè)化裝配式建筑、韌性設計方法、結(jié)構(gòu)抗震及減震技術(shù)等。通過工程結(jié)構(gòu)試驗技術(shù)和專業(yè)課程的融合，進一步拓寬學生的研究視野，培養(yǎng)學生發(fā)現(xiàn)關(guān)鍵問題、深入思考問題和解決工程實際問題的能力，得到師生一致好評。

表2 實驗課程分組表

相應地，該實驗類課程的考核方法也由單一集中考試或?qū)嶒瀳蟾孓D(zhuǎn)變?yōu)榧锌荚嚺c平時成績組合、學生自評與教師評價相結(jié)合，從實驗方案、測試方案、數(shù)據(jù)處理等方面進行考評，兼顧文獻綜述、研究報告及成果等。充分利用課內(nèi)外時間，從文獻資料、實驗方案、實驗裝置和實驗方法等方面總體考慮和集中講述，完成課程學習，收到良好的教學效果。

四、結(jié)語

工程類高校對于專業(yè)課程的教學，強調(diào)結(jié)構(gòu)受力原理、基本概念和設計方法，不僅應保證課堂理論教學質(zhì)量，避免滿堂灌的傳統(tǒng)教學模式，同時應加強理論教學和實驗教學操作的融合性和創(chuàng)新性，通過設置必要的實驗項目，充分發(fā)揮學生主動學習和查閱文獻的能力，利用精心設計的實驗課程，引導和啟發(fā)學生主動思考，培養(yǎng)其分析和解決問題的能力，開放實驗室培養(yǎng)學生的探索精神，以實現(xiàn)土木工程實驗教學改革與實踐目標。對于實驗類課程的教學，在強調(diào)實驗方案設計、測試方法的同時，重在領會實驗目的、實驗原理等，做到融會貫通。