土木工程專業全過程遞進式實驗教學內容體系構建與實踐

馬立國，劉繼良

(煙臺大學 土木工程學院，山東 煙臺 264005)

一、背景

2011年煙臺大學被教育部批準為全國第二批“卓越工程師教育培養計劃”高校，2013年煙臺大學土木工程專業入選“山東卓越工程師教育培養計劃”項目，并與2019年12月煙臺大學土木工程專業入選山東省省級一流本科專業建設點。2016年，國家發改委、教育部、人力資源和社會保障部聯合啟動實施職業教育產教融合發展工程規劃項目，“十三五”期間推動具備條件的普通本科高校向應用型大學轉變，打造建設一批高水平應用型大學，煙臺大學入選。無論卓越工程師計劃項目還是建設應用型大學計劃項目的目標都是培養適應社會發展的高級應用型工程技術人才，緊密結合區域地方特色，注重學生實踐能力，培養應用型人才；教學體系建設中要體現“應用”二字，其核心環節是實踐教學，必須加強實踐教學改革，提高學生的工程意識、工程素質和適應各種工程實踐需求的能力。山東省2016年發布了《山東省教育廳關于加強普通本科高校實踐教學工作的通知》，煙臺大學之后根據其精神于2017年10月發布了《煙臺大學關于加強實踐教學工作的意見》討論稿。2017年煙臺大學土木工程專業順利通過了住建部組織的專業認證(原專業評估)，認證的理念就是以學生為中心，目標為導向和持續改進，本專業目標之一為培養學生較強的工程實踐能力和創新能力，這都需要通過加強實踐教學及其教學改革達成，在培養方案修訂的過程中加強實踐環節使實踐學分在總學分中所占比例要求不低于30%。2018年教育部推出了“六卓越一拔尖”計劃，號稱“卓越工程師教育培養計劃”2.0版本，并在2019年推出了“雙一流專業”建設的雙萬計劃，即建設一流專業為目標，實施一流專業建設，建設一萬個國家級一流本科專業點和一萬個省級一流本科專業點。其中重要的目標之一是堅持以學生為中心，促進學生全面發展，有效激發學生學習興趣和潛能，增強創新精神、實踐能力[1]。土木工程作為實踐性非常強的專業，創新精神和實踐能力為培養學生目標中的重中之重，就需要在實踐環節中進行有力改革來達成。

二、土木工程專業實驗教學的主要問題

土木工程專業課程設置非常嚴謹，課程與課程之間緊密關聯,并存在合理的前后關系，前序課為后續課的基礎，學生必須依據一定的先后順序進行學習,循序漸進，體現出較強的理論教育系統性。在傳統的土木工程專業教學中存在重學輕術的思想，課程中包含的或單獨開設的實驗課教學中存在各種各樣的問題，而且較為普遍。例如實驗體系保守、實驗內容陳舊、教學模式呆板、知識不連貫，實驗很多依據理想化的假設，與工程實際嚴重脫節[2]；實驗環節之間相互孤立，不成完整的體系，缺乏連續性，獲得專業知識不能前后融會貫通；實驗教學方式主要為填鴨式灌輸性教學方式，實驗內容固定而單一，多為演示性、測試性或驗證性實驗[3]；學生缺乏自主性基本處于被動的地位，即使設計性實驗存在的問題為具體的實驗設計基本由指導教師全權負責，學生在實驗中僅僅是重復教師預設的動作甚至不能獨立操作實驗儀器或設備[4]；實驗中學生分組人數較多，部分學生不能真正地得到實驗課的鍛煉，只是流于表面地了解實驗內容和儀器，離實驗課的設定目標相差較遠；開放性實驗也基本為各課程中原有實驗內容簡單翻新，缺乏創新性。

對于實踐性強的專業，教育界學者在教學中越來越注重實踐能力的培養，在教育中對實踐教育理念、培養目標、教學內容、教學模式等方面的改革做了大量的探究[5]。實驗教學是其中重要組成部分，目前土木工程專業實驗內容方面中傳統的實驗教學存在較多的問題，普遍認為傳統實驗內容陳舊、固定單一，多為演示性或驗證性實驗，學生在實驗中基本處于被動地位[6]。根據以上情況，國內外的學者在實驗教學方面做了各種努力與嘗試，將實驗內容更新為設計性或綜合性實驗、研究型創新實驗、項目驅動實驗和開放性實驗等[7]，取得了較好的效果，但整個實驗教學中的各門課程實驗盡管有了較大的革新，還基本處于相互孤立的關系，沒有很好地銜接起來，實驗教學內容設置其實和課程教學設置一樣，也有前后順序，前一個是后一個基礎，建立連續型體系涵蓋多課程、虛擬實驗和實體實驗相結合的全過程遞進式實驗內容體系非常有必要。

三、土木工程專業全過程遞進式實驗教學內容體系構建與實踐

根據土木工程專業中各個含有實驗的課程之間前后關系和銜接點，與相關指導教師討論更新為綜合性實驗模塊涵蓋原有的陳舊的演示性或驗證性等實驗；設置要求模塊間不是相互孤立的，前一個實驗模塊為后一個模塊的基礎，層層遞進、環環相扣；指導學生獨立思考，自行設計相互關聯的實驗思路。考慮以上各項因素將土木工程專業的實驗課建成前后銜接的遞進式實驗體系，涵蓋材料、構件到結構實驗模塊，主要牽扯到的課程包含土木工程材料、混凝土結構設計、土木工程施工、建筑結構檢測技術、土木工程結構實驗、工程造價分析、BIM建筑信息化管理等，從實際動手操作儀器設備到獨立完成設計、實驗、結構分析到虛擬建模進行造價、進度和受力分析等，基本涵蓋土木工程專業混凝土結構應用全過程。基本思路見下圖。

土木工程專業在房屋設計中常用的鋼筋混凝土結構形式，各科課程實驗中均牽扯到鋼筋混凝土結構建造全過程的相關內容，在實驗教學體系中設置遞進式的三大模塊，分別為材料實驗模塊、構件實驗模塊和結構實驗模塊。材料實驗模塊主要為建筑材料中的結構材料鋼筋混凝土組成材料、設計和性能測試相關實驗，包括密度、表觀密度和堆積密度，水泥的細度，標準稠度用水量、體積安定性、水泥強度實驗、混凝土配合比設計實驗、坍落度實驗、體積密度實驗、強度實驗、耐久性實驗、鋼筋的拉伸性能和冷彎性能測試等；構件實驗模塊的實驗主要為混凝土梁的實驗，包括少筋量、超筋梁和適筋梁實驗，實驗過程涵蓋鋼筋的綁扎，模板的加工固定和混凝土澆筑、振搗、養護和性能測試實驗等工序；結構實驗模塊為虛擬建筑模型建立和相關分析，可以采用BIM相關軟件，例如PKPM、盈建科等結構建模計算軟件等，廣聯達BIM5D軟件可以用來分析造價、進度等相關信息，或者Revit等BIM軟件結合VR平臺實現施工工序的可視化、建筑模型的漫游和碰撞檢查等。第一個模塊設置材料實驗模塊為后續施工和結構設計提供基本技術參數，其中混凝土配合比設計為綜合性實驗，其他主要為測試性實驗，經過性能測試調整后的混凝土配合比應用于第二個模塊；第二個模塊為構件實驗模塊，構件試件為鋼筋混凝土梁，內容包括少筋梁、適筋梁和超筋梁實驗，梁試件制作涵蓋鋼筋的綁扎、模板的固定、保護層厚度的控制、第一模塊確定配合比的混凝土的澆筑、振搗、拆模和養護等，標準養護28天后，混凝土強度無損檢測，梁受彎破壞的全過程實驗，少筋梁、適筋梁和超筋梁破壞形式對比等分析鋼筋等配置、構件的尺寸設計等。第三個模塊結構試驗模塊為房屋建筑信息模型整體仿真實驗，包括結構分析、成本、合同和進度等控制以及整體結構分析和碰撞檢查等，采用虛擬仿真建模，可以為工程項目提供數據支撐，實現有效決策和精細管理，從而達到減少施工變更，縮短工期、控制成本、提升質量和保證安全的目的；采用的建筑信息模型的參數由第一實驗模塊和第二實驗模塊確定提供。土木工程專業全過程遞進式實驗模塊設置詳見下表。

圖 土木工程專業專業全過程遞進式實驗教學內容體系創建思路

表 土木工程專業全過程遞進式實驗模塊

第一個模塊材料實驗模塊中，水泥材料的密度、表觀密度、凝結時間和安定性實驗等均為測試性試驗，驗證水泥是否符合國家規范的要求；石子和砂等表觀密度、堆積密度、砂石篩分實驗等均為測試性試驗，為后續混凝土配合比設計計算提供技術參數，混凝土配合比實驗為綜合性實驗，配制的混凝土要滿足和易性、強度、耐久性和經濟性的設計要求，在實驗過程中需要根據實驗結果進行合理的調整水膠比、砂率、單位用水量和外加劑的用量等參數來優化配合比，需要大量的實驗嘗試調整；鋼筋的拉伸實驗為測試性實驗，可以確定其彈性模量、屈服強度和抗拉強度以及斷后伸長率等參數。第二個模塊構件實驗模塊中，主要為受彎構件鋼筋混凝土梁的實驗，其中混凝土的配合比采用第一模塊優化后的配合比和原材料配制，梁的鋼筋指標采用第一模塊測試的力學性能指標，鋼筋的配置需要梁的正截面受彎和斜截面抗剪等計算獲得。實驗內容具體為鋼筋的綁扎，掌握鋼筋的數量確定、箍筋的彎折，使用扎鉤、扎絲綁扎固定鋼筋，模板固定、保護層厚度控制，混凝土澆筑時振搗密實，梁拆模后需要到標準養護室進行養護，在梁兩側需要預埋吊裝件方便行吊移動梁試件，養護結束后在梁表面粉刷石灰水并在表面繪制方格網，在梁受彎性能實驗過程中可以清楚描述梁裂縫的位置。第三個模塊結構實驗模塊主要為建筑信息模型，其中部分梁構件的設計信息和第二模塊的構件梁的設計信息一致；建立的模型既涵蓋了結構模型進行受力分析和結構配筋，又可以通過模型核算工程量進行造價分析，還可以展示三維施工進度以及進行三維虛擬現實漫游。

四、結語

聚焦土木工程專業實驗教學內容改革，解決實驗教學中各實驗課程孤立、知識體系不連貫等問題，建立全過程遞進式實驗內容體系，使前后實驗模塊循序漸進，在此過程中可以培養學生獨立設計能力、綜合分析問題和解決問題的能力。土木工程專業的實驗課設置前后銜接的連續型綜合實驗，涵蓋材料、構件到結構實驗模塊，牽扯的課程包含土木工程材料、混凝土設計原理、土木工程施工、建筑結構檢測技術、土木工程結構實驗、造價分析、BIM建筑信息化管理等，從實際動手操作儀器設備到獨立完成設計、實驗、結構分析到虛擬建模造價、進度和受力分析等，基本涵蓋土木工程專業混凝土結構應用全過程。實踐證明，該實驗教學內容體系具有整體提升學生專業素質的效果，可以在土木工程專業高年級實驗教學中進行推廣。