土木工程專業啟發式開放性實驗教學模式探索

江雨辰 帥 瑞

無錫太湖學院土木工程學院（214064）

0 前言

近年來，我國大力推動裝配式建筑的發展，倡導建筑工業化、智能化，促進建筑行業的轉型升級。伴隨而來的是新材料、 新結構和新技術的大量應用，并要求專業人才與時俱進，具備良好的創新能力及發現問題、分析問題和解決問題的實踐能力。

實驗教學是高校課程體系中不可或缺的重要環節，不僅可以讓學生更加直觀地掌握專業理論和專業技能，也能培養學生的創新思維和實踐能力[1]。尤其對于土木工程這類工科專業而言，實驗教學的成效很大程度上決定了專業人才培養質量和畢業生的社會評價。 因此，實驗教學越來越受到高校的重視， 高校教師也在不斷探索高效的實驗教學模式，以期培養適應社會發展的專業人才。

開放性實驗是一種創新型的實驗教學模式，它以學生作為實驗主體，學生自主設計實驗、完成實驗，實驗時間設置靈活[2-3]。與傳統實驗教學相比，開放性實驗更能激發學生的創新思維和參與實驗的積極性。 此外，開放性實驗也有助于提高實驗室的利用率，優化高校資源配置。

1 土木工程專業實驗教學存在的問題

1.1 內容固定不變，形式單一

傳統土木工程專業實驗課程往往作為理論課程的補充和輔助，實驗內容固定不變，形式單一，且大多數為驗證性實驗[4]。 如混凝土結構原理這門課程開設的“單筋矩形梁正截面受彎破壞實驗”，主要是讓學生直觀地了解受彎構件正截面破壞的三種模式，并驗證平截面假定和受彎構件極限承載力計算公式。

1.2 實驗課時不足

土木工程專業實驗課課時普遍不足[5]。 如混凝土結構原理課程有64 學時， 其中實驗課程僅為8學時，實驗課課時量不充足。 “單筋矩形梁正截面受彎破壞實驗”分為適筋梁、超筋梁和少筋梁的三組破壞實驗，課上時間僅能滿足實驗儀器的架設、試件的加載及實驗數據采集。 粘貼應變片及接線等實驗步驟只能在課外時間完成。這種情況下，學生往往難以保質保量完成實驗任務。

1.3 學生參與積極性不高

通常課程實驗是根據既定的實驗指導手冊進行的，由于大多數為驗證性實驗，實驗結果單一，可預測性較高， 學生參與實驗的積極性不高。 在實驗過程中， 學生僅需要根據指導書或者教師的指示進行每一個步驟的操作，很少獨立思考，不能主動去發現問題、分析問題和解決問題。

1.4 不能與時俱進

隨著建筑行業的快速發展，新材料、新結構和新技術被大量應用。 程式化的課程實驗僅可作為特定專業理論知識的教學輔助， 不能啟發學生的創新思維，培養學生舉一反三分析問題及解決問題的能力。

2 啟發式開放性實驗的實施

2.1 題目設置

開放性實驗的題目設置要體現創新性， 既不要循規蹈矩地重復課程輔助性實驗，也不能天馬行空，超越學生的認知和能力范疇。本案例的題目為：以玻璃為主要承重材料， 設計一種透光的橫向承重構件（梁），其余材料自行選擇，并通過模型實驗確定該構件的力學性能。 這個題目符合學生對于梁這種受彎構件的總體認知， 材料的自由選擇也大大擴展了學生的思維空間。 學生通過模型實驗來確定構件的力學性能，可以培養其科學性思維和實際動手能力。

題目給定后，實驗負責教師需要適當地引導學生思考，但要注意度的把握。 引導的目的在于啟發學生的思維， 而不能限制學生的思維。 如在本案例中，教師會介紹一些常用建筑材料的力學性能和一些新型結構的受力特點。 這樣學生才會以科學性的思維去選擇與玻璃搭配，以滿足構件的使用功能。

2.2 實驗室開放

開放性實驗需要有專門的實驗管理人員監督和管理，實驗室的使用需要提前預約，使用時需要進行臺賬記錄。 提前預約也有利于學生的時間管理，讓學生提前制訂好學習和生活計劃，保證有充足的時間參與開放性實驗。 為了保證實驗效果，實驗小組人數不宜過多，3～5 人一組比較合適。 在本案例中，主要開放土木工程材料實驗室和結構實驗室，實驗的開展以小組為單位。 小組成員明確各自分工和職責，如資料搜集、材料購買、模型制作、模型加載以及報告撰寫等。 教師或者實驗室管理人員要對學生進行實驗設備的操作指導，并且在加載時需要實驗管理人員在場，以確保實驗安全。

2.3 成果考核和評價

實驗成果的考核和評價是完善開放性實驗的重要環節。 開放性實驗要兼顧實驗的過程評價和結果評價， 分值比重可根據實驗的具體內容來確定。為了體現評價機制的客觀性，建議采用實驗報告的形式進行成果考核。 在本案例中，實驗過程評價主要分為實驗設計的合理性、完成程度及實驗操作的規范性，實驗結果評價主要為透光梁的強重比（抗彎承載力與重量的比值）和構件造價。 其中，過程評價占總分數的40%，結果評價占60%。

為了進一步提高學生參與的積極性，開放性實驗可以依托校內學科競賽進行。 如本案例依托于“第一屆土木工程學院新型結構設計大賽”，并根據上述的考核和評價機制確定比賽名次。 最終獲得第一名的實驗小組，他們的設計作品為“采用碳纖維增強的玻璃組合梁”。 該組同學通過搜集、查閱相關資料發現，玻璃具有良好的透光性和美觀性，抗壓強度較大，但有明顯的脆性，所以很少將其用作受力構件。 碳纖維增強復合材料（CFRP）作為一種力學性能優異的新型建筑材料，具有輕質高強、延性好、耐沖擊、耐高溫、耐腐蝕等優點，在工程加固領域得到廣泛應用。 將兩種建筑材料組合在一起，共同承受外荷載， 既保留玻璃原有的透光性和美觀性，又可以獲得承重構件所應具備的強度和延性。

在提出設計方案后，該組同學開始購買材料并制作結構模型（如圖1 所示），然后設計該構件的抗彎試驗，并對實驗數據進行處理和分析，最終完成實驗報告。 整個過程中，小組成員分工明確、團隊協作良好，具有較高的參與熱情，圓滿地完成開放性實驗的預期任務。

圖1 模型制作

圖2 模型加載

3 結語

針對土木工程專業，提出一種啟發式開放性實驗的教學模式。 在給定的實驗條件下，通過設置題目并作適當的啟發，讓學生自主選擇實驗材料、設計實驗及動手完成實驗，最終以實驗報告的形式進行成果評價。 該開放性實驗的實施，有效提高了學生參與實驗的積極性，也培養了學生的創新思維和實踐動手能力。