“新工科”背景下土木工程專業實驗教學探索與應用

陳榮妃，楊華山，李維維，趙振華

（貴州師范大學 材料與建筑工程學院，貴州貴陽 550025）

新經濟的快速發展，需要大批具備較強創新實踐能力的復合型工程技術人才[1]。正是這樣的契機，培養新型工科人才的“新工科”應運而生。“新工科”的“新”不僅包括新興工科專業，更是對傳統工科專業的升級改造[2]。土木工程專業就是典型的傳統工科專業，在推動我國經濟社會發展中有著重要地位。目前，人工智能、BIM 技術、大數據、3D 打印等新技術的迅猛發展，無疑給土木工程行業帶來了革新的最強動力，也對土木工程師的創新實踐能力提出了更高要求。工程技術人才能力的培養離不開實踐，實驗教學是實踐能力培養的重要組成部分，是培養學生創新能力、研究和解決工程問題能力的關鍵環節，承擔著培養學生基礎工程素質的任務[3-4]。然而，傳統土木工程專業實驗教學在教學理念、教學內容、考核方式等方面的缺陷[5]，使得實踐教學應有的價值沒有發揮出來，限制了學生創新能力和工程能力的培養，忽略了對學生自主學習意識和批判性思維的培養。鑒于此，本文以學生在土木工程專業實驗教學中應獲取的綜合能力為目標，對土木工程專業實驗教學進行探索與應用，以期為新型工程技術人才培養提供參考。

1 “新工科”背景下，土木工程專業實驗教學的改革措施

綜合國際工程教育研究熱點[6]和我國教育部關于“新工科”建設、人才培養等文件精神，“新工科”人才應具備批判性思維品質、跨學科整合能力、實踐操作能力和創新創造能力等[7]。再結合土木工程專業特點及畢業生必須具備的12 種能力要求，對土木工程專業實驗教學模式（見圖1）的改革以培養學生自主學習能力、創新能力、批判性思維、解決實際工程問題的能力為目標，貫穿“以學為中心”的教學理念，對實驗課程的考核方式、教學內容、教學環節等提出相應措施，并應用于貴州師范大學材料與建筑工程學院的土木工程材料實驗課程教學中。

圖1 “新工科”背景下土木工程專業實驗教學模式

1.1 培養學生自主學習能力——全過程考核

在教學中發現，部分學生對待學習的態度是：要考核的內容就認真學，不考試的內容就馬虎對待，甚至不學。為了讓學生端正學習態度，實驗課程采用“全過程考核”方式，即從實驗前到實驗結束都設置對應的分值，該分值作為實驗課程成績的組成部分。例如，實驗前，學生要在線上完成相關內容的學習，并提交預習作業或實驗方案；課堂上，設置實驗成果匯報、原因分析、提問及討論環節；課后提交實驗報告，要求報告中每個學生的實驗圖片及總結部分不能相同。這樣，實驗課程的最終成績由線上積分、課堂得分及實驗報告得分相加得到，既避免了傳統的只依據實驗報告論成績的片面問題，也避免了小組中部分學生“投機取巧”的現象，對培養學生自主學習能力起到督促作用。

1.2 培養學生創新能力——綜合設計型實驗、研究探索型實驗

欲通過實驗課程培養、提高學生的創新能力，綜合設計型實驗和研究探索型實驗[8]必不可少。同一門課程，不同高校的側重點不同。表1為貴州師范大學材料與建筑工程學院開設的土木工程材料實驗課程項目，共16 學時。其中，項目三為設計性實驗，要求學生參考教材上混凝土配合比設計方法設計幾組混凝土，并進行試拌；項目四為研究性實驗，提供多種原材料，但不限定混凝土配合比設計方法，要求學生配制出既滿足工程性能指標又經濟環保的混凝土。要完成這兩個實驗，各小組學生必然要在課前查找大量資料，共同研討選材、設計初步配合比。實驗結果的不唯一性充分發揮了學生的創新能力。完成規定的實驗課程后，部分學生繼續在教師的指導下進行探索性實驗，申報項目和參加比賽，進一步提高創新能力。

當然，沒有基礎實驗的循序漸進，學生很難完成設計性、研究性、探索性實驗。建議第一次課設置為基礎驗證性實驗或難度相對低的綜合性實驗，課時不宜過多，可采用TRIZ 理論進行教學設計或以比賽形式進行教學，使學生對實驗保持新鮮感，又可達到熟悉實驗環境、實驗儀器和實驗過程的目的。

1.3 培養學生批判性思維——匯報、討論、答辯環節

批判性思維在教育中的體現，是鼓勵學生提問、質疑、討論和闡釋[7]。工程技術人才不僅會“動手”，還要會“動口”。實驗方案確定和調整時的討論、實驗成果匯報和原因分析、生生之間和師生之間課堂上的提問和討論等，均是培養學生批判性思維的良機。從表1可見，最后一次實驗課為答辯課，要求每一組學生準備答辯材料，先由學生代表對配制混凝土的設計依據、計算過程、配合比調整、實驗結果等進行闡釋，然后同組全部學生接受其他學生和教師的提問。這就要求每名學生不僅要參與實驗，還要熟悉、理解實驗全過程。即使是基礎驗證性實驗，也要有討論環節，讓學生展示實驗成果并進行簡單的分析，傾聽的學生至少提出一個問題。這樣，不僅鍛煉了學生的批判性思維，還能保證學生上課的專注度。

1.4 培養學生解決實際工程問題的能力——工程情境下的命題

解決實際工程問題的能力對土木工程專業學生的重要性不言而喻。實驗項目的命題可設定在某工程情境下，讓學生沉浸在處理實際工程問題的氛圍中。如表1的項目四：混凝土配合比設計，參考了“全國大學生混凝土材料設計大賽”。大賽主題是，以有利于混凝土耐久性為原則，采用機制砂配制某強度等級的大流態混凝土，要求考慮工程的實際應用環境和符合經濟性，展示大學生解決復雜工程問題的能力。實驗室提供不同砂石料、不同摻合料、不同外加劑供學生自主選擇。課堂上采用“學生為主，教師為輔”的教學方式，并對又快又好地完成實驗任務的小組加分。事實證明，學生非常喜歡這種有挑戰性的實驗，積極性有很大提高。

表1 土木工程材料實驗課程項目

2 建議

為了更好地推進實驗教學，穩定的教學團隊、多管齊下的教學手段對提高實驗教學質量能起到良好的效果。

2.1 教學團隊建設

以貴州師范大學材料與建筑工程學院的“土木工程材料教學團隊”為例，團隊由以建筑材料為研究方向的幾位教師組成。無論是課前的線上學習資源建設、實驗項目設置，還是實驗教學的具體開展，抑或是課后對學生參賽和科研訓練的指導，教學團隊成員都是互幫互助、共同研討。最終，將土木工程材料理論課程、實驗課程均打造成了校級一流課程。

2.2 線上與線下融合

隨著“互聯網+”的發展，以及受新冠肺炎疫情影響，為滿足“停課不停教，停課不停學”的要求，線上線下融合教學模式成為必然趨勢。對于土木工程專業，很多實驗項目受實驗條件、資金等因素的影響，很難在線下開展實體實驗，而線上的虛擬仿真不失為一種理想解決方式。對于很多高校，要建設虛擬仿真實驗項目確實不易，但是可以借助某些平臺上已有的虛擬仿真實驗項目開展教學，完全突破了時空的限制。其中，由高等教育出版社負責建設運營的虛擬仿真實驗教學課程共享平臺——實驗空間，就是可直接服務于各高校的實驗教學公共服務平臺。

2.3 實驗與理論融合

實驗課程常用來襯托理論課程這個“主角”，但偶爾讓其承擔“主角”，讓理論課程為實驗教學服務，也能取得意外的效果。要求學生在較少學時的實驗課堂上一下涌出很多思路、方案，這是有難度的，何不讓學生從理論學習時就去思考、準備呢？在理論課程教學時，教師一般都會結合科研項目、實際工程問題、前沿熱點等為學生拓展很多內容，抑或采用“翻轉課堂”模式，讓學生去查資料、寫讀書筆記，然后在課堂上與同學分享、討論。理論課程的這種啟發式、探究式教學，能為學生進行綜合設計型、研究探索型實驗提供思路。

3 結語

在“新工科”背景下，實踐教學更凸顯其重要地位。事實證明，土木工程專業人才的自主學習能力、創新能力、批判性思維、解決實際工程問題的能力，是可以通過在實驗課堂上學習和實踐中獲得的，關鍵是要建立科學合理、可操作的實驗教學模式。即圍繞“以學為中心”的教學理念、實施全過程考核、開展沉浸于工程情境下的設計性和研究性實驗、增設答辯環節，同時采取團隊教學、線上線下融合、實驗與理論融合的多組合教學方式。將該實驗教學模式應用于土木工程材料實驗課程教學中，取得了較好的效果。學生參與科研訓練、比賽的積極性和主動性明顯提高，近兩年多個學生團隊基于3D 打印混凝土、MgO 混凝土、透水混凝土、再生混凝土等項目，獲得了多項校級、省級、國家級的大學生創新創業訓練項目立項，在“挑戰杯”“全國大學生節能減排社會實踐與科技競賽”“互聯網+”“全國大學生混凝土材料設計大賽”中均獲得獎項，學生的創新實踐能力得到了很大提升。