新工科背景下結構試驗教學體系初探

潘權 易壯鵬

（長沙理工大學土木工程學院）

目前，高等學校的新工科建設已經處于實際實施階段，國家層面提出了“復旦共識”“天大行動”和“北京指南”等，新工科注重培養學生創新能力、適應能力、綜合素質，以滿足未來新產業需要。土木工程建設產業逐漸向著智能化、集約化、模塊化方向發展，這些土木工程建設項目都與土木工程材料、基本構件、結構體系有著密切的關系。在工程建設前，都要對材料、基本構件的力學性能開展研究，建設完成后又需要對結構體系進行整體評價，從整個土木工程建設全過程均離不開試驗。在高校，為了加深學生對土木工程梁、板、柱、節點、索結構等基本構件概念、基本力學性能的理解，基本均開設了結構試驗這門課程。通過熟悉結構試驗全過程，引導學生深入理解基本材料、基本結構的物理、力學特性，調動學生學習的主動性和學習興趣，加深對土木工程基本結構的力學特性的理解，潛移默化地提升學生的科研興趣，并發展成愛好，這十分有益于實際動手能力的培養。于是，這些都突顯了結構實驗教學的重要地位和特殊意義。

一、已有結構實驗教學中需改進之處

（一）課程實驗項目設置簡單、老舊

當前各土木高校結構試驗基本上以基本構件的力學特性測試為主，常包括鋼筋混凝土梁正截面破壞性試驗、剛架受力性能試驗、鋼筋混凝土柱偏心受壓試驗、鋼桁架梁受力性能實驗，超聲回彈測試混凝土強度試驗，纜索支撐結構索力測試試驗，在實驗課程設置中，綜合性的實驗內容較少，且開設的實驗多年未更新，對新設備、現代測試技術引入不足，學生缺少主動性，被動地接受實驗安排，基本構件之間的聯系及優缺點了解較少。且常由于實驗場地和經費有限，不太可能大規模組織學生開設自我設計制作到測試全過程的教學，也很少開設現場實驗。

（二）實驗教學手段陳舊，學生被動學習

目前實驗教學大致為課前預習、課堂講解、學生實操、數據處理幾個階段，學生基本在老師全過程指導下完成實驗報告的撰寫，甚至為了實驗報告好批閱，部分實驗指導老師把整個實驗框架全部搭建好，只讓學生填空，學生自主性較差，實驗報告千篇一律，教學手段相對陳舊落后。由于實驗課程學時較少，部分實驗項目在教學時間上完不成，例如對既有鋼桁架梁、剛架、混凝土預制結構、既有索結構上進行加載試驗前，老師均已提前將構件預制和準備好，應變傳感器粘貼好，學生只需要接線讀儀器，參與加載試驗就行，試驗完成后撰寫實驗報告，未能獨立完成實驗的全過程，不能充分發揮學生的積極性和學生的主觀能動性，教學效果不理想。

（三）實驗課時安排亟需優化

根據實際情況，部分實驗課所需時間相對于其他實驗較長（如：混凝土梁正截面破壞性試驗、混凝土梁柱偏心受壓性能試驗），前期準備工作較多，由于每次分級加載需要較長的穩定時間，導致真實實驗耗時與實驗課時存在矛盾，這種時長不統一常利用周末或者晚上組織學生完成實驗來解決，師生意見較大。

二、結構試驗教學體系的探索思路

上述結構實驗教學中需改進的問題，總的說來有如下的一些解決措施，部分學者已關注到這些問題開展了相關的研究，針對實驗教學內容老舊、不連貫的不足，可以從基本實驗、綜合性實驗和創新型實驗三個層次開展結構實驗教學的探索研究。

（一）以工程問題為導向、能力培養為目的，探索結構試驗教學體系改革

土木工程教學為一個大體系，涵蓋課程體系建設、專業建設、實踐環節培養及大綱修訂等諸多內容，把課時安排、考核評估、實驗過程管理、指導老師工作量等全盤考慮管理，引入科學研究的最新成果、添置新的測試設備、加入測試新方法、增加新實驗項目等，提高教學質量和創新人才培養模式，滿足新工科背景下對學生的新要求。鑒于工程應用型、創新型人才的需求及現代土木工程的發展趨勢，先進的實驗教學理念“注重基礎實驗，強化工程實踐，結合科研生產，激勵技術創新”得到了堅持，長沙理工大學土木工程專業結構試驗教學中心建立了一套多層次實驗教學體系，核心在于堅持以協調發展的工程實踐能力培養為主線，融知識傳授、能力培養、素質提高；同時，在充分培養學生工程實踐能力和創新意識的目標指引下，堅持科研反哺、工程實踐促進、設備自主開發等一系列改革措施，堅持發揮學科優勢、激勵實驗創新。

（二）探索結構試驗教學新模式

以工程項目為教學內容，邀請科研項目負責人為理論指導老師，研究生為助教，探索采用實際工程中的結構開展結構試驗新模式，結合常規結構試驗教學的成果，加強基本結構的力學性能的認識，試驗成果應用于工程實際，培養學生動手能力、綜合分析能力。對于難以操作的實驗，探索嘗試用虛擬仿真試驗進行教學。改進實驗教材，實行實驗課程模塊化，將科研項目成果引入實驗教學，整合實驗項目，建立實驗項目庫，合理利用資源，建設開放型實驗室，通過實驗室開放部分實驗設備，開設開放實驗課，鼓勵學生參與實驗的整個過程，展開綜合性實驗，建立實訓基地，聯系工程師開展課堂教學等教學模式。虛擬現實技術進行數字化構建是環境、條件較復雜實驗可資借鑒的手段，涵蓋虛擬設計、虛擬操作、虛擬分析、3D打印技術的應用等。將實驗項目按照從簡單到復雜，循序漸進的思路，首先，結合專業、興趣、特長、目的等選擇貼近學生自身實際情況的實驗項目；其次，受“生活超市”靈感的啟示，采用開放式、自助式等“實驗超市”模式管理實驗室，具體內涵為包括各種材料、基本構件、組件、各種量具、機器設備、計算機、虛擬測試分析系統及各種實驗儀器；再次，將單調的實驗項目變得豐富多彩，基于實驗超市平臺充分調動本科生創新性、主動性和積極性，變“要我做”為“我要做”。另一方面，在實驗教學中充分運用校園網絡系統，通過實驗教學、實驗室管理平臺的網絡化協助網上教學，實現試驗教學智能化。此外，多種學習資料以網頁形式上傳至“結構試驗教學管理系統”，包括教學大綱、多媒體課件、實驗預習指南等學習資料，甚至還可通過虛擬仿真實現部分實驗指導、過程、步驟、方法的網絡化，建立網絡實驗室。

（三）實驗課程的模塊化探索與全過程考核

將實驗課程教學進行分塊單元化與全過程考核，構建與探索實驗課內容難、實驗課堂效率較低、難以考核等難題。對于涉及到的混凝土梁斜截面破壞性實驗、拱橋模型受力性能實驗、工程結構動力特性測定試驗、橫向分布系數測定實驗、影響線受力性能實驗、框架結構模態試驗、三維Labview仿真實驗等實驗，可以采取多種手段進行探索，如對實驗過程合理分塊、優化實驗分組、鼓勵設計創新和加強過程考核等，其最終目的在于提高學生完成實驗的興趣、積極性和獨立性，提升教學效果。作為全面考查學生的知識掌握情況、動手能力和創新意識的實驗課程，土木工程專業學生的考核采用三大塊結合的方式，即平時成績、實驗報告和期末考試按1：2：2比例分配。

三、完善結構試驗教學體系的實施方案

（一）增設綜合性實驗項目，分層設計教學形式，豐富教學內容

綜合性實驗的開設要能體現實驗在工程中的應用，可考慮結構材料分類，展開針對不同結構材料類型的實驗，包括：①鋼筋混凝土結構（梁、板、柱）受力性能試驗（含預應力結構）；②有機玻璃模型（鉸接梁、剛接梁、單拱、多拱等）結構受力性能試驗；③鋼結構（桁架、剛架、索結構等）受力性能實驗；④新材料、新結構受力性能試驗；⑤虛擬仿真實驗等，引導學生選用不同測試方法針對不同材料、構件開展實驗，通過差異性的實驗手段深入理解不同材料組成的結構的本質特征，更直觀、準確區分不同結構材料導致的工程差異。例如，在鋼筋混凝土結構受力性能的試驗中，構件材料、材性實驗、鋼筋的加工、混凝土澆筑、養生、傳感器的布置、試驗加載方案的確定、測試系統的布置均是學生可以參與選擇的對象，實驗過程的描述直至報告編寫全過程，讓學生被動學改為主動學，指導老師參與實驗全過程指導，給出評價分數。對于既有有機玻璃模型和鋼結構模型，需要根據結構本身的特點，制訂實驗方案，完善實驗步驟，布置測試系統，完成現場實驗，提交報告。同時，鼓勵利用實驗室提供的新材料、設計新的結構，完成試驗全過程，將單純的驗證性實驗轉化為設計型和綜合性實驗，以增強教學內容的實踐性和創新性。例如增加高強度鋼的性能實驗，高性能混凝土制備及測試實驗、掃描電鏡引入材料微觀的試驗等。通過新增虛擬實驗，達到“實驗室”進課堂、“儀器”上講臺的目的，實現現場操作儀器、動態顯示原理的要求。此外，課余還可通過“虛擬實驗室”“實地”反復操作儀器，更進一步強化訓練學生實踐能力。

（二）以工程項目為依托，探索結構試驗教學新模式

針對實驗教學與工程實際脫節的問題，結合室內科研項目較多的現實情況，探索將教師科研項目引入結構試驗教學中，由科研教師和實驗室老師共同指導實驗，可靈活機動地安排實驗時間，甚至直接采用科研試驗的構件完成實驗，這樣可以避免撰寫實驗報告時各組內容出現雷同的情況，使得報告更貼近工程實際，更加凸顯土木工程試驗的重要性，并培養學生的科研和動手能力。

（三）整合實驗室現有設備和場地資源，建設開放型實驗室

整合實驗室現有資源，增加部分通用設備的臺套數，規劃實驗場地，建立類似于大型試驗超市實驗室，學生可以根據實驗任務自我挑選設備，選擇實驗場地，自由組合完成實驗。多個結構試驗項目采用的測試設備基本類同，例如應變采集系統，撓度測試系統，裂縫觀測、動力測試系統等，可以在多個實驗項目上重復使用，也不需要額外添置更多的儀器設備，故實施也具有可行性。實驗室特定時間段對外開放，允許學生在課余時間對感興趣的實驗進行操作，老師則指導與協助學生完成操作，讓學生有興趣地開展一些有一定創造性的小實驗。此外，教學計劃以外儀器設備操作方法是學生必須知悉的內容，學生在教師指導下可以達到這一目的，使得學生可以進一步獲取創新能力、開闊視野。

（四）探索實驗課程全過程考評機制

為了使得學生能夠從宏觀、微觀上更全面地了解實驗全過程，可以通過過程合理分塊、實驗分組優化、鼓勵實驗設計創新和加強過程考核等措施進行探索，用以達到精準訂單式培養的目的，最終實現提高學生開展實驗的興趣、積極性，同時提高實驗教學的效果。分塊模式與全程參與是綜合實驗教學的重要推進手段，分塊模式是指準備階段、設計階段、實驗階段、分析階段等階段設計不同的任務，全程參與是學生參與實驗的整個過程，涵蓋構件制作、養生、安裝等。實驗老師的指導同樣至關重要，在老師指導下學生設計實驗方案、記錄實驗數據，可提出多種實驗方案，在逐一比對的基礎上進行數據處理，最終實現引導學生深入理解并獲得最優實驗方案的目的。全過程考核體系是提升實驗質量的一個重要舉措，其目的在于一方面促使學生完成模塊化學習并掌握實驗知識，另一方面提高全面考慮問題與處理突發問題的能力。例如，學生隨機實驗操作演示、現象原理描述等方式效果非常好，這些實驗教學的全過程考核措施對土木工程專業的結構試驗實驗課程教學十分有益，對形成功能化單元、形成全過程考核體系至關重要。

四、實施效果

選取本院橋梁卓越班開展了結構試驗新的教學模式的探索，全班共45個學生，在大三第一學期開設了結構試驗這門32個學時的課。該課程共開設有機玻璃鉸接梁模型橫向分布系數測定實驗、鋼筋混凝土結構柱偏心受壓性能試驗、鋼桁梁受力性能試驗、鋼筋混凝土梁正截面受力性能試驗作為4個基本試驗，要求學生均參與，提交試驗報告，完成16個學時，其中混凝土構件要求在開學初學生參與梁和柱的尺寸設計、鋼筋的加工、混凝土的澆筑，養生，學習完成相關理論知識后完成試驗，學生普遍反映新的教育方式能加深對知識點的掌握，達到了較好的效果。有部分學生自主選擇了鋼筋混凝土梁斜截面受力性能試驗、有機玻璃剛接梁模型橫向分布系數測定實驗、纜索支撐橋梁索力測試試驗、剛架受力性能等試驗，充分利用了實驗室現有的設備自主開展了測試工作，完成了試驗報告。有16個學生選取了超聲回彈法虛擬仿真試驗，提高了學習的積極性；有4個學生協助科研老師完成了掃描電鏡對試件微觀的測試試驗，撰寫了試驗報告；14個學生選取了UHPC混凝土構件的配合比設計、試件制作、養生及測試工作，提交了試驗報告，這些學生的科研愛好和興趣得到了較好的培養，均表示要積極備考，參加碩士研究生的入學考試。45個學生均完成了規定的學時，加深了對知識點的掌握，也對比分析了不同材質、不同測試方法對試驗結果的影響，完成了結構試驗全部內容。學生的科研興趣和動手能力、分析處理問題、團結協作能力等均得到了較好的培養，達到了預期效果。

五、結語

結構試驗作為土木工程專業實踐教學的重點內容之一，承載著對學生創新能力、適應能力、綜合素質的培養責任，對加深理論知識的認識，培養應用型人才起著重要的作用。探索結構試驗的教學體系的建構以及教學工作的開展方式，借此形成能充分發揮學生的主體作用，達到受教學生提升學習主動性、獲得工程能力的目的，同時構建完整科學、適用的實踐教學體系，使得新的結構試驗的實踐教學體系建設更符合新工科、業界對土木工程應用型人才的迫切需求。橋梁卓越班結構試驗教學體系和模式的成功實施培養了學生的科研興趣和動手能力、分析處理問題、團結協作能力，達到了預期效果，值得推廣。