土木工程專業(yè)實驗教學(xué)內(nèi)容優(yōu)化及實驗教學(xué)方法研究

張 毅 韓金斌 王 煒 師金鋒

（火箭軍工程大學(xué)作戰(zhàn)保障學(xué)院，陜西 西安 710000）

引言

實踐是土木工程專業(yè)的出發(fā)點也是落腳點，土木工程教育的目的就是要在學(xué)生學(xué)習(xí)掌握基本理論和原理的基礎(chǔ)上，讓學(xué)生回到實踐，將理論與實踐相結(jié)合，分析實際問題解決實際問題，從而培養(yǎng)既具有扎實理論基礎(chǔ)又具有一定實踐經(jīng)驗?zāi)軌蚪鉀Q實踐問題的高素質(zhì)人才[1]。

一、土木工程專業(yè)人才需求分析

通過對在當(dāng)前崗位工作多年人員的走訪及問卷調(diào)查，進(jìn)一步深入了解本校土木工程專業(yè)人才的成長途徑、過程與環(huán)境，通過人員對自己的職業(yè)生涯的回顧分析，總結(jié)個人專業(yè)方面的優(yōu)勢與不足，提煉出學(xué)生畢業(yè)時最需要具備的能力素質(zhì)。然后，對不同方面的能力需求進(jìn)行分解，在考慮專業(yè)特點及學(xué)生自身成長規(guī)律的情況下，將學(xué)生的能力分解為知識、技能和素養(yǎng)三個層次。最后，分析每個方面能力在不同層次下，所培養(yǎng)的學(xué)生要達(dá)到哪些具體的標(biāo)準(zhǔn)。

知識在居于三個層次中的最底層，也是學(xué)生學(xué)習(xí)中最直接獲取的東西，知識層面要求學(xué)生具備自然科學(xué)、人文科學(xué)等基礎(chǔ)性知識和外語計算機等運用型知識；能力層面要求學(xué)生具有認(rèn)知、思辨、實踐和解決實際問題的能力；素養(yǎng)層面要求學(xué)生具備求真務(wù)實、嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致和吃苦耐勞的品質(zhì)。

對土木工程專業(yè)來說，工程能力是必不可少的。在學(xué)校學(xué)習(xí)階段，學(xué)生能力的培養(yǎng)，主要通過課程實驗、課程設(shè)計和畢業(yè)設(shè)計等實踐教學(xué)環(huán)節(jié)來進(jìn)行。土木工程專業(yè)的實踐能力就是能將已經(jīng)掌握的知識和經(jīng)驗運用于設(shè)計、施工、運維管理等環(huán)節(jié)，能發(fā)現(xiàn)問題、分析問題并解決實際問題[2]。

其目的是使學(xué)生能夠用實踐驗證鞏固所學(xué)知識，培養(yǎng)自主發(fā)現(xiàn)問題、自主解決問題的能力；更好地印證所學(xué)的理論知識，為畢業(yè)以后的任職打下基礎(chǔ)。在技能層面，學(xué)生要掌握施工材料種類、性能及應(yīng)用，掌握土建工程施工分類、施工流程，具有較強的施工組織和工程機械操作與維修等專業(yè)技能，適應(yīng)工程設(shè)計與施工的發(fā)展和任職崗位轉(zhuǎn)換的需要。在素養(yǎng)層面，學(xué)生要求掌握巖土工程、結(jié)構(gòu)工程和地下防護(hù)工程等學(xué)科專業(yè)基礎(chǔ)理論，以及工程識圖、測量與施工技術(shù)等專業(yè)知識，具有較強的施工作業(yè)與工程保障專業(yè)基本技能，具備良好的專業(yè)素養(yǎng)和一定的創(chuàng)新精神。

情感態(tài)度是在知識、技能、素養(yǎng)需求的基礎(chǔ)上，對學(xué)生更高層次的要求和需求。情感態(tài)度與價值觀作為一個人對待科學(xué)事物的最基本看法與傾向性，雖然是潛移默化的，但對個人以后的行為和發(fā)展具有很強的導(dǎo)向與制約作用，且作用是長期性的和根本性的。工程建設(shè)是一個從無到有的過程，其工作性質(zhì)決定了工作環(huán)境的艱苦，因此具備吃苦耐勞的品質(zhì)幾乎是工程人員的基本要求和品質(zhì)。而這些品質(zhì)的具備，除工作崗位的磨煉之外，還需要學(xué)生對工作崗位的認(rèn)同，對自身價值的認(rèn)同。

二、實驗教學(xué)內(nèi)容優(yōu)化

根據(jù)研究內(nèi)容中需求分析得到的人才在知識、能力和素質(zhì)方面的具體標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合人才培養(yǎng)方案中的課程體系，明確學(xué)生哪些知識、能力和素質(zhì)的培養(yǎng)需要通過實驗教學(xué)完成；以包含實驗的各門課程為對象，對實驗教學(xué)內(nèi)容和實驗教學(xué)項目的進(jìn)行初步設(shè)置，減少與專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)關(guān)系不大的實驗內(nèi)容，增加對專業(yè)人才培養(yǎng)支撐作用較大的特有的實驗內(nèi)容；然后，將所有的實驗內(nèi)容和實驗項目進(jìn)行梳理和歸類，對內(nèi)容上存在部分重復(fù)性的實驗進(jìn)行合并，并根據(jù)學(xué)生的知識體系結(jié)構(gòu)選取適當(dāng)?shù)臅r間點開展相應(yīng)的實驗[3]。

在人才培養(yǎng)方案中的課程設(shè)置中，包含實驗的課程及實驗學(xué)時主要有《材料力學(xué)》（6學(xué)時實驗）、《結(jié)構(gòu)力學(xué)》（6學(xué)時實驗）、《建筑材料》（10學(xué)時實驗）、《土木工程制圖》（6學(xué)時實驗）、《土力學(xué)》（12學(xué)時實驗）、《鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)原理》（4學(xué)時）、《巖體力學(xué)》（6學(xué)時實驗）、《土木工程測量》（20學(xué)時實驗）、《地下結(jié)構(gòu)》（6學(xué)時實驗）、《地下工程施工》（8學(xué)時實驗）、《建筑安裝工程》（8學(xué)時實驗）、《土木工程實驗》（28學(xué)時實驗）。實驗學(xué)時共計120學(xué)時。

對比這些課程的課程教學(xué)計劃與地方大學(xué)土木工程專業(yè)中的實驗課內(nèi)容可以看出，這些課程中的實驗內(nèi)容與地方大學(xué)土木工程課程實驗內(nèi)容基本相同，主要還是以土木工程專業(yè)的實驗內(nèi)容為主，地方土木工程專業(yè)相關(guān)課程設(shè)置的背景主要是工業(yè)與民用建筑工程，沒有考慮本校土木工程專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)和特點，更不可能緊密聯(lián)系學(xué)生的第一崗位任職需求。同時，這些實驗內(nèi)容的設(shè)置大多基于以前或早期的工程發(fā)展技術(shù)，對當(dāng)前的VR技術(shù)，半實物仿真等技術(shù)運用較少。優(yōu)化后的實驗包含：拉伸實驗、壓縮實驗、扭轉(zhuǎn)實驗、鋼筋混凝土拱破壞實驗、鋼拱架破壞實驗、水泥細(xì)度實驗、砂子的篩分實驗、砂漿稠度實驗、砂漿分層度實驗、砂漿強度實驗、混凝土和易性實驗、混凝土立方體抗壓強度實驗、自密實混凝土配制及力學(xué)性能實驗、高強混凝土配制及力學(xué)性能實驗、建筑施工圖、結(jié)構(gòu)施工圖、土的密度實驗、土的含水率實驗、土的滲透實驗、鋼筋混凝土梁設(shè)計、制作和使用性能及承載力、單軸抗壓實驗、巖石的三軸抗壓強度試驗、巖石點荷載強度實驗、水準(zhǔn)儀的認(rèn)識實驗、水準(zhǔn)測量實驗、經(jīng)緯儀認(rèn)識實驗、水平角、豎直角觀測實驗、GPS控制測量練習(xí)、全站儀的基本操作與使用、地形圖碎部測量實驗、地下工程結(jié)構(gòu)演示、鉆爆法仿真交互實驗、水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量實驗、混凝土材料滲透性實驗、水泥膠砂強度檢驗、回彈儀測定混凝土強度、混凝土耐久性試驗、鋼纖維混凝土配制及力學(xué)性能測定實驗、混凝土外加劑實驗。

三、實驗教學(xué)方法

目前，很多包含實驗課的課程在開展時，都是將實驗課放在理論課之后進(jìn)行，目的是讓學(xué)生在具備一定的理論知識基礎(chǔ)后再開始實驗。實驗過程基本如下：教員先進(jìn)行理論回顧和實驗過程及儀器設(shè)備初步講解，然后向?qū)W生進(jìn)行現(xiàn)場示范和講解，最后由學(xué)生按照規(guī)定程序和要求完成實驗并撰寫實驗報告。不同類型的實驗特點不同，學(xué)生當(dāng)前基本只能按部就班地完成實驗，而單一不變的實驗安排對發(fā)揮學(xué)生的自主性和創(chuàng)造性是不利的。

根據(jù)實驗的側(cè)重點、特點和作用，將土木工程專業(yè)實驗分為：驗證性實驗、設(shè)計性實驗和綜合性實驗三種[4-5]。基本性實驗是指通過基本現(xiàn)象獲取基本知識和經(jīng)驗的實驗，此類實驗的主要目的是對實驗結(jié)果進(jìn)行驗證，通過驗證加深學(xué)生對所學(xué)理論和原理的進(jìn)一步理解。過程以學(xué)生的實際操作為主，通過觀察、思考、記錄、計算和分析達(dá)到驗證的目的。這類實驗對學(xué)生動手能力的培養(yǎng)和訓(xùn)練是基礎(chǔ)性的，也是必不可少的。設(shè)計性實驗是學(xué)生通過相關(guān)問題的思考，可以得到相應(yīng)的結(jié)果，但還需要進(jìn)一步驗證，需要在基本實驗的基礎(chǔ)上進(jìn)行一些改進(jìn)；綜合性實驗，是指實驗結(jié)果事先無法知道，需要學(xué)生根據(jù)所學(xué)知識和原理進(jìn)行推理，得到初步的可能結(jié)果，然后通過設(shè)計實驗并動手操作，具有較大的探索性和研究性，是通過實踐來獲取知識，是對原來所學(xué)知識的進(jìn)一步拓展，需要對原有知識結(jié)構(gòu)進(jìn)行新的調(diào)整和建構(gòu)。此類型的實驗要求學(xué)生已經(jīng)掌握基礎(chǔ)理論和知識，具有基本的動手操作實驗?zāi)芰Γ虼艘话阍诟吣昙墝W(xué)生中開設(shè)。這類實驗可以培養(yǎng)學(xué)生深入思考和較強的思維與動手能力。

針對不同的實驗類別探索和研究不同的實驗方法，用更有針對性的實驗方法達(dá)到實驗效果更明顯的目的。使學(xué)生在完成實驗的過程中既能掌握扎實的基本知識、基本方法和基本原理，動手實踐能力和創(chuàng)新能力也得到一定程度的培養(yǎng)和發(fā)展。實驗教學(xué)主要通過設(shè)置不同實驗類型，針對不同的實驗類型采取不同側(cè)重點和關(guān)注點的方法來進(jìn)行。

1.驗證性實驗

驗證性實驗?zāi)康脑谟跐M足土木工程專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)的基礎(chǔ)實驗，主要是讓學(xué)生了解儀器設(shè)備的基本構(gòu)造和原理，掌握實驗基本原理和方法步驟，熟悉實驗儀器設(shè)備的操作規(guī)程。通過實驗?zāi)芴岣邔W(xué)生的操作技能及實驗結(jié)果的分析能力，為進(jìn)入綜合性實驗打下堅實的基礎(chǔ)。此部分初步設(shè)置22個實驗項目，包含拉伸實驗、壓縮實驗、扭轉(zhuǎn)實驗、鋼筋混凝土拱破壞實驗、鋼拱架破壞實驗、水泥細(xì)度實驗、砂子的篩分實驗、砂漿稠度實驗、砂漿分層度實驗、建筑施工圖、結(jié)構(gòu)施工圖、土的密度實驗、土的含水率實驗、土的滲透實驗、單軸抗壓實驗、水準(zhǔn)儀的認(rèn)識實驗、經(jīng)緯儀認(rèn)識實驗、水平角豎直角觀測實驗、全站儀的基本操作與使用、地下工程結(jié)構(gòu)演示、水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量實驗、混凝土材料滲透性實驗。

2.設(shè)計性實驗

土木工程專業(yè)設(shè)計性實驗由一系列擴(kuò)展實驗構(gòu)成，目的是使學(xué)生在掌握基本實驗技能的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步了解、掌握工程實際以及科學(xué)研究中較為先進(jìn)的實驗技術(shù)及方法，加強學(xué)生的專業(yè)修養(yǎng)，并通過實踐教學(xué)與科學(xué)研究相結(jié)合等方式，培養(yǎng)學(xué)生科研及創(chuàng)新的能力和潛質(zhì)。該實驗從提出問題、擬定實驗方案、選擇實驗設(shè)備、完成實驗數(shù)據(jù)的觀測和處理，到最后得出結(jié)論，解決自己提出的問題，都由學(xué)生獨立完成，教師只充當(dāng)“引導(dǎo)”和“輔助”的角色，提高了學(xué)生獨立鉆研的能力[6]。初步設(shè)置的設(shè)計性實驗共有10個實驗項目，包含：砂漿強度實驗、混凝土和易性實驗、混凝土立方體抗壓強度實驗、巖石的三軸抗壓強度試驗、巖石點荷載強度實驗、水準(zhǔn)測量實驗、GPS控制測量練習(xí)、鉆爆法仿真交互實驗、水泥膠砂強度檢驗、回彈儀測定混凝土強度。

3.綜合性實驗

綜合性實驗主要為了增強學(xué)生的科研素質(zhì)，從而適應(yīng)工程技術(shù)快速發(fā)展的要求。這類實驗由學(xué)生選擇自己感興趣的課題進(jìn)行研究，首先要熟悉本項目研究領(lǐng)域里國內(nèi)外研究動態(tài)，然后通過自主學(xué)習(xí)、自主設(shè)計、自主實施，充分施展學(xué)生的專業(yè)素質(zhì)和組織能力。這類實驗具有真正的科學(xué)研究和探索的性質(zhì)[7]。學(xué)生在綜合性實驗中體會更多的是自主和研究，通過綜合性實驗，學(xué)生可以在實驗的過程中找到學(xué)科競賽、畢業(yè)設(shè)計方面的研究內(nèi)容和主題，即便在實驗課程結(jié)束后，學(xué)生依然可以通過相關(guān)途徑繼續(xù)進(jìn)行實驗研究，為個人后續(xù)的發(fā)展積累更多的可能性。初步設(shè)置的綜合性實驗項目共有8個，包含自密實混凝土配制及力學(xué)性能實驗、高強混凝土配制及力學(xué)性能實驗、鋼筋混凝土梁設(shè)計、制作和使用性能及承載力、地形圖碎部測量實驗、混凝土耐久性試驗、鋼纖維混凝土配制及力學(xué)性能測定實驗、混凝土外加劑實驗。

結(jié)語

實驗教學(xué)在土木工程專業(yè)人才培養(yǎng)中的作用不可替代，尤其是對應(yīng)用型人才的培養(yǎng)更是如此，應(yīng)加大《建筑材料》《地下工程施工》《鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)原理》等部分課程的實驗環(huán)節(jié)比重，加大綜合性實驗的學(xué)時，給學(xué)生以更充分的主動權(quán)進(jìn)行實驗，讓學(xué)生在實驗課程學(xué)習(xí)時，就初步具備畢業(yè)選題的能力或埋下畢業(yè)設(shè)計選題的種子，打通學(xué)生從課程實驗和實驗課程到畢業(yè)設(shè)計選題的通路。通過相關(guān)實驗項目的實踐表明，使用固定課堂實驗對土木工程某些實驗來講比較困難尤其涉及某些設(shè)計類實驗和綜合實驗，這些實驗已經(jīng)不是結(jié)果重現(xiàn)的實驗，考查的是學(xué)生設(shè)計實驗，發(fā)現(xiàn)問題，再創(chuàng)造的過程，在條件允許的情況下，應(yīng)加大此類型實驗的比例，更好地培養(yǎng)學(xué)生解決問題的能力和創(chuàng)新能力。