新工科背景下智能建造專業(yè)實驗教學(xué)改革與探討

摘要：智能建造專業(yè)是新工科典型專業(yè)之一，而實踐能力對于新型工科專業(yè)來說至關(guān)重要，因此，實驗教學(xué)對于智能建造專業(yè)來說是不可或缺的。而大多高校在智能建造專業(yè)實驗教學(xué)時存在實驗內(nèi)容“墨守成規(guī)”“不求進取”、實驗教學(xué)手段“陳陳相因”、實驗教學(xué)評價“亟待完善”等主要弊端。本文通過打破傳統(tǒng)教學(xué)結(jié)構(gòu)，構(gòu)建多層次教學(xué)模式、虛實結(jié)合，構(gòu)建智能化實驗教學(xué)體系、多元分析，構(gòu)建綜合評價體系三個方面對上述弊端進行革新與探討。本文可為我國高等學(xué)校培養(yǎng)智能建造專業(yè)拔尖創(chuàng)新復(fù)合型人才和行業(yè)領(lǐng)軍提供參考。

關(guān)鍵詞：智能建造；實驗教學(xué)改革；新工科

隨著科技的發(fā)展和社會的進步，我國高校的教育質(zhì)量也應(yīng)并駕齊驅(qū)，這就要求高校培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力、動手能力、動腦能力，進而培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和攻堅克難的能力與信心，使學(xué)生成為全能型新興拔尖人才。實驗課程是高等學(xué)校實踐教學(xué)的“主力軍”，智能建造專業(yè)作為典型的新工科專業(yè)，實驗課程的重要性不言而喻。而當(dāng)前高校教育卻大多過度注重“看不見，摸不著”的理論知識，對實踐教學(xué)的相關(guān)內(nèi)容安排較少，占比不足三分之一，因此，如何體現(xiàn)實踐教學(xué)的重要性，如何將理論教學(xué)與實踐教學(xué)相融合，如何通過實踐教學(xué)培養(yǎng)創(chuàng)新復(fù)合型人才是燃眉之急，是刻不容緩的“大革命”。

目前，實驗室是高校智能建造專業(yè)實驗教學(xué)的主要“陣地”，是新工科背景下培養(yǎng)高素質(zhì)人才、出高水平成果、服務(wù)經(jīng)濟建設(shè)的主要場所［1］，并且對于提高教學(xué)質(zhì)量、培養(yǎng)學(xué)生獨立探索及科學(xué)研究能力、強化實踐能力、實現(xiàn)應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標均具有重要意義［2］。可見在高校的教學(xué)、科研以及服務(wù)中，實驗室具有舉足輕重的作用，因此，如何強化實驗室的建設(shè)和深化實驗室的管理是高等學(xué)校至關(guān)重要、迫在眉睫的使命。

本文以智能建造實驗課程為例，從實驗教學(xué)內(nèi)容、實驗教學(xué)手段、實驗教學(xué)評價等三個主要的角度對現(xiàn)階段教學(xué)主要弊端進行剖析，進而通過構(gòu)建多層次教學(xué)模式、構(gòu)建智能化實驗教學(xué)體系、構(gòu)建綜合評價體系三個方面對上述弊端進行研討并維新。

1實驗教學(xué)存在的主要弊端

1.1實驗教學(xué)內(nèi)容“墨守成規(guī)”“不求進取”

目前，大多高校實驗教學(xué)為傳統(tǒng)的“填鴨式”教學(xué)，即教師首先將實驗流程和注意事項傳授給學(xué)生，隨后學(xué)生開始“照葫蘆畫瓢”，可能部分學(xué)生并未完全掌握實驗原理，并不完全理解實驗與理論的關(guān)系，單憑“照貓畫虎”也可以達到實驗課程的合格線，并且由于學(xué)生基數(shù)過大，實驗室開放時間有限等問題，可能某些學(xué)生并未實際操作，導(dǎo)致某些實驗成為“演示性”實驗，使學(xué)生在實驗教學(xué)過程中毫無存在感，長此以往，部分學(xué)生可能對于實驗課程毫無期待。

此外，大多數(shù)高校將實驗課程視為理論課程的附屬課程，實驗還“兵馬未動”，結(jié)果早已“了然于心”，這種驗證性實驗對學(xué)生創(chuàng)新思維和探索精神的培養(yǎng)“微乎其微”。并且很多高校在實驗課程中設(shè)置的實驗項目較少，大多為基礎(chǔ)性、重復(fù)性實驗，同時很多項目深度挖掘不夠，如在教授材料性能實驗時，一般是通過鋼材的軸向拉伸實驗獲得其屈服強度、極限拉應(yīng)力等參數(shù)，而忽略了地震力是往復(fù)的，理應(yīng)深挖往復(fù)拉伸鋼材實驗的數(shù)據(jù)是否更加精確，兩者的誤差大小及原因。

顯然，大多高校目前的實驗教學(xué)內(nèi)容是“墨守成規(guī)”“不求進取”，這不是實驗教學(xué)長遠科學(xué)發(fā)展的“光明道路”，因此，對實驗教學(xué)內(nèi)容進行改革是刻不容緩的“大事”。

1.2實驗教學(xué)手段“陳陳相因”

傳統(tǒng)的實驗課程教學(xué)方式大多是在線下實驗室教師演示、學(xué)生模仿。因此，實驗室場地、儀器設(shè)備、實驗時間以及學(xué)生自身性格等原因可能會導(dǎo)致部分能力強的學(xué)生學(xué)有余力而無條件深入研究，可能還會導(dǎo)致部分能力較弱的學(xué)生“害羞”，對于不理解的實驗理論“不敢”向指導(dǎo)教師請教，甚至部分學(xué)生對待實驗課程都不知如何融入和參與，并且這種現(xiàn)象普遍存在，致使實驗課程教學(xué)的成效低下。因此，如何更新實驗教學(xué)手段，進而提升學(xué)生的課程參與感和學(xué)習(xí)積極性，為社會培養(yǎng)綜合型創(chuàng)新人才是當(dāng)務(wù)之急。

1.3實驗教學(xué)評價“亟待完善”

目前，大多高校通過傳統(tǒng)的手段對實驗教學(xué)結(jié)果進行評價，傳統(tǒng)實驗教學(xué)評價手段是指導(dǎo)教師通過實驗報告、實驗實際操作情況、學(xué)生出勤次數(shù)以及實驗課程學(xué)生的表現(xiàn)和反饋等來評判實驗教學(xué)的結(jié)果，可見這種做法具有一定的主觀性，甚至?xí)o學(xué)生造成一種錯誤的引導(dǎo)，認為在不缺勤的前提下，實驗操作時“照搬照抄”，實驗課程的成績就不會太差，這樣一來，對于實驗理論，實驗操作等核心內(nèi)容則不受重視，這是目前的實驗教學(xué)結(jié)果評價的通病，可見大多高校缺乏一個完善的實驗教學(xué)評價體系。

2針對實驗教學(xué)弊端改革的措施

針對上述實驗教學(xué)過程中存在的弊端，可以從三個角度著手革新，分別為打破傳統(tǒng)教學(xué)結(jié)構(gòu)，構(gòu)建多層次教學(xué)模式、虛實結(jié)合，構(gòu)建智能化實驗教學(xué)體系、多元分析，構(gòu)建綜合評價體系，進而探索和踐行智能建造實驗教學(xué)內(nèi)容的措施。

2.1打破傳統(tǒng)教學(xué)結(jié)構(gòu)，構(gòu)建多層次教學(xué)模式

傳統(tǒng)實驗教學(xué)課程構(gòu)造大致如下：第一步，學(xué)生對照教材預(yù)習(xí)實驗內(nèi)容；第二步，教師準備設(shè)備儀器并按照教材進行示范實驗；第三步，學(xué)生依樣畫葫蘆，教師針對性指導(dǎo)；第四步，學(xué)生基于實驗結(jié)果處理實驗報告。這種實驗教學(xué)方式會導(dǎo)致學(xué)生的思維只能被動地困在教師所建立框架之中，學(xué)生的創(chuàng)新能力及主觀能動性會被抑制。這顯然與智能建造專業(yè)所需培養(yǎng)的拔尖創(chuàng)新新興人才和行業(yè)領(lǐng)軍的道路是偏離的。因此，我們需要打破傳統(tǒng)教學(xué)結(jié)構(gòu)，建立多層次實驗教學(xué)模式。

第一個層次：基礎(chǔ)性實驗。在教材的學(xué)習(xí)中，在實驗教師的指導(dǎo)下，學(xué)生按照操作步驟逐步完成實驗，能夠訓(xùn)練學(xué)生的基本專業(yè)技能，掌握基本實驗方法以及實驗理論。如混凝土抗壓強度實驗、鋼材軸向拉伸實驗、巖石標本認識實驗、材料基本性質(zhì)實驗、石灰有效鈣含量實驗等。

第二個層次：綜合性實驗。綜合性實驗是以掌握的專業(yè)知識為基礎(chǔ)，以確定的研究內(nèi)容為對象，按照研究目的學(xué)生提出實驗的設(shè)計方案，在實驗指導(dǎo)教師的協(xié)助下完成實驗。綜合性實驗可培養(yǎng)學(xué)生的自主研究能力、分析問題的能力和解決困難的能力。如預(yù)制節(jié)段拼裝鋼管混凝土橋墩擬靜力實驗、地震模擬振動臺實驗、鋼筋混凝土簡支梁實驗、標準鋼梁靜載實驗、簡支鋼桁架實驗、回彈法評定混凝土強度實驗、土的擊實實驗等。

第三個層次：創(chuàng)新型實驗。“一千個人心中有一千個哈姆雷特”，學(xué)生的思想是新穎的，有生機的，勇敢的，因此，學(xué)生可以利用實驗室及設(shè)備、教材等運用多種方法來實現(xiàn)自己的想法，鋪平自己的科研道路。高校的實驗室甚至可以成為學(xué)生專業(yè)思維變成實際工程的平臺。這對于培養(yǎng)學(xué)生的科研創(chuàng)新能力和學(xué)習(xí)的積極性起到了“推波助瀾”的作用。如上文提及的鋼材往復(fù)拉伸實驗、新型復(fù)合混凝土材料抗壓強度與裂縫開展實驗、多節(jié)段預(yù)制拼裝高墩抗震性能實驗、外置拱形耗能裝置的節(jié)段拼裝CFST橋墩實驗、拼裝幕墻振動臺實驗等。

多層次實驗教學(xué)模式是一種層層遞進的新模式，它成功地將教師為“主角”輸出，學(xué)生為“配角”吸收的傳統(tǒng)模式扭轉(zhuǎn)為“學(xué)生為主，教師為輔”的新模式，成功地將實驗教學(xué)內(nèi)容的“墨守成規(guī)”和“不求進取”改變?yōu)椤巴脐惓鲂隆焙汀皧^勇爭先”。對于高校培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力、綜合能力、創(chuàng)新能力和培養(yǎng)學(xué)生勇于挑戰(zhàn)、敢于擔(dān)當(dāng)?shù)木褚约奥殬I(yè)認同感和家國情懷等均有一定的貢獻。

2.2虛實結(jié)合，構(gòu)建智能化實驗教學(xué)體系

智能建造專業(yè)作為典型的新工科專業(yè)，實驗教學(xué)是不可或缺的，而當(dāng)前大多高校關(guān)于智能建造專業(yè)在真實實驗教學(xué)中困難重重，如混凝土養(yǎng)護時間較長、養(yǎng)護條件較高、結(jié)構(gòu)抗震實驗安全隱患較大、實驗設(shè)備投入費用較高、實驗過程不可逆等。因此，可引入虛擬仿真技術(shù)，建立虛擬仿真實驗教學(xué)平臺，形成了“仿真實驗”拓展“真實實驗”的“綠色實驗”教學(xué)特色，形成虛擬與現(xiàn)實相結(jié)合的教學(xué)形式，形成“交互式、體驗式、自主性、探究性”的實驗教學(xué)方法，進而改善實驗教學(xué)的效果。虛擬仿真實驗教學(xué)平臺不僅能夠給予學(xué)有余力的學(xué)生一個“創(chuàng)新”“探索”“試錯”的平臺，同時也給“笨鳥未飛”的學(xué)生一個“學(xué)習(xí)”“研究”“修正”的機會。

新時代，高校學(xué)生早已和互聯(lián)網(wǎng)“打成一片”，云課堂是一種高效、便捷、能夠?qū)崟r互動、能夠打破時間和空間限制的遠程線上教學(xué)課堂，將云課堂引入高校實驗教學(xué)課程是改革的重大戰(zhàn)略決策，學(xué)生可以提前通過云課堂對實驗理論、教學(xué)內(nèi)容、材料設(shè)備以及實驗操作及注意事項等知識進行學(xué)習(xí)掌握，部分學(xué)習(xí)能力較弱的學(xué)生可以提前借助云課堂反復(fù)學(xué)習(xí)觀摩，將未理解的理論或操作等難題給指導(dǎo)教師留言，當(dāng)正式線下實驗課程時，指導(dǎo)教師可根據(jù)學(xué)生問題針對性講解，也更容易讓學(xué)生將理論與實踐結(jié)合，這毋庸置疑地推進了整體的實驗教學(xué)效果。將云課堂引進實驗教學(xué)課程，不僅調(diào)動了學(xué)生的主觀能動性，激發(fā)了學(xué)生掌握實驗課程的信心，而且給部分現(xiàn)實中“羞于啟齒”的學(xué)生虛心請教的平臺。

在實驗教學(xué)過程中，引入虛擬仿真實驗教學(xué)平臺和云課堂是一次“大革命”，雖然兩者都是線上教學(xué)，但可以解決實驗室場地、儀器設(shè)備、實驗時間等線下教學(xué)帶來的問題。此外，學(xué)生可先通過云課堂將實驗課程內(nèi)容消化，再利用虛擬仿真實驗平臺，學(xué)生可初步獨立實驗，成為實驗的“主角”，而疑難問題若可通過線上實驗教師指導(dǎo)，甚至可實現(xiàn)“不出戶，知天下。不窺牖，見天道”。虛擬仿真實驗平臺與云課堂協(xié)同工作，對實驗教學(xué)起到了舉足輕重的作用。實際上，這不僅僅是虛擬仿真平臺和云課堂的引入，而是一種虛擬思想的引入。在實驗教學(xué)過程中，除上述線上平臺外，還可以引入VR可視化系統(tǒng)、空間分析軟件、數(shù)字化教學(xué)等。

2.3多元分析，構(gòu)建綜合評價體系

實驗教學(xué)課程在學(xué)生心中的地位對實驗課程和實驗室的發(fā)展影響深遠，而拔高實驗教學(xué)在學(xué)生心中的地位，實驗課程成績的判定是至關(guān)重要的。傳統(tǒng)的實驗課程評價是片面的，并不能完全地反映出學(xué)生是否有“真材實料”，因此，一種多元化綜合評價體系應(yīng)運而生，如下圖所示。從四個角度對實驗課程成績進行評判，分別為實驗核心內(nèi)容、實驗基本要求、實驗感悟與深度以及實驗整體評價。

多元化綜合評價體系圖

實驗核心內(nèi)容的考查與傳統(tǒng)實驗內(nèi)容考查“形似神不似”，它在傳統(tǒng)考查的基礎(chǔ)上更加嚴格細致，增設(shè)了對應(yīng)的考查手段，如在實驗前，對學(xué)生進行理論測試，測試通過后方可自己擬訂實驗方案并與指導(dǎo)教師討論確定實驗的可行性，實驗方案被指導(dǎo)教師認可后方可參與實驗操作。采集數(shù)據(jù)并完成實驗報告，是層層遞進的，并且實驗原理分值、實驗方案認可度、實驗操作熟練度、實驗報告完整度均會參與實驗課程評價，占比40%。實驗基本要求包含實驗態(tài)度和考勤打卡兩個方面的評價，實驗態(tài)度主要是通過指導(dǎo)教師的觀察和學(xué)生的反饋，考勤打卡可通過學(xué)習(xí)通（云課堂）等簽到實現(xiàn)，占比10%。實驗感悟包含兩個方面，實驗安全與環(huán)保意識以及實驗后的思政感悟，這可通過教師與學(xué)生單獨面談實現(xiàn)，實驗層次代表著學(xué)生設(shè)計實驗的“檔次”，這可從學(xué)生的實驗設(shè)計方案和完成情況來判定，占比25%。實驗整體評價主要有學(xué)生互評、教師評價、平臺監(jiān)督等方式，學(xué)生互評可通過問卷調(diào)查法來實現(xiàn)。教師評價可通過觀察法來實現(xiàn)，平臺監(jiān)督主要是通過大數(shù)據(jù)、智能技術(shù)等高新技術(shù)對云課堂學(xué)習(xí)時長、學(xué)習(xí)數(shù)量以及學(xué)生與指導(dǎo)教師或?qū)W生與學(xué)生之間的討論交流等情況。虛擬仿真實驗教學(xué)平臺的使用頻次、使用熟練度、實驗還原性等情況進行后臺檢測，智能轉(zhuǎn)化為實驗課程的成績，占比25%。

在多元化實驗教學(xué)評價體系下，部分學(xué)生因數(shù)據(jù)不理想在后續(xù)補做實驗，甚至有的學(xué)生重新擬訂實驗方案，提高實驗的層次。由此可見，多元化考查且考查細致化等一系列做法不得不使學(xué)生“處處小心”“一視同仁”，這樣也調(diào)動了學(xué)生的積極性，也推進了實驗教學(xué)的發(fā)展。

結(jié)語

智能建造專業(yè)是典型的新型工科專業(yè)之一，而實踐能力是實現(xiàn)智能建造的“必要前提”，由此可見，出類拔萃的實驗教學(xué)方法與新興產(chǎn)業(yè)的賡續(xù)發(fā)展是“密不可分”的。本文以智能建造實驗課程為例，從實驗教學(xué)內(nèi)容“墨守成規(guī)”“不求進取”、實驗教學(xué)手段“陳陳相因”、實驗教學(xué)評價“亟待完善”等三個主要的角度對現(xiàn)階段教學(xué)主要弊端進行剖析，進而通過打破傳統(tǒng)教學(xué)結(jié)構(gòu)，構(gòu)建多層次教學(xué)模式、虛實結(jié)合，構(gòu)建智能化實驗教學(xué)體系、多元分析，構(gòu)建綜合評價體系三個方面對上述弊端進行鼎新與研討。通過鼎新，進而調(diào)動學(xué)生的主觀能動性，激發(fā)學(xué)生的實驗積極性，培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力、綜合能力、創(chuàng)新能力，培養(yǎng)學(xué)生勇于挑戰(zhàn)、敢于擔(dān)當(dāng)?shù)木褚约奥殬I(yè)認同感和家國情懷，進而為社會培養(yǎng)了智能建造專業(yè)拔尖創(chuàng)新復(fù)合型人才和行業(yè)領(lǐng)軍。

參考文獻：

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［2］褚怡春，高翔，楊永華.對我國高校國家重點實驗室建設(shè)的分析與思考——以南京大學(xué)為例［J］.科技管理研究，2015，35（12）：8084.

基金：浙江省自然科學(xué)基金資助項目（LTGG23E080001），工程學(xué)院七期教改培育項目

*通訊作者：王城泉（1989—），男，博士，副教授，主要從事節(jié)段預(yù)制拼裝橋墩抗震和可恢復(fù)功能結(jié)構(gòu)的研究。