“三性”岩土实验教学体系中实验项目的设计及实践

曾召田 朱银红 莫红艳 孙刚臣 牟春梅

摘 要：针对传统岩土实验教学模式的弊端，结合“工程教育专业认证”要求和“三性”实验内涵，对“三性”岩土实验教学体系中的实验项目及内容进行了设计和分析，在此基础上，对“三性”岩土实验教学体系实验项目在我校土木工程专业教学的改革实践及成效进行了总结和评价。

关键词：工程教育专业认证；土木工程专业；岩土实验教学体系；“三性”实验项目

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2018）19-0074-03

Abstract： Aiming at the disadvantages of traditional geotechnical experimental teaching mode， the experimental projects and contents of "three features" geotechnical experimental teaching system are designed and analyzed with the demands for "engineering education professional certification" and connotation of "three features" experiments. On the basis， the reform practice and achievements of the "three features" experimental projects of geotechnical experiment teaching system of civil engineering specialty in our university are summarized and evaluated.

Keywords： engineering education professional certification； civil engineering specialty； geotechnical experimental teaching system； "three features" experiment project

近年來，围绕着大学生的素质教育和创新能力培养，各高校进行了相应的教学改革，取得了一定成效。但是，受课程学时大幅度缩减、实验室管理落后等客观因素的影响，目前验证性实验在我国高校传统的土木工程专业岩土实验项目中占绝对的主导地位，综合性、设计性、创新性岩土实验项目在各高校的课程设置中普遍缺乏。验证性实验可以培养学生的动手能力，使其掌握基本的仪器使用和理解相关的实验原理，但缺少对学生创新、实践、综合分析与解决问题能力的培养。

由此可见，改变传统的岩土实验教学模式，减少验证性实验项目，提高综合性、设计性、创新性实验项目的比例，构建“三性”岩土实验教学新体系，是“工程教育专业论证”背景下土木工程岩土实验教学改革的必由之路。在此形势下，岩土教研室、实验室的老师们组成了教学改革研究团队，在原有验证性实验项目的基础上，大量增加综合性、设计性、创新性岩土实验项目，并围绕“三性”岩土实验，进行一系列的教学改革探索。

一、“三性”实验的定义与内涵

教育部首次提出“开出一批新的综合性、设计性实验”，并从实验性质的角度，将实验项目分为综合性、设计性、创新性三类，简称为“三性”实验；在《教育部关于普通高等学校本科教学评估工作的意见》（教高[2011]9号）中，明确地给出了“三性”实验的定义，并要求开设设计性、综合性的实验课程比例须达到80%以上。由此可见，实验环节对培养学生创新精神的重要性和必要性。

综合性实验以学生对验证性实验的熟练掌握为基本条件，实验内容包括相关知识的综合理解和相关方法、手段的综合运用，综合培养学生的知识、能力、素质；设计性实验是学生按照教师指导，自行设计实验方案、选择实验方法和仪器、拟定实验步骤，自己对实验结果进行分析和处理的过程；上述两类实验有利于培养学生的创新思维，是新时期实践教学发展的必由之路。创新性实验是学生结合自己的研究领域或导师选定的学科方向，针对某一选定研究目标所进行的具有探索、创新性质的实验，有利于培养学生的科研能力和科学素养，特别是对于继续读研深造的同学具有非常显著的影响。

因此，“三性”实验可以克服以往岩土实验教学模式的弊端，有效培养学生的动手能力、实验技能，促进学生由“被动学习”向“主动学习”转变，教师由“填鸭式”教学向“引导式”教学转变，有利于培养学生的科研能力和科学素养。

二、“三性”岩土实验项目设计

课题组成员对岩土实验教学与管理方面的改革进行了长达10年的研究，积累了宝贵的经验教训，收集了大量的相关研究资料；在此基础上，课题组经过调研、讨论，对岩土实验项目及内容的选择遵循以下设计原则：

1.保留基础的验证性实验，如土的比重、密度、含水率等物性指标测试。这些实验内容能较好地配合理论教学，促进学生对土力学基本理论的理解与消化；同时，这也是进行土工实验的基础，对培养学生基本的实验技能具有举足轻重的作用。这些验证性实验全部为“必做”项目。

2.新开设综合性实验，如土的常规物理力学指标综合实验、混合土的颗粒分析实验等。这些实验对同一试样进行综合分析，在实验过程中需要采用不同的实验方法和仪器，整理实验结果时需要对各指标参数进行综合分析。以混合土的颗粒分析实验为例，实验过程中，粗颗粒采用筛分法、细颗粒采用比重计法分别进行颗粒分析实验，然后综合两部分实验数据进行颗粒分析，绘出混合土的颗粒级配曲线。这些实验需要学生综合运用相关知识或实验方法、手段，对学生的知识、能力、素质形成综合培养。这些综合性实验全部为“必做”项目。

3.新开设设计性实验，如实验方法对抗剪强度指标的影响、排水条件对三轴剪切强度的影响等。这种类型实验需要学生自行设计实验方案、进行相关实验和分析实验结果，可以培养学生发生问题、解决问题的能力，通过有意识地引导，让感兴趣的同学利用现有实验条件进行简单的科研活动。这些设计性实验全部为“选做”项目，感兴趣的同学可利用课余时间来完成，老师则指导和协助学生完成相关操作和分析。

4.新开设创新性实验。这类实验对学生的要求相对较高，需要学生具有一定的专业理论知识、基本实验技能和综合分析能力。主要分为2类：第1类，大学生课余相关的科技活动，如“大学生创新创业”、“互联网+”、“挑战杯”等；第2类，一线教师邀请学生参加部分课题实验工作。在这些创新性实验的开展过程中，学生根据研究内容进行一系列的自主性活动：（1）全面、综合的实验分析，（2）查阅文献、制定方案，（3）选择仪器、拟定步骤；教师则严格把关实验过程与结果，让学生尽早熟悉科研流程，树立利用现有实验条件开展科学研究的意识，为有意识深造的学生搭建进入科研殿堂的平台。

课题组设计的“三性”岩土实验项目详见表1。由此可知，表1所列的10个实验项目，分“必做”与“选做”两大类。在选择实验项目和内容时，以验证性、综合性实验作为学生的基本技能训练项目，内容安排上有一定的广度；在此基础上，开设一定数量的设计性、创新性岩土实验，教师加以一定程度的引导和训练，让学生在实验方案设计、仪器设备选择、实验条件确定、实验结果分析等各方面受到良好的培训。同时，由表1也可看出，在“三性”岩土实验项目设计过程中，始终遵循“三性”实验内容的自主性、实验结果的未知性、实验方法的探索性等特点。为鼓励和引导更多学生参加“三性”岩土实验，我们尽可能多地让岩土工程专业教师和经验丰富的高级工程师围绕着自身课题研究设置一些创新性课题，充分考虑学生的能力与兴趣、土木专业实践性强、工程背景浓厚的学科特点，构建了一个多层次、多模式的岩土实验体系。

三、“三性”岩土实验教学改革实践及成效

我校土木类专业成立于1995年，是广西最早拥有土木工程专业办学点之一。目前我校开设岩土实验的专业有：土木工程专业三方向（岩土工程、工民建、交通土建）、建筑工程、工程管理、环工水工等多个专业。课题组成员都是理论与实验教学的一线教师，有着丰富的教学经验；并且课题组成员多人曾在设计、施工单位工作，积累了较为丰富的生产实践经验；2015年开始，课题组成员结合自身教学、科研、生产等活动积极推行“三性”岩土实验教学改革实践并初见成效，主要体现在以下四个方面。

（一）举办土工技能大赛，掌握验证性实验技能

验证性实验主要考核学生的基本实验技能、促进学生对土力学基本理论的理解与消化，是岩土实验体系的基础。学生只有充分理解土力學的基本理论，熟练掌握土工试验基本技能，才有能力和机会进行后续的综合、设计和创性实验。因此，我们特别注重学生对验证性实验中基本技能的掌握，为此，从2015年开始，岩土实验室特地推出“土工试验技能大赛”这项活动，主要针对已开设过《土力学》课程并完成土工试验的二、三年级大学生进行一些基本的土工试验竞赛，如土的密度和含水率测试、直剪试验等，每年举办1次，学生可以组队自由参赛。通过这种形式，调动了学生的积极性，提高了实验兴趣，增强了学生对验证性实验技能的掌握程度。

（二）结合工程实践，开设综合性实验

土木工程专业是一个实践性很强、工程性质十分明显的专业学科，很多理论、经验都来源于工程实践中。岩土实验教学作为土木工程专业课程学习中理论与实践相结合的一个重要实践性教学环节，需要学生深入掌握岩土物理力学性质的实验方法和土力学的一些理论知识，要求学生了解基本土工实验的仪器操作和实验技能，学会整理测试资料和分析测试数据，有利于培养学生的工程意识和综合素质，为今后从事土木工程专业技术工作打下良好的基础。因此，课题组成员在进行相关理论课的授课时，会结合工程实践进行“三性”岩土实验教学。譬如，《边坡工程》的授课教师会带领学生来到一处滑坡现场，指导学生通过现场勘探取样、室内土工试验获得一系列滑坡现场土体的综合实验数据，对各指标参数进行综合分析，对滑坡稳定性进行综合评价。这样的综合性实验来源于工程实践，通过学生的综合分析，对实际问题进行了有效评判和合理解决，激发了学生的自豪感，增强了学生的自信心。

（三）立足学生兴趣，开设设计性实验

设计性实验是学生在教师的指导下，根据给定的实验目的和实验条件，自己设计实验方案、选择实验方法、选择实验器材、拟定实验操作程序，自己加以实现并对实验结果进行分析处理的实验。在这类实验中，学生是实验的主体，学生兴趣是促使他进行实验的动力。因此，课题组成员立足于学生兴趣，开设一些学生比较感兴趣的设计性实验。譬如，针对浅层地热能开采过程中热湿迁移现象及对周围环境的影响，我们设计了“含水率对土体热导率的影响”这一实验，学生通过自行选定实验土样按照设计性实验的指导原则，一步步通过自己的工作获得他想要的结果，满足了学生探索未知世界的好奇心，锻炼了学生的创新能力，培养了学生的探索精神。

（四）服务学生科研创新，开设创新探索性实验

研究探索性实验是指在导师指导下，在自己的研究领域或导师选定的学科方向，针对某一或某些选定研究目标所进行的具有研究、探索性质的实验。课题组成员每年都会服务于学生科研创新需要，开设并指导学生进行一些创新探索性实验，例如我校2016级土木工程专业学生吕玉辉主持申报的“三轴试验中饱和黏性土剪破角的测试与分析”，获得2017年大学生创性创业项目（国家级）资助，本文第一、第三作者共同为该项目的指导教师。通过“三性”岩土实验的训练，学生自主学习能力、创新思维能力、科研探索精神等得到了培养与提升，科研兴趣变得更浓厚。

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