土木工程专业课程实践教学模式改革探索

刘文洋 张兆强 郑鑫

摘 要：实践教学是培养学生实践能力和创新能力的重要环节，土木工程专业的综合性、实践性较强，实践教学环节尤为重要。文章分析了土木工程专业课程传统实践教学模式存在的问题，对土木工程专业课程实践教学模式的现状进行了总结，介绍了国内外部分高校在改善实践教学效果方面采取的具体措施，对土木工程专业课程实践教学模式的改革提出了建议。

关键词：土木工程；实践教学；教学改革

中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1002-4107（2018）10-0025-02

实践教学是培养学生实践能力和创新能力的重要环节，也是提高应用型人才培养质量的重要途径。近些年来，国内外各高校普遍开始重视实践教学，强化应用型人才培养。工程实践能力的培养作为工科教育的重要内容，不仅是应用型人才区别于研究型人才的显著特点，也是检验人才培养质量的关键指标，更是社会各界对人才培养的迫切要求。土木工程专业的综合性、实践性相对较强，与工程实际联系紧密，因此本科生的实践教学尤为重要。

土木工程专业本科教育实践教学体系主要包括各类实验、实习、课程设计、毕业设计、社会实践等形式。但对于结构原理与设计类课程，目前还是以理论讲解为主，缺乏相关的实践教学环节，仅有部分课程结合相关的课程设计培养学生的知识运用能力。这类课程的特点往往是理论推导多、计算公式多、规范条文多、理解难度大，枯燥的内容使学生对相关知识的学习兴趣和理解程度大打折扣。因此，作为土木工程专业教学的有益补充，探索主干课程实践教学新模式已成为应用型大学提高教学质量，培养学生学习兴趣的当务之急。

一、土木工程专业传统实践教学模式存在的问题

传统的土木工程专业课程实践教学往往采用工厂或工地参观实习、部分课程配套验证性试验、少量学生参与科研试验等方式。但由于目前开设土木工程专业的院校众多，招收的学生数量也比较大，因此传统的实践教学方式和方法已经不能满足新形势下的教学需求。主要存在以下几个方面的问题。

（一）实践教学资源不足

土木工程专业实习由于受工程安全、企业效益和施工进度等因素的影响，实习企业很难接收大量的实习学生，并且难以有效保证专业实习的连续性和稳定性。这就导致了很多专业课只能以课堂上的理论教学为主。如“钢结构”“混凝土结构”等课程教学中的实践性教学环节仅有课程设计一项内容，学生在学习的过程中没有机会见到实际的结构体系，也很难了解钢结构加工、制作、混凝土结构的施工具体是如何进行的。虽然教学实习中安排了认识实习和施工生产实习，但也只能从片面去进行了解，无法全面深入地理解各类基本构件和结构体系的受力性能与设计原理。

（二）实验条件不足

土木工程结构试验往往需要具备大量的实验设备和试验用房，前期投入大、后期使用维护费用高，目前仅有少部分科研条件较好的国内领先的高校可以利用科研实验室为本科教学提供支持，大多数高校特别是地方高校还不具备这种条件，而且大量的重复建设也存在资源浪费的问题。

（三）实施效果不显著

由于土木工程专业的学生数量较多，而师资力量相对有限，因此无论是在实习还是实验教学中，有限的教师数量很难保证教师在有限的时间内细致地指导大量的学生。

（四）创新性不足

实践教学应以培养学生的实践能力、设计能力和创新能力为主要任务，但目前开展的本科实验教学还是主要根据实验指导书进行重复的验证性实验，学生自由发挥的空间有限，创新能力难以提升，无法满足对大学生创新创业能力培养的需求。

二、土木工程专业课程实践教学模式现状分析

高等学校土木工程专业指导委员会制定的《高等学校土木工程专业本科教育培养目标和培养方案及课程教学大纲》，把土木工程专业的主要专业课程分为原理和设计两个部分，同时还设置了相应的课程设计。目前，无论是从培养方案和课程教学大纲还是从各高校的实际执行情况来看，原理类课程教学还是主要以理论讲解为主，实践教学环节相对缺乏，而教学内容又往往主要集中于计算公式的推导与使用、设计规范条文的解释与说明等相对枯燥的内容。在这种情况下，枯燥的理论推导、计算公式和规范条文往往导致学生的学习兴趣不高，极大地影响了课程的教学效果，部分理解能力较差的学生甚至可能会放弃相关重点和难点的知识学习。即使结合多媒体授课，也难以对学生产生足够的吸引力。

单一的教学模式已经难以适应现代化土木工程教育的时代环境和当代大学生群体的个性需求。因此，为缓解土木工程专业课程教学中的这种不利局面，改善教学效果并提高人才培养质量，目前国内外高校在实践教学环节方面都推出了相应的举措。例如，美国高校虽然也以课堂教学为主，但比较注重引导学生积极主动地参与科研活动，锻炼学生社会实践、科学研究等综合能力。在麻省理工学院有一项UROP计划，本科各年级优秀学生都能报名参加课题研究，每周需要抽出6—20小时投入研究工作，暑假期間投入的时间更多。这种做法不仅培养、锻炼和提高了大学生的研究能力，还拓展了他们的学科视野[1]。国内少部分高校探索建立了多功能实验教学平台[2]，通过实验平台训练学生对基本构件和连接的试验技能，同时培养学生的创新意识与创新能力。而大部分不具备条件的高校则采取参观工厂、工地或工程项目，观看视频资料，设计制作结构模型等措施来增强学生对工程结构的认识和理解[3]。

建设高水平的实体实验教学平台固然可以取得较好的教学效果，但这需要大量的资金和资源投入，对于许多经费有限、资源不足的地方高校来说并不现实，而且大量的重复建设也存在资源浪费的问题。而参观工程项目或观看视频资料仅能为学生提供对工程结构的直观认识，对学生全面深入理解各类基本构件的设计原理帮助十分有限。

三、土木工程专业课程实践教学模式改革的建议

采用仿真模拟技术辅助土木工程专业课程实践教学，可以通过仿真模拟试验形象直观地再现各种基本构件和结构体系的完整受力过程，展示各种复杂节点和结构的构造方式，不需要实体实验室和复杂的加载设备，可大量地减少资金和资源的投入，这对于大部分教学资源不足、经费有限的地方应用型大学来说是一种切实可行的实践教学模式。因此，部分高校已开始探索建立仿真模拟实践教学平台[4-5]，利用仿真模拟技术来辅助实践教学。这种模式打破了传统教学采用板书或多媒体教学的方式，丰富了教学手段，有助于增强学生对教学难点的深入理解和记忆，为学生的创新和实践能力培养提供广阔的自由发展空间。同时也使课堂教学更生动，能有效调动学生的学习积极性。

对于如何将仿真模拟实践教学与土木工程专业课程教学有机地结合起来，探索切实可行的土木工程专业课程实践教学模式，提出以下建议。

（一）制定合理的专业课程实践教学实施方案

一方面可针对土木工程专业的结构原理与设计类课程，在教学过程中结合仿真模拟技术增设适当的实践教学环节来弥补理论教学的不足，对理论课的实践教学模式和实施方案进行总体规划，科学合理地制定课程教学中的具体实施办法，在各相关课程的教学过程中付诸实践并持续改进。另一方面也可以通过专业讲座、项目训练或课外科技活动等方式对学生进行仿真模拟技术的训练，通过项目训练或课外科技活动等方式既可以在一定程度上解决实践环节过多占用理论学时的问题，同时也可以有效地对学生的参与程度、实践效果等各方面做出合理的评价与考核。

（二）建设仿真模拟实践教学平台

在土木工程专业课程的教学过程中，可结合有限元仿真模拟技术对工程结构基本构件和结构体系进行受力分析并建立教学资料库。针对各类复杂节点和结构采用实体建模的方式在计算机软件中立体展示其构造方式与受力机制，并能够通过调整视角（如平移、旋转等）来实现对虚拟模型的立体观察。针对工程结构基本构件及典型结构体系进行受力过程仿真模拟试验，对各类构件和典型结构的受力过程与受力性能进行计算机再现，例如钢结构基本构件的失稳过程、混凝土基本构件的受力过程与破坏特征、典型节点和结构体系的空间组成分析与受力性能等。还可结合相关软件编制建模和分析程序，实现自动化参数分析，并进一步构建土木工程专业课程仿真模拟实践教学平台。

（三）将虚拟实践教学平台与课程教学相结合

将各类构件、节点、结构体系的仿真模拟方法、仿真模拟试验过程和结果应用于相关的专业课程教学中，更加形象直观地展示课程中难以理解的知识重点和难点。并通过项目训练或课外科技活动等方式，让学生分组完成具体的分析项目，不仅能使学生对课程的重点和难点加深理解，还可进一步训练学生的团队合作能力和科学研究能力。课堂+课外、讲授+自学、理论+实践等教学环节的全方位引导和训练，使学生能够把课外时间利用上，把课堂时间利用好。让学生能够开阔视野、增长见识、培养能力。对表现优秀的学生，还可以鼓励他们主动学习，指导他们掌握相关的分析和研究方法，为参加科技竞赛、参与科学研究工作和培养创新创业能力做好技术和人才储备。

综上所述，构建基于仿真模拟技术的土木工程专业课程虚拟实践教学模式、探索切实可行的土木工程专业课程虚拟实践教学实施方案就具有十分重要的理論意义和现实需要。不仅有助于把理论教学与实践环节有机地结合起来，改善教学效果，而且具有低成本、高效率、内容丰富、不受场地和设备限制等特点，可以为数量众多的地方应用型大学提供参考和借鉴。

参考文献：

[1]鲁正，武贵，熊海贝.美国高等工程教育及启示[J].高等建 筑教育，2013，（3）.

[2]郭小农，王伟，蒋首超，等.钢结构基本原理实验教学探索 [J].高等建筑教育，2011，（1）.

[3][4]刘文洋，张兆强，解恒燕.钢结构课程实践教学环节改 革与探索.实验室科学，2013，（3）.

[5]李楠，贾宏俊.基于仿真模拟平台的土木工程主干专业课 程实践教学改革[J].高等建筑教育，2016，（1）.