土木工程专业物理模型试验教学探索——基于OBE教学模式

杜怡韩，李永胜，王昌胜

（1.安徽工程大学 建筑工程学院，安徽 芜湖241000；2.中建八局第一建设有限公司，山东 济南250000）

自2016年6月成为《华盛顿协议》组织正式成员后，我国工程教育专业认证体系实现国际实质等效［1］，为深化工程教育改革提供了良好契机。当前，国家推动创新驱动发展，以新技术、新业态、新模式、新产业为代表的新经济蓬勃发展，对工程技术人才提出了新的要求，迫切需要加快工程教育改革创新，使培养出的毕业生能够更好地适应实际工作，并能够通过培训和实践性训练获得职业能力与专业资格。

为培养与国际接轨的中国土木行业工程师，各高校开展土木工程专业教育认证，认证包含“产出导向、学生中心、持续改进”三个核心理念［2］，这与OBE教育模式高度契合。物理模型试验可拓展专业课的教学空间，激发学生学习兴趣，帮助学生更好地掌握和理解理论知识，因此，以物理模型试验为载体，在整个物理模型教学过程中始终贯彻OBE教育模式，确定学习目标的前提下，在每个教学环节中坚持以学生为主导，指导学生主动学习、思考、操作、反馈、修正，使得学生综合能力得到提高；增加教与学的互动性，使学生更多地了解复杂结构的试验过程，从而更深刻地理解所学专业课内容。

一、土木工程专业本科试验教学中的问题

现行本科教育存在如下问题：重知识轻能力，重传统轻发展，重理论轻实践，教学内容局限于教材，教学形式局限于课堂，教学手段局限于讲授，即使是最能提高学生实践能力和综合能力的某些试验型课程，也主要以教师为中心，对学生讲授试验过程，让学生按照试验流程操作完成试验，结果是即使学生能够完成试验，获得合理的数据，但是由于缺乏主动思考、发现问题、解决问题和创新能力的培养过程，往往无法深刻理解相关原理，实践能力和综合素质并没有得到明显提高，无法满足新形势下社会对本科毕业生的要求。

此外，试验课程的评估手段也存在问题，通常是对考勤、课堂表现、试验报告三部分进行考核，其中权重最重的是试验报告，而课堂时间有限，教师缺乏跟学生的交流，仅仅通过纸质试验报告的正确性和规范性进行评判，无法真正了解学生对知识的掌握程度、对试验的思考研究和理解程度，评估缺乏客观性。一次完成打分，无法激发学生在试验过程中不断学习不断改进的积极主动性和创新精神。学生在试验课结束后上交试验报告完成试验课程，导致试验中存在的问题无法及时有效反馈，限制了学生的进步。

未来新兴产业和新经济需要的是工程实践能力强、创新能力强、具备国际竞争力的高素质复合型“新工科”人才。显然，按照传统模式培养出来的学生无法满足社会发展的需求，对于培养模式和教学理念的革新势在必行。

二、OBE教学理念简介

OBE是成果导向教育（Outcome-based education）的简称，亦称为能力导向教育、目标导向教育或需求导向教育，于1981年由Spady等人提出，现已成为美国、英国、加拿大等国家教育改革的主流理念。理念上，OBE是 “以学生为本”的教育哲学，是聚焦于学生受教育后获得什么能力和能够做什么的培养模式。一切教育活动、教育过程都是围绕实现预期的学习成果。

在OBE教育中，主要包括以下几个核心问题：要学生学习、掌握什么？为什么要学生学习这些内容？如何帮助学生取得这些学习成果？如何有效地知道学生取得这些学习结果？如何保障学生有效地取得这些学习成果？

上述的学习成果是学生最终取得的学习结果，是学生通过某一阶段学习后所能达到的最大能力。

OBE的特点正好可以解决传统本科教学存在的问题。基于OBE的试验教学与传统试验教学的区别主要有以下方面，具体见表1。

表1 OBE与传统试验教学的对照表

三、试验教学设计

（一）物理模型试验教学目标培养体系

土木工程专业学习中试验是不可或缺的重要组成部分，基于教师科研项目，通过物理模型试验将相关课程重要试验有机组合在一起，课程目标为培养学生掌握设计试验、操作试验、理解试验原理，总体目标为培养学生解决复杂工程问题能力。具体来说通过物理模型试验模拟天然工况和暴雨工况，确定不同工况下挡土墙墙背土压力，涉及到“土力学”“工程地质”“基础工程”“结构力学”等课程知识，以及“相似比理论”“有限土体土压力”等学科研究前沿知识，同时涵盖了各土工试验、混凝土试验等实践操作环节，此外，还需要学生具有团队意识，协同合作能力，严密的逻辑思维能力，动手能力等。

根据物理模型试验教学特点，结合土木工程毕业要求及分解指标说明，见表2，构建其与学生毕业能力要求矩阵［3］，见表 3。

表2 毕业要求及分解指标项表

表3 物理模型试验与毕业要求关系矩阵

根据表2、表3可以看出，物理模型试验与毕业要求2（问题分析）中的分解指标3（即2-3）具有高关联度，此外，具有高关联度的毕业要求还包括3-3、4-3、9-2，与 5-2、6-2、10-1 及 12-2 具有中等关联度，与8-3关联度较低。

（二）物理模型试验教学流程设计

结合土木工程专业认证人才毕业需求，反向设计综合物理模型试验教学流程：依托教师科研项目，以工程实例为背景，分析测定不同工况下挡土墙墙背土压力的过程中可能出现的问题，分解问题，依照土力学等相关课程的理论知识、相关规范、相关文献，探讨解决问题的办法。具体来说，首先将土压力测定分为天然工况和暴雨两种工况下模型的制作和测试两方面，模型与实际工程之间可通过相似比联系起来，模型又可以分解为土体、岩体、模型箱三个部分，对于土体和岩体，关键是通过一系列土工试验，确保其物理力学性质与工程实例的相关性，相关试验的设计和完成将成为考察学生的重要指标，模型箱的设计制作则涉及到结构设计方面的知识，同时培养学生的动手能力，测试元件的安放和设备操作也是评价重点，最终通过整个设计、制作、试验、成果等全方面对学生进行综合评估。整个过程分为对工程实例的解析、问题分析、解决问题、过程评价及综合评价几方面，教学流程设计，见图1。

图1 综合试验教学流程图

（三）物理模型试验教学模块设计

根据综合物理模型试验的内容和特点，结合学生能力培养目标，将综合试验教学设计为以下模块：问题模块、知识模块、能力模块、评价模块，如图2所示。

图2 综合试验教学模块图

从最终成果中提炼出问题模块，包括两种不同工况、模型制作、测试等方面，根据问题模块导出相应的知识模块，在解决问题的过程中，培养学生统筹规划、自主学习、设计、制作、协作等多方面能力，在整个过程中，通过与学生的交流、计划书、设计图纸等客观成果，对学生进行评价打分，形成评价模块。

（四）成果输出评价

将整个物理模型综合试验实施过程分为三阶段，第一阶段为发现问题、分解问题阶段，第二阶段为学习相关理论知识、统筹规划阶段，完成试验计划书、物理模型设计图纸等，第三阶段为试验操作、模型制作、土压力测试，获得试验报告、物理模型及测试数据。第一阶段共20分，第二阶段共30分，第三阶段共50分，总分100分，每阶段平时成绩占各阶段总分的15%，教师通过学生的学习态度、积极性对学生进行打分，每阶段阶段性汇报及答辩成绩占25%，教师通过学生汇报和回答教师提问情况进行打分，每阶段总分的10%为学生间互评平均分，同学们根据沟通协作能力对其他同学进行打分，其余50%根据各阶段汇报总结、设计书、设计图纸、试验成果、测试成果等进行打分。评分分区图，见图3。

图3 评分分区图

四、试验教学的实施

本次物理模型试验基于教师科研项目和实际工程，将OBE教学理念引入物理模型教学，充分调动学生的积极性，让学生理解物理模型研究的意义和预计产出的成果——有限土体墙后土压力分布规律，引导学生发现问题——如何获得有限土体土压力分布规律，指导学生分阶段解决问题——查阅文献、学习理论知识、设计、选材、制作、测试、分析。最终各阶段成果综合评估学生。以下进行具体说明：

第一阶段通过指导学生查阅国内外论文文献，让学生了解目前有限土体土压力研究现状，结合实际工程现场调研，使学生进一步认识物理模型试验的必要性、研究内容和研究方法，以及预计的成果，并以成果为导向，提炼出两大问题：天然工况下有限土体土压力和暴雨工况下有限土体土压力研究，上述两大问题可继续分解为不同工况下模型的建立和模型的测试，进一步分解，模型的建立包括模型箱的设计制作、岩土体设计制作、挡土墙设计制作，模型的测试包括测试元件的选择和放置、测试仪器的操作、测试数据的整理。学生完成第一阶段成果总结。

第二阶段根据第一阶段的分解问题，引导学生思考如何通过专业知识解决各个具体问题，以及问题之间的逻辑关系。针对模型箱和挡土墙的设计制作需要结构设计方面的知识，指导设计最有利于模型测试的结构并完成制作图纸；岩土体配比设计应考虑相似比，及其密度、含水率、抗剪强度等物理力学性质，指导学生学习掌握相关理论知识和规范，完成试验计划书；测试元件选用土压力盒，指导学生完成土压力盒数量、量程设计，并学习使用DH3819数据接收器以及软件，让学生形成研究问题、解决问题的思路，完成总规划说明书和技术路线图，教师及时予以修正。

第三阶段学生通过前期准备，按照计划首先搭建模型试验箱，学生结合实际情况和结构稳定原理，从矩形框架——梯形框架——三角形框架，不断改良形成最稳固的试验箱，接下来是岩土体的制作，针对滑坡岩层材料的选定，学生通过相似比理论的学习，对于岩层的制作，采用内部砖石砌筑表面水泥砂浆抹面。学生对已学知识点，如砖石砌筑、水泥砂浆配合比设计、C10混凝土的配合比设计等进行了实践操作。岩层制作完成后，再确定挡土墙材料，学生提出采用石膏和砖石砌筑两种方案，通过微模型试验比选，最终选择砖石砌筑挡土墙，墙身表面采用水泥砂浆抹面处理。

接下来是安装测试元件土压力盒，为研究挡土墙墙背土压力分布规律，沿竖向和水平向分别安装土压力盒，对于土压力盒，其主要问题是土压力盒量程的选择。若选择量程过小，将无法正常量测挡土墙墙背土压力，不符合物理试验的合理性；若选择量程过大，则精度上不能满足要求。教师对学生提出问题，学生积极思考，通过滑坡原型估算出土压力大小范围，再利用相似理论算得该物理模型所产生的土压力大致范围，再与商家沟通，最终确定了土压力盒示数为0~100 kPa。

对于DH3819数据接收器以及相应软件的使用，为模拟持续强降雨过程，仅仅靠单次取样是无法实现的，学生经过一个星期的摸索研究，熟练掌握了DH3819测试软件的各种功能，主要包括单次采样、定时采样、连续采样、采样数据转换为折线等多种功能。

墙后土体的制作，需要确定土体的物理力学指标。基于相似比理论，结合土力学相关知识，运用土工试验来确保模型土体物理力学参数与滑坡原型之间的关联度，土体填装采用多段分层击实的方法，保证所填土体的均匀性，该过程需多人协同操作，分工合作。待土体填装、固结沉降后，再对滑坡土体的上、中、下部取样，再次进行土工试验，保证土体填装、固结沉降后该土体能够达到模型试验要求。学生制作及测试模型，见图4。

图4 学生制作测试物理模型

在整个第三阶段，基于物理模型试验的产出和学生最终的能力要求，一步步完成整个试验过程，在每个步骤中以学生为主，主动学习，不断反馈问题，教师及时辅助。

五、结语

基于OBE教育模式的物理模型试验教学是对学生综合能力的培养，不仅包括理论知识的学习，更多的则是培养学生的动手能力、学习和运用新知识的能力，此外还有经济性比较能力、协同合作能力、管理能力等。以成果输出为目的，引导学生在物理模型试验中发现问题、分析问题和解决问题，本次物理模型试验取得了较好的效果，与“新工科”人才培养目标相契合。