新工科视角下的土木工程校内实践平台构建与应用

黄洪猛，王春芬，魏相君，姜艳军

(西北民族大学 土木工程学院,甘肃 兰州 730030)

世界范围内新一轮的科技和产业革命正在驱动新经济的形成与发展，对高等工程教育的变革发展提出了新的挑战，为主动适应和引领新经济，需加快发展和建设新工科[1].“复旦共识”[2]探讨了新工科的内涵特征及新工科建设与发展的路径选择.“天大行动”[3]为培养造就一大批多样化、创新型卓越工程科技人才提出了具体措施.探析美国工程伦理教育的发展历程及特点，对我国新工科建设有一定的启示作用[4].新工科的建设要在传统工科专业的基础上实现注入式教学向任务和项目驱动式教学转变，以工程创新能力为核心，实现理论课程教学与工程实验实践相结合的人才培养模式[5].为适应新工科的发展要求，有必要加强学生学科交叉意识和科研能力的培养，拓宽学生的知识面[6]，同时要凝练办学特色，深化产学融合、校企合作、协同育人，培养大批应用型和技术技能型人才，改革培养机制，强化实习实训，以学生为中心，充分利用虚拟仿真等技术创新工程实践教学方式.

土木工程专业实践性很强，在掌握系统的工程理论知识基础上，更需要较强的工程思维和动手实践能力，但由于土木工程实践的特殊性，无法将实践能力的培养完全放在工程现场[7].实践能力、创新能力的培养是工程教育的一项重要内容，为满足新工科视角下土木工程专业实践能力、创新能力的培养，高校在积极建设满足培养需求的各类实践平台.比如虚拟创新实践平台或数值仿真专业实践平台[8-10]、满足专业需求的校内实践创新平台[11]、应用技术型的实践教学体系[12]、以创新能力为核心的土木工程实践教学体系[13]、培养土木工程卓越工程师的实践教学模式[14].中南大学以塑造5种工程核心能力为目标，基于开放式实践教育理念打造了3个层次实践教育平台，形成了完善的土木工程专业实践教育体系[15].由此可以看出工程科学应用能力和创新能力培养、实践教学体系构建已成为各高校培养机制改革的重要方面，也是适应新工科发展的重要体现.

本研究结合专业培养目标和学校办学特点，在知识、能力、素质的结构框架和运行组织方式方面进行改革.西北民族大学土木工程学院在传统工科教育的基础上，积极创造条件，通过实践训练，既加强了学生的理论知识和实践能力，又培育人文素养和促进个性发展.把各种基本素质教育和实践训练融合起来，使学生素质得到最大幅度的提高，培养学生将所学知识转化为社会服务的能力，提高学生的创业能力和竞争力，进而实现把学生培养成为面向现代化、面向世界、面向未来的德智体美劳全面发展的新型建设者.

1 实践平台的构建思路

在现阶段高校学生实践能力和创新能力的培养是工程教育的重点，实践平台能够为学生施展个人特长、接受新知识和发挥创新能力提供空间[16].学生工作态度和实践能力的培养仅靠课堂理论教学是难以实现的，应充分考虑学生的年龄特点和成才需求，通过工程认知、实训项目、技术研发等形式，培养学生的自主学习能力、工程实践能力和创新精神.从培养、强化学生工程实践能力及创新能力的角度，急需构建土木工程专业校内实践平台，旨在为本科教学提供实习实训条件，促进学生实践能力和创新能力教育的开展，加强校企共同育人和技术交流，增强交叉学科知识的学习，进一步适应创新型工程科技人才教育的需求.

为满足课程实验、软件实训等基本要求，创建结构实验室、测量实验室、土力学实验室、材料力学实验室、建筑材料实验室、结构软件实验室、原位技术实验室等基础性实验室.校内实践平台建设则以结构设计、施工、工程机械维护、检测、试验、学科竞赛等为兴趣点，面向土木工程专业学生，引导学生综合利用所学知识，使学生学以致用.结合工程实践的特点及学院所处地理位置的限制，构建工程图学、工程力学与结构、岩土样本与地质等模型展示平台、静动载结构试验实训平台、自平衡多点加载试验平台、混凝土结构原型试验和科研实训平台、混凝土无损检测实训平台、工程临建结构实训平台，同时融入交叉学科知识，构建了工程机械应用及维护实训平台.在本科生的培养中，充分利用实践平台开展实验训练、实践教学、专业学科竞赛等活动，提高学生发现问题、分析问题和解决问题的能力，实现理论与实践相结合.通过校企合作，加强教师与企业间的技术交流.根据校内创建的实践平台邀请企业专业技术人员到学校对学生进行实践培训，提高学生的实践能力.在教研活动中，建立人才培养的产学研结合模式，弥补学生实践能力的不足，促成个性化教育的开展，指导学生的后期学习.从社会需求和工程教育等方面，实践平台的建成，能拓展实践教学内容，适应专业培养对师资和设备场地的需求，提高实习效率，节省部分实训环节中的经费，保障实训安全.

2 搭建实践平台及应用

2.1 工程图学模型展示平台

工程制图课程传统的教学模式是从二维到三维再到二维，学习起来比较困难.工程图学实体模型涉及画法几何及工程制图实体教具，为工程图学提供贯穿立体投影、轴测图、三视图、剖视图和螺纹联接等多项内容的综合实体教学模型.教学实践表明，通过工程形体的实体模型演示，把形体的抽象、静止的内容转换成形象、生动的立体模型图，采用先三维、后二维、再三维的模式进行教学，收到良好的教学效果.

2.2 岩土样本与地质模型展示平台

结合理论教学，使学生初步建立各种产状的岩层、褶皱、断裂等地质构造的立体概念.同时通过观察各类静态和半动态地质模型，使学生能形象地认识地质构造空间要素、性质、形态类型及其相互关系和力学分析的基本知识，有助于学生在分析地质图时将平面和立体集合起来，推断构造的三维分布特征，训练学生的空间思维能力.岩土样本与地质模型展示平台为开放性平台，向对地质学感兴趣的学生全面开放.

2.3 结构模型展示平台

从培养学生对结构模型的兴趣入手，通过结构模型设计与制作教育，使学生掌握最基本的学科领域的研究方法和思想体系，并能凭借这些方法和思维模式来获得相关工程知识，开拓学生的设计思维，形成大工程观、大应用观的学习理念，提高学生对结构模型的设计能力，开拓学生的设计思维，并使学生能独立完成模型的制作任务，具备一定的设计与操作能力.

2.4 静动载实验结构模型及自平衡多点加载装置

根据工程教育认证要求，以仪器设备为工具，利用各种试验技术为手段，在荷载或其他因素作用下，通过测试与结构工作性能有关的各种参数，从强度、刚度以及结构的动力性能等各个方面来判断结构的实际工作性能，估计结构的可靠性，确定结构对使用要求的符合程度，并用以检验和发展结构的计算理论.通过自制静动载综合试验平台，改善工程结构试验条件，提高结构静动载试验质量.

在教学、科研工作中，经常需要在结构模型上做各种力学性能试验.这类实验的特点是荷载数值不大，但试件承载形式多样，或者设备加载次数频繁,往往是大型设备用不上，简单的加载设备或方法又不能满足要求.针对此种情况用AVR单片机ATMega128来采集荷载数据，进而同时控制多路电动缸产生拉压动作.多点同步加载及控制系统可靠高效，控制方便，加载精度高，可根据具体的实验要求进行复杂结构多点同步加载，满足相关教学试验或科研训练项目中复杂结构受力行为的加载工作，该系统拓展后还可进一步应用于现场实验和科学研究工作.

2.5 工程临建结构实训场地

临建结构是工程建设过程中不可或缺的施工用重要结构，现实工程中因临时结构设计不合理或者结构承载力不足造成的工程事故屡见不鲜，因此在校期间要培养学生树立责任意识，加强对临建结构的认识和应用.在施工课程教学、生产实习和毕业实习指导的基础上，结合现场工程实际，强化和深化学生的理论基础知识，拓展学生的知识面.结合校企联合、协同育人的理念.在企业技术骨干人员及指导教师的指导下，以施工常用临时结构设施为载体，通过实践训练完成现场实操，使得学生对临时结构搭建、组装过程中出现的问题、注意的事项有直观的把握，也为今后工作中对临时结构的设计做好铺垫和积累经验，进一步提高学生解决问题、沟通表达、团队合作等多方面的能力.

2.6 工程机械应用及维护实训平台

新工科视角的土木工程学科发展，势必要与其他交叉学科进行融合，土木工程专业的学生在未来的职业生涯中会涉及电气、机械等学科的相关知识，在校内搭建工程机械应用及维护实训平台，邀请企业技术骨干人员指导学生完成完整项目的实践，比如工程机械拆卸、安装等，可以拓展学生的知识面，强化交叉学科知识的融合和应用，开展研究性学习活动，使学生从中获得创新创业、解决问题、沟通表达、团队合作等多方面能力的提高，促进土木工程产学研结合机制的发展.

2.7 结构原型及混凝土结构无损检测实训平台

随着基础设施的不断建设和在役基础设施时间的延长，结构的质量和安全日益获得重视.以无损检测技术为代表的现代检测、测试技术越来越得到广泛关注和应用，其涉及的知识领域众多，对理论和实际能力要求高，使得相关人员的培养一直不能满足行业的需求.

为了更好地培养理论知识和实践能力相结合的应用型人才，更好地服务于交通及建筑行业，也为适应教学与工程实践相结合，满足教师和学生的科研需求，在学院原位实验室场地搭建了结构物原型认知平台(梁墩结构原型、轨道实物模型等)、应力波法检测混凝土结构的科研和试验平台、混凝土结构和基桩无损检测平台.实践平台的建设为学生提供学习和实训的场地，强化学生对理论知识在直观上的认知，培训和应用现代检测技术，以适应未来社会发展对工程人员的技术需求，也为行业检测人员的培训、新技术的展示和开发提供了试验场地和条件.

2.8 创新实践平台

根据大学生的兴趣点和爱好，结合本科生科研创新训练项目，我校土木工程学院与创新创业学院联合建立建筑结构及模型创新实践工作室，为学生提供创新实践平台.指定教师专门负责联络和管理创新实践工作室，积极吸纳工作室学生的需求和建议，不断发展、完善工作室的各项工作，尽可能满足学生创新和实践要求.邀请企业骨干技术人员及项目指导教师深入工作室开展技术交流和理论知识辅导.工作室实行可持续性管理和发展，即由高年级优秀学生带动、培训低年级学生，每一年级逐级持续发展.目前工作室开展的主要实践项目包括与全国大学生结构设计竞赛对应的结构模型设计与制作、与全国大学生结构设计信息技术大赛对应的结构设计信息技术训练与模拟、工程制图与识图、周培源力学竞赛、混凝土材料大赛等.创新实践平台的搭建在满足大学生创新实践项目需求的基础上，能够提升创新人才培养质量，进而激发学生的积极性、主动性和创造性，提高学生的自我学习能力、科研能力、实践能力及团队协作能力.

3 成效及经验

3.1 申请获批的项目及取得的成果

以土木工程校内实践平台和基础性实验室资源为支撑，近3年来，申请获批国家级大学生创新创业训练计划项目14项(67位学生参与)，西北民族大学本科生科研创新项目9项(47位学生参与)，西北民族大学实验室开放项目30项(学生参与346人次).

以土木工程校内实践平台为基础，联合企业技术骨干和指导老师，在校企合作、产学融合、协同育人的理念驱使下，深化技术交流和实践指导，取得了一系列创新实践成果.近3年来主要有：甘肃省大学生结构设计竞赛二等奖2项、三等奖1项；第二届全国交通运输职业教育无损检测技能大赛一等奖1项、二等奖1项、三等奖3项；第十二届“高教杯”全国大学生先进成图技术与产品信息建模大赛三等奖4项；全国周培源大学生力学竞赛(甘肃赛区)一等奖1项、三等奖8项；第二届全国大学生结构设计信息技术大赛特等奖1项、一等奖2项、二等奖和三等奖各1项.

3.2 经验总结

1) 搭建校内实践平台，提升了教学硬件设施质量 参照工程教育需求，为减小教学与工程应用之间的差距，在整合学院实验室资源的基础上，利用教学楼中厅、结构大厅及原位实验室等场地，搭建认知、实训及实习平台.实训平台的内容涉及工程教育的多个环节，通过实物展示对照、实做训练等形式，提升了学生分析和解决复杂工程问题的能力，提高实习效率，节省交通及野外开支.

2) 校企联合，实现共同育人模式 结合专业建设目标，聘请企业及研发单位技术人员进行技术交流指导，从工程概念、仿真、试验检测、专题研究、施工技术等角度，借助实训平台，针对不同年级的学生，在校外技术人员、课题组教师指导下，分项目进行实践训练，就复杂工程问题，与业界同行进行有效的沟通和交流.

3) 实践实训，培养了学生实践能力 根据专业培养目标，兼顾学生各学习阶段的特点，激发学生对专业的兴趣，培养学生的工程素质，以开展“工程模型认知”、“工程结构无损检测综合分析技术”、“工程结构承载力及损伤识别方法”、“工程机械与技术应用”、“结构施工支护及防护技术”等实训内容为主线，培养了学生对复杂工程问题解决方案和复杂工程模拟及预测的实践能力.

4 结语

土木工程是技术性、实践性很强的一门学科，通过搭建校内实践平台，可以强化实习实训，提升学生的工程技术应用能力和创新实践能力，也适应新工科建设和发展的要求.以校内实践平台为载体，可以加强企业与学校之间的合作和技术交流，实现校企联合、产学融合、协同育人的目标.学生以校内实践平台为基础，参与教师科研、申报创新创业实践训练项目、备战学科竞赛，实现理论与实践相结合，提升了创新人才培养质量，激发了学生的积极性、主动性，提高了学生的自我学习能力、科研能力、实践能力及团队协作能力.校内实践平台的搭建能够有效带动学科和专业的发展，提升人才培养质量.