产学合作协同育人项目驱动的土木工程实验教学探索

2022-02-14宋彦朋程刚

创新创业理论研究与实践 2022年24期

宋彦朋，程刚

（武汉工程大学邮电与信息工程学院，湖北武汉 430073）

土木工程专业为应用型学科，实践是训练学生工程技能的主要方式之一，而实验教学又是实践的重要组成部分，是专业学习的重点内容，是培养学生创新能力、研究和解决工程问题能力的关键环节[1-2]。但传统的土木工程实验教学存在着教学体系不完整、教学模式单一等问题。本文根据武汉工程大学邮电与信息工程学院（以下简称我院）土木工程专业实验教学的现状以及面临的问题，依托教育部产学合作协同教育工程项目，并根据与主办院校武汉工程大学土木与建筑工程学院（以下简称本部土建院）共建共管共用资源的土木工程实验中心，开展了实验教学的全面改革研究。

1 我院土木工程专业实验教学现状

我院土木工程专业的实验教学分为三部分：公共必修课、专业基础课和专业必修课，具体情况如表1 所示。

表1 土木工程专业实验课程统计表

本专业实验教学存在的问题如下：

（1）实验教学课时设置以课内实验为主。除了物理实验外，其他内容都依附于理论课程。我院实验课的教学一般采取以理论教师为主、主办高校实验室人员为辅的模式完成授课。因此部分教师偏重理论教学而忽视了实验教学，学生在学习过程中也以理论学习为主。同时土木工程专业的实验往往涉及的知识比较广泛，在有限的学时里学生只能初步了解实验知识，难以掌握实验的本质[3]。

（2）实验内容存在一定的交叉重复，教学缺乏整体规划。我院本专业实验教学内容的设置往往以理论教学为依据，但各专业课知识存在交叉重复，因此实验内容出现交叉重复现象，例如在土木工程材料的实验教学中，会设置低碳钢的力学性能的检测，同时材料力学实验教学内容也会设置相应的实验[4]。

（3）实验教学模式单一。目前大多数实验均以验证结论为主要目的，教学方法主要是“课前教师进行实验准备→课中教师进行讲解示范，学生模拟重复实验内容→课后学生完成实验报告的撰写”，这种教学方式以教师为主导，学生简单重复，难以最大限度地激发学生学习的主动性和积极性[5]。

2 土木工程专业实验教学改革的基础

根据我院土木工程专业实验教学现状，本专业教师团队积极探索实验教学的体系方法等方面的创新。教学改革有一定的硬件基础，同时兼具软件条件。

我院与主办院校共同合作建设了土木工程实验中心，该实验中心总使用面积为2 686m2,共投入资金近1 000 万元。该教学实验中心综合了土木工程建筑材料实验室、材料力学与特性实验室、水土力学研究室、桥梁构造与模型室、工程测量实训室、施工项目管理实训活动中心等29 个实验实训室。可以满足我院土木工程专业开设的所有实验课程需求[6]。

借助教育部产学合作协同育人平台，我院联合烟台新天地试验技术有限公司申请了师资培训项目《面向应用型人才培养的力学相关实验技能培训》。该企业主要开展实验教学领域的实验装置研发和测试技术研发[7]。公司具备技术资源优势,我院将与之协同进行师资建设和培养,通过选派教师团队成员先后赴公司进行技术培训,尤其是利用关于材料力学、工程力学等的实践课题研究、课程标准构建、实验教学模式设计等方面的前沿理论,对教师开展力学实践与技术训练,以提高教师实验力学的实践操作与技能水平,从而更好地使理论知识和实验课程相互融通。同时进行实验方案设计，使实验教学方案既能和理论知识紧密联系，又能与实际工程结构，特别是桥梁工程和大型土木工程结构接轨，满足学生应用技术学习的要求。在实验方案中体现科学性与实用性。

基于教育部产学合作协同育人项目，依托与主办院校共建共管共用的实验中心，我教研团队梳理整合了土木工程专业实验教学体系，革新了实验教学方法，丰富了实验教学内容。

3 土木工程专业实验教学改革内容

3.1 递进式的实验教学体系的梳理

我院土木工程专业培养目标为应用型创新人才，因此在进行实验教学时，既要完成基础性实验教学，还要设置综合性和创新性实验项目[8]。根据目前土木工程实验中心的建设情况，依据不同的专业课程特点进行实验教学体系的重新梳理。学科的基础实验分为材料力学实验课程、结构力学实验课程、工程测量技术实验课程、土木工程材料学实验课程等；专业技能实践包含土木工程结构实验课程、路基路面实验课程、钢结构实验课程、工程结构检测课程等；创新性综合实验包含混凝土构件无损测试、有限元分析实验、钢结构的自振频率和模态实验等[9]，如图1 所示：

图1 土木工程实验中心功能

3.2 集中与开放式相结合的实验教学模式创新

集中授课指的是根据理论教学安排实验教学课在周中进行，开放式实验教学指的是开课周次其余时间的下午、晚上。

集中授课的部分以基础性验证实验为主。这些实验大多需要教师来讲解实验目的、实验原则、实验仪器、实验要求、实验过程、数据等，由学生进行重复操作。这种教学模式使学生较快地掌握实验内容与现象，加深对相关理论知识的掌握，在人才培养中起到重要的作用，且没有基础实验的循序渐进，学生很难完成设计性、研究性、探索性实验。但这种教学方法不利于学生创造力的培养。将集中授课和开放式教学相结合可以很好地弥补此类缺点[10-11]。

开放式的实验教学第一步需要学生查阅大量的资料，包括相关设计手册、国家行业企业标准、学术论文等文献资料，观看实验过程的视频讲解和动画演示等影视资料、实验数据收集分析环境、以往数据的分析等与实验教学相关的内容，完成实验预习过程。实验预习要求学生可以提出具体的实验目的,根据实验原理编写详尽的实验操作与流程,熟悉实验装置使用,熟悉实验数据处理的方式,同时进行实验预习报告的编制。由实验教师对实验的预习报告进行审核修改,分组安排开放性实验。开放式实验教学,通过学生的独立思考可以培育其创造精神[12]。

3.3 目的对应式的实验教学层次设置

不同的岗位要求学生掌握的理论层次不同，因此在教学过程中我们以生为本，以学定教。实验是理论联系实践的桥梁，同时实验教学过程及结果也是检验学生理论知识掌握情况的手段。实验教学要根据学生的学习情况服务于多层次理论教学，对应不同层次的理论，设计不同类型的实验项目，如图2 所示：

图2 实验教学与理论教学对应关系

以材料力学课程的金属挤压实验为例,该实验首先需要我们仔细观察各种性质金属材料如低碳钢、铸铁、铝合金等在挤压实验时的变形和破坏情况，并研究分析原因，形成感性认识。在此基础上了解基本概念压应力导致试件发生断裂破坏的形式、原因以及测量方式。然后对试件在压缩实验中的相关概念进行量化，如材料的流动极限、强度极限，定点测量压缩实验中应力变化，找到其变化规律。最后制定深化研究目的，如根据试件压缩实验过程中加载、卸载曲线，分析材料弹性模量的变化。

3.4 创新性地补充综合实验

综合性实验能进一步促进学生知识能力素质的培养和形成，更有利于学生解决复杂工程问题，且国家本科教学评估文件中要求创新性综合实验的比例需达80%以上[6]。综合性实验涉及多门课程，多种实验方法，是在基础性实验的基础上，由教师给定实验任务、学生自行设计实验方案的基础上完成的。

以《混凝土结构设计原理》为例，将“混凝土梁正截面受弯实验”的基础实验改设为“各种配筋梁受弯破坏实验”的综合实验，由学生自行设计、制作、养护试件，加载、分析不同配筋梁（超筋梁、少筋梁、适筋梁）受弯破坏形态[13]。实验内容涉及多门课程的知识，如《土木工程材料》《土木工程施工技术》《混凝土结构设计原理》《建筑结构检测》等。采用综合性实验，对先行课程的知识进行串联，增强了学生对理论知识的把握,并锻炼了学生分析问题、解决问题的能力[14]。