信息化背景下土木工程专业实验教学改革研究①

陈育志，贾慧娟，宣卫红

（金陵科技学院，江苏 南京 211169）

随着信息技术的迅猛发展，信息化已成为当今社会发展的大趋势。在信息技术兴起的同时，教育信息化概念应运而生。为加快推进教育信息化，各国教育部门和相关学者均积极开展理论研究与实践。美国是最早尝试信息技术整合的国家之一，2001 年，美国教育部开展了“信息技术对学习者发展的作用”的研究。研究表明，信息技术“有助于学习者与教师角色的转变，能激发学习者的学习动机，增强自尊感，有益于掌握必备的技术技巧，能使学习者胜任更复杂的任务，有益于学习者加强与同伴的合作，提高学习者对外部资源的利用能力，提高了学习者的设计技巧，增强了关注对象的意识”[1]。

我国高等教育积极引进国外先进教育理念，如“慕课”“翻转课堂”等。2012 年被称之为“慕课元年”，而如今“慕课”在中国高校已经非常流行，特别是2020 年以来，中国大学MOOC（慕课）平台丰富的教学资源有力支撑了教师和学生的线上教学和学习。实验教学作为高校教学的重要环节，近年来，教育部加强了对实验教学工作和实验教学信息化工作的宏观指导。《教育信息化十年发展规划（2011—2020 年）》提出要利用先进的网络和信息技术，整合资源，构建先进、高效、实用的高等教育信息基础设施，建设优质网络课程、实验系统及虚拟实验室等，积极推进教学实验平台等信息化建设。

目前，我国大学教育不论是教师的教学还是学生的专业理论学习都取得了不错的成绩，但也存在一些不足之处，尤其是学生的创新和实践能力亟须提高。当前时代和社会的不断发展，在创新能力和创新意识方面对大学生提出了更高的要求，各高校都重视对学生进行创新和实践能力的培养。基于信息技术改革创新实验教学，丰富实验教学资源，革新实验教学手段，进行以学生为主体的教学，打开学生的创新思路，调动学生专业创新的积极性，能够更好地培养学生的创新科研意识和创新能力。

一、土木工程专业实验教学现状分析

实验教学作为高校理工科专业学生培养过程中十分重要的一环，对学生深入理解理论知识、培养实践技能和提高创新能力有着不可替代的作用[2]。土木工程具有十分鲜明的行业特点，实验不仅能够促进学生理解巩固专业理论知识，更是学习专业技能的实践过程，在土木工程专业人才培养中，实验教学占有非常重要的地位。在基于OBE 教育理念的工程教育专业认证背景下，实验教学要求越来越高，而土木工程专业传统的实验教学因实验室建设成本高，实验消耗大、周期长、危险性高，缺乏全过程的实验体验，以及实验教学师资力量不足等问题，实验教学内容和方法已经不能满足要求[3][4]。例如，因实样制备以及实验操作不容易，在钢筋混凝土梁弯曲实验中学生大多仅针对单一混凝土强度等级和配筋试样开展，难以通过实验获得不同混凝土强度等级、不同配筋、不同截面尺寸等参数对实验结果的影响；土木工程结构实验课程中涉及的振动台等大型设备，一般用于教师科研实验，本科生很少有机会接触到这些设备[5]；在土木工程材料课程的水泥凝结时间测定实验中，学生通过维卡仪试针沉入试件深度来判断水泥的初凝和终凝时间，但是仅通过实验现象难以窥探水泥颗粒水化过程，学生知其然而不知其所以然。而现代信息技术的加入，使实验教学可以克服时空上的很多困难，真正建立与互联网教育时代相匹配的新模式。当前土木工程专业实验教学信息化建设过于偏重单个虚拟仿真实验项目的建设，已建的虚拟仿真实验项目普遍存在功能较为单一、扩展性不强等问题，学生在实验操作过程中仅能观察到实验过程，可操作性和体验感不强，没有充分挖掘虚拟仿真实验的优势。另外，与信息化实验教学相适应的信息化平台还不完善，教学理念还停留在传统实验教学阶段，远未达到通过信息化实验教学提高创新实践能力的目标。

二、信息化背景下土木工程专业实验教学改革内容

土木工程专业信息化实验教学改革不能局限于单一的理论知识点或单一实验项目，必须借助信息技术实现实验教学与专业发展更紧密的结合。以建立面向土木工程专业的信息化实验教学体系为目标，遵循高等教育发展和现代人才培养的客观规律，结合行业发展需要和学校特色，以现有的实验室为基础，以学生创新和实践能力培养为引领，以建设开放度高、共享性强的优质信息化实验教学资源为重点，通过强化教师信息化教学能力，建立信息化实验教学平台，坚持“虚实结合”的原则，以“立足教学、产学研融合”为教学理念，构建多层次的信息化实验教学体系，建立课内课外一体化的人才培养体系，以提高人才培养质量，提升行业服务水平和科研支撑能力。信息化背景下土木工程专业实验教学改革内容如图1 所示。

（一）建立信息化实验教学体系

土木工程专业信息化实验教学改革应遵循高等教育人才培养的客观规律，结合行业发展需要和学校特色，以现有的实验室为基础，以学生创新和实践能力培养为引领，以“立足教学、产学研融合”为教学理念，构建多层次的信息化实验教学体系。

依据土木工程专业知识结构和学习流程，结合教学资源的建设过程，建设专业基础信息化实验模块、专业技术信息化实验模块以及科研与技术服务信息化实验模块。将实验项目分为基础训练、提高训练和创新训练三个层次，开展分层分类教学，可根据人才培养的要求进行模块化选择组合，实现教学内容的开放共享，可通过各个层次的实验项目，培养学生的创新思维与创新方法，提高工程实践创新能力。

模块Ⅰ——专业基础信息化实验教学

土木工程专业基础性课程实验，有利于夯实学生的专业基础知识。采用虚拟仿真技术、多媒体技术、互联网技术等多种手段，进行工程测量、土木工程材料和材料力学等课程实验项目的开发和教学。

模块Ⅱ——专业技术信息化实验教学

专业技术信息化实验教学是提升学生专业技术能力的重要途径，主要涉及工程设计分析能力、工程管理能力和施工技术等方面。

模块Ⅲ——科研与技术服务信息化实验教学

结合学科建设和教师科研课题，开展面向科研和技术服务的信息化实验教学，对提升学科水平和培养创新型人才具有重要意义。实验项目主要涉及新型土木工程材料、结构抗震加固、健康监测等内容。

（二）信息化实验教学队伍建设

实验教学信息化首先要求实验教师不仅要精通专业知识，还要熟悉信息技术。教师的专业能力决定了其对所教课程的知识点及重点、难点的认识程度，直接影响其设计的实验项目的针对性，而教师的信息技术能力决定其能否基于信息技术设计出易于理解、便于操作的实验项目。信息化教学能力是指在先进的教育教学理论指导下，教师利用计算机多媒体技术、虚拟仿真技术等现代信息技术开展教学的能力。但信息化教学的过程不是简单的信息传递交流，实验教学教师除了要掌握必要的信息技术能力，教学方法应注重探究、启发、协作。所以，信息化实验教学不仅是信息技术应用的推广，更重要的是信息化教学能不断促使产生科学的教学理念和方法。教师不仅要懂得如何应用信息技术开展实验教学，还要转变教学观念，因为在信息技术环境下教师的角色由以往知识的传授者变成学生学习的合作者和引导者。教师的主要任务是创建丰富的教学环境，帮助学生制订适当的学习目标，激发学生的学习动机。在继承以往传授式教学优点的基础上，利用信息技术的优势开展探究性教学、自主性教学以及合作性教学，实现教学方式的多样化。紧密结合教学与科研，将科研理念、成果及方法融入实验教学，提高学生的科学研究和科技创新能力。因此，通过专业培训和自我学习提高教师利用先进信息技术的教学能力，进而善于利用信息技术转变传统实验教学模式，制订与信息化实验教学相适应的教学方案，包括实验教学过程设计、实验过程考核以及对实验大纲、实验指导书和实验报告等实验教学过程资料的修订等，在信息技术支撑下改革实验教学模式与方法，是推进实验教学改革过程的关键。

（三）信息化管理和实验教学平台建设

教学与管理平台泛指用于支撑教学与管理活动的基础设施、资源、实验平台等，它为信息化实验教学提供了硬件支撑环境和个性化的软件管理平台。通过信息化管理平台，学生可以预约和预习实验，在线提交实验报告，进行提问和讨论，教师可以在线规划课程、管理学生、与学生讨论交流[6]。

土木工程专业具有十分鲜明的行业特点，随着技术不断发展进步，工程结构越来越大型化、复杂化，超高层建筑、特大型桥梁、复杂的地下空间结构不断涌现，要有效整合各类实验教学资源，创建技术先进、功能集约、资源优化、运行高效、虚实结合的实验教学平台和贴近实际、高度仿真的虚拟实验环境，为学生自主学习、自主实验和创新实践创造条件。为高效管理实验教学资源，实现校内外更广范围的实验教学资源共享，满足多个学校和多门学科专业的信息化实验教学需求，还要建设具有扩展性、兼容性、前瞻性的共享平台[7]。信息平台要拥有统一的数据交换接口，实现各高校实验教学资源的共享[8]。目前，国家虚拟仿真实验教学项目共享服务平台和江苏省土木建筑虚拟仿真实验教学共享平台等国家和省级实验平台内已建设了丰富的实验教学资源，包括不同层次的实验教学内容，能够有效提升学生对土木工程知识认识的深度和广度。

三、结语

信息化教学改革是信息化技术与传统教育教学的有机结合，二者取长补短、相辅相成，多层次、多维度地展现教学内容，既有教师的启发，又有信息化手段适时参与，多种教学形式交替能有效激发学生的学习兴趣，提高注意力，使学生保持积极主动的学习状态，从而达到提高教学效率和质量的目的。

实验教学是学生进一步吸收专业知识和提高实践能力的必要途径。土木工程专业是对实践能力要求很高的专业，建筑结构逐渐呈现出体量大、结构形式复杂、施工周期长等特点，传统的实验教学手段已难以满足新时代人才培养的要求。采用信息技术进行土木工程专业实验教学能有效解决传统教学手段所面临的技术问题，但实验教学信息化改革不能局限于信息技术手段的简单应用，要更加注重信息化教学模式的改进，通过虚拟仿真技术将实验教学内容向广度和深度推进，真正发挥信息技术在实验教学中的作用。

本文结合信息技术的特征与优势对土木工程专业实验教学改革的内容和实施方式进行了较为具体的梳理，对教师利用现代信息技术优势改进实验教学具有一定的指导意义。