“一体化、三层次”实验教学模式探索<br/>——以“混凝土结构设计原理”课程为例

“一体化、三层次”实验教学模式探索
——以“混凝土结构设计原理”课程为例

2023-04-04郭嘉成

教育教学论坛 2023年5期

刘伟，郭嘉成

（大连海洋大学海洋与土木工程学院，辽宁大连 116000）

引言

随着当今社会经济与科技的飞速发展，创新能力与实践能力已然成为当今社会发展的强大推动力和广泛的社会需求，传统教学模式下培养的应用型人才已远不能满足当今社会的实际需要。徐玮玮［1］分析了应用型大学中实验教学的现状，发现现阶段许多大学缺乏完善的实验设施，大大降低了学生在教学中的主体地位。王志鑫［2］分析了混凝土结构设计原理早期实验教学的缺陷，提出了“全程式实验教学”设计。罗伯光等［3］发现混凝土结构实验教学缺乏独立的实验教学体系，提出了符合培养创新型土工类专业人才的混凝土结构实验教学改革思路。刘建平等［4］学者对混凝土结构实验教学中存在的主要问题进行分析，实验教学采用“讲授式”模式，缺乏启发性；实验教学项目单一，系统性和实用性不足。针对混凝土结构现存问题，提出了线上线下混合式实验教学模式和优化实验内容开发综合性设计性探究实验。蔡瑛［5］发现在实验课程中，土工类综合性、设计性实验所占比例较少，优化实验知识结构，更新实验教学内容，建立以学生为中心，系统化、科学化、规范化和开放的实验教学模式。

“混凝土结构设计原理”是一门以实验为基础、兼具实践性与理论性的学科，其内涵丰富，外延广泛，与技术规范及工程实际联系紧密，具有综合性、技术性及应用性的特点［6-7］。因此，实验教学在各大高校中发挥着显著作用。“混凝土结构设计原理”实验课程较多，包括验证性实验、综合性实验、创新性实验。其中，综合性实验建立在验证性实验的基础之上，实验内容涉及多门课程或运用多种实验方法和实验手段，创新性实验则在二者之上。刘宝生等［8-10］针对不同专业提出了“一体化三层次”的实验教学改革，但对“混凝土结构设计原理”这门专业课，甚至对土工类这门专业的实验教学改革研究少之又少。本文基于“混凝土结构设计原理”这门专业课，实现理论知识与实践技能的整合，促进各学科之间的交叉与融合，构建“一体化、三层次”实验教学体系，从而全面提高学生的创新意识和创新能力。

一、“一体化、三层次”实验教学模式的内涵

《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010—2020年）》强调，要优化学科专业、类型、层次结构，促进多学科交叉和融合［11］。本文基于“混凝土结构设计原理”实验教学的不足，提出了“一体化、三层次”实验教学模式，通过科学地安排实验教学内容，独立设置实验课程，基于简单到复杂的循序渐进原则［12］，构建“一体化、三层次”实验教学体系。

其中，“一体化”是指明确实验目标，以培养新世纪应用型、创新型人才为宗旨，追求知识体系完整，加强各学科之间的联系，更好地培养学生的创新能力与实践能力；“三层次”是指实验教学内容分为三个层次，即验证性实验教学模式、综合性实验教学模式、创新性实验教学模式，其内涵是摒弃传统的实验教学模式，推进、完善各学科的交叉与融合、实验教学与工程实践、创新活动、科学研究、企业协作的交互融合。

二、“一体化、三层次”实验教学模式的构建

（一）以科学发展观重组实验教学内容，构建“一体化、三层次”的实验教学体系

国家标准《混凝土结构设计规范》（GB50010—2010）及行业标准《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG3362—2018）颁布实施后［13］，进一步提升了结构整体安全性能和抗灾性能设计水平的要求，初步实现了由“构件设计”向“结构设计”的转变，相应地，对行业及土木类人才培养的要求也随之提高。因此，土木工程专业课程体系及教学内容亟须重组。本文以科学发展观为导向，秉承“以生为本”的基本原则，构建了“一体化、三层次”实验教学体系（见图1），旨在更好地培养应用型、创新型人才。

图1 “一体化、三层次”实验教学体系

第一个层次为验证性实验教学，主要目的是让学生掌握混凝土结构设计原理中实验的基本方法和技术，加深理解课堂上所学的基本技能和基本方法。验证性实验包括试件加载实验、材料强度测定和材料配合比设计等实验，通过这些实验，使学生加深对阶段性知识的理解水平和掌握程度。

第二个层次为综合性实验教学模式，主要目的是培养学生的创新能力和研究能力，提高学生对专业知识的理解，增进学生对专业技能和实践能力的综合训练。其内容包括两个学科方向的交叉性实验，如利用有限元软件，对不同工况条件下的模型结构进行力学计算。综合性实验有利于学生对不同方向的学科内容和专业知识进行同步加深学习，进而拓宽学生的复合型专业知识结构，培养综合实践能力。

第三个层次为创新性实验教学，包括大学生土木工程结构创新大赛等创新创业活动，主要目的是引导学生更多地参与创新创业活动，发挥学生的主观能动性，激发学习兴趣，锻炼实践能力，提高科研能力和团队合作能力，同时提高学生的创新思维和创新意识，加强思考问题和解决问题的方法，提高创新能力和实践能力。

（二）基于“一体化、三层次”的实验教学体系，建立实验教学管理平台

《教育部关于加快建设高水平本科教育全面提高人才培养能力的意见》指出，要加强校内实验教学资源建设，构建功能集约、资源共享、开放充分、运作高效的实验教学平台［14］。现阶段，随着普通高等院校招生人数的日益增加，土木工程专业实验教学过程中出现了居高不下的学生人数与无法增容的土木工程实验室设备之间的矛盾。实验教学的信息化建设和管理面临许多问题和挑战，建设一个系统、高效的实验教学管理平台，对于实验教学来说具有重要的现实意义［15］。基于“混凝土结构设计原理”的“一体化、三层次”实验教学体系，构建形成实验教学平台整体框架（见图2），它包括考核管理模块、教学资源管理模块、验证性实验教学模块、综合性实验教学模块、创新性实验教学模块、实验室虚拟平台模块等。

图2 实验教学管理平台框架

据统计，大部分工科类专业实验教学课时约占总课时的30%左右，实验教学开展的充分条件是拥有仪器设备，它在教学实验室中占据主要空间，但由于绝大多数高校实验室空间有限，实验设备不能同时满足大量学生的实验教学。为此，实验室除了正常的实验教学外，还应建立一个开放、互联、共享的网络资源实验室虚拟平台。

1.实验室虚拟平台的内涵。实验室虚拟平台与传统的实验教学相比，具有如下特点。（1）虚拟实验室可以通过减少实验资金投入弥补教学实验条件和实验经费的缺乏［16］，同时提高使用效率，更好地实现大型科学仪器的资源共享，进而避免大型仪器设备的浪费。（2）强调“网络是实验设备”的概念。互联网在实验中扮演着以往由操作台和实验仪器实现的角色。学生可以通过实验室虚拟平台，以身临其境的方式对实验现象进行观察和“实际”操作，甚至还可以与异地学生合作进行实验。（3）实验室虚拟平台改变了以往实践教学模式受时间和地点的限制，利用计算机网络提高实验教学效率，更好地培养学生独立分析问题和解决问题的能力，进一步提高学生的实践技能。（4）考虑到网络虚拟实验室的开放性和共享性，实验室虚拟平台可以提高资源的可重用性，缩短系统构建时间，方便功能的扩展和管理，增加学生的实验操作机会，扩大实验范围和科目，促进各学科之间的交叉与融合，充分发挥教育领域互联网技术的优势。

2.实验室虚拟平台的搭建。实验室虚拟平台属于远程操作类虚拟实验，学生可以通过校内机房或通过校外电脑下载软件和手机下载App远程进行虚拟实验，系统结构如图3。在虚拟实验系统中，硬件资源主要包括实验仪器、实验设备、实验材料、实验室环境及一些辅助实验工具。在系统的有效控制下，实验室虚拟平台不仅可以为本校师生提供服务，还可以被国内各大高校使用。在使用过程中出现什么问题或产生创新性的实验方法，可及时反馈给系统，更好地发挥实验室虚拟平台的开放、互联、共享作用。

图3 实验室虚拟平台系统

实验室虚拟平台主要有三个模块：系统管理模块、教师指导模块和学生模拟实验模块。其中，系统管理模块为实验室管理人员对整个系统进行实时监控，处理系统中出现的问题，维护实验平台的功能；教师指导模块可以让指导教师通过实验平台进行实验指导、批改实验报告、布置实验内容等；学生模拟实验模块可以让学生通过虚拟实验平台充分了解实验仪器、装置及材料的用途，在实验平台上进行实验学习、实验练习、提交实验报告、提问及回答问题。