土木工程专业实验教学内容优化及实验教学方法研究

张 毅 韩金斌 王 炜 师金锋

（火箭军工程大学作战保障学院，陕西 西安 710000）

引言

实践是土木工程专业的出发点也是落脚点，土木工程教育的目的就是要在学生学习掌握基本理论和原理的基础上，让学生回到实践，将理论与实践相结合，分析实际问题解决实际问题，从而培养既具有扎实理论基础又具有一定实践经验能够解决实践问题的高素质人才[1]。

一、土木工程专业人才需求分析

通过对在当前岗位工作多年人员的走访及问卷调查，进一步深入了解本校土木工程专业人才的成长途径、过程与环境，通过人员对自己的职业生涯的回顾分析，总结个人专业方面的优势与不足，提炼出学生毕业时最需要具备的能力素质。然后，对不同方面的能力需求进行分解，在考虑专业特点及学生自身成长规律的情况下，将学生的能力分解为知识、技能和素养三个层次。最后，分析每个方面能力在不同层次下，所培养的学生要达到哪些具体的标准。

知识在居于三个层次中的最底层，也是学生学习中最直接获取的东西，知识层面要求学生具备自然科学、人文科学等基础性知识和外语计算机等运用型知识；能力层面要求学生具有认知、思辨、实践和解决实际问题的能力；素养层面要求学生具备求真务实、严谨细致和吃苦耐劳的品质。

对土木工程专业来说，工程能力是必不可少的。在学校学习阶段，学生能力的培养，主要通过课程实验、课程设计和毕业设计等实践教学环节来进行。土木工程专业的实践能力就是能将已经掌握的知识和经验运用于设计、施工、运维管理等环节，能发现问题、分析问题并解决实际问题[2]。

其目的是使学生能够用实践验证巩固所学知识，培养自主发现问题、自主解决问题的能力；更好地印证所学的理论知识，为毕业以后的任职打下基础。在技能层面，学生要掌握施工材料种类、性能及应用，掌握土建工程施工分类、施工流程，具有较强的施工组织和工程机械操作与维修等专业技能，适应工程设计与施工的发展和任职岗位转换的需要。在素养层面，学生要求掌握岩土工程、结构工程和地下防护工程等学科专业基础理论，以及工程识图、测量与施工技术等专业知识，具有较强的施工作业与工程保障专业基本技能，具备良好的专业素养和一定的创新精神。

情感态度是在知识、技能、素养需求的基础上，对学生更高层次的要求和需求。情感态度与价值观作为一个人对待科学事物的最基本看法与倾向性，虽然是潜移默化的，但对个人以后的行为和发展具有很强的导向与制约作用，且作用是长期性的和根本性的。工程建设是一个从无到有的过程，其工作性质决定了工作环境的艰苦，因此具备吃苦耐劳的品质几乎是工程人员的基本要求和品质。而这些品质的具备，除工作岗位的磨炼之外，还需要学生对工作岗位的认同，对自身价值的认同。

二、实验教学内容优化

根据研究内容中需求分析得到的人才在知识、能力和素质方面的具体标准，结合人才培养方案中的课程体系，明确学生哪些知识、能力和素质的培养需要通过实验教学完成；以包含实验的各门课程为对象，对实验教学内容和实验教学项目的进行初步设置，减少与专业人才培养目标关系不大的实验内容，增加对专业人才培养支撑作用较大的特有的实验内容；然后，将所有的实验内容和实验项目进行梳理和归类，对内容上存在部分重复性的实验进行合并，并根据学生的知识体系结构选取适当的时间点开展相应的实验[3]。

在人才培养方案中的课程设置中，包含实验的课程及实验学时主要有《材料力学》（6学时实验）、《结构力学》（6学时实验）、《建筑材料》（10学时实验）、《土木工程制图》（6学时实验）、《土力学》（12学时实验）、《钢筋混凝土结构原理》（4学时）、《岩体力学》（6学时实验）、《土木工程测量》（20学时实验）、《地下结构》（6学时实验）、《地下工程施工》（8学时实验）、《建筑安装工程》（8学时实验）、《土木工程实验》（28学时实验）。实验学时共计120学时。

对比这些课程的课程教学计划与地方大学土木工程专业中的实验课内容可以看出，这些课程中的实验内容与地方大学土木工程课程实验内容基本相同，主要还是以土木工程专业的实验内容为主，地方土木工程专业相关课程设置的背景主要是工业与民用建筑工程，没有考虑本校土木工程专业的培养目标和特点，更不可能紧密联系学生的第一岗位任职需求。同时，这些实验内容的设置大多基于以前或早期的工程发展技术，对当前的VR技术，半实物仿真等技术运用较少。优化后的实验包含：拉伸实验、压缩实验、扭转实验、钢筋混凝土拱破坏实验、钢拱架破坏实验、水泥细度实验、砂子的筛分实验、砂浆稠度实验、砂浆分层度实验、砂浆强度实验、混凝土和易性实验、混凝土立方体抗压强度实验、自密实混凝土配制及力学性能实验、高强混凝土配制及力学性能实验、建筑施工图、结构施工图、土的密度实验、土的含水率实验、土的渗透实验、钢筋混凝土梁设计、制作和使用性能及承载力、单轴抗压实验、岩石的三轴抗压强度试验、岩石点荷载强度实验、水准仪的认识实验、水准测量实验、经纬仪认识实验、水平角、竖直角观测实验、GPS控制测量练习、全站仪的基本操作与使用、地形图碎部测量实验、地下工程结构演示、钻爆法仿真交互实验、水泥标准稠度用水量实验、混凝土材料渗透性实验、水泥胶砂强度检验、回弹仪测定混凝土强度、混凝土耐久性试验、钢纤维混凝土配制及力学性能测定实验、混凝土外加剂实验。

三、实验教学方法

目前，很多包含实验课的课程在开展时，都是将实验课放在理论课之后进行，目的是让学生在具备一定的理论知识基础后再开始实验。实验过程基本如下：教员先进行理论回顾和实验过程及仪器设备初步讲解，然后向学生进行现场示范和讲解，最后由学生按照规定程序和要求完成实验并撰写实验报告。不同类型的实验特点不同，学生当前基本只能按部就班地完成实验，而单一不变的实验安排对发挥学生的自主性和创造性是不利的。

根据实验的侧重点、特点和作用，将土木工程专业实验分为：验证性实验、设计性实验和综合性实验三种[4-5]。基本性实验是指通过基本现象获取基本知识和经验的实验，此类实验的主要目的是对实验结果进行验证，通过验证加深学生对所学理论和原理的进一步理解。过程以学生的实际操作为主，通过观察、思考、记录、计算和分析达到验证的目的。这类实验对学生动手能力的培养和训练是基础性的，也是必不可少的。设计性实验是学生通过相关问题的思考，可以得到相应的结果，但还需要进一步验证，需要在基本实验的基础上进行一些改进；综合性实验，是指实验结果事先无法知道，需要学生根据所学知识和原理进行推理，得到初步的可能结果，然后通过设计实验并动手操作，具有较大的探索性和研究性，是通过实践来获取知识，是对原来所学知识的进一步拓展，需要对原有知识结构进行新的调整和建构。此类型的实验要求学生已经掌握基础理论和知识，具有基本的动手操作实验能力，因此一般在高年级学生中开设。这类实验可以培养学生深入思考和较强的思维与动手能力。

针对不同的实验类别探索和研究不同的实验方法，用更有针对性的实验方法达到实验效果更明显的目的。使学生在完成实验的过程中既能掌握扎实的基本知识、基本方法和基本原理，动手实践能力和创新能力也得到一定程度的培养和发展。实验教学主要通过设置不同实验类型，针对不同的实验类型采取不同侧重点和关注点的方法来进行。

1.验证性实验

验证性实验目的在于满足土木工程专业培养目标的基础实验，主要是让学生了解仪器设备的基本构造和原理，掌握实验基本原理和方法步骤，熟悉实验仪器设备的操作规程。通过实验能提高学生的操作技能及实验结果的分析能力，为进入综合性实验打下坚实的基础。此部分初步设置22个实验项目，包含拉伸实验、压缩实验、扭转实验、钢筋混凝土拱破坏实验、钢拱架破坏实验、水泥细度实验、砂子的筛分实验、砂浆稠度实验、砂浆分层度实验、建筑施工图、结构施工图、土的密度实验、土的含水率实验、土的渗透实验、单轴抗压实验、水准仪的认识实验、经纬仪认识实验、水平角竖直角观测实验、全站仪的基本操作与使用、地下工程结构演示、水泥标准稠度用水量实验、混凝土材料渗透性实验。

2.设计性实验

土木工程专业设计性实验由一系列扩展实验构成，目的是使学生在掌握基本实验技能的基础上，进一步了解、掌握工程实际以及科学研究中较为先进的实验技术及方法，加强学生的专业修养，并通过实践教学与科学研究相结合等方式，培养学生科研及创新的能力和潜质。该实验从提出问题、拟定实验方案、选择实验设备、完成实验数据的观测和处理，到最后得出结论，解决自己提出的问题，都由学生独立完成，教师只充当“引导”和“辅助”的角色，提高了学生独立钻研的能力[6]。初步设置的设计性实验共有10个实验项目，包含：砂浆强度实验、混凝土和易性实验、混凝土立方体抗压强度实验、岩石的三轴抗压强度试验、岩石点荷载强度实验、水准测量实验、GPS控制测量练习、钻爆法仿真交互实验、水泥胶砂强度检验、回弹仪测定混凝土强度。

3.综合性实验

综合性实验主要为了增强学生的科研素质，从而适应工程技术快速发展的要求。这类实验由学生选择自己感兴趣的课题进行研究，首先要熟悉本项目研究领域里国内外研究动态，然后通过自主学习、自主设计、自主实施，充分施展学生的专业素质和组织能力。这类实验具有真正的科学研究和探索的性质[7]。学生在综合性实验中体会更多的是自主和研究，通过综合性实验，学生可以在实验的过程中找到学科竞赛、毕业设计方面的研究内容和主题，即便在实验课程结束后，学生依然可以通过相关途径继续进行实验研究，为个人后续的发展积累更多的可能性。初步设置的综合性实验项目共有8个，包含自密实混凝土配制及力学性能实验、高强混凝土配制及力学性能实验、钢筋混凝土梁设计、制作和使用性能及承载力、地形图碎部测量实验、混凝土耐久性试验、钢纤维混凝土配制及力学性能测定实验、混凝土外加剂实验。

结语

实验教学在土木工程专业人才培养中的作用不可替代，尤其是对应用型人才的培养更是如此，应加大《建筑材料》《地下工程施工》《钢筋混凝土结构原理》等部分课程的实验环节比重，加大综合性实验的学时，给学生以更充分的主动权进行实验，让学生在实验课程学习时，就初步具备毕业选题的能力或埋下毕业设计选题的种子，打通学生从课程实验和实验课程到毕业设计选题的通路。通过相关实验项目的实践表明，使用固定课堂实验对土木工程某些实验来讲比较困难尤其涉及某些设计类实验和综合实验，这些实验已经不是结果重现的实验，考查的是学生设计实验，发现问题，再创造的过程，在条件允许的情况下，应加大此类型实验的比例，更好地培养学生解决问题的能力和创新能力。