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土木工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的探索與實(shí)踐論文
摘要：針對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)忽視培養(yǎng)學(xué)生科研創(chuàng)新能力的現(xiàn)狀，探討將教師科研課題引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)，并結(jié)合實(shí)際案例，探索本科生參與創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的思路和途徑，在時(shí)間安排、建立激勵(lì)機(jī)制和考核評(píng)價(jià)等方面提出了相關(guān)建議。實(shí)踐證明，依托科研課題進(jìn)行創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)，將充分發(fā)揮科研對(duì)教學(xué)的促進(jìn)作用，形成兩者的良性互動(dòng)。
關(guān)鍵詞：土木工程；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；科研課題
中圖分類號(hào)：G642423；TU3-4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1005-2909（2017）04-0104-04
土木工程實(shí)驗(yàn)是學(xué)生深入理解和把握力學(xué)原理、結(jié)構(gòu)造型和材料性能的重要途徑之一，它在培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探索精神，幫助學(xué)生掌握基本實(shí)驗(yàn)方法和技能，提高學(xué)生動(dòng)手能力與創(chuàng)新能力等方面有著舉足輕重的作用[1-2]。目前，高校土木工程專業(yè)普遍開(kāi)設(shè)了結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)和土力學(xué)實(shí)驗(yàn)等課程，例如結(jié)構(gòu)靜載實(shí)驗(yàn)、鋼筋混凝土受彎構(gòu)件的裂縫寬度實(shí)驗(yàn)、 （巖）土體力學(xué)參數(shù)測(cè)試等。然而，受教學(xué)課時(shí)和經(jīng)費(fèi)的限制，實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容以驗(yàn)證性基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)為主，創(chuàng)新性的自主探索內(nèi)容較少。此外，實(shí)驗(yàn)教學(xué)多采用演示性的教學(xué)方法，也影響了學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)的積極性[3-4]。一方面，有許多大學(xué)畢業(yè)生，理論知識(shí)與實(shí)際脫節(jié)，進(jìn)入企業(yè)后不能迅速適應(yīng)工作環(huán)境，缺乏獨(dú)立解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力[5]；另一方面，有志于讀研、出國(guó)留學(xué)的學(xué)生，則希望在本科階段提前掌握一些從事科研的基本方法，為今后繼續(xù)求學(xué)深造打下基礎(chǔ)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)中設(shè)置與科研課題相對(duì)應(yīng)的綜合性、探索性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)科研與教學(xué)的統(tǒng)一和良性互動(dòng)，是解決上述問(wèn)題的途徑之一[6-7]。鑒于此，本文依托國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“地震波作用下非飽和土中PHC管樁水平振動(dòng)機(jī)理研究”，將科研成果引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)，通過(guò)吸引本科生參與模型實(shí)驗(yàn)研究，探討土木工程專業(yè)本科生參與科研項(xiàng)目的途徑和步驟，并就教學(xué)方式和實(shí)驗(yàn)管理提出相關(guān)建議。
一、 傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的問(wèn)題
第一， 實(shí)驗(yàn)課程設(shè)置通常與理論課程教學(xué)相配套，不能自成獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，驗(yàn)證性、單科性的實(shí)驗(yàn)較多，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容也較陳舊[8]。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)置與工程實(shí)踐結(jié)合不夠緊密，難以適應(yīng)土木工程行業(yè)的高速發(fā)展。此外，授課方式大多采用“老師講、學(xué)生聽(tīng)”的演示型實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，學(xué)生完全處于被動(dòng)狀態(tài)，對(duì)實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)、試件制作、測(cè)點(diǎn)布置、儀器調(diào)試，甚至實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的收集等都不太了解，難以培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力、綜合分析和解決問(wèn)題的能力[9]。
第二，土木工程實(shí)驗(yàn)具有其他學(xué)科實(shí)驗(yàn)不同的特點(diǎn)：一是材料消耗量大，且大多具有時(shí)效性。如建筑材料課程中的水泥、混凝土實(shí)驗(yàn)，水泥用量大，不易保管，且超過(guò)一定時(shí)間就無(wú)法使用；土力學(xué)實(shí)驗(yàn)中使用的原狀土，其用量也比較大，放置時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，土的性狀將發(fā)生改變，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)無(wú)法反映現(xiàn)場(chǎng)土體的真實(shí)狀態(tài)，設(shè)計(jì)計(jì)算也將失真。二是實(shí)驗(yàn)費(fèi)用相對(duì)較高。如土力學(xué)中的三軸剪切實(shí)驗(yàn)、建筑材料中的混凝土實(shí)驗(yàn)、混凝土強(qiáng)度測(cè)試實(shí)驗(yàn)等，僅材料費(fèi)、設(shè)備的磨損維修費(fèi)用就很大，實(shí)驗(yàn)教學(xué)中為節(jié)省開(kāi)支只能限制試件制作數(shù)量和尺度，每個(gè)實(shí)驗(yàn)增加學(xué)生人數(shù)，這樣一來(lái)，教學(xué)質(zhì)量和效果自然無(wú)法保證。三是很多實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目周期長(zhǎng)，用幾個(gè)課時(shí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足教學(xué)需要。四是實(shí)驗(yàn)室對(duì)本科生基本封閉，開(kāi)放度不高。學(xué)生只能在教師指定的時(shí)間內(nèi)進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，完成規(guī)定的任務(wù)，從而影響學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的興趣，抑制了學(xué)生主動(dòng)參與實(shí)驗(yàn)的積極性[10]。
第三，實(shí)驗(yàn)設(shè)備的使用效率不均衡。一方面，有些儀器設(shè)備在一定時(shí)間內(nèi)長(zhǎng)時(shí)間、超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，雖然管理人員傾盡全力但仍無(wú)法正常養(yǎng)護(hù)，導(dǎo)致這部分設(shè)備老化快，故障多，性能降低，沒(méi)多久就得重新購(gòu)買；另一方面，有些設(shè)備由于多方面原因而被閑置，如教學(xué)計(jì)劃修改，相關(guān)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目被取消等原因?qū)е掠械膬x器設(shè)備很少被使用，造成資源的浪費(fèi)[11]。
第四，青年教師大多有主持國(guó)家或省部級(jí)科研課題。一方面，在研究生資源不平衡的情況下，青年教師的科研項(xiàng)目缺少學(xué)生的參與，極大地制約了課題相關(guān)實(shí)驗(yàn)的順利完成；另一方面，筆者在與本科生交流中了解到，許多學(xué)生對(duì)參加科研創(chuàng)新活動(dòng)興趣濃厚，但不知從何入手，也缺乏必要的經(jīng)費(fèi)和條件支持。通過(guò)吸收一部分優(yōu)秀本科生參與具體的科研課題研究，既可以在客觀上彌補(bǔ)青年教師研究生資源短缺的問(wèn)題，又可以為學(xué)生提供早期科研實(shí)踐訓(xùn)練機(jī)會(huì)，尤其為希望繼續(xù)深造的學(xué)生做好必要的從本科教育到研究生教育的銜接和過(guò)渡準(zhǔn)備。
二、本科生參與科研創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的實(shí)踐
�。ㄒ唬⿲�(shí)驗(yàn)選題
近年來(lái)，筆者所在學(xué)院教師在液化砂土地基加固、PHC管樁抗震性能和土—結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)相互作用等領(lǐng)域進(jìn)行潛心研究，在開(kāi)展振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)和動(dòng)力測(cè)試方面積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。為此，以教師為主導(dǎo)，學(xué)生參與討論，擬定“PHC管樁抗震性能的小型振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)研究”作為實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的選題。該選題旨在研究PHC管樁地震響應(yīng)特征和破壞模式，探討管樁動(dòng)應(yīng)變、加速度，以及不同部位土體動(dòng)土壓力和孔隙水壓力的時(shí)程變化規(guī)律，揭示管樁尺寸、擾動(dòng)區(qū)范圍、地震頻率和振幅等因素對(duì)管樁水平動(dòng)力響應(yīng)的影響。振動(dòng)臺(tái)選用DC-2200-26小型電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ洼^小，填土工作量不大，可操作性強(qiáng)，便于學(xué)生進(jìn)行多組實(shí)驗(yàn)。該選題保留了學(xué)院的科研特色，具有一定的代表性和學(xué)術(shù)前沿性，且與工程實(shí)際緊密相關(guān)。
�。ǘ⿲W(xué)生的選拔與動(dòng)員
通過(guò)課堂宣講，學(xué)生自愿報(bào)名，選拔了4名有科研興趣、成績(jī)較為優(yōu)秀的高年級(jí)本科生組成實(shí)驗(yàn)小組，并安排2位研究生配合開(kāi)展實(shí)驗(yàn)工作。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前，根據(jù)科研項(xiàng)目的技術(shù)要點(diǎn)和關(guān)鍵工作，對(duì)目標(biāo)任務(wù)進(jìn)行了分解。同時(shí)，對(duì)學(xué)生進(jìn)行了兩場(chǎng)有針對(duì)性的專題報(bào)告，一場(chǎng)報(bào)告重點(diǎn)講解模型實(shí)驗(yàn)中相似比、實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)、模型箱及構(gòu)件制作、工況設(shè)計(jì)、測(cè)點(diǎn)布置、數(shù)據(jù)采集等具體內(nèi)容，并提供單樁循環(huán)荷載實(shí)驗(yàn)和群樁水平靜載實(shí)驗(yàn)的方案和報(bào)告作為參考。另一場(chǎng)報(bào)告則就學(xué)術(shù)論文和發(fā)明專利的內(nèi)容、書(shū)寫規(guī)范、寫作技巧和投稿（申請(qǐng)）等進(jìn)行了介紹，并向?qū)W生講解研究背景、實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹⒁�、預(yù)期成果、進(jìn)度安排、輔導(dǎo)方式等相關(guān)事項(xiàng)。endprint
（三）實(shí)踐過(guò)程
1.文獻(xiàn)綜述
要求每位學(xué)生就樁土動(dòng)力相互作用和振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行文獻(xiàn)查閱，撰寫研究進(jìn)度安排，并進(jìn)一步完善實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案。同時(shí)安排一位學(xué)生使用仿真軟件，嘗試PHC管樁水平抗震性能的數(shù)值模擬分析，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比�？紤]到本科生掌握的有限元知識(shí)有限，指導(dǎo)教師還提供類似的應(yīng)用實(shí)例和程序，以便學(xué)習(xí)和借鑒。
2. 材料制作加工
根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案、設(shè)備負(fù)荷和邊界效應(yīng)確定模型箱尺寸，繪制設(shè)計(jì)圖，聯(lián)系廠家進(jìn)行加工制作；購(gòu)買有機(jī)玻璃管（模擬管樁）和所需傳感器，在玻璃管內(nèi)壁粘貼應(yīng)變片和固定加速度計(jì)；將模型土裝入模型箱分層填筑、夯實(shí)，并測(cè)定土體密度、剪切強(qiáng)度和動(dòng)剪切模量等物理力學(xué)指標(biāo)；按照測(cè)點(diǎn)布置方案埋設(shè)微型動(dòng)土壓力盒、孔隙水壓力計(jì)以及樁頂傳感器。整個(gè)制作加工過(guò)程，由學(xué)生全程自己動(dòng)手完成。
3.實(shí)驗(yàn)加載和測(cè)試
先熟悉地震波加載方法，以及動(dòng)態(tài)信號(hào)的采集和分析，掌握正確的操作流程和方法，做好加載前的觀測(cè)準(zhǔn)備工作。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前，通過(guò)螺栓將模型箱固定于振動(dòng)臺(tái)面，標(biāo)定傳感器，調(diào)試振動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)和測(cè)試裝置能否正常工作。根據(jù)預(yù)定的加載工況，開(kāi)展不同頻率和加速度峰值下PHC管樁水平地震響應(yīng)實(shí)驗(yàn)，記錄各種測(cè)試數(shù)據(jù)。對(duì)實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的異常數(shù)據(jù)進(jìn)行重新測(cè)試，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中如有新的發(fā)現(xiàn)，可重新調(diào)整實(shí)驗(yàn)方案。
4. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
從位移分布、加速度反應(yīng)、樁身應(yīng)變和樁土接觸壓力等方面，對(duì)PHC管樁動(dòng)力特性和抗震性能進(jìn)行分析，歸納總結(jié)地層擾動(dòng)程度和地震激勵(lì)參數(shù)的影響規(guī)律，探討樁頂位移的地震放大效應(yīng)。通過(guò)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算模型的正確性，分析結(jié)果產(chǎn)生差異的原因。對(duì)方案設(shè)計(jì)、傳感器安裝、測(cè)點(diǎn)布置、加載步驟等各實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)進(jìn)行總結(jié)，查找實(shí)驗(yàn)中的不足，并提出改進(jìn)措施。整理分析結(jié)果，撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告或?qū)W術(shù)論文。
三、教學(xué)體會(huì)與效果
�。ㄒ唬┙虒W(xué)體會(huì)
1.科學(xué)安排時(shí)間
學(xué)生一般是利用業(yè)余時(shí)間參與科研創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，但由于課余時(shí)間較為松散和隨機(jī)，加之課業(yè)繁重，學(xué)生能利用的課余時(shí)間十分有限，很難有完整連續(xù)的時(shí)間參與實(shí)驗(yàn)。因此，在時(shí)間安排上需要統(tǒng)籌兼顧，既要考慮學(xué)生實(shí)驗(yàn)之前必要的專業(yè)理論課程學(xué)習(xí)，又要避免與學(xué)生就業(yè)、考研、實(shí)習(xí)相沖突�？蛇x擇時(shí)間較為集中的暑假開(kāi)展實(shí)驗(yàn)。對(duì)適合作為畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的選題，也可安排在大四下學(xué)期進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。
2.與學(xué)校已有創(chuàng)新項(xiàng)目的融合
為培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力，學(xué)校開(kāi)展“大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目”和“建造節(jié)活動(dòng)”，旨在資助在校本科生開(kāi)展科研活動(dòng)和創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練。學(xué)生可將教師科研項(xiàng)目的成果作為工作基礎(chǔ)，或直接依托科研創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)進(jìn)行相關(guān)課題的申報(bào)，以獲得學(xué)校立項(xiàng)的支持。因此，指導(dǎo)教師在選題時(shí)，應(yīng)緊扣項(xiàng)目申請(qǐng)指南，對(duì)自己的科研課題進(jìn)行分解、提煉和優(yōu)化，篩選出能反映學(xué)科前沿動(dòng)態(tài)、探索創(chuàng)新空間大、在有限時(shí)間內(nèi)可取得一定進(jìn)展的部分作為實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新項(xiàng)目，為學(xué)生提供良好的實(shí)踐訓(xùn)練機(jī)會(huì)。
3. 做好學(xué)生的指導(dǎo)和導(dǎo)向工作
本科生由于缺乏專業(yè)的科研訓(xùn)練，知識(shí)體系也不完整，思維方式往往局限于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，獨(dú)立從事科研實(shí)驗(yàn)具有一定的難度，需要指導(dǎo)教師耐心啟發(fā)并做好輔導(dǎo)工作[12-13]。具體而言，要做好以下幾方面工作：一是講解科學(xué)研究的基本技能和文獻(xiàn)查閱方法，提供開(kāi)展研究所需要的資源，引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)和自主鉆研。二是關(guān)注實(shí)驗(yàn)的動(dòng)態(tài)進(jìn)展，對(duì)關(guān)鍵環(huán)節(jié)提供現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)和幫助�？刹捎眯〗M例會(huì)的形式，就項(xiàng)目進(jìn)展、所遇問(wèn)題、結(jié)果現(xiàn)象等進(jìn)行互動(dòng)，師生共同探討，完善實(shí)驗(yàn)方案的細(xì)節(jié)，啟發(fā)學(xué)生提出自己的新見(jiàn)解和新觀點(diǎn)。三是對(duì)在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中遭遇挫折和失敗的學(xué)生，給予精神上的鼓勵(lì)和支持，培養(yǎng)他們百折不撓、堅(jiān)韌不拔的精神。
4.制定管理和激勵(lì)政策
完善制度保障機(jī)制，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生參與科研實(shí)驗(yàn)的積極性。除了給予一定的學(xué)分認(rèn)定或替代任選課學(xué)分外，對(duì)成績(jī)優(yōu)秀或科研能力突出的學(xué)生可進(jìn)行獎(jiǎng)勵(lì)，并在推薦免試研究生時(shí)優(yōu)先考慮；而對(duì)消極怠工，或始終無(wú)法進(jìn)入學(xué)習(xí)狀態(tài)的學(xué)生，也應(yīng)建立相應(yīng)的退出機(jī)制[14]。另外，還應(yīng)從職稱評(píng)聘、津貼補(bǔ)助等方面制定激勵(lì)機(jī)制，鼓勵(lì)教師將科研成果轉(zhuǎn)化為優(yōu)質(zhì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，并建立科學(xué)合理的教學(xué)質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)體系[15]。
5.改進(jìn)考核體系，注重實(shí)踐能力的評(píng)價(jià)
課程考核可由實(shí)踐能力評(píng)價(jià)和成果評(píng)價(jià)兩部分組成，比重各占50%。實(shí)踐能力評(píng)價(jià)作為實(shí)驗(yàn)考核的重要方面，可以學(xué)生答辯、PPT匯報(bào)的方式進(jìn)行，并加大平時(shí)成績(jī)所占的比重。根據(jù)學(xué)生對(duì)課題和實(shí)踐操作的熟知程度、平時(shí)表現(xiàn)、學(xué)習(xí)態(tài)度和活動(dòng)參與度進(jìn)行成績(jī)?cè)u(píng)定，并著重考察學(xué)生獨(dú)立思考和創(chuàng)新思維能力。成果評(píng)價(jià)由指導(dǎo)教師根據(jù)學(xué)生提交的成果質(zhì)量進(jìn)行評(píng)定，包括數(shù)據(jù)分析、文字表達(dá)、格式規(guī)范等。可通過(guò)實(shí)驗(yàn)報(bào)告、學(xué)術(shù)論文、專利或?qū)W科競(jìng)賽成績(jī)等形式展示學(xué)生實(shí)驗(yàn)成果，達(dá)到學(xué)生之間相互學(xué)習(xí)借鑒的目的。
（二）教學(xué)效果
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