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土木工程實(shí)驗教學(xué)的探索與實(shí)踐論文
摘要：針對傳統實(shí)驗教學(xué)忽視培養學(xué)生科研創(chuàng )新能力的現狀，探討將教師科研課題引入實(shí)驗教學(xué)，并結合實(shí)際案例，探索本科生參與創(chuàng )新實(shí)驗項目的思路和途徑，在時(shí)間安排、建立激勵機制和考核評價(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)驗教學(xué)，將充分發(fā)揮科研對教學(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)驗教學(xué)；科研課題
中圖分類(lèi)號：G642423；TU3-4 文獻標志碼：A 文章編號：1005-2909（2017）04-0104-04
土木工程實(shí)驗是學(xué)生深入理解和把握力學(xué)原理、結構造型和材料性能的重要途徑之一，它在培養學(xué)生的科學(xué)探索精神，幫助學(xué)生掌握基本實(shí)驗方法和技能，提高學(xué)生動(dòng)手能力與創(chuàng )新能力等方面有著(zhù)舉足輕重的作用[1-2]。目前，高校土木工程專(zhuān)業(yè)普遍開(kāi)設了結構實(shí)驗和土力學(xué)實(shí)驗等課程，例如結構靜載實(shí)驗、鋼筋混凝土受彎構件的裂縫寬度實(shí)驗、 （巖）土體力學(xué)參數測試等。然而，受教學(xué)課時(shí)和經(jīng)費的限制，實(shí)驗教學(xué)內容以驗證性基礎實(shí)驗為主，創(chuàng )新性的自主探索內容較少。此外，實(shí)驗教學(xué)多采用演示性的教學(xué)方法，也影響了學(xué)生參與實(shí)驗的積極性[3-4]。一方面，有許多大學(xué)畢業(yè)生，理論知識與實(shí)際脫節，進(jìn)入企業(yè)后不能迅速適應工作環(huán)境，缺乏獨立解決工程實(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，為今后繼續求學(xué)深造打下基礎。實(shí)驗教學(xué)中設置與科研課題相對應的綜合性、探索性實(shí)驗項目，實(shí)現科研與教學(xué)的統一和良性互動(dòng)，是解決上述問(wèn)題的途徑之一[6-7]。鑒于此，本文依托國家自然科學(xué)基金項目“地震波作用下非飽和土中PHC管樁水平振動(dòng)機理研究”，將科研成果引入實(shí)驗教學(xué)，通過(guò)吸引本科生參與模型實(shí)驗研究，探討土木工程專(zhuān)業(yè)本科生參與科研項目的途徑和步驟，并就教學(xué)方式和實(shí)驗管理提出相關(guān)建議。
一、 傳統實(shí)驗教學(xué)存在的問(wèn)題
第一， 實(shí)驗課程設置通常與理論課程教學(xué)相配套，不能自成獨立的實(shí)驗教學(xué)體系，驗證性、單科性的實(shí)驗較多，實(shí)驗內容也較陳舊[8]。實(shí)驗項目的設置與工程實(shí)踐結合不夠緊密，難以適應土木工程行業(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)驗教學(xué)方法，學(xué)生完全處于被動(dòng)狀態(tài)，對實(shí)驗方案設計、試件制作、測點(diǎn)布置、儀器調試，甚至實(shí)驗數據的收集等都不太了解，難以培養學(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)驗具有其他學(xué)科實(shí)驗不同的特點(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，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)驗中使用的原狀土，其用量也比較大，放置時(shí)間過(guò)長(cháng)，土的性狀將發(fā)生改變，導致實(shí)驗無(wú)法反映現場(chǎng)土體的真實(shí)狀態(tài)，設計計算也將失真。二是實(shí)驗費用相對較高。如土力學(xué)中的三軸剪切實(shí)驗、建筑材料中的混凝土實(shí)驗、混凝土強度測試實(shí)驗等，僅材料費、設備的磨損維修費用就很大，實(shí)驗教學(xué)中為節省開(kāi)支只能限制試件制作數量和尺度，每個(gè)實(shí)驗增加學(xué)生人數，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)驗項目周期長(cháng)，用幾個(gè)課時(shí)遠遠不能滿(mǎn)足教學(xué)需要。四是實(shí)驗室對本科生基本封閉，開(kāi)放度不高。學(xué)生只能在教師指定的時(shí)間內進(jìn)入實(shí)驗室，完成規定的任務(wù)，從而影響學(xué)生對實(shí)驗的興趣，抑制了學(xué)生主動(dòng)參與實(shí)驗的積極性[10]。
第三，實(shí)驗設備的使用效率不均衡。一方面，有些儀器設備在一定時(shí)間內長(cháng)時(shí)間、超負荷運轉，雖然管理人員傾盡全力但仍無(wú)法正常養護，導致這部分設備老化快，故障多，性能降低，沒(méi)多久就得重新購買(mǎi)；另一方面，有些設備由于多方面原因而被閑置，如教學(xué)計劃修改，相關(guān)實(shí)驗項目被取消等原因導致有的儀器設備很少被使用，造成資源的浪費[11]。
第四，青年教師大多有主持國家或省部級科研課題。一方面，在研究生資源不平衡的情況下，青年教師的科研項目缺少學(xué)生的參與，極大地制約了課題相關(guān)實(shí)驗的順利完成；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(guān)上彌補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)踐訓練機會(huì )，尤其為希望繼續深造的學(xué)生做好必要的從本科教育到研究生教育的銜接和過(guò)渡準備。
二、本科生參與科研創(chuàng )新實(shí)驗的實(shí)踐
�。ㄒ唬⿲�(shí)驗選題
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—結構動(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)臺實(shí)驗和動(dòng)力測試方面積累了豐富的經(jīng)驗。為此，以教師為主導，學(xué)生參與討論，擬定“PHC管樁抗震性能的小型振動(dòng)臺實(shí)驗研究”作為實(shí)驗項目的選題。該選題旨在研究PHC管樁地震響應特征和破壞模式，探討管樁動(dòng)應變、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)程變化規律，揭示管樁尺寸、擾動(dòng)區范圍、地震頻率和振幅等因素對管樁水平動(dòng)力響應的影響。振動(dòng)臺選用DC-2200-26小型電動(dòng)振動(dòng)臺，實(shí)驗模型較小，填土工作量不大，可操作性強，便于學(xué)生進(jìn)行多組實(shí)驗。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)生自愿報名，選拔了4名有科研興趣、成績(jì)較為優(yōu)秀的高年級本科生組成實(shí)驗小組，并安排2位研究生配合開(kāi)展實(shí)驗工作。實(shí)驗開(kāi)始前，根據科研項目的技術(shù)要點(diǎn)和關(guān)鍵工作，對目標任務(wù)進(jìn)行了分解。同時(shí)，對學(xué)生進(jìn)行了兩場(chǎng)有針對性的專(zhuān)題報告，一場(chǎng)報告重點(diǎn)講解模型實(shí)驗中相似比、實(shí)驗測試系統、模型箱及構件制作、工況設計、測點(diǎn)布置、數據采集等具體內容，并提供單樁循環(huán)荷載實(shí)驗和群樁水平靜載實(shí)驗的方案和報告作為參考。另一場(chǎng)報告則就學(xué)術(shù)論文和發(fā)明專(zhuān)利的內容、書(shū)寫(xiě)規范、寫(xiě)作技巧和投稿（申請）等進(jìn)行了介紹，并向學(xué)生講解研究背景、實(shí)驗目的、要求、預期成果、進(jìn)度安排、輔導方式等相關(guān)事項。endprint
�。ㄈ⿲�(shí)踐過(guò)程
1.文獻綜述
要求每位學(xué)生就樁土動(dòng)力相互作用和振動(dòng)臺實(shí)驗進(jìn)行文獻查閱，撰寫(xiě)研究進(jìn)度安排，并進(jìn)一步完善實(shí)驗設計方案。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值模擬分析，并與實(shí)驗結果進(jìn)行對比�？紤]到本科生掌握的有限元知識有限，指導教師還提供類(lèi)似的應用實(shí)例和程序，以便學(xué)習和借鑒。
2. 材料制作加工
根據實(shí)驗方案、設備負荷和邊界效應確定模型箱尺寸，繪制設計圖，聯(lián)系廠(chǎng)家進(jìn)行加工制作；購買(mǎi)有機玻璃管（模擬管樁）和所需傳感器，在玻璃管內壁粘貼應變片和固定加速度計；將模型土裝入模型箱分層填筑、夯實(shí)，并測定土體密度、剪切強度和動(dòng)剪切模量等物理力學(xué)指標；按照測點(diǎn)布置方案埋設微型動(dòng)土壓力盒、孔隙水壓力計以及樁頂傳感器。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)驗加載和測試
先熟悉地震波加載方法，以及動(dòng)態(tài)信號的采集和分析，掌握正確的操作流程和方法，做好加載前的觀(guān)測準備工作。實(shí)驗開(kāi)始前，通過(guò)螺栓將模型箱固定于振動(dòng)臺面，標定傳感器，調試振動(dòng)臺系統和測試裝置能否正常工作。根據預定的加載工況，開(kāi)展不同頻率和加速度峰值下PHC管樁水平地震響應實(shí)驗，記錄各種測試數據。對實(shí)驗中出現的異常數據進(jìn)行重新測試，在實(shí)驗過(guò)程中如有新的發(fā)現，可重新調整實(shí)驗方案。
4. 實(shí)驗結果分析
從位移分布、加速度反應、樁身應變和樁土接觸壓力等方面，對PHC管樁動(dòng)力特性和抗震性能進(jìn)行分析，歸納總結地層擾動(dòng)程度和地震激勵參數的影響規律，探討樁頂位移的地震放大效應。通過(guò)與實(shí)驗結果對比，驗證數值計算模型的正確性，分析結果產(chǎn)生差異的原因。對方案設計、傳感器安裝、測點(diǎn)布置、加載步驟等各實(shí)驗環(huán)節進(jìn)行總結，查找實(shí)驗中的不足，并提出改進(jìn)措施。整理分析結果，撰寫(xiě)實(shí)驗報告或學(xué)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，但由于課余時(shí)間較為松散和隨機，加之課業(yè)繁重，學(xué)生能利用的課余時(shí)間十分有限，很難有完整連續的時(shí)間參與實(shí)驗。因此，在時(shí)間安排上需要統籌兼顧，既要考慮學(xué)生實(shí)驗之前必要的專(zhuān)業(yè)理論課程學(xué)習，又要避免與學(xué)生就業(yè)、考研、實(shí)習相沖突�？蛇x擇時(shí)間較為集中的暑假開(kāi)展實(shí)驗。對適合作為畢業(yè)設計（論文）的選題，也可安排在大四下學(xué)期進(jìn)行實(shí)驗。
2.與學(xué)校已有創(chuàng )新項目的融合
為培養學(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)訓練項目”和“建造節活動(dòng)”，旨在資助在校本科生開(kāi)展科研活動(dòng)和創(chuàng )業(yè)訓練。學(xué)生可將教師科研項目的成果作為工作基礎，或直接依托科研創(chuàng )新實(shí)驗進(jìn)行相關(guān)課題的申報，以獲得學(xué)校立項的支持。因此，指導教師在選題時(shí)，應緊扣項目申請指南，對自己的科研課題進(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)間內可取得一定進(jìn)展的部分作為實(shí)驗創(chuàng )新項目，為學(xué)生提供良好的實(shí)踐訓練機會(huì )。
3. 做好學(xué)生的指導和導向工作
本科生由于缺乏專(zhuān)業(yè)的科研訓練，知識體系也不完整，思維方式往往局限于結構設計上，獨立從事科研實(shí)驗具有一定的難度，需要指導教師耐心啟發(fā)并做好輔導工作[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查閱方法，提供開(kāi)展研究所需要的資源，引導學(xué)生自主學(xué)習和自主鉆研。二是關(guān)注實(shí)驗的動(dòng)態(tài)進(jìn)展，對關(guān)鍵環(huán)節提供現場(chǎng)指導和幫助�？刹捎眯〗M例會(huì )的形式，就項目進(jìn)展、所遇問(wèn)題、結果現象等進(jìn)行互動(dòng)，師生共同探討，完善實(shí)驗方案的細節，啟發(fā)學(xué)生提出自己的新見(jiàn)解和新觀(guān)點(diǎn)。三是對在實(shí)驗過(guò)程中遭遇挫折和失敗的學(xué)生，給予精神上的鼓勵和支持，培養他們百折不撓、堅韌不拔的精神。
4.制定管理和激勵政策
完善制度保障機制，充分調動(dòng)學(xué)生參與科研實(shí)驗的積極性。除了給予一定的學(xué)分認定或替代任選課學(xué)分外，對成績(jì)優(yōu)秀或科研能力突出的學(xué)生可進(jìn)行獎勵，并在推薦免試研究生時(shí)優(yōu)先考慮；而對消極怠工，或始終無(wú)法進(jìn)入學(xué)習狀態(tài)的學(xué)生，也應建立相應的退出機制[14]。另外，還應從職稱(chēng)評聘、津貼補助等方面制定激勵機制，鼓勵教師將科研成果轉化為優(yōu)質(zhì)實(shí)驗教學(xué)資源，并建立科學(xué)合理的教學(xué)質(zhì)量評價(jià)指標體系[15]。
5.改進(jìn)考核體系，注重實(shí)踐能力的評價(jià)
課程考核可由實(shí)踐能力評價(jià)和成果評價(jià)兩部分組成，比重各占50%。實(shí)踐能力評價(jià)作為實(shí)驗考核的重要方面，可以學(xué)生答辯、PPT匯報的方式進(jìn)行，并加大平時(shí)成績(jì)所占的比重。根據學(xué)生對課題和實(shí)踐操作的熟知程度、平時(shí)表現、學(xué)習態(tài)度和活動(dòng)參與度進(jìn)行成績(jì)評定，并著(zhù)重考察學(xué)生獨立思考和創(chuàng )新思維能力。成果評價(jià)由指導教師根據學(xué)生提交的成果質(zhì)量進(jìn)行評定，包括數據分析、文字表達、格式規范等�？赏ㄟ^(guò)實(shí)驗報告、學(xué)術(shù)論文、專(zhuān)利或學(xué)科競賽成績(jì)等形式展示學(xué)生實(shí)驗成果，達到學(xué)生之間相互學(xué)習借鑒的目的。
�。ǘ┙虒W(xué)效果
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