勾红叶(1983-), 女, 西南交通大学土木工程学院教授, 博士, 主要从事土木工程专业实验教学研究, (E-mail)
土木工程专业实验教学作为高校人才培养计划中的重要组成部分,是培养卓越土木工程师的关键环节。针对目前土木工程专业实验教学课程体系和实验室管理模式欠完善、实验教学内容陈旧、学生对实验教学不重视等问题,文章提出划分实验教学层次、构建网络实验教学平台、完善实验教学大纲及开设电算课等改革措施,以培养满足社会需求的具有实践能力和创新能力的高素质土木工程专业人才。
As an important part of the talent training plan for colleges and universities, civil engineering experimental teaching is the key link for cultivating excellent civil engineers. At present, the curriculum system and laboratory management pattern of civil engineering experimental teaching is not perfect, the experimental teaching content is outdated, and the students do not pay attention to experimental teaching. In view of this, some teaching reform measures have been put forward, such as dividing experimental teaching level, constructing network experimental teaching platform, improving the experimental teaching syllabus and opening computer course. It is aimed at cultivating high-quality talents with practical ability, creative ability and satisfying social needs.
高校实验教学水平是衡量一个学校科研水平、教学水平和学生综合能力的一个重要指标[
长期以来,许多教育者一直认为实验教学依附于理论教学,实验教学是理论知识的验证过程,是为理论课程服务的,他们没有充分认识到对学生来说实验教学是直接获得对自然科学规律感性认识的最简单和最直接的途径。重理论而轻实验的教学方式也让学生的动手能力无法得到应有的培养,这一切都不符合理论教学和实验教学并重的人才培养理念。高校实验课程体系不完善,导致本该独立开设的实验课没有独立开课,只能作为课内实验,且课时少,以相关理论课程的验证性和演示性实验为主,缺乏实用性和创新性;各门理论课之间的实验教学内容联系不紧密,缺乏实践性和综合性。学科间没有交叉和融合,致使大部分学生对跨学科知识认识模糊,似是而非,无法实现培养学生综合能力和综合素质的教学目标[
高校土木工程专业本科实验主要有工程材料实验、结构工程实验、工程测量实验、水力学实验及土力学实验等[
据调查,有相当数量的学生认为,实验教学对他们未来职业发展没有帮助,因而忽视实验教学,对实验课程缺乏积极性和主动性。造成这种现象的原因有两个方面:一是课程设置不合理,实验教学课时不足,以致无法开展综合型和创新型实验,学生缺乏足够的学习兴趣;二是实验课程考核方式不够严谨,无法体现实验课程的重要性。实际情况是,多数学生在实验前没有进行充分的实验预习,实验时仅根据实验指导书草草完成实验,没有认真思考实验过程中出现的问题,更不探究解决问题的方法,甚至有学生通过篡改、拼凑数据完成实验。许多高校实验教学考核又都停留在简单的查阅学生实验报告上,学生是否重视或认真开展实验,并不能在考核环节得到充分体现,这也在客观上助长了学生的消极学习态度。传统实验教学方式难以培养学生的实践能力和创新能力,既浪费了教学课时,也浪费了宝贵的实验资源[
当前部分高校实验室设备老化陈旧问题突出,但受实验教学经费不足和学校对实验教学重视不够等因素影响而长期得不到解决。实验设备不足,多数实验学生只能通过相关演示视频了解相关的实验过程和实验结果,而不能进行实际的操作,学生实验能力得不到应有的锻炼,无法培养学生的基础实验技能。此外,实验教师队伍建设存在诸多问题,特别是专职实验教师严重不足。多数实验室由理论课教师兼职实验管理人员,实验室管理混乱,影响了实验教学的顺利实施,也制约了实验教学的改革。由于实验设备短缺和专职实验教师人员不足,实验教学只能采取统一且单一的培养方式而不能因材施教,无法满足不同能力和兴趣学生的个体化学习需求,限制了学生综合素质的提升[
实验教学和理论教学相互依存、相互促进,二者是辩证统一、缺一不可的。通过实验教学改革调动学生参与实验研究的积极性和主动性,提升学生的学习兴趣,为其理论知识的学习奠定扎实的基础。同时也通过理论教学,提高学生的知识水平,反过来指导实验课程的学习。教学改革应始终坚持以学生为根本,以能力培养为核心,知识、能力、素质协调发展的教育理念,真正达到培养学生实践能力和创新能力的教学目的。针对现阶段实验教学存在的问题,提出以下改革措施。
土木工程实验教学体系内容繁多,多数理论课程均有一些对应的实验教学内容。将实验教学划分为三个层次:基础型实验、综合设计型实验和创新实践型实验,合理制定实验教学大纲,让学生对基础课程和专业课程有整体认识的同时,兼顾学生的理论课程学习和实践应用能力的培养。应对不同学习阶段的学生,提出不同的学习要求,既能充分利用实验资源,兼顾不同学习能力的学生,让他们学有所获,又能达到引导学生走进实验、了解实验、创新实验的教学目的[
第一层次:基础型实验。基础型实验包含验证性和演示性实验。这类实验课程主要面向刚刚接触专业基础课的学生,通过基础实验让学生熟悉实验的基本操作过程和学习基础实验技能[
第二层次:综合设计型实验。此类实验课程主要面向已学习了专业基础课程和专业课程的学生。这部分学生经过一年理论课和基础实验的学习,已有了一定的理论基础,掌握了主要的基础实验技能。综合设计型实验是指学生在自己已有理论知识的基础上,通过查阅相关资料,将原附属于理论课的专业实验内容进行整合,自主设计实验方案,并通过小组讨论优化实验方案,最终完成的实验[
第三层次:创新实践型实验。创新实践型实验是学生在熟练掌握实验技能的基础上,教师给定实验目的和实验要求,学生自主设计实验方案,在验证方案的可行性之后进行的实验。完成实验后,学生自主分析实验数据,并撰写实验报告及科研小论文。通过创新实践型实验充分激发学生的学术潜力和创造力,培养学生的创新意识、创新能力及团队合作意识,提升学生自主学习能力和独立工作能力[
(1) T型梁桥荷载横向分布实验。研究T型梁桥的荷载横向分布及中横隔板对T型梁桥的荷载横向分布的影响。
(2) 箱梁实验。箱型截面以良好的空间整体受力性能在桥梁上部结构中得到广泛的应用。通过结构在静、动荷载作用下的工作性能研究箱梁结构的力学性能。
(3) 钢—混凝土组合箱梁侧向稳定性测试方法实验研究。稳定性是桥梁设计中重要的参考因素,通过测试了解荷载类型、荷载作用位置、支承条件及钢材材质等因素对梁体稳定性的影响程度。
实验教学按上述三种层次划分,体现了从简单到复杂、从基础到综合逐渐提高学生综合能力的过程。西南交通大学土木工程国家级实验教学示范中心始终秉承起点高、基础厚、重实践、严要求的人才培养原则,提出构建个性化创新实验室的构想。个性化实验室以“有利于张扬学生个性,有利于培养学生工程实践能力,有利于塑造学生探索和创新精神”为指导思想,以综合设计型和个性化创新型实验项目为主体,建立开放的实验教学平台。通过构建基础型、综合型和创新型三个层次的实验课程,实现实验教学与科学研究的有机结合。
西南交通大学实验课程、实验项目及实验模块一览表
序号 | 实验课程 | 层次 | 实验项目 | 专业模块 | |||
桥梁 | 隧道 | 道路与铁道 | 建筑与市政 | ||||
1 | 土力学实验 | 基础型 | 岩土辨别实验 | ||||
2 | 土的物性指标、土的物理性质实验 | ||||||
3 | 压缩实验 | ||||||
4 | 直接剪切实验 | ||||||
5 | 三轴压缩试验 | ||||||
6 | 综合型 | 土的渗透实验 | √ | ||||
7 | 粘性土强度及压缩性的实验研究 | ||||||
8 | 地基压板实验 | √ | √ | ||||
9 | 创新型 | CBR实验 | √ | ||||
10 | 地基静力触探实验 | √ | √ | ||||
11 | 挡墙土压力的实验研究 | √ | √ |
在信息化时代,通过构建网络实验教学平台,搭建教师和学生实时互动的桥梁,弥补课堂教学的不足,拓展教学时间和内容,使学生的学习更加自主、自由和便捷,为学生个性发展,以及学生间的相互交流提供条件。网络实验教学平台包含虚拟实验室、实验教学及实验管理三个模块[
1.虚拟实验室
针对土木工程专业实践教学安全隐患大、资源消耗大,交通土建工程高复杂性和时效长等问题,构建学科专业和信息技术深度融合的虚拟仿真实验室,这是未来实验教学的发展方向。虚拟仿真实验室的建设,应充分利用信息化教学资源,依托虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库和网络通讯等技术,构建高度仿真的虚拟实验环境和实验对象,实现真实实验不具备或难以完成的教学功能。西南交通大学土木工程国家级示范中心构建了包括建工、岩土、铁道、道路、桥梁、地下六大专业模块和一个公共基础模块的虚拟仿真实验教学体系,建设了30套贯穿土木工程规划、设计、建造、管养、防灾全寿命周期的虚拟仿真实验教学系统,开放多层次实验项目达229项。学生可以在课外时间通过虚拟仿真实验室了解实验,并进行实验预习、实验模拟及实验方案的验证等。
2.实验教学模块
开设电算培训课程及建立网络教学平台。有限元分析是利用数学近似方法对真实物理系统(几何和荷载工况)进行模拟,利用简单而又相互作用的元素(单元),将一个拥有无限未知量的真实系统模拟为有限数量的未知量的数值计算模型。这种方法被广泛应用于土木工程实践和理论研究上。随着社会和信息化技术的发展,土木工程行业不仅需要懂理论的人才,更需要既懂理论又懂计算的复合型人才。
电算课教学目标是通过软件的学习,让学生真正明白所学知识与解决工程实际问题的联系。电算课教学大纲主要内容的顺序:一是通过土木工程软件概述与数值计算模型的实现来讲述软件的开发过程和原理;二是通过矩阵位移法的回顾与有限元计算软件各类单元的介绍和用法来讲述有限元软件的开发原理和基本方法;三是通过实际案例的介绍、有限元模型的建立和边界条件的假定来讲述软件应用的基本操作方法;四是通过复杂模型建模、工程实际和课程设计来帮助学生掌握和熟悉所学软件。
学习使用至少两门有限元计算软件,是培养现代卓越土木工程师必不可少的内容。学生应能熟练使用一个与专业相关的专业计算软件和一个通用计算的有限元软件。比如桥梁方向的学生,可以学习Midas civil、桥梁大师、桥梁博士等计算软件;结构方向的学生可学习SPA2000等计算软件。这些软件能很好地模拟施工各阶段的状态,对实际工程有较强的适用性。通用有限元计算软件则能帮助学生在实际应用中进行局部分析和科学研究。
构建网络教学平台是加强师生互动、延展课堂教学广度的有效途径。在实验教学中,很多介绍性的内容可以通过网络教学平台教师录制的慕课,以及其他教学视频图片或文字来介绍,既节省了大量的教学课时,又方便学生课余自学。此外,通过构建教学论坛、教学QQ群、微信群等网络交流互动平台,拓宽师生之间交流的渠道,学生可以随时向教师咨询问题,学生之间也可以自由地讨论和交流。师生互动的加强,有利于提高教学效率,也有助于引导学生积极思考,锻炼学生解决实际问题的能力[
3.实验管理模块
实验管理模块包含教学大纲、视频录像、实验课程安排、实验预约、实验设备借用与归还、实验方案审核、实验报告管理、实验成果展示、实验考核及成绩查询等。使用网络教学平台极大地减少了各种行政事务的时间,减轻了学生和教师的负担,使他们能将时间和精力最大限度地投入学习和教学研究。
主要通过教学模式和考核方式的改革,进一步完善实验教学大纲。
1.教学模式的改革
必须明确的是,实验教学和理论教学应并重[
2.考核方式的改革
传统实验考试方式只重视笔试成绩和操作考试的结果,而忽视对学生实践能力、创新能力、分析和解决问题能力以及表达能力等的考核,考核方式过于单一,也不全面。实验预习是开展实验前的重要环节,但也往往是现行实验教学模式中最容易被忽视的环节,应加大对实验预习的审核力度。学生在申请实验的时候,必须有完整的实验预习方案。在评定学生实验综合成绩时,要兼顾实验预习、实验操作、实验报告、实验成果汇报及笔试成绩等多个方面,使实验考核既客观全面,又能让学生重视实验课。
西南交通大学实验成绩评定标准
土木工程专业是一门实践应用性较强的专业,学生的专业理论知识应在实践中得到巩固,应用能力应在实践中得到提高,专业素养也应在实践中得到培养。21世纪土木工程建设对专业人才提出了更高的要求,高校实验教学只有遵循社会发展规律,积极进行创新改革,才能始终保持活力,满足社会对高素质人才的需求。
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