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土木工程實驗教學(xué)的探索與實踐論文
摘要：針對傳統(tǒng)實驗教學(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驗教學(xué)，并結(jié)合實際案例，探索本科生參與創(chuàng)新實驗項目的思路和途徑，在時間安排、建立激勵機制和考核評價等方面提出了相關(guān)建議。實踐證明，依托科研課題進行創(chuàng)新實驗教學(xué)，將充分發(fā)揮科研對教學(xué)的促進作用，形成兩者的良性互動。
關(guān)鍵詞：土木工程；實驗教學(xué)；科研課題
中圖分類號：G642423；TU3-4 文獻標志碼：A 文章編號：1005-2909（2017）04-0104-04
土木工程實驗是學(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)生掌握基本實驗方法和技能，提高學(xué)生動手能力與創(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)普遍開設(shè)了結(jié)構(gòu)實驗和土力學(xué)實驗等課程，例如結(jié)構(gòu)靜載實驗、鋼筋混凝土受彎構(gòu)件的裂縫寬度實驗、 （巖）土體力學(xué)參數(shù)測試等。然而，受教學(xué)課時和經(jīng)費的限制，實驗教學(xué)內(nèi)容以驗證性基礎(chǔ)實驗為主，創(chuàng)新性的自主探索內(nèi)容較少。此外，實驗教學(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，理論知識與實際脫節(jié)，進入企業(yè)后不能迅速適應(yīng)工作環(huán)境，缺乏獨立解決工程實際問題的能力[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(xù)求學(xué)深造打下基礎(chǔ)。實驗教學(xué)中設(shè)置與科研課題相對應(yīng)的綜合性、探索性實驗項目，實現(xiàn)科研與教學(xué)的統(tǒng)一和良性互動，是解決上述問題的途徑之一[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管樁水平振動機理研究”，將科研成果引入實驗教學(xué)，通過吸引本科生參與模型實驗研究，探討土木工程專業(yè)本科生參與科研項目的途徑和步驟，并就教學(xué)方式和實驗管理提出相關(guān)建議。
一、 傳統(tǒng)實驗教學(xué)存在的問題
第一， 實驗課程設(shè)置通常與理論課程教學(xué)相配套，不能自成獨立的實驗教學(xué)體系，驗證性、單科性的實驗較多，實驗內(nèi)容也較陳舊[8]。實驗項目的設(shè)置與工程實踐結(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”的演示型實驗教學(xué)方法，學(xué)生完全處于被動狀態(tài)，對實驗方案設(shè)計、試件制作、測點布置、儀器調(diào)試，甚至實驗數(shù)據(jù)的收集等都不太了解，難以培養(yǎng)學(xué)生的實踐動手能力、綜合分析和解決問題的能力[9]。
第二，土木工程實驗具有其他學(xué)科實驗不同的特點：一是材料消耗量大，且大多具有時效性。如建筑材料課程中的水泥、混凝土實驗，水泥用量大，不易保管，且超過一定時間就無法使用；土力學(xué)實驗中使用的原狀土，其用量也比較大，放置時間過長，土的性狀將發(fā)生改變，導(dǎo)致實驗無法反映現(xiàn)場土體的真實狀態(tài)，設(shè)計計算也將失真。二是實驗費用相對較高。如土力學(xué)中的三軸剪切實驗、建筑材料中的混凝土實驗、混凝土強度測試實驗等，僅材料費、設(shè)備的磨損維修費用就很大，實驗教學(xué)中為節(jié)省開支只能限制試件制作數(shù)量和尺度，每個實驗增加學(xué)生人數(shù)，這樣一來，教學(xué)質(zhì)量和效果自然無法保證。三是很多實驗項目周期長，用幾個課時遠遠不能滿足教學(xué)需要。四是實驗室對本科生基本封閉，開放度不高。學(xué)生只能在教師指定的時間內(nèi)進入實驗室，完成規(guī)定的任務(wù)，從而影響學(xué)生對實驗的興趣，抑制了學(xué)生主動參與實驗的積極性[10]。
第三，實驗設(shè)備的使用效率不均衡。一方面，有些儀器設(shè)備在一定時間內(nèi)長時間、超負荷運轉(zhuǎn)，雖然管理人員傾盡全力但仍無法正常養(yǎng)護，導(dǎo)致這部分設(shè)備老化快，故障多，性能降低，沒多久就得重新購買；另一方面，有些設(shè)備由于多方面原因而被閑置，如教學(xué)計劃修改，相關(guān)實驗項目被取消等原因?qū)е掠械膬x器設(shè)備很少被使用，造成資源的浪費[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青年教師研究生資源短缺的問題，又可以為學(xué)生提供早期科研實踐訓(xùn)練機會，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渡準備。
二、本科生參與科研創(chuàng)新實驗的實踐
（一）實驗選題
近年來，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)動態(tài)相互作用等領(lǐng)域進行潛心研究，在開展振動臺實驗和動力測試方面積累了豐富的經(jīng)驗。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臺實驗研究”作為實驗項目的選題。該選題旨在研究PHC管樁地震響應(yīng)特征和破壞模式，探討管樁動應(yīng)變、加速度，以及不同部位土體動土壓力和孔隙水壓力的時程變化規(guī)律，揭示管樁尺寸、擾動區(qū)范圍、地震頻率和振幅等因素對管樁水平動力響應(yīng)的影響。振動臺選用DC-2200-26小型電動振動臺，實驗?zāi)Ｐ洼^小，填土工作量不大，可操作性強，便于學(xué)生進行多組實驗。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，且與工程實際緊密相關(guān)。
�。ǘ⿲W(xué)生的選拔與動員
通過課堂宣講，學(xué)生自愿報名，選拔了4名有科研興趣、成績較為優(yōu)秀的高年級本科生組成實驗小組，并安排2位研究生配合開展實驗工作。實驗開始前，根據(jù)科研項目的技術(shù)要點和關(guān)鍵工作，對目標任務(wù)進行了分解。同時，對學(xué)生進行了兩場有針對性的專題報告，一場報告重點講解模型實驗中相似比、實驗測試系統(tǒng)、模型箱及構(gòu)件制作、工況設(shè)計、測點布置、數(shù)據(jù)采集等具體內(nèi)容，并提供單樁循環(huán)荷載實驗和群樁水平靜載實驗的方案和報告作為參考。另一場報告則就學(xué)術(shù)論文和發(fā)明專利的內(nèi)容、書寫規(guī)范、寫作技巧和投稿（申請）等進行了介紹，并向?qū)W生講解研究背景、實驗?zāi)康�、要求、預(yù)期成果、進度安排、輔導(dǎo)方式等相關(guān)事項。endprint
�。ㄈ⿲嵺`過程
1.文獻綜述
要求每位學(xué)生就樁土動力相互作用和振動臺實驗進行文獻查閱，撰寫研究進度安排，并進一步完善實驗設(shè)計方案。同時安排一位學(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，并與實驗結(jié)果進行對比�？紤]到本科生掌握的有限元知識有限，指導(dǎo)教師還提供類似的應(yīng)用實例和程序，以便學(xué)習(xí)和借鑒。
2. 材料制作加工
根據(jù)實驗方案、設(shè)備負荷和邊界效應(yīng)確定模型箱尺寸，繪制設(shè)計圖，聯(lián)系廠家進行加工制作；購買有機玻璃管（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；將模型土裝入模型箱分層填筑、夯實，并測定土體密度、剪切強度和動剪切模量等物理力學(xué)指標；按照測點布置方案埋設(shè)微型動土壓力盒、孔隙水壓力計以及樁頂傳感器。整個制作加工過程，由學(xué)生全程自己動手完成。
3.實驗加載和測試
先熟悉地震波加載方法，以及動態(tài)信號的采集和分析，掌握正確的操作流程和方法，做好加載前的觀測準備工作。實驗開始前，通過螺栓將模型箱固定于振動臺面，標定傳感器，調(diào)試振動臺系統(tǒng)和測試裝置能否正常工作。根據(jù)預(yù)定的加載工況，開展不同頻率和加速度峰值下PHC管樁水平地震響應(yīng)實驗，記錄各種測試數(shù)據(jù)。對實驗中出現(xiàn)的異常數(shù)據(jù)進行重新測試，在實驗過程中如有新的發(fā)現(xiàn)，可重新調(diào)整實驗方案。
4. 實驗結(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PHC管樁動力特性和抗震性能進行分析，歸納總結(jié)地層擾動程度和地震激勵參數(shù)的影響規(guī)律，探討樁頂位移的地震放大效應(yīng)。通過與實驗結(jié)果對比，驗證數(shù)值計算模型的正確性，分析結(jié)果產(chǎn)生差異的原因。對方案設(shè)計、傳感器安裝、測點布置、加載步驟等各實驗環(huán)節(jié)進行總結(jié)，查找實驗中的不足，并提出改進措施。整理分析結(jié)果，撰寫實驗報告或?qū)W術(shù)論文。
三、教學(xué)體會與效果
�。ㄒ唬┙虒W(xué)體會
1.科學(xué)安排時間
學(xué)生一般是利用業(yè)余時間參與科研創(chuàng)新實驗，但由于課余時間較為松散和隨機，加之課業(yè)繁重，學(xué)生能利用的課余時間十分有限，很難有完整連續(xù)的時間參與實驗。因此，在時間安排上需要統(tǒng)籌兼顧，既要考慮學(xué)生實驗之前必要的專業(yè)理論課程學(xué)習(xí)，又要避免與學(xué)生就業(yè)、考研、實習(xí)相沖突�？蛇x擇時間較為集中的暑假開展實驗。對適合作為畢業(yè)設(shè)計（論文）的選題，也可安排在大四下學(xué)期進行實驗。
2.與學(xué)校已有創(chuàng)新項目的融合
為培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新實踐能力，學(xué)校開展“大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項目”和“建造節(jié)活動”，旨在資助在校本科生開展科研活動和創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練。學(xué)生可將教師科研項目的成果作為工作基礎(chǔ)，或直接依托科研創(chuàng)新實驗進行相關(guān)課題的申報，以獲得學(xué)校立項的支持。因此，指導(dǎo)教師在選題時，應(yīng)緊扣項目申請指南，對自己的科研課題進行分解、提煉和優(yōu)化，篩選出能反映學(xué)科前沿動態(tài)、探索創(chuàng)新空間大、在有限時間內(nèi)可取得一定進展的部分作為實驗創(chuàng)新項目，為學(xué)生提供良好的實踐訓(xùn)練機會。
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，知識體系也不完整，思維方式往往局限于結(jié)構(gòu)設(shè)計上，獨立從事科研實驗具有一定的難度，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查閱方法，提供開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)注實驗的動態(tài)進展，對關(guān)鍵環(huán)節(jié)提供現(xiàn)場指導(dǎo)和幫助�？刹捎眯〗M例會的形式，就項目進展、所遇問題、結(jié)果現(xiàn)象等進行互動，師生共同探討，完善實驗方案的細節(jié)，啟發(fā)學(xué)生提出自己的新見解和新觀點。三是對在實驗過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(yǎng)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(diào)動學(xué)生參與科研實驗的積極性。除了給予一定的學(xué)分認定或替代任選課學(xué)分外，對成績優(yōu)秀或科研能力突出的學(xué)生可進行獎勵，并在推薦免試研究生時優(yōu)先考慮；而對消極怠工，或始終無法進入學(xué)習(xí)狀態(tài)的學(xué)生，也應(yīng)建立相應(yīng)的退出機制[14]。另外，還應(yīng)從職稱評聘、津貼補助等方面制定激勵機制，鼓勵教師將科研成果轉(zhuǎn)化為優(yōu)質(zhì)實驗教學(xué)資源，并建立科學(xué)合理的教學(xué)質(zhì)量評價指標體系[15]。
5.改進考核體系，注重實踐能力的評價
課程考核可由實踐能力評價和成果評價兩部分組成，比重各占50%。實踐能力評價作為實驗考核的重要方面，可以學(xué)生答辯、PPT匯報的方式進行，并加大平時成績所占的比重。根據(jù)學(xué)生對課題和實踐操作的熟知程度、平時表現(xiàn)、學(xué)習(xí)態(tài)度和活動參與度進行成績評定，并著重考察學(xué)生獨立思考和創(chuàng)新思維能力。成果評價由指導(dǎo)教師根據(jù)學(xué)生提交的成果質(zhì)量進行評定，包括數(shù)據(jù)分析、文字表達、格式規(guī)范等�？赏ㄟ^實驗報告、學(xué)術(shù)論文、專利或?qū)W科競賽成績等形式展示學(xué)生實驗成果，達到學(xué)生之間相互學(xué)習(xí)借鑒的目的。
�。ǘ┙虒W(xué)效果
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