土木工程本科生綜合創(chuàng)新性實驗應(yīng)用研究

雷鳴蘇丹

（1.長沙學(xué)院土木工程系，湖南 長沙，410003；2.湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院藝術(shù)系，湖南 長沙，410028）

前言

為適應(yīng)科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，我國教育部對本科生素質(zhì)教育及創(chuàng)新能力培養(yǎng)提出了新的要求。教育部2001年文件《關(guān)于加強高等學(xué)校本科教學(xué)工作提高教學(xué)質(zhì)量的若干意見》中明確提出“進一步加強實踐教學(xué)，注重學(xué)生創(chuàng)新精神和實踐能力的培養(yǎng)”思路[1]；2003年以來,教育部對高校開展本科教學(xué)工作水平評估的指標(biāo)體系中,實驗教學(xué)工作的一個指標(biāo)為“要求開設(shè)綜合性設(shè)計性實驗的課程占到總課程的80%”[2]；教育部2005年文件《進一步加強高等教育本科教學(xué)工作的若干意見》中又明確提出“積極開展研究性教學(xué)”，“所有實驗室要實行開放機制”“，增強綜合創(chuàng)新性實驗”“，引導(dǎo)大學(xué)生了解多種學(xué)術(shù)觀點，立于自身學(xué)科學(xué)術(shù)前沿”等教育思路。文件精神表明：創(chuàng)新能力培養(yǎng)已經(jīng)成為本科生教育的重要目標(biāo)。

1 開發(fā)綜合創(chuàng)新性實驗項目的意義

土木工程專業(yè)是實踐性很強的工科專業(yè)之一。為達(dá)到培養(yǎng)土木工程本科生創(chuàng)新能力培養(yǎng)這一目的，建設(shè)開放性實驗室，開發(fā)綜合創(chuàng)新性實驗項目并付諸實施，勢在必行。在傳統(tǒng)土木工程實驗教學(xué)中,幾乎所有實驗課都附屬于理論課,實驗項目皆為驗證理論，測定單一成份或指標(biāo)，只能劃歸為驗證性實驗。如土木工程專業(yè)必修課程《土力學(xué)》，所開設(shè)的土基本性質(zhì)實驗，只為測定土的密度、含水量、相對密度等，為單一指標(biāo)測定范疇；直接剪切實驗，只為驗證摩爾-庫侖強度理論，為驗證理論范疇；固結(jié)實驗，只為獲得e-p曲線、測定壓縮系數(shù)及壓縮模量等，兼有驗證理論和測定單一指標(biāo)的作用。又如土木工程專業(yè)必修課程《材料力學(xué)》，所開設(shè)的拉伸、壓縮及扭轉(zhuǎn)實驗項目皆歸驗證理論范疇。這些傳統(tǒng)實驗項目實施步驟如出一轍：①學(xué)生根據(jù)實驗指導(dǎo)書預(yù)習(xí)；②教師做好實驗前的所有準(zhǔn)備工作；③學(xué)生在教師的指導(dǎo)下按步驟做完；④學(xué)生整理實驗報告上交。在此學(xué)習(xí)過程中學(xué)生根本不用主動，不用創(chuàng)造，不用動太多腦筋，都是被動接收知識。這顯然屬于填塞式教學(xué)，不利于學(xué)生主動性和創(chuàng)造性的發(fā)揮，更談不上創(chuàng)造性思維的開拓和培養(yǎng)。當(dāng)然，這結(jié)果或多或少與土木工程理論課時要求多、學(xué)生擴招后院校實驗設(shè)備數(shù)量跟不上等因素有關(guān)，但這并不能成為節(jié)省時間，縮短教學(xué)周期而打壓學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的借口。探索既滿足常規(guī)教學(xué)，同時又能通過綜合設(shè)計性實驗培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的途徑，在這個時代具有重要的意義。

本文依托于湖南省教育廳科研基金項目（10C0414）、長沙市科技局科研基金項目（K070704-11）及長沙學(xué)院科研基金項目（Y0708）對土木工程本科生綜合創(chuàng)新性實驗項目設(shè)計及應(yīng)用進行了探索和研究。

2 實驗項目與綜合創(chuàng)新性實驗內(nèi)涵的聯(lián)系

綜合性實驗是指實驗內(nèi)容涉及到該課程綜合知識或相關(guān)課程知識的實驗。可以理解為實驗內(nèi)容牽扯到該課程的多個知識點，或者牽扯到相關(guān)多門課程的知識點，或者是幾個實驗項目內(nèi)容的綜合。土木工程專業(yè)課程體系中各門課程內(nèi)的知識點，各門課程之間的知識點有或多或少的聯(lián)系，如《土力學(xué)》課程中土的液限與塑限知識點與含水量知識點有密切聯(lián)系，土的壓縮變形理論與土的基本性質(zhì)有極大的關(guān)聯(lián)；《土力學(xué)》課程與《基礎(chǔ)工程》課程息息相關(guān)，如樁的承載能力與樁間土及樁端土的性質(zhì)有極大關(guān)系。我們開發(fā)的實驗項目：管樁模型實驗，要求學(xué)生采用擾動土，通過分層夯實模擬地基，這涉及到《基礎(chǔ)工程》、《路基工程》、《土木工程施工技術(shù)》課程中有關(guān)土方填筑工程的知識；要求學(xué)生制作管樁模型，這涉及到《土木工程材料》、《土木工程施工技術(shù)》課程中有關(guān)混凝土配合比及混凝土澆筑技術(shù)知識；要求學(xué)生摸清模型地基土的基本性質(zhì)，這涉及到《土力學(xué)》課程中有關(guān)土的性質(zhì)、固結(jié)理論、剪切強度理論知識；要求學(xué)生模擬管樁施工過程，這涉及到《基礎(chǔ)工程》、《土木工程施工技術(shù)》課程中有關(guān)管樁靜壓施工方法知識等。

創(chuàng)新性實驗是指為達(dá)到實驗?zāi)康?，學(xué)生自己設(shè)計實驗方案、創(chuàng)造實驗條件，并付諸實施的實驗。也就是說，實驗方案、過程、實驗條件、數(shù)據(jù)分析及結(jié)論全部由學(xué)生自己完成。創(chuàng)新性實驗是學(xué)生結(jié)合所學(xué)知識，進行的獨立于各種教學(xué)之外的探索性實驗。它對學(xué)生的要求非常高，不僅需要學(xué)生具備比較扎實的綜合理論基礎(chǔ)，而且要求學(xué)生對土木工程實驗原理及施作過程非常熟悉。一般我們都是選擇大三的學(xué)生來進行創(chuàng)新性實驗操作。我們先給出實驗?zāi)康?；再引?dǎo)學(xué)生進行理論推導(dǎo)，使其獲得設(shè)計數(shù)據(jù)，進行實驗方案設(shè)計；最后督促其創(chuàng)造條件，實施完成。數(shù)據(jù)分析和結(jié)論全部由學(xué)生自己得出。這充分發(fā)揮了學(xué)生的主動性和創(chuàng)造性，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)造性思維。我們所開發(fā)的實驗項目的思路就是想通過管樁模型承載力實驗推求實際管樁工程的承載力。為達(dá)此目的，引導(dǎo)學(xué)生利用相似原理推求相似判據(jù)，獲得設(shè)計數(shù)據(jù)，進而引導(dǎo)設(shè)計實驗方案，進行實驗并獲得結(jié)果，得出結(jié)論。這與傳統(tǒng)實驗區(qū)別甚大，新項目中學(xué)生所進行的工作沒有被傳統(tǒng)的框條束縛，創(chuàng)造空間無限擴大，主觀能動性得到極大的發(fā)揮。

3 實驗項目實施條件

綜合創(chuàng)新性實驗探索性強，決定了實驗方案設(shè)計、實驗過程，實驗結(jié)果有不可忽略的不確定性，比如學(xué)生設(shè)計的方案存在不是最合理的情況，實驗過程中儀器設(shè)備出現(xiàn)異常，實驗結(jié)果不理想等。因此，為保證實驗教學(xué)質(zhì)量實驗室必須提供過硬的硬件條件、軟件條件、師資力量、實驗室開放情況。

3.1 硬件條件

硬件主要包括實驗場所、實驗設(shè)備。實驗場所要寬敞，管理規(guī)范；實驗設(shè)備要先進、可靠、齊全。我們長沙學(xué)院土木工程系擁有力學(xué)、工程測量、建筑材料、土力學(xué)、建筑模型等實驗室、展覽室及建筑設(shè)計分院，建筑面積3600平方米；實驗設(shè)備齊全，總值750余萬元。硬件條件完全能滿足本科生綜合創(chuàng)新性實驗的要求。

3.2 軟件條件

軟件條件主要指實驗室管理制度和工作規(guī)范。長沙學(xué)院土木工程系實驗室制定了完善的管理制度，研究出了合適的實驗教學(xué)方法，開發(fā)了不少綜合性、設(shè)計性、和創(chuàng)新性實驗項目。相關(guān)教學(xué)資料（儀器設(shè)備說明書、操作規(guī)程、實驗規(guī)范、影像教學(xué)資料等）齊全，完全能滿足本科生綜合創(chuàng)新性實驗的要求。

3.3 師資力量

綜合創(chuàng)新性實驗對教師的要求，對每一個項目都必須有專門的高水平教師負(fù)責(zé)。學(xué)生實驗水平與教師指導(dǎo)水平密不可分。我系現(xiàn)有教職工35名，其中教授6名，副教授8名，講師8名，助教1名。博士5名，碩士17名，這為本科生綜合創(chuàng)新性實驗提供了強大的師資力量。

3.4 實行開放性實驗

實驗室在時間上和內(nèi)容上對學(xué)生實行開放制度，給學(xué)生提供了足夠的自由空間。學(xué)生可以充分利用課余時間進行綜合創(chuàng)新性實驗研究。

4 綜合創(chuàng)新性實驗實例

該創(chuàng)新性實驗項目為管樁模型承載力實驗。

4.1 相似原理（量綱分析法）在綜合創(chuàng)新性實驗中的應(yīng)用

以相似第二定理為主要理論基礎(chǔ)的量綱分析法是有力的分析手段[3]。使用量綱分析法的前提是：必須知道參與變化的物理量的性質(zhì)（盡管它們之間的函數(shù)關(guān)系未知）。量綱分析法一般可分為指數(shù)法和矩陣法。因為在靜力學(xué)問題中，基本量綱的個數(shù)很少，用指數(shù)法足以求解相似判據(jù)[4] 。在教師指導(dǎo)下，學(xué)生采用量綱分析法中的指數(shù)法求解相似判據(jù)，根據(jù)所選實際工程中管樁的尺寸，進行管樁模型尺寸設(shè)計。

4.2 模擬實驗方法及過程

模擬實驗包括預(yù)制管樁的模擬、地基的模擬和施工方法的模擬三大部分。

⑴預(yù)制管樁的模擬

學(xué)生根據(jù)4.1中管樁模型尺寸，進行管樁模型材料配合比優(yōu)化設(shè)計，進行模板設(shè)計并制作出管樁模型。

⑵地基的模擬

學(xué)生根據(jù)實際工程的地質(zhì)條件，模擬現(xiàn)場地基條件。通過人為的因素將填充的土樣在物理力學(xué)性質(zhì)方面做到最貼近實際工程的地質(zhì)條件。例如，在含水率方面可以加減水來達(dá)到現(xiàn)場的含水程度；在密實程度方面可以進行分層夯實方式以達(dá)到現(xiàn)場土體的密實程度；取樣做土體基本性質(zhì)實驗、直剪實驗，將實驗結(jié)果與工地現(xiàn)場取樣的數(shù)據(jù)、直剪實驗結(jié)果對比，用以保證地基模擬的質(zhì)量。

⑶施工方法的模擬

包括以下幾個方面的工作。

①加載平臺的研發(fā)

②模擬現(xiàn)場壓樁過程

圖2 學(xué)生壓樁現(xiàn)場

③監(jiān)測設(shè)備

圖3 樁到位后的測量

④模擬靜載實驗

4.3 實驗結(jié)果分析

學(xué)生根據(jù)管樁模型承載力實驗數(shù)據(jù)，繪制e-p曲線，獲得管樁模型的承載力，進而用相似性原理反算實際管樁工程承載力，與實際管樁承載力比較分析，總結(jié)經(jīng)驗，提取結(jié)論。

圖4 管樁模型P-S曲線

5 效果檢驗

⑴該綜合創(chuàng)新性實驗項目，吸引了大多數(shù)學(xué)生的關(guān)注，不少學(xué)生參與到了該項目的學(xué)習(xí)當(dāng)中，取得了輝煌的成績。2006級土木工程專業(yè)學(xué)生石宇、申權(quán)于2010年順利考上碩士研究生，專業(yè)皆為巖土及地下工程；不少學(xué)生被巖土公司、建筑及路橋施工單位錄用，好評不斷。學(xué)生感嘆創(chuàng)新性實驗項目幫助了他們。

⑵教師在科研實驗的同時，打破了傳統(tǒng)實驗教學(xué)的框條，培養(yǎng)了學(xué)生創(chuàng)新能力，開拓了學(xué)生創(chuàng)新思維。學(xué)生因可以極大發(fā)揮主觀能動性，學(xué)習(xí)興趣得到激發(fā)，理論學(xué)習(xí)相得益彰。

⑶教師在項目的實施過程中提高了實驗教學(xué)水平。以前不少教師屬于“科研型”，實驗教學(xué)水平不高。通過綜合創(chuàng)新性實驗項目的實施，教師在進行科學(xué)研究實驗的過程中，不可避免的啟發(fā)、指導(dǎo)學(xué)生，科研能力提高的同時，教學(xué)水平也有了質(zhì)的飛躍，教學(xué)相長。

[1] 姜玉松.土木綜合性和設(shè)計性實驗探討與實踐[J] .安徽理工大學(xué)學(xué)報（社會科學(xué)版），2008，10（3）：86-89.

[2] 李冬妮，陳旵明.培養(yǎng)計算機學(xué)科學(xué)生科技創(chuàng)新能力的探討與實踐[J] .北京理工大學(xué)學(xué)報（社會科學(xué)版），2007,（S1）.

[3] Isaacson E de StQ,Isaacson Mde StQ.Dimensional Methods in Engineering and Physics,London：Edward Arnold,Ltd.1975.

[4] 丁翠紅,應(yīng)義淼,單玉川等.采用靜壓法施工的一種新型擴底管樁[J] .建筑技術(shù),2006,37(3):193-195.