土木工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容優(yōu)化及實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法研究

張 毅 韓金斌 王 煒 師金鋒

（火箭軍工程大學(xué)作戰(zhàn)保障學(xué)院，陜西 西安 710000）

引言

實(shí)踐是土木工程專業(yè)的出發(fā)點(diǎn)也是落腳點(diǎn)，土木工程教育的目的就是要在學(xué)生學(xué)習(xí)掌握基本理論和原理的基礎(chǔ)上，讓學(xué)生回到實(shí)踐，將理論與實(shí)踐相結(jié)合，分析實(shí)際問(wèn)題解決實(shí)際問(wèn)題，從而培養(yǎng)既具有扎實(shí)理論基礎(chǔ)又具有一定實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)?zāi)軌蚪鉀Q實(shí)踐問(wèn)題的高素質(zhì)人才[1]。

一、土木工程專業(yè)人才需求分析

通過(guò)對(duì)在當(dāng)前崗位工作多年人員的走訪及問(wèn)卷調(diào)查，進(jìn)一步深入了解本校土木工程專業(yè)人才的成長(zhǎng)途徑、過(guò)程與環(huán)境，通過(guò)人員對(duì)自己的職業(yè)生涯的回顧分析，總結(jié)個(gè)人專業(yè)方面的優(yōu)勢(shì)與不足，提煉出學(xué)生畢業(yè)時(shí)最需要具備的能力素質(zhì)。然后，對(duì)不同方面的能力需求進(jìn)行分解，在考慮專業(yè)特點(diǎn)及學(xué)生自身成長(zhǎng)規(guī)律的情況下，將學(xué)生的能力分解為知識(shí)、技能和素養(yǎng)三個(gè)層次。最后，分析每個(gè)方面能力在不同層次下，所培養(yǎng)的學(xué)生要達(dá)到哪些具體的標(biāo)準(zhǔn)。

知識(shí)在居于三個(gè)層次中的最底層，也是學(xué)生學(xué)習(xí)中最直接獲取的東西，知識(shí)層面要求學(xué)生具備自然科學(xué)、人文科學(xué)等基礎(chǔ)性知識(shí)和外語(yǔ)計(jì)算機(jī)等運(yùn)用型知識(shí)；能力層面要求學(xué)生具有認(rèn)知、思辨、實(shí)踐和解決實(shí)際問(wèn)題的能力；素養(yǎng)層面要求學(xué)生具備求真務(wù)實(shí)、嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致和吃苦耐勞的品質(zhì)。

對(duì)土木工程專業(yè)來(lái)說(shuō)，工程能力是必不可少的。在學(xué)校學(xué)習(xí)階段，學(xué)生能力的培養(yǎng)，主要通過(guò)課程實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)等實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)來(lái)進(jìn)行。土木工程專業(yè)的實(shí)踐能力就是能將已經(jīng)掌握的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)運(yùn)用于設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維管理等環(huán)節(jié)，能發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題并解決實(shí)際問(wèn)題[2]。

其目的是使學(xué)生能夠用實(shí)踐驗(yàn)證鞏固所學(xué)知識(shí)，培養(yǎng)自主發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、自主解決問(wèn)題的能力；更好地印證所學(xué)的理論知識(shí)，為畢業(yè)以后的任職打下基礎(chǔ)。在技能層面，學(xué)生要掌握施工材料種類、性能及應(yīng)用，掌握土建工程施工分類、施工流程，具有較強(qiáng)的施工組織和工程機(jī)械操作與維修等專業(yè)技能，適應(yīng)工程設(shè)計(jì)與施工的發(fā)展和任職崗位轉(zhuǎn)換的需要。在素養(yǎng)層面，學(xué)生要求掌握巖土工程、結(jié)構(gòu)工程和地下防護(hù)工程等學(xué)科專業(yè)基礎(chǔ)理論，以及工程識(shí)圖、測(cè)量與施工技術(shù)等專業(yè)知識(shí)，具有較強(qiáng)的施工作業(yè)與工程保障專業(yè)基本技能，具備良好的專業(yè)素養(yǎng)和一定的創(chuàng)新精神。

情感態(tài)度是在知識(shí)、技能、素養(yǎng)需求的基礎(chǔ)上，對(duì)學(xué)生更高層次的要求和需求。情感態(tài)度與價(jià)值觀作為一個(gè)人對(duì)待科學(xué)事物的最基本看法與傾向性，雖然是潛移默化的，但對(duì)個(gè)人以后的行為和發(fā)展具有很強(qiáng)的導(dǎo)向與制約作用，且作用是長(zhǎng)期性的和根本性的。工程建設(shè)是一個(gè)從無(wú)到有的過(guò)程，其工作性質(zhì)決定了工作環(huán)境的艱苦，因此具備吃苦耐勞的品質(zhì)幾乎是工程人員的基本要求和品質(zhì)。而這些品質(zhì)的具備，除工作崗位的磨煉之外，還需要學(xué)生對(duì)工作崗位的認(rèn)同，對(duì)自身價(jià)值的認(rèn)同。

二、實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容優(yōu)化

根據(jù)研究?jī)?nèi)容中需求分析得到的人才在知識(shí)、能力和素質(zhì)方面的具體標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合人才培養(yǎng)方案中的課程體系，明確學(xué)生哪些知識(shí)、能力和素質(zhì)的培養(yǎng)需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)完成；以包含實(shí)驗(yàn)的各門課程為對(duì)象，對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的進(jìn)行初步設(shè)置，減少與專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)關(guān)系不大的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，增加對(duì)專業(yè)人才培養(yǎng)支撐作用較大的特有的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容；然后，將所有的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行梳理和歸類，對(duì)內(nèi)容上存在部分重復(fù)性的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行合并，并根據(jù)學(xué)生的知識(shí)體系結(jié)構(gòu)選取適當(dāng)?shù)臅r(shí)間點(diǎn)開(kāi)展相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)[3]。

在人才培養(yǎng)方案中的課程設(shè)置中，包含實(shí)驗(yàn)的課程及實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)主要有《材料力學(xué)》（6學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)）、《結(jié)構(gòu)力學(xué)》（6學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)）、《建筑材料》（10學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)）、《土木工程制圖》（6學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)）、《土力學(xué)》（12學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)）、《鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)原理》（4學(xué)時(shí)）、《巖體力學(xué)》（6學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)）、《土木工程測(cè)量》（20學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)）、《地下結(jié)構(gòu)》（6學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)）、《地下工程施工》（8學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)）、《建筑安裝工程》（8學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)）、《土木工程實(shí)驗(yàn)》（28學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)）。實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)共計(jì)120學(xué)時(shí)。

對(duì)比這些課程的課程教學(xué)計(jì)劃與地方大學(xué)土木工程專業(yè)中的實(shí)驗(yàn)課內(nèi)容可以看出，這些課程中的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與地方大學(xué)土木工程課程實(shí)驗(yàn)內(nèi)容基本相同，主要還是以土木工程專業(yè)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容為主，地方土木工程專業(yè)相關(guān)課程設(shè)置的背景主要是工業(yè)與民用建筑工程，沒(méi)有考慮本校土木工程專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)和特點(diǎn)，更不可能緊密聯(lián)系學(xué)生的第一崗位任職需求。同時(shí)，這些實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)置大多基于以前或早期的工程發(fā)展技術(shù)，對(duì)當(dāng)前的VR技術(shù)，半實(shí)物仿真等技術(shù)運(yùn)用較少。優(yōu)化后的實(shí)驗(yàn)包含：拉伸實(shí)驗(yàn)、壓縮實(shí)驗(yàn)、扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)、鋼筋混凝土拱破壞實(shí)驗(yàn)、鋼拱架破壞實(shí)驗(yàn)、水泥細(xì)度實(shí)驗(yàn)、砂子的篩分實(shí)驗(yàn)、砂漿稠度實(shí)驗(yàn)、砂漿分層度實(shí)驗(yàn)、砂漿強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)、混凝土和易性實(shí)驗(yàn)、混凝土立方體抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)、自密實(shí)混凝土配制及力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)、高強(qiáng)混凝土配制及力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)、建筑施工圖、結(jié)構(gòu)施工圖、土的密度實(shí)驗(yàn)、土的含水率實(shí)驗(yàn)、土的滲透實(shí)驗(yàn)、鋼筋混凝土梁設(shè)計(jì)、制作和使用性能及承載力、單軸抗壓實(shí)驗(yàn)、巖石的三軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、巖石點(diǎn)荷載強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)、水準(zhǔn)儀的認(rèn)識(shí)實(shí)驗(yàn)、水準(zhǔn)測(cè)量實(shí)驗(yàn)、經(jīng)緯儀認(rèn)識(shí)實(shí)驗(yàn)、水平角、豎直角觀測(cè)實(shí)驗(yàn)、GPS控制測(cè)量練習(xí)、全站儀的基本操作與使用、地形圖碎部測(cè)量實(shí)驗(yàn)、地下工程結(jié)構(gòu)演示、鉆爆法仿真交互實(shí)驗(yàn)、水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量實(shí)驗(yàn)、混凝土材料滲透性實(shí)驗(yàn)、水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)、回彈儀測(cè)定混凝土強(qiáng)度、混凝土耐久性試驗(yàn)、鋼纖維混凝土配制及力學(xué)性能測(cè)定實(shí)驗(yàn)、混凝土外加劑實(shí)驗(yàn)。

三、實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法

目前，很多包含實(shí)驗(yàn)課的課程在開(kāi)展時(shí)，都是將實(shí)驗(yàn)課放在理論課之后進(jìn)行，目的是讓學(xué)生在具備一定的理論知識(shí)基礎(chǔ)后再開(kāi)始實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程基本如下：教員先進(jìn)行理論回顧和實(shí)驗(yàn)過(guò)程及儀器設(shè)備初步講解，然后向?qū)W生進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)示范和講解，最后由學(xué)生按照規(guī)定程序和要求完成實(shí)驗(yàn)并撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告。不同類型的實(shí)驗(yàn)特點(diǎn)不同，學(xué)生當(dāng)前基本只能按部就班地完成實(shí)驗(yàn)，而單一不變的實(shí)驗(yàn)安排對(duì)發(fā)揮學(xué)生的自主性和創(chuàng)造性是不利的。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)的側(cè)重點(diǎn)、特點(diǎn)和作用，將土木工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)分為：驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)和綜合性實(shí)驗(yàn)三種[4-5]?；拘詫?shí)驗(yàn)是指通過(guò)基本現(xiàn)象獲取基本知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)，此類實(shí)驗(yàn)的主要目的是對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，通過(guò)驗(yàn)證加深學(xué)生對(duì)所學(xué)理論和原理的進(jìn)一步理解。過(guò)程以學(xué)生的實(shí)際操作為主，通過(guò)觀察、思考、記錄、計(jì)算和分析達(dá)到驗(yàn)證的目的。這類實(shí)驗(yàn)對(duì)學(xué)生動(dòng)手能力的培養(yǎng)和訓(xùn)練是基礎(chǔ)性的，也是必不可少的。設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)是學(xué)生通過(guò)相關(guān)問(wèn)題的思考，可以得到相應(yīng)的結(jié)果，但還需要進(jìn)一步驗(yàn)證，需要在基本實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行一些改進(jìn)；綜合性實(shí)驗(yàn)，是指實(shí)驗(yàn)結(jié)果事先無(wú)法知道，需要學(xué)生根據(jù)所學(xué)知識(shí)和原理進(jìn)行推理，得到初步的可能結(jié)果，然后通過(guò)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)并動(dòng)手操作，具有較大的探索性和研究性，是通過(guò)實(shí)踐來(lái)獲取知識(shí)，是對(duì)原來(lái)所學(xué)知識(shí)的進(jìn)一步拓展，需要對(duì)原有知識(shí)結(jié)構(gòu)進(jìn)行新的調(diào)整和建構(gòu)。此類型的實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生已經(jīng)掌握基礎(chǔ)理論和知識(shí)，具有基本的動(dòng)手操作實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Γ虼艘话阍诟吣昙?jí)學(xué)生中開(kāi)設(shè)。這類實(shí)驗(yàn)可以培養(yǎng)學(xué)生深入思考和較強(qiáng)的思維與動(dòng)手能力。

針對(duì)不同的實(shí)驗(yàn)類別探索和研究不同的實(shí)驗(yàn)方法，用更有針對(duì)性的實(shí)驗(yàn)方法達(dá)到實(shí)驗(yàn)效果更明顯的目的。使學(xué)生在完成實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中既能掌握扎實(shí)的基本知識(shí)、基本方法和基本原理，動(dòng)手實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力也得到一定程度的培養(yǎng)和發(fā)展。實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要通過(guò)設(shè)置不同實(shí)驗(yàn)類型，針對(duì)不同的實(shí)驗(yàn)類型采取不同側(cè)重點(diǎn)和關(guān)注點(diǎn)的方法來(lái)進(jìn)行。

1.驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)

驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)?zāi)康脑谟跐M足土木工程專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，主要是讓學(xué)生了解儀器設(shè)備的基本構(gòu)造和原理，掌握實(shí)驗(yàn)基本原理和方法步驟，熟悉實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備的操作規(guī)程。通過(guò)實(shí)驗(yàn)?zāi)芴岣邔W(xué)生的操作技能及實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析能力，為進(jìn)入綜合性實(shí)驗(yàn)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。此部分初步設(shè)置22個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，包含拉伸實(shí)驗(yàn)、壓縮實(shí)驗(yàn)、扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)、鋼筋混凝土拱破壞實(shí)驗(yàn)、鋼拱架破壞實(shí)驗(yàn)、水泥細(xì)度實(shí)驗(yàn)、砂子的篩分實(shí)驗(yàn)、砂漿稠度實(shí)驗(yàn)、砂漿分層度實(shí)驗(yàn)、建筑施工圖、結(jié)構(gòu)施工圖、土的密度實(shí)驗(yàn)、土的含水率實(shí)驗(yàn)、土的滲透實(shí)驗(yàn)、單軸抗壓實(shí)驗(yàn)、水準(zhǔn)儀的認(rèn)識(shí)實(shí)驗(yàn)、經(jīng)緯儀認(rèn)識(shí)實(shí)驗(yàn)、水平角豎直角觀測(cè)實(shí)驗(yàn)、全站儀的基本操作與使用、地下工程結(jié)構(gòu)演示、水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量實(shí)驗(yàn)、混凝土材料滲透性實(shí)驗(yàn)。

2.設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)

土木工程專業(yè)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)由一系列擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)構(gòu)成，目的是使學(xué)生在掌握基本實(shí)驗(yàn)技能的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步了解、掌握工程實(shí)際以及科學(xué)研究中較為先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)及方法，加強(qiáng)學(xué)生的專業(yè)修養(yǎng)，并通過(guò)實(shí)踐教學(xué)與科學(xué)研究相結(jié)合等方式，培養(yǎng)學(xué)生科研及創(chuàng)新的能力和潛質(zhì)。該實(shí)驗(yàn)從提出問(wèn)題、擬定實(shí)驗(yàn)方案、選擇實(shí)驗(yàn)設(shè)備、完成實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的觀測(cè)和處理，到最后得出結(jié)論，解決自己提出的問(wèn)題，都由學(xué)生獨(dú)立完成，教師只充當(dāng)“引導(dǎo)”和“輔助”的角色，提高了學(xué)生獨(dú)立鉆研的能力[6]。初步設(shè)置的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)共有10個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，包含：砂漿強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)、混凝土和易性實(shí)驗(yàn)、混凝土立方體抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)、巖石的三軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、巖石點(diǎn)荷載強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)、水準(zhǔn)測(cè)量實(shí)驗(yàn)、GPS控制測(cè)量練習(xí)、鉆爆法仿真交互實(shí)驗(yàn)、水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)、回彈儀測(cè)定混凝土強(qiáng)度。

3.綜合性實(shí)驗(yàn)

綜合性實(shí)驗(yàn)主要為了增強(qiáng)學(xué)生的科研素質(zhì)，從而適應(yīng)工程技術(shù)快速發(fā)展的要求。這類實(shí)驗(yàn)由學(xué)生選擇自己感興趣的課題進(jìn)行研究，首先要熟悉本項(xiàng)目研究領(lǐng)域里國(guó)內(nèi)外研究動(dòng)態(tài)，然后通過(guò)自主學(xué)習(xí)、自主設(shè)計(jì)、自主實(shí)施，充分施展學(xué)生的專業(yè)素質(zhì)和組織能力。這類實(shí)驗(yàn)具有真正的科學(xué)研究和探索的性質(zhì)[7]。學(xué)生在綜合性實(shí)驗(yàn)中體會(huì)更多的是自主和研究，通過(guò)綜合性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以在實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中找到學(xué)科競(jìng)賽、畢業(yè)設(shè)計(jì)方面的研究?jī)?nèi)容和主題，即便在實(shí)驗(yàn)課程結(jié)束后，學(xué)生依然可以通過(guò)相關(guān)途徑繼續(xù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，為個(gè)人后續(xù)的發(fā)展積累更多的可能性。初步設(shè)置的綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目共有8個(gè)，包含自密實(shí)混凝土配制及力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)、高強(qiáng)混凝土配制及力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)、鋼筋混凝土梁設(shè)計(jì)、制作和使用性能及承載力、地形圖碎部測(cè)量實(shí)驗(yàn)、混凝土耐久性試驗(yàn)、鋼纖維混凝土配制及力學(xué)性能測(cè)定實(shí)驗(yàn)、混凝土外加劑實(shí)驗(yàn)。

結(jié)語(yǔ)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)在土木工程專業(yè)人才培養(yǎng)中的作用不可替代，尤其是對(duì)應(yīng)用型人才的培養(yǎng)更是如此，應(yīng)加大《建筑材料》《地下工程施工》《鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)原理》等部分課程的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)比重，加大綜合性實(shí)驗(yàn)的學(xué)時(shí)，給學(xué)生以更充分的主動(dòng)權(quán)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)課程學(xué)習(xí)時(shí)，就初步具備畢業(yè)選題的能力或埋下畢業(yè)設(shè)計(jì)選題的種子，打通學(xué)生從課程實(shí)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)課程到畢業(yè)設(shè)計(jì)選題的通路。通過(guò)相關(guān)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的實(shí)踐表明，使用固定課堂實(shí)驗(yàn)對(duì)土木工程某些實(shí)驗(yàn)來(lái)講比較困難尤其涉及某些設(shè)計(jì)類實(shí)驗(yàn)和綜合實(shí)驗(yàn)，這些實(shí)驗(yàn)已經(jīng)不是結(jié)果重現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)，考查的是學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，再創(chuàng)造的過(guò)程，在條件允許的情況下，應(yīng)加大此類型實(shí)驗(yàn)的比例，更好地培養(yǎng)學(xué)生解決問(wèn)題的能力和創(chuàng)新能力。