土木工程專業(yè)實驗教學(xué)改革措施

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摘要：實踐教學(xué)質(zhì)量的提升對培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力有非常重要的意義。在“新工科”背景下，針對土木工程專業(yè)實驗教學(xué)模式與當(dāng)代工程技術(shù)人才所需能力培養(yǎng)不匹配的問題，以培養(yǎng)土木工程專業(yè)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、創(chuàng)新能力、批判性思維和解決實際工程問題的能力為目標(biāo)，提出全過程考核、開展綜合設(shè)計型和研究探索型實驗、設(shè)計答辯環(huán)節(jié)和工程情境下命題等改革措施，同時建議采用團(tuán)隊教學(xué)、線上線下融合、實驗與理論融合的教學(xué)方式，并應(yīng)用于土木工程材料實驗課程教學(xué)中，效果明顯。

關(guān)鍵詞：“新工科”；實驗教學(xué)；創(chuàng)新；土木工程

新經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，需要大批具備較強創(chuàng)新實踐能力的復(fù)合型工程技術(shù)人才[1]。正是這樣的契機，培養(yǎng)新型工科人才的“新工科”應(yīng)運而生。“新工科”的“新”不僅包括新興工科專業(yè)，更是對傳統(tǒng)工科專業(yè)的升級改造[2]。土木工程專業(yè)就是典型的傳統(tǒng)工科專業(yè)，在推動我國經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展中有著重要地位。目前，人工智能、BIM技術(shù)、大數(shù)據(jù)、3D打印等新技術(shù)的迅猛發(fā)展，無疑給土木工程行業(yè)帶來了革新的最強動力，也對土木工程師的創(chuàng)新實踐能力提出了更高要求。工程技術(shù)人才能力的培養(yǎng)離不開實踐，實驗教學(xué)是實踐能力培養(yǎng)的重要組成部分，是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力、研究和解決工程問題能力的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，承擔(dān)著培養(yǎng)學(xué)生基礎(chǔ)工程素質(zhì)的任務(wù)[3-4]。然而，傳統(tǒng)土木工程專業(yè)實驗教學(xué)在教學(xué)理念、教學(xué)內(nèi)容、考核方式等方面的缺陷[5]，使得實踐教學(xué)應(yīng)有的價值沒有發(fā)揮出來，限制了學(xué)生創(chuàng)新能力和工程能力的培養(yǎng)，忽略了對學(xué)生自主學(xué)習(xí)意識和批判性思維的培養(yǎng)。鑒于此，本文以學(xué)生在土木工程專業(yè)實驗教學(xué)中應(yīng)獲取的綜合能力為目標(biāo)，對土木工程專業(yè)實驗教學(xué)進(jìn)行探索與應(yīng)用，以期為新型工程技術(shù)人才培養(yǎng)提供參考。

1“新工科”背景下，土木工程專業(yè)實驗教學(xué)的改革措施

綜合國際工程教育研究熱點[6]和我國教育部關(guān)于“新工科”建設(shè)、人才培養(yǎng)等文件精神，“新工科”人才應(yīng)具備批判性思維品質(zhì)、跨學(xué)科整合能力、實踐操作能力和創(chuàng)新創(chuàng)造能力等[7]。再結(jié)合土木工程專業(yè)特點及畢業(yè)生必須具備的12種能力要求，對土木工程專業(yè)實驗教學(xué)模式（見圖1）的改革以培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力、創(chuàng)新能力、批判性思維、解決實際工程問題的能力為目標(biāo)，貫穿“以學(xué)為中心”的教學(xué)理念，對實驗課程的考核方式、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)環(huán)節(jié)等提出相應(yīng)措施，并應(yīng)用于貴州師范大學(xué)材料與建筑工程學(xué)院的土木工程材料實驗課程教學(xué)中。

1.1培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力——全過程考核

在教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，部分學(xué)生對待學(xué)習(xí)的態(tài)度是：要考核的內(nèi)容就認(rèn)真學(xué)，不考試的內(nèi)容就馬虎對待，甚至不學(xué)。為了讓學(xué)生端正學(xué)習(xí)態(tài)度，實驗課程采用“全過程考核”方式，即從實驗前到實驗結(jié)束都設(shè)置對應(yīng)的分值，該分值作為實驗課程成績的組成部分。例如，實驗前，學(xué)生要在線上完成相關(guān)內(nèi)容的學(xué)習(xí)，并提交預(yù)習(xí)作業(yè)或?qū)嶒灧桨福徽n堂上，設(shè)置實驗成果匯報、原因分析、提問及討論環(huán)節(jié)；課后提交實驗報告，要求報告中每個學(xué)生的實驗圖片及總結(jié)部分不能相同。這樣，實驗課程的最終成績由線上積分、課堂得分及實驗報告得分相加得到，既避免了傳統(tǒng)的只依據(jù)實驗報告論成績的片面問題，也避免了小組中部分學(xué)生“投機取巧”的現(xiàn)象，對培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力起到督促作用。

1.2培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力——綜合設(shè)計型實驗、研究探索型實驗

欲通過實驗課程培養(yǎng)、提高學(xué)生的創(chuàng)新能力，綜合設(shè)計型實驗和研究探索型實驗[8]必不可少。同一門課程，不同高校的側(cè)重點不同。表1為貴州師范大學(xué)材料與建筑工程學(xué)院開設(shè)的土木工程材料實驗課程項目，共16學(xué)時。其中，項目三為設(shè)計性實驗，要求學(xué)生參考教材上混凝土配合比設(shè)計方法設(shè)計幾組混凝土，并進(jìn)行試拌；項目四為研究性實驗，提供多種原材料，但不限定混凝土配合比設(shè)計方法，要求學(xué)生配制出既滿足工程性能指標(biāo)又經(jīng)濟(jì)環(huán)保的混凝土。要完成這兩個實驗，各小組學(xué)生必然要在課前查找大量資料，共同研討選材、設(shè)計初步配合比。實驗結(jié)果的不唯一性充分發(fā)揮了學(xué)生的創(chuàng)新能力。完成規(guī)定的實驗課程后，部分學(xué)生繼續(xù)在教師的指導(dǎo)下進(jìn)行探索性實驗，申報項目和參加比賽，進(jìn)一步提高創(chuàng)新能力。當(dāng)然，沒有基礎(chǔ)實驗的循序漸進(jìn)，學(xué)生很難完成設(shè)計性、研究性、探索性實驗。建議第一次課設(shè)置為基礎(chǔ)驗證性實驗或難度相對低的綜合性實驗，課時不宜過多，可采用TRIZ理論進(jìn)行教學(xué)設(shè)計或以比賽形式進(jìn)行教學(xué)，使學(xué)生對實驗保持新鮮感，又可達(dá)到熟悉實驗環(huán)境、實驗儀器和實驗過程的目的。

1.3培養(yǎng)學(xué)生批判性思維——匯報、討論、答辯環(huán)節(jié)

批判性思維在教育中的體現(xiàn)，是鼓勵學(xué)生提問、質(zhì)疑、討論和闡釋[7]。工程技術(shù)人才不僅會“動手”，還要會“動口”。實驗方案確定和調(diào)整時的討論、實驗成果匯報和原因分析、生生之間和師生之間課堂上的提問和討論等，均是培養(yǎng)學(xué)生批判性思維的良機。從表1可見，最后一次實驗課為答辯課，要求每一組學(xué)生準(zhǔn)備答辯材料，先由學(xué)生代表對配制混凝土的設(shè)計依據(jù)、計算過程、配合比調(diào)整、實驗結(jié)果等進(jìn)行闡釋，然后同組全部學(xué)生接受其他學(xué)生和教師的提問。這就要求每名學(xué)生不僅要參與實驗，還要熟悉、理解實驗全過程。即使是基礎(chǔ)驗證性實驗，也要有討論環(huán)節(jié)，讓學(xué)生展示實驗成果并進(jìn)行簡單的分析，傾聽的學(xué)生至少提出一個問題。這樣，不僅鍛煉了學(xué)生的批判性思維，還能保證學(xué)生上課的專注度。

1.4培養(yǎng)學(xué)生解決實際工程問題的能力——工程情境下的命題

解決實際工程問題的能力對土木工程專業(yè)學(xué)生的重要性不言而喻。實驗項目的命題可設(shè)定在某工程情境下，讓學(xué)生沉浸在處理實際工程問題的氛圍中。如表1的項目四：混凝土配合比設(shè)計，參考了“全國大學(xué)生混凝土材料設(shè)計大賽”。大賽主題是，以有利于混凝土耐久性為原則，采用機制砂配制某強度等級的大流態(tài)混凝土，要求考慮工程的實際應(yīng)用環(huán)境和符合經(jīng)濟(jì)性，展示大學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。實驗室提供不同砂石料、不同摻合料、不同外加劑供學(xué)生自主選擇。課堂上采用“學(xué)生為主，教師為輔”的教學(xué)方式，并對又快又好地完成實驗任務(wù)的小組加分。事實證明，學(xué)生非常喜歡這種有挑戰(zhàn)性的實驗，積極性有很大提高。

2建議

為了更好地推進(jìn)實驗教學(xué)，穩(wěn)定的教學(xué)團(tuán)隊、多管齊下的教學(xué)手段對提高實驗教學(xué)質(zhì)量能起到良好的效果。

2.1教學(xué)團(tuán)隊建設(shè)

以貴州師范大學(xué)材料與建筑工程學(xué)院的“土木工程材料教學(xué)團(tuán)隊”為例，團(tuán)隊由以建筑材料為研究方向的幾位教師組成。無論是課前的線上學(xué)習(xí)資源建設(shè)、實驗項目設(shè)置，還是實驗教學(xué)的具體開展，抑或是課后對學(xué)生參賽和科研訓(xùn)練的指導(dǎo)，教學(xué)團(tuán)隊成員都是互幫互助、共同研討。最終，將土木工程材料理論課程、實驗課程均打造成了校級一流課程。

2.2線上與線下融合

隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”的發(fā)展，以及受新冠肺炎疫情影響，為滿足“停課不停教，停課不停學(xué)”的要求，線上線下融合教學(xué)模式成為必然趨勢。對于土木工程專業(yè)，很多實驗項目受實驗條件、資金等因素的影響，很難在線下開展實體實驗，而線上的虛擬仿真不失為一種理想解決方式。對于很多高校，要建設(shè)虛擬仿真實驗項目確實不易，但是可以借助某些平臺上已有的虛擬仿真實驗項目開展教學(xué)，完全突破了時空的限制。其中，由高等教育出版社負(fù)責(zé)建設(shè)運營的虛擬仿真實驗教學(xué)課程共享平臺——實驗空間，就是可直接服務(wù)于各高校的實驗教學(xué)公共服務(wù)平臺。

2.3實驗與理論融合

實驗課程常用來襯托理論課程這個“主角”，但偶爾讓其承擔(dān)“主角”，讓理論課程為實驗教學(xué)服務(wù)，也能取得意外的效果。要求學(xué)生在較少學(xué)時的實驗課堂上一下涌出很多思路、方案，這是有難度的，何不讓學(xué)生從理論學(xué)習(xí)時就去思考、準(zhǔn)備呢？在理論課程教學(xué)時，教師一般都會結(jié)合科研項目、實際工程問題、前沿?zé)狳c等為學(xué)生拓展很多內(nèi)容，抑或采用“翻轉(zhuǎn)課堂”模式，讓學(xué)生去查資料、寫讀書筆記，然后在課堂上與同學(xué)分享、討論。理論課程的這種啟發(fā)式、探究式教學(xué)，能為學(xué)生進(jìn)行綜合設(shè)計型、研究探索型實驗提供思路。

3結(jié)語

在“新工科”背景下，實踐教學(xué)更凸顯其重要地位。事實證明，土木工程專業(yè)人才的自主學(xué)習(xí)能力、創(chuàng)新能力、批判性思維、解決實際工程問題的能力，是可以通過在實驗課堂上學(xué)習(xí)和實踐中獲得的，關(guān)鍵是要建立科學(xué)合理、可操作的實驗教學(xué)模式。即圍繞“以學(xué)為中心”的教學(xué)理念、實施全過程考核、開展沉浸于工程情境下的設(shè)計性和研究性實驗、增設(shè)答辯環(huán)節(jié)，同時采取團(tuán)隊教學(xué)、線上線下融合、實驗與理論融合的多組合教學(xué)方式。將該實驗教學(xué)模式應(yīng)用于土木工程材料實驗課程教學(xué)中，取得了較好的效果。學(xué)生參與科研訓(xùn)練、比賽的積極性和主動性明顯提高，近兩年多個學(xué)生團(tuán)隊基于3D打印混凝土、MgO混凝土、透水混凝土、再生混凝土等項目，獲得了多項校級、省級、國家級的大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項目立項，在“挑戰(zhàn)杯”“全國大學(xué)生節(jié)能減排社會實踐與科技競賽”“互聯(lián)網(wǎng)+”“全國大學(xué)生混凝土材料設(shè)計大賽”中均獲得獎項，學(xué)生的創(chuàng)新實踐能力得到了很大提升。

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作者：陳榮妃 楊華山 李維維 趙振華 單位：貴州師范大學(xué) 材料與建筑工程學(xué)院