土木工程專業實驗教學內容優化及實驗教學方法研究

張 毅 韓金斌 王 煒 師金鋒

（火箭軍工程大學作戰保障學院，陜西 西安 710000）

引言

實踐是土木工程專業的出發點也是落腳點，土木工程教育的目的就是要在學生學習掌握基本理論和原理的基礎上，讓學生回到實踐，將理論與實踐相結合，分析實際問題解決實際問題，從而培養既具有扎實理論基礎又具有一定實踐經驗能夠解決實踐問題的高素質人才[1]。

一、土木工程專業人才需求分析

通過對在當前崗位工作多年人員的走訪及問卷調查，進一步深入了解本校土木工程專業人才的成長途徑、過程與環境，通過人員對自己的職業生涯的回顧分析，總結個人專業方面的優勢與不足，提煉出學生畢業時最需要具備的能力素質。然后，對不同方面的能力需求進行分解，在考慮專業特點及學生自身成長規律的情況下，將學生的能力分解為知識、技能和素養三個層次。最后，分析每個方面能力在不同層次下，所培養的學生要達到哪些具體的標準。

知識在居于三個層次中的最底層，也是學生學習中最直接獲取的東西，知識層面要求學生具備自然科學、人文科學等基礎性知識和外語計算機等運用型知識；能力層面要求學生具有認知、思辨、實踐和解決實際問題的能力；素養層面要求學生具備求真務實、嚴謹細致和吃苦耐勞的品質。

對土木工程專業來說，工程能力是必不可少的。在學校學習階段，學生能力的培養，主要通過課程實驗、課程設計和畢業設計等實踐教學環節來進行。土木工程專業的實踐能力就是能將已經掌握的知識和經驗運用于設計、施工、運維管理等環節，能發現問題、分析問題并解決實際問題[2]。

其目的是使學生能夠用實踐驗證鞏固所學知識，培養自主發現問題、自主解決問題的能力；更好地印證所學的理論知識，為畢業以后的任職打下基礎。在技能層面，學生要掌握施工材料種類、性能及應用，掌握土建工程施工分類、施工流程，具有較強的施工組織和工程機械操作與維修等專業技能，適應工程設計與施工的發展和任職崗位轉換的需要。在素養層面，學生要求掌握巖土工程、結構工程和地下防護工程等學科專業基礎理論，以及工程識圖、測量與施工技術等專業知識，具有較強的施工作業與工程保障專業基本技能，具備良好的專業素養和一定的創新精神。

情感態度是在知識、技能、素養需求的基礎上，對學生更高層次的要求和需求。情感態度與價值觀作為一個人對待科學事物的最基本看法與傾向性，雖然是潛移默化的，但對個人以后的行為和發展具有很強的導向與制約作用，且作用是長期性的和根本性的。工程建設是一個從無到有的過程，其工作性質決定了工作環境的艱苦，因此具備吃苦耐勞的品質幾乎是工程人員的基本要求和品質。而這些品質的具備，除工作崗位的磨煉之外，還需要學生對工作崗位的認同，對自身價值的認同。

二、實驗教學內容優化

根據研究內容中需求分析得到的人才在知識、能力和素質方面的具體標準，結合人才培養方案中的課程體系，明確學生哪些知識、能力和素質的培養需要通過實驗教學完成；以包含實驗的各門課程為對象，對實驗教學內容和實驗教學項目的進行初步設置，減少與專業人才培養目標關系不大的實驗內容，增加對專業人才培養支撐作用較大的特有的實驗內容；然后，將所有的實驗內容和實驗項目進行梳理和歸類，對內容上存在部分重復性的實驗進行合并，并根據學生的知識體系結構選取適當的時間點開展相應的實驗[3]。

在人才培養方案中的課程設置中，包含實驗的課程及實驗學時主要有《材料力學》（6學時實驗）、《結構力學》（6學時實驗）、《建筑材料》（10學時實驗）、《土木工程制圖》（6學時實驗）、《土力學》（12學時實驗）、《鋼筋混凝土結構原理》（4學時）、《巖體力學》（6學時實驗）、《土木工程測量》（20學時實驗）、《地下結構》（6學時實驗）、《地下工程施工》（8學時實驗）、《建筑安裝工程》（8學時實驗）、《土木工程實驗》（28學時實驗）。實驗學時共計120學時。

對比這些課程的課程教學計劃與地方大學土木工程專業中的實驗課內容可以看出，這些課程中的實驗內容與地方大學土木工程課程實驗內容基本相同，主要還是以土木工程專業的實驗內容為主，地方土木工程專業相關課程設置的背景主要是工業與民用建筑工程，沒有考慮本校土木工程專業的培養目標和特點，更不可能緊密聯系學生的第一崗位任職需求。同時，這些實驗內容的設置大多基于以前或早期的工程發展技術，對當前的VR技術，半實物仿真等技術運用較少。優化后的實驗包含：拉伸實驗、壓縮實驗、扭轉實驗、鋼筋混凝土拱破壞實驗、鋼拱架破壞實驗、水泥細度實驗、砂子的篩分實驗、砂漿稠度實驗、砂漿分層度實驗、砂漿強度實驗、混凝土和易性實驗、混凝土立方體抗壓強度實驗、自密實混凝土配制及力學性能實驗、高強混凝土配制及力學性能實驗、建筑施工圖、結構施工圖、土的密度實驗、土的含水率實驗、土的滲透實驗、鋼筋混凝土梁設計、制作和使用性能及承載力、單軸抗壓實驗、巖石的三軸抗壓強度試驗、巖石點荷載強度實驗、水準儀的認識實驗、水準測量實驗、經緯儀認識實驗、水平角、豎直角觀測實驗、GPS控制測量練習、全站儀的基本操作與使用、地形圖碎部測量實驗、地下工程結構演示、鉆爆法仿真交互實驗、水泥標準稠度用水量實驗、混凝土材料滲透性實驗、水泥膠砂強度檢驗、回彈儀測定混凝土強度、混凝土耐久性試驗、鋼纖維混凝土配制及力學性能測定實驗、混凝土外加劑實驗。

三、實驗教學方法

目前，很多包含實驗課的課程在開展時，都是將實驗課放在理論課之后進行，目的是讓學生在具備一定的理論知識基礎后再開始實驗。實驗過程基本如下：教員先進行理論回顧和實驗過程及儀器設備初步講解，然后向學生進行現場示范和講解，最后由學生按照規定程序和要求完成實驗并撰寫實驗報告。不同類型的實驗特點不同，學生當前基本只能按部就班地完成實驗，而單一不變的實驗安排對發揮學生的自主性和創造性是不利的。

根據實驗的側重點、特點和作用，將土木工程專業實驗分為：驗證性實驗、設計性實驗和綜合性實驗三種[4-5]?；拘詫嶒炇侵竿ㄟ^基本現象獲取基本知識和經驗的實驗，此類實驗的主要目的是對實驗結果進行驗證，通過驗證加深學生對所學理論和原理的進一步理解。過程以學生的實際操作為主，通過觀察、思考、記錄、計算和分析達到驗證的目的。這類實驗對學生動手能力的培養和訓練是基礎性的，也是必不可少的。設計性實驗是學生通過相關問題的思考，可以得到相應的結果，但還需要進一步驗證，需要在基本實驗的基礎上進行一些改進；綜合性實驗，是指實驗結果事先無法知道，需要學生根據所學知識和原理進行推理，得到初步的可能結果，然后通過設計實驗并動手操作，具有較大的探索性和研究性，是通過實踐來獲取知識，是對原來所學知識的進一步拓展，需要對原有知識結構進行新的調整和建構。此類型的實驗要求學生已經掌握基礎理論和知識，具有基本的動手操作實驗能力，因此一般在高年級學生中開設。這類實驗可以培養學生深入思考和較強的思維與動手能力。

針對不同的實驗類別探索和研究不同的實驗方法，用更有針對性的實驗方法達到實驗效果更明顯的目的。使學生在完成實驗的過程中既能掌握扎實的基本知識、基本方法和基本原理，動手實踐能力和創新能力也得到一定程度的培養和發展。實驗教學主要通過設置不同實驗類型，針對不同的實驗類型采取不同側重點和關注點的方法來進行。

1.驗證性實驗

驗證性實驗目的在于滿足土木工程專業培養目標的基礎實驗，主要是讓學生了解儀器設備的基本構造和原理，掌握實驗基本原理和方法步驟，熟悉實驗儀器設備的操作規程。通過實驗能提高學生的操作技能及實驗結果的分析能力，為進入綜合性實驗打下堅實的基礎。此部分初步設置22個實驗項目，包含拉伸實驗、壓縮實驗、扭轉實驗、鋼筋混凝土拱破壞實驗、鋼拱架破壞實驗、水泥細度實驗、砂子的篩分實驗、砂漿稠度實驗、砂漿分層度實驗、建筑施工圖、結構施工圖、土的密度實驗、土的含水率實驗、土的滲透實驗、單軸抗壓實驗、水準儀的認識實驗、經緯儀認識實驗、水平角豎直角觀測實驗、全站儀的基本操作與使用、地下工程結構演示、水泥標準稠度用水量實驗、混凝土材料滲透性實驗。

2.設計性實驗

土木工程專業設計性實驗由一系列擴展實驗構成，目的是使學生在掌握基本實驗技能的基礎上，進一步了解、掌握工程實際以及科學研究中較為先進的實驗技術及方法，加強學生的專業修養，并通過實踐教學與科學研究相結合等方式，培養學生科研及創新的能力和潛質。該實驗從提出問題、擬定實驗方案、選擇實驗設備、完成實驗數據的觀測和處理，到最后得出結論，解決自己提出的問題，都由學生獨立完成，教師只充當“引導”和“輔助”的角色，提高了學生獨立鉆研的能力[6]。初步設置的設計性實驗共有10個實驗項目，包含：砂漿強度實驗、混凝土和易性實驗、混凝土立方體抗壓強度實驗、巖石的三軸抗壓強度試驗、巖石點荷載強度實驗、水準測量實驗、GPS控制測量練習、鉆爆法仿真交互實驗、水泥膠砂強度檢驗、回彈儀測定混凝土強度。

3.綜合性實驗

綜合性實驗主要為了增強學生的科研素質，從而適應工程技術快速發展的要求。這類實驗由學生選擇自己感興趣的課題進行研究，首先要熟悉本項目研究領域里國內外研究動態，然后通過自主學習、自主設計、自主實施，充分施展學生的專業素質和組織能力。這類實驗具有真正的科學研究和探索的性質[7]。學生在綜合性實驗中體會更多的是自主和研究，通過綜合性實驗，學生可以在實驗的過程中找到學科競賽、畢業設計方面的研究內容和主題，即便在實驗課程結束后，學生依然可以通過相關途徑繼續進行實驗研究，為個人后續的發展積累更多的可能性。初步設置的綜合性實驗項目共有8個，包含自密實混凝土配制及力學性能實驗、高強混凝土配制及力學性能實驗、鋼筋混凝土梁設計、制作和使用性能及承載力、地形圖碎部測量實驗、混凝土耐久性試驗、鋼纖維混凝土配制及力學性能測定實驗、混凝土外加劑實驗。

結語

實驗教學在土木工程專業人才培養中的作用不可替代，尤其是對應用型人才的培養更是如此，應加大《建筑材料》《地下工程施工》《鋼筋混凝土結構原理》等部分課程的實驗環節比重，加大綜合性實驗的學時，給學生以更充分的主動權進行實驗，讓學生在實驗課程學習時，就初步具備畢業選題的能力或埋下畢業設計選題的種子，打通學生從課程實驗和實驗課程到畢業設計選題的通路。通過相關實驗項目的實踐表明，使用固定課堂實驗對土木工程某些實驗來講比較困難尤其涉及某些設計類實驗和綜合實驗，這些實驗已經不是結果重現的實驗，考查的是學生設計實驗，發現問題，再創造的過程，在條件允許的情況下，應加大此類型實驗的比例，更好地培養學生解決問題的能力和創新能力。