章敏+董曉強+郭昭勝

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)。

（二）學(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

（三）實踐過程

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。考慮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

（一）教學(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。可通過實驗報告、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。

（二）教學(xué)效果

四、結(jié)語

參考文獻：

[1] 文永奎， 盧文良， 楊麗輝. 基于研究型教學(xué)的土木工程專業(yè)大學(xué)生創(chuàng)新實驗活動探討[J]. 高等建筑教育， 2009， 18（6）： 122-125.

[2] 劉棟， 盧文勝. 結(jié)構(gòu)防災(zāi)實驗教學(xué)改革探索[J]. 實驗室研究與探索， 2013（4）： 167-171.

[3]孫文彬. 構(gòu)建多層面的創(chuàng)新實驗教學(xué)體系的實踐與思考[J]. 高等建筑教育， 2006， 15（3）： 107-111.

[4] 陳云， 韓建剛， 楊東全， 等. 土木工程結(jié)構(gòu)實驗的教學(xué)改革研究[J]. 高等建筑教育， 2014， 23（4）： 133-136.

[5] 阮波， 張向京. 科研成果轉(zhuǎn)化為本科生創(chuàng)新實驗的管理模式[J]. 長沙鐵道學(xué)院學(xué)報：社會科學(xué)版， 2009， 10（1）： 211-213.endprint

[6] 黃躍平， 胥明， 韓曉林. 自主研學(xué)型實驗教學(xué)法在工程力學(xué)實驗中的應(yīng)用[J]. 實驗技術(shù)與管理， 2009， 26（3）： 199-202.

[7] 徐穎. 國外研究性大學(xué)教學(xué)與科研互動經(jīng)驗及借鑒[J]. 技術(shù)經(jīng)濟與管理研究， 2011（6）： 52-57.

[8] 賴震環(huán). 土木工程實驗教學(xué)改革與實踐[J]. 實驗室研究與探索， 2010， 29（11）： 319-321.

[9] 張建偉， 曹萬林， 李力， 等. 結(jié)構(gòu)實驗教學(xué)與科研互動模式探索與實踐[C]. 武漢： 土木建筑教育改革理論與實踐， 2008.

[10] 胡焜， 柳艷杰. 土木工程專業(yè)實驗教學(xué)改革與學(xué)生素質(zhì)培養(yǎng)的探討[J]. 實驗室研究與探索， 2010，29（7）： 255-257.

[11] 涂澄海， 沈明衛(wèi). 實驗教學(xué)與科研實驗室融合運行的問題和發(fā)展趨勢初探[J]. 實驗技術(shù)與管理， 2009， 26（3）： 27-30.

[12] 王偉， 袁維. 土木工程專業(yè)本科生參與科研項目研究與實踐[J]. 時代教育， 2015（ 3）： 154-154.

[13] 王海鷹， 楊剛， 李玉紅， 等. 將科研實驗引入本科實驗教學(xué)的改革與實踐[J]. 中國電力教育， 2009，144（9）： 145-146.

[14] 王永生， 屈波， 劉拓， 等. 構(gòu)建本科生科研訓(xùn)練與創(chuàng)新實踐的長效機制[J].中國高等教育， 2010（6）： 21-25.

[15] 李建恒， 閆宏遠， 管立， 等. 科研資源促進藥學(xué)本科專業(yè)實驗教學(xué)的研究與實踐[J]. 中國大學(xué)教學(xué)， 2011（11）：71-72.

Abstract：In view of a lack of creative ability training for students in traditional experimental teaching， research projects are introduced， and the way and thought on participation of undergraduate students are discussed with a case study. Many proposals on the schedule， motivational mechanism and evaluation in the process of practice were put forward. It was proved that the experiment teaching relying on research project contributed to implement positive interactions between teaching and research.

Keywords： civil engineering； experimental teaching； research project

（編輯 王 宣）endprint