譚曉慧+侯曉亮+儲誠富+查甫生+錢家忠+馬雷

摘要：實驗教學(xué)是高等學(xué)校教學(xué)工作的重要組成部分，是溝通理論與實踐的橋梁。為了提高實驗教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)具有較高科研素質(zhì)、較強(qiáng)創(chuàng)新精神和實踐能力的創(chuàng)新型拔尖人才，提出了土工實驗教學(xué)改革的兩個具體辦法：要求學(xué)生進(jìn)行研究性預(yù)習(xí)，提交實驗所需的電子表格；對實驗過程進(jìn)行數(shù)值模擬分析，深入理解實驗過程及影響因素。通過教學(xué)改革，可以提高學(xué)生的預(yù)習(xí)效果，提高實驗課教學(xué)質(zhì)量；可以更好地將理論與實踐相結(jié)合，促進(jìn)學(xué)生對實驗過程、現(xiàn)象及影響因素的深入理解，

學(xué)會深入分析問題。這種改革有利于培養(yǎng)具有扎實理論基礎(chǔ)、較強(qiáng)工程實踐能力及創(chuàng)新能力的高素質(zhì)人才。

關(guān)鍵詞：實驗教學(xué)；教學(xué)改革；研究性；土工實驗

中圖分類號：G642；423；TU41文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：

10052909（2017）05010404

一、研究背景

培養(yǎng)創(chuàng)新型拔尖人才是新時期高等教育教學(xué)改革的核心目標(biāo)之一，“加強(qiáng)自主創(chuàng)新、建設(shè)創(chuàng)新型國家”已成為中國社會主義現(xiàn)代化建設(shè)的國家戰(zhàn)略。培養(yǎng)和造就創(chuàng)新型人才，是建設(shè)創(chuàng)新型國家、實施科教興國戰(zhàn)略和人才強(qiáng)國戰(zhàn)略的關(guān)鍵所在。創(chuàng)新型人才是指具有創(chuàng)新意識、創(chuàng)新精神、創(chuàng)新能力，能夠取得創(chuàng)新成果的人才。創(chuàng)新型拔尖人才的培養(yǎng)最重要地是培養(yǎng)創(chuàng)新能力和創(chuàng)新思維。在培養(yǎng)過程中，應(yīng)充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動性，要通過一系列的創(chuàng)新型教育活動，使學(xué)生學(xué)會提出問題、分析問題和解決問題[1]。

實驗室是高校教學(xué)與科研的重要基地，實驗教學(xué)是教學(xué)工作的重要組成部分，是培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神和實踐能力的創(chuàng)新型拔尖人才的重要環(huán)節(jié)，是溝通理論與實踐的橋梁[2]。理論教學(xué)與實驗教學(xué)兩者相互依存、相互促進(jìn)，二者的有機(jī)結(jié)合有利于培養(yǎng)全面發(fā)展的創(chuàng)新型高層次專業(yè)技術(shù)人才。實驗教學(xué)可以增加學(xué)生對抽象理論的感性認(rèn)識，加深對理論知識的理解，它不僅可以培養(yǎng)學(xué)生的實際動手能力，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力，還可以培養(yǎng)學(xué)生獨立思考的工作作風(fēng)和科學(xué)思維。這對于學(xué)生畢業(yè)后從事工程實踐或科學(xué)研究具有十分積極的意義[3]。

土工實驗是土木工程、地質(zhì)工程、水利工程等專業(yè)重要的實驗內(nèi)容之一。隨著國家基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)步伐的加快，高層建筑、復(fù)雜水利水電工程、高速公路與鐵路等工程大量興建，社會對土木工程人才的需求越來越高，這種需求不僅表現(xiàn)在數(shù)量上，而且更注重質(zhì)量的提升。如何培養(yǎng)具有扎實理論基礎(chǔ)、較強(qiáng)工程實踐能力、具有創(chuàng)新思維及創(chuàng)新能力的高素質(zhì)人才，已成為當(dāng)前高等院校土木、地質(zhì)、水利等相關(guān)專業(yè)教學(xué)中面臨的十分重要的課題[2，4-5]。

在計算機(jī)技術(shù)高速發(fā)展的今天，高校學(xué)生具有較為開闊的專業(yè)視野，有跟蹤熱點工程的意愿和濃厚的科研興趣[6]。高校教師大多具有從事科研工作的豐富經(jīng)驗，有扎實的土力學(xué)知識、良好的實驗技術(shù)和計算能力。在實驗教學(xué)中，教師結(jié)合學(xué)生的求知意識，注重培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力，可以充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情，提高教學(xué)效果。研究性實踐教學(xué)是培養(yǎng)創(chuàng)新型及應(yīng)用型人才的內(nèi)在要求，能夠為社會培養(yǎng)所需的基礎(chǔ)寬、能力強(qiáng)的復(fù)合型、應(yīng)用型、創(chuàng)新型人才[7]。為此，筆者以土工實驗教學(xué)為例，探討基于研究性理念的工科實驗教學(xué)模式與方法。

二、土工實驗教學(xué)現(xiàn)狀

土工實驗是土木工程、地質(zhì)工程、水利工程等專業(yè)課程教學(xué)體系中非常重要的實踐性教學(xué)環(huán)節(jié)，是相關(guān)專業(yè)本科實驗教學(xué)的基礎(chǔ)。通過土工實驗，可以使學(xué)生深入了解土的工程性質(zhì)，熟悉土工實驗各種儀器設(shè)備的操作，培養(yǎng)學(xué)生動手操作

、分析整理實驗報告、獨立思考和創(chuàng)新的能力，為今后從事專業(yè)技術(shù)工作打下良好的基礎(chǔ)[8]。

傳統(tǒng)土工實驗教學(xué)普遍存在實驗內(nèi)容單一、驗證性實驗多、綜合設(shè)計類實驗少的問題；

不重視實驗預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)，注重實驗過程對學(xué)生操作技能的訓(xùn)練，忽視對其科研素質(zhì)及創(chuàng)新能力的培養(yǎng)；實驗結(jié)束，只是簡單套用公式或圖表對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行計算分析，未展開對實驗結(jié)果的比對分析，雖然在實驗過程中學(xué)生也會進(jìn)行分析、探討，但分析較為簡單，缺乏深度。

為了提高人才培養(yǎng)質(zhì)量，滿足國家對創(chuàng)新型拔尖人才的需求，很多高校進(jìn)行了土工實驗教學(xué)改革，提出了一系列改革措施[2，6，9]。如：增購儀器設(shè)備、建立開放實驗室、增加綜合與設(shè)計性實驗的比例、自制模型演示實驗、加強(qiáng)校企合作[10]等。這些改革舉措為提高土工實驗的教學(xué)效果起到了促進(jìn)作用，但具體執(zhí)行效果仍有待進(jìn)一步提高。如：增購實驗儀器需要層層報批，具體落實有難度。建立開放實驗室，學(xué)生做實驗的時間相對靈活，能充分挖掘?qū)W生的潛力，訓(xùn)練學(xué)生的動手能力，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維，但開放實驗室學(xué)生做實驗的時間戰(zhàn)線較長，教師無法全程陪同并及時給予指導(dǎo)，實驗教學(xué)的效果取決于學(xué)生自身的態(tài)度。增加綜合與設(shè)計性實驗的比例是提高學(xué)生創(chuàng)新實踐能力的有效措施，但實驗教學(xué)效果也與學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度和教師對實驗過程的掌控息息相關(guān)。

為充分調(diào)動學(xué)生的積極性，激發(fā)其創(chuàng)新潛質(zhì)，在現(xiàn)有的教學(xué)條件下，在實驗教學(xué)過程中強(qiáng)調(diào)研究性預(yù)習(xí)及實驗后續(xù)數(shù)值分析的重要性，為培養(yǎng)創(chuàng)新性拔尖人才提供了一種新途徑。

三、基于研究性理念的實驗教學(xué)改革

（一）研究性預(yù)習(xí)

預(yù)習(xí)對于實驗教學(xué)同樣具有重要作用，良好的預(yù)習(xí)是保證學(xué)生動手實踐能力和創(chuàng)新能力得以提升的基礎(chǔ)。在常規(guī)的實驗教學(xué)中，教師一般要求學(xué)生在實驗課前預(yù)習(xí)

，了解實驗內(nèi)容、目的、原理、方法和注意事項等。雖然多年來教師一直強(qiáng)調(diào)實驗預(yù)習(xí)的重要性，但學(xué)生預(yù)習(xí)效果差強(qiáng)人意。多年的實驗教學(xué)經(jīng)驗表明：很多學(xué)生在預(yù)習(xí)時只關(guān)注具體的實驗內(nèi)容及步驟，保證能按時完成實驗任務(wù)；學(xué)習(xí)態(tài)度較為認(rèn)真的學(xué)生還會準(zhǔn)備實驗記錄表格，以便及時填入實驗數(shù)據(jù)，但是，學(xué)生在實驗之前很少關(guān)注實驗數(shù)據(jù)的具體處理方法。由此導(dǎo)致的結(jié)果往往是學(xué)生機(jī)械地做實驗，記錄實驗結(jié)果，至于為何進(jìn)行這樣的實驗，實驗數(shù)據(jù)是否正確，如何對實驗結(jié)果進(jìn)行分析處理，endprint

缺乏更為深層的思考。如果實驗結(jié)果有問題，學(xué)生也很難及時重復(fù)實驗或改進(jìn)實驗方法。

為了提高學(xué)生實驗課預(yù)習(xí)的質(zhì)量，提前布置研究性預(yù)習(xí)任務(wù)，要求學(xué)生課前不僅要閱讀實驗指導(dǎo)書、了解實驗內(nèi)容，而且要用EXCEL做好電子表格。電子表格做好后在實驗課之前上交教師評閱、修改、打分。在電子表格中，要明確區(qū)分實驗數(shù)據(jù)記錄區(qū)域及實驗數(shù)據(jù)處理區(qū)域。在數(shù)據(jù)記錄區(qū)只能填寫實驗過程中直接觀測到的讀數(shù)，而在結(jié)果處理區(qū)域，則要求輸入相應(yīng)的計算公式，并計算最終結(jié)果，必要時，還可繪制實驗結(jié)果曲線圖。

上述內(nèi)容看似簡單，但近年來的教學(xué)實踐表明，這樣的研究性預(yù)習(xí)有如下優(yōu)點。

（1） 將傳統(tǒng)教學(xué)中實驗結(jié)束后部分工作提前至實驗開始之前，讓學(xué)生做到有的放矢。學(xué)生研究性預(yù)習(xí)后必須提交電子表格，因而教師能對學(xué)生的預(yù)習(xí)效果有明確的檢驗標(biāo)準(zhǔn)。學(xué)生的預(yù)習(xí)不再流于形式，而需要花大量時間，精心準(zhǔn)備。學(xué)生通過帶有明確任務(wù)的研究性預(yù)習(xí)，能夠?qū)嶒災(zāi)康呐c內(nèi)容有更好的了解。通過制表，學(xué)生能明確實驗過程中需要測定的物理量，能夠計算得到具體值以及實驗數(shù)據(jù)處理的具體方法。學(xué)生在實驗過程中及時將實驗數(shù)據(jù)填入電子表格之后，能夠?qū)崟r得出計算結(jié)果，這有助于判斷實驗結(jié)果是否正確，及時分析實驗過程中存在的問題。

（2）有助于培養(yǎng)學(xué)生的研究性思維及創(chuàng)新實踐能力。學(xué)生在充分了解實驗內(nèi)容的基礎(chǔ)上再進(jìn)行實驗操作，更有利于理解實驗內(nèi)容及本質(zhì)。此時，學(xué)生不再被動按照教材或教師的指導(dǎo)按部就班地完成實驗，他們有更多的時間思考實驗過程中遇到的問題，并提出相應(yīng)解決辦法，這對于培養(yǎng)學(xué)生的研究性思維及創(chuàng)新實踐能力有促進(jìn)作用。

（3）有助于提高學(xué)生對電子表格及計算機(jī)的應(yīng)用能力。EXCEL是辦公軟件OFFICE的組件之一，熟練使用EXCEL是大學(xué)生的必備技能之一。雖然EXCEL的入門非常簡單，但能真正利用其強(qiáng)大的計算及繪圖功能卻有一定難度。通過研究性預(yù)習(xí)，學(xué)生可以在電子表格中直接輸入簡單公式。當(dāng)公式較為復(fù)雜時，還可以通過EXCEL內(nèi)嵌的VB編程功能編寫小程序，使數(shù)據(jù)處理更為簡潔。對于計算所得數(shù)據(jù)，還可以用圖形直觀表示數(shù)據(jù)間的內(nèi)在關(guān)系，有助于深入分析實驗結(jié)果。這樣，學(xué)生既能學(xué)習(xí)專業(yè)知識，又能提高自己的計算機(jī)應(yīng)用能力，滿足用人單位對復(fù)合型人才的需求，達(dá)到事半功倍的效果。

（二）實驗過程的數(shù)值模擬

在傳統(tǒng)的實驗教學(xué)過程中，分析處理實驗數(shù)據(jù)、編寫實驗報告是實驗結(jié)束之后的主要任務(wù)。在教學(xué)過程中我們發(fā)現(xiàn)，很多學(xué)生愿意主動去學(xué)相關(guān)數(shù)值分析軟件（如：有限差分軟件FLAC，有限元軟件ANSYS、SIGMA/W等），但由于缺乏合適的工程實例作支撐，學(xué)生自學(xué)效果不佳。按照書本指導(dǎo)去學(xué)習(xí)軟件只能達(dá)到入門級要求，帶著具體的工程問題去學(xué)習(xí)軟件才能達(dá)到對軟件的深入了解和靈活應(yīng)用。

土工實驗一般安排在大三進(jìn)行，由于大三學(xué)生的專業(yè)知識較為欠缺，讓他們用數(shù)值計算軟件去分析實際工程問題難度很大。但是，在實驗教學(xué)之后，讓學(xué)生用軟件分析實驗過程卻相對簡單。學(xué)生通過對實驗過程的數(shù)值模擬，既能學(xué)習(xí)專業(yè)軟件的使用，又能對實驗內(nèi)容進(jìn)行深入分析。例如，以土的直剪實驗為例，可以讓學(xué)生模擬直剪實驗的全過程，了解土樣在實驗過程中的應(yīng)力與應(yīng)變的變化規(guī)律，以及初始條件與邊界條件對數(shù)值計算結(jié)果的影響；可以選擇不同的本構(gòu)模型進(jìn)行數(shù)值模擬，了解不同本構(gòu)模型對應(yīng)的土體應(yīng)力與應(yīng)變特性；可以結(jié)合固結(jié)與滲流分析，讓學(xué)生分析快剪、固結(jié)快剪與慢剪的實驗過程，分析三種實驗方法的本質(zhì)區(qū)別；可以改變土工參數(shù)，

分析參數(shù)的敏感性，了解土的黏聚力、內(nèi)摩擦角、彈性模量及泊松比等對抗剪強(qiáng)度及土體變形的影響。

學(xué)生通過對實驗過程的數(shù)值模擬分析，可以達(dá)到以下效果。

（1）數(shù)值模擬分析可以與實驗教學(xué)互為補充，相互促進(jìn)。相同條件下的實驗結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果可以互為驗證，使得理論與實踐結(jié)合更為緊密。在數(shù)值模擬過程中需要輸入相應(yīng)的計算參數(shù)，而計算參數(shù)的獲取又必須通過實驗獲取。不同的計算參數(shù)對應(yīng)不同的計算結(jié)果，這種形象化計算會讓學(xué)生深入理解土工實驗的重要性，培養(yǎng)學(xué)生認(rèn)真開展土工實驗的科學(xué)態(tài)度。

（2）數(shù)值模擬分析可以促進(jìn)學(xué)生對理論知識的理解與掌握。培養(yǎng)學(xué)生的動手實踐能力是實踐教學(xué)的主要任務(wù)，但由于實驗學(xué)時數(shù)有限，實驗條件也相對固定，要想開展大量的土工實驗不切實際，而且，一些土工實驗歷時較長，學(xué)生在短時間內(nèi)無法真正完成實驗。例如：黏性土的固結(jié)實驗，實驗教學(xué)中只能讓學(xué)生模擬實驗操作，通過數(shù)值模擬計算可以靈活改變實驗條件，分析實驗過程及各種實驗條件的影響。這對培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維及創(chuàng)新能力有良好的促進(jìn)作用。

（3）通過對室內(nèi)實驗進(jìn)行數(shù)值模擬分析，學(xué)生不僅可以熟練地掌握數(shù)值模擬軟件的操作和使用方法，而且還可以為其今后的工作和學(xué)習(xí)打下良好的基礎(chǔ)。

四、結(jié)語

實驗教學(xué)是高等學(xué)校教學(xué)工作的重要組成部分，是理論聯(lián)系實際的橋梁，是培養(yǎng)創(chuàng)新型拔尖人才的重要環(huán)節(jié)。為了提高實驗教學(xué)的質(zhì)量，培養(yǎng)具有較高科研素質(zhì)、較強(qiáng)創(chuàng)新精神和實踐能力的創(chuàng)新型拔尖人才，筆者提出了基于研究性理念的土工實驗教學(xué)改革的兩個具體辦法：一是要求學(xué)生開展研究性預(yù)習(xí)，讓學(xué)生制作并提交實驗所需的電子表格；二是要求學(xué)生對實驗過程采用專業(yè)軟件進(jìn)行數(shù)值模擬分析及參數(shù)敏感性分析，讓學(xué)生理解實驗過程及實驗的各種影響因素。通過改革，可以增強(qiáng)實驗課的預(yù)習(xí)效果，提高實驗課教學(xué)質(zhì)量；可以更好地將理論與實踐相結(jié)合，促進(jìn)學(xué)生對理論知識的深入理解；可以使學(xué)生較為全面地分析實驗過程的多種影響因素，學(xué)會科學(xué)的思維方法，培養(yǎng)具有扎實理論基礎(chǔ)、較強(qiáng)工程實踐能力及創(chuàng)新能力的高素質(zhì)人才。參考文獻(xiàn)：

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Abstract： Experimental teaching is an important part of teaching work in colleges and universities. It is a bridge of communication between theory and practice. To improve the quality of experimental teaching and to cultivate innovative talents with high scientific research qualities， strong innovative spirits and practice abilities， two specific methods for the reform of geotechnical experimental teaching were proposed. The first method is to demand students to conduct researchoriented preview and then design and submit spreadsheets for the geotechnical experiments. The second method is to carry out numerical simulations for some geotechnical experiments and to analyze the influence factors on the experimental process. Through this teaching reform， the quality of preview and the experimental teaching can be improved and the combination between theory and practice can be promoted. Students can understand the experiment process， phenomenon and influence factors more clearly and they can learn to analyze problems deeply. This teaching reform helps to cultivate highquality talents with solid theoretical foundation， strong engineering practice abilities and innovative abilities.

Keywords： experimental teaching； teaching reform； researchoriented； geotechnical experiment

（編輯梁遠(yuǎn)華）endprint