杜怡韓，李永勝，王昌勝

（1.安徽工程大學(xué) 建筑工程學(xué)院，安徽 蕪湖241000；2.中建八局第一建設(shè)有限公司，山東 濟南250000）

自2016年6月成為《華盛頓協(xié)議》組織正式成員后，我國工程教育專業(yè)認證體系實現(xiàn)國際實質(zhì)等效［1］，為深化工程教育改革提供了良好契機。當前，國家推動創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展，以新技術(shù)、新業(yè)態(tài)、新模式、新產(chǎn)業(yè)為代表的新經(jīng)濟蓬勃發(fā)展，對工程技術(shù)人才提出了新的要求，迫切需要加快工程教育改革創(chuàng)新，使培養(yǎng)出的畢業(yè)生能夠更好地適應(yīng)實際工作，并能夠通過培訓(xùn)和實踐性訓(xùn)練獲得職業(yè)能力與專業(yè)資格。

為培養(yǎng)與國際接軌的中國土木行業(yè)工程師，各高校開展土木工程專業(yè)教育認證，認證包含“產(chǎn)出導(dǎo)向、學(xué)生中心、持續(xù)改進”三個核心理念［2］，這與OBE教育模式高度契合。物理模型試驗可拓展專業(yè)課的教學(xué)空間，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，幫助學(xué)生更好地掌握和理解理論知識，因此，以物理模型試驗為載體，在整個物理模型教學(xué)過程中始終貫徹OBE教育模式，確定學(xué)習(xí)目標的前提下，在每個教學(xué)環(huán)節(jié)中堅持以學(xué)生為主導(dǎo)，指導(dǎo)學(xué)生主動學(xué)習(xí)、思考、操作、反饋、修正，使得學(xué)生綜合能力得到提高；增加教與學(xué)的互動性，使學(xué)生更多地了解復(fù)雜結(jié)構(gòu)的試驗過程，從而更深刻地理解所學(xué)專業(yè)課內(nèi)容。

一、土木工程專業(yè)本科試驗教學(xué)中的問題

現(xiàn)行本科教育存在如下問題：重知識輕能力，重傳統(tǒng)輕發(fā)展，重理論輕實踐，教學(xué)內(nèi)容局限于教材，教學(xué)形式局限于課堂，教學(xué)手段局限于講授，即使是最能提高學(xué)生實踐能力和綜合能力的某些試驗型課程，也主要以教師為中心，對學(xué)生講授試驗過程，讓學(xué)生按照試驗流程操作完成試驗，結(jié)果是即使學(xué)生能夠完成試驗，獲得合理的數(shù)據(jù)，但是由于缺乏主動思考、發(fā)現(xiàn)問題、解決問題和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)過程，往往無法深刻理解相關(guān)原理，實踐能力和綜合素質(zhì)并沒有得到明顯提高，無法滿足新形勢下社會對本科畢業(yè)生的要求。

此外，試驗課程的評估手段也存在問題，通常是對考勤、課堂表現(xiàn)、試驗報告三部分進行考核，其中權(quán)重最重的是試驗報告，而課堂時間有限，教師缺乏跟學(xué)生的交流，僅僅通過紙質(zhì)試驗報告的正確性和規(guī)范性進行評判，無法真正了解學(xué)生對知識的掌握程度、對試驗的思考研究和理解程度，評估缺乏客觀性。一次完成打分，無法激發(fā)學(xué)生在試驗過程中不斷學(xué)習(xí)不斷改進的積極主動性和創(chuàng)新精神。學(xué)生在試驗課結(jié)束后上交試驗報告完成試驗課程，導(dǎo)致試驗中存在的問題無法及時有效反饋，限制了學(xué)生的進步。

未來新興產(chǎn)業(yè)和新經(jīng)濟需要的是工程實踐能力強、創(chuàng)新能力強、具備國際競爭力的高素質(zhì)復(fù)合型“新工科”人才。顯然，按照傳統(tǒng)模式培養(yǎng)出來的學(xué)生無法滿足社會發(fā)展的需求，對于培養(yǎng)模式和教學(xué)理念的革新勢在必行。

二、OBE教學(xué)理念簡介

OBE是成果導(dǎo)向教育（Outcome-based education）的簡稱，亦稱為能力導(dǎo)向教育、目標導(dǎo)向教育或需求導(dǎo)向教育，于1981年由Spady等人提出，現(xiàn)已成為美國、英國、加拿大等國家教育改革的主流理念。理念上，OBE是 “以學(xué)生為本”的教育哲學(xué)，是聚焦于學(xué)生受教育后獲得什么能力和能夠做什么的培養(yǎng)模式。一切教育活動、教育過程都是圍繞實現(xiàn)預(yù)期的學(xué)習(xí)成果。

在OBE教育中，主要包括以下幾個核心問題：要學(xué)生學(xué)習(xí)、掌握什么？為什么要學(xué)生學(xué)習(xí)這些內(nèi)容？如何幫助學(xué)生取得這些學(xué)習(xí)成果？如何有效地知道學(xué)生取得這些學(xué)習(xí)結(jié)果？如何保障學(xué)生有效地取得這些學(xué)習(xí)成果？

上述的學(xué)習(xí)成果是學(xué)生最終取得的學(xué)習(xí)結(jié)果，是學(xué)生通過某一階段學(xué)習(xí)后所能達到的最大能力。

OBE的特點正好可以解決傳統(tǒng)本科教學(xué)存在的問題?；贠BE的試驗教學(xué)與傳統(tǒng)試驗教學(xué)的區(qū)別主要有以下方面，具體見表1。

表1 OBE與傳統(tǒng)試驗教學(xué)的對照表

三、試驗教學(xué)設(shè)計

（一）物理模型試驗教學(xué)目標培養(yǎng)體系

土木工程專業(yè)學(xué)習(xí)中試驗是不可或缺的重要組成部分，基于教師科研項目，通過物理模型試驗將相關(guān)課程重要試驗有機組合在一起，課程目標為培養(yǎng)學(xué)生掌握設(shè)計試驗、操作試驗、理解試驗原理，總體目標為培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力。具體來說通過物理模型試驗?zāi)M天然工況和暴雨工況，確定不同工況下?lián)跬翂Ρ惩翂毫?，涉及到“土力學(xué)”“工程地質(zhì)”“基礎(chǔ)工程”“結(jié)構(gòu)力學(xué)”等課程知識，以及“相似比理論”“有限土體土壓力”等學(xué)科研究前沿知識，同時涵蓋了各土工試驗、混凝土試驗等實踐操作環(huán)節(jié)，此外，還需要學(xué)生具有團隊意識，協(xié)同合作能力，嚴密的邏輯思維能力，動手能力等。

根據(jù)物理模型試驗教學(xué)特點，結(jié)合土木工程畢業(yè)要求及分解指標說明，見表2，構(gòu)建其與學(xué)生畢業(yè)能力要求矩陣［3］，見表 3。

表2 畢業(yè)要求及分解指標項表

表3 物理模型試驗與畢業(yè)要求關(guān)系矩陣

根據(jù)表2、表3可以看出，物理模型試驗與畢業(yè)要求2（問題分析）中的分解指標3（即2-3）具有高關(guān)聯(lián)度，此外，具有高關(guān)聯(lián)度的畢業(yè)要求還包括3-3、4-3、9-2，與 5-2、6-2、10-1 及 12-2 具有中等關(guān)聯(lián)度，與8-3關(guān)聯(lián)度較低。

（二）物理模型試驗教學(xué)流程設(shè)計

結(jié)合土木工程專業(yè)認證人才畢業(yè)需求，反向設(shè)計綜合物理模型試驗教學(xué)流程：依托教師科研項目，以工程實例為背景，分析測定不同工況下?lián)跬翂Ρ惩翂毫Φ倪^程中可能出現(xiàn)的問題，分解問題，依照土力學(xué)等相關(guān)課程的理論知識、相關(guān)規(guī)范、相關(guān)文獻，探討解決問題的辦法。具體來說，首先將土壓力測定分為天然工況和暴雨兩種工況下模型的制作和測試兩方面，模型與實際工程之間可通過相似比聯(lián)系起來，模型又可以分解為土體、巖體、模型箱三個部分，對于土體和巖體，關(guān)鍵是通過一系列土工試驗，確保其物理力學(xué)性質(zhì)與工程實例的相關(guān)性，相關(guān)試驗的設(shè)計和完成將成為考察學(xué)生的重要指標，模型箱的設(shè)計制作則涉及到結(jié)構(gòu)設(shè)計方面的知識，同時培養(yǎng)學(xué)生的動手能力，測試元件的安放和設(shè)備操作也是評價重點，最終通過整個設(shè)計、制作、試驗、成果等全方面對學(xué)生進行綜合評估。整個過程分為對工程實例的解析、問題分析、解決問題、過程評價及綜合評價幾方面，教學(xué)流程設(shè)計，見圖1。

圖1 綜合試驗教學(xué)流程圖

（三）物理模型試驗教學(xué)模塊設(shè)計

根據(jù)綜合物理模型試驗的內(nèi)容和特點，結(jié)合學(xué)生能力培養(yǎng)目標，將綜合試驗教學(xué)設(shè)計為以下模塊：問題模塊、知識模塊、能力模塊、評價模塊，如圖2所示。

圖2 綜合試驗教學(xué)模塊圖

從最終成果中提煉出問題模塊，包括兩種不同工況、模型制作、測試等方面，根據(jù)問題模塊導(dǎo)出相應(yīng)的知識模塊，在解決問題的過程中，培養(yǎng)學(xué)生統(tǒng)籌規(guī)劃、自主學(xué)習(xí)、設(shè)計、制作、協(xié)作等多方面能力，在整個過程中，通過與學(xué)生的交流、計劃書、設(shè)計圖紙等客觀成果，對學(xué)生進行評價打分，形成評價模塊。

（四）成果輸出評價

將整個物理模型綜合試驗實施過程分為三階段，第一階段為發(fā)現(xiàn)問題、分解問題階段，第二階段為學(xué)習(xí)相關(guān)理論知識、統(tǒng)籌規(guī)劃階段，完成試驗計劃書、物理模型設(shè)計圖紙等，第三階段為試驗操作、模型制作、土壓力測試，獲得試驗報告、物理模型及測試數(shù)據(jù)。第一階段共20分，第二階段共30分，第三階段共50分，總分100分，每階段平時成績占各階段總分的15%，教師通過學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度、積極性對學(xué)生進行打分，每階段階段性匯報及答辯成績占25%，教師通過學(xué)生匯報和回答教師提問情況進行打分，每階段總分的10%為學(xué)生間互評平均分，同學(xué)們根據(jù)溝通協(xié)作能力對其他同學(xué)進行打分，其余50%根據(jù)各階段匯報總結(jié)、設(shè)計書、設(shè)計圖紙、試驗成果、測試成果等進行打分。評分分區(qū)圖，見圖3。

圖3 評分分區(qū)圖

四、試驗教學(xué)的實施

本次物理模型試驗基于教師科研項目和實際工程，將OBE教學(xué)理念引入物理模型教學(xué)，充分調(diào)動學(xué)生的積極性，讓學(xué)生理解物理模型研究的意義和預(yù)計產(chǎn)出的成果——有限土體墻后土壓力分布規(guī)律，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題——如何獲得有限土體土壓力分布規(guī)律，指導(dǎo)學(xué)生分階段解決問題——查閱文獻、學(xué)習(xí)理論知識、設(shè)計、選材、制作、測試、分析。最終各階段成果綜合評估學(xué)生。以下進行具體說明：

第一階段通過指導(dǎo)學(xué)生查閱國內(nèi)外論文文獻，讓學(xué)生了解目前有限土體土壓力研究現(xiàn)狀，結(jié)合實際工程現(xiàn)場調(diào)研，使學(xué)生進一步認識物理模型試驗的必要性、研究內(nèi)容和研究方法，以及預(yù)計的成果，并以成果為導(dǎo)向，提煉出兩大問題：天然工況下有限土體土壓力和暴雨工況下有限土體土壓力研究，上述兩大問題可繼續(xù)分解為不同工況下模型的建立和模型的測試，進一步分解，模型的建立包括模型箱的設(shè)計制作、巖土體設(shè)計制作、擋土墻設(shè)計制作，模型的測試包括測試元件的選擇和放置、測試儀器的操作、測試數(shù)據(jù)的整理。學(xué)生完成第一階段成果總結(jié)。

第二階段根據(jù)第一階段的分解問題，引導(dǎo)學(xué)生思考如何通過專業(yè)知識解決各個具體問題，以及問題之間的邏輯關(guān)系。針對模型箱和擋土墻的設(shè)計制作需要結(jié)構(gòu)設(shè)計方面的知識，指導(dǎo)設(shè)計最有利于模型測試的結(jié)構(gòu)并完成制作圖紙；巖土體配比設(shè)計應(yīng)考慮相似比，及其密度、含水率、抗剪強度等物理力學(xué)性質(zhì)，指導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)掌握相關(guān)理論知識和規(guī)范，完成試驗計劃書；測試元件選用土壓力盒，指導(dǎo)學(xué)生完成土壓力盒數(shù)量、量程設(shè)計，并學(xué)習(xí)使用DH3819數(shù)據(jù)接收器以及軟件，讓學(xué)生形成研究問題、解決問題的思路，完成總規(guī)劃說明書和技術(shù)路線圖，教師及時予以修正。

第三階段學(xué)生通過前期準備，按照計劃首先搭建模型試驗箱，學(xué)生結(jié)合實際情況和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定原理，從矩形框架——梯形框架——三角形框架，不斷改良形成最穩(wěn)固的試驗箱，接下來是巖土體的制作，針對滑坡巖層材料的選定，學(xué)生通過相似比理論的學(xué)習(xí)，對于巖層的制作，采用內(nèi)部磚石砌筑表面水泥砂漿抹面。學(xué)生對已學(xué)知識點，如磚石砌筑、水泥砂漿配合比設(shè)計、C10混凝土的配合比設(shè)計等進行了實踐操作。巖層制作完成后，再確定擋土墻材料，學(xué)生提出采用石膏和磚石砌筑兩種方案，通過微模型試驗比選，最終選擇磚石砌筑擋土墻，墻身表面采用水泥砂漿抹面處理。

接下來是安裝測試元件土壓力盒，為研究擋土墻墻背土壓力分布規(guī)律，沿豎向和水平向分別安裝土壓力盒，對于土壓力盒，其主要問題是土壓力盒量程的選擇。若選擇量程過小，將無法正常量測擋土墻墻背土壓力，不符合物理試驗的合理性；若選擇量程過大，則精度上不能滿足要求。教師對學(xué)生提出問題，學(xué)生積極思考，通過滑坡原型估算出土壓力大小范圍，再利用相似理論算得該物理模型所產(chǎn)生的土壓力大致范圍，再與商家溝通，最終確定了土壓力盒示數(shù)為0~100 kPa。

對于DH3819數(shù)據(jù)接收器以及相應(yīng)軟件的使用，為模擬持續(xù)強降雨過程，僅僅靠單次取樣是無法實現(xiàn)的，學(xué)生經(jīng)過一個星期的摸索研究，熟練掌握了DH3819測試軟件的各種功能，主要包括單次采樣、定時采樣、連續(xù)采樣、采樣數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為折線等多種功能。

墻后土體的制作，需要確定土體的物理力學(xué)指標?；谙嗨票壤碚?，結(jié)合土力學(xué)相關(guān)知識，運用土工試驗來確保模型土體物理力學(xué)參數(shù)與滑坡原型之間的關(guān)聯(lián)度，土體填裝采用多段分層擊實的方法，保證所填土體的均勻性，該過程需多人協(xié)同操作，分工合作。待土體填裝、固結(jié)沉降后，再對滑坡土體的上、中、下部取樣，再次進行土工試驗，保證土體填裝、固結(jié)沉降后該土體能夠達到模型試驗要求。學(xué)生制作及測試模型，見圖4。

圖4 學(xué)生制作測試物理模型

在整個第三階段，基于物理模型試驗的產(chǎn)出和學(xué)生最終的能力要求，一步步完成整個試驗過程，在每個步驟中以學(xué)生為主，主動學(xué)習(xí)，不斷反饋問題，教師及時輔助。

五、結(jié)語

基于OBE教育模式的物理模型試驗教學(xué)是對學(xué)生綜合能力的培養(yǎng)，不僅包括理論知識的學(xué)習(xí)，更多的則是培養(yǎng)學(xué)生的動手能力、學(xué)習(xí)和運用新知識的能力，此外還有經(jīng)濟性比較能力、協(xié)同合作能力、管理能力等。以成果輸出為目的，引導(dǎo)學(xué)生在物理模型試驗中發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題，本次物理模型試驗取得了較好的效果，與“新工科”人才培養(yǎng)目標相契合。