陳軍浩 趙振偉 翁旭然 王啟云 張丙強(qiáng)

(福建工程學(xué)院 土木工程學(xué)院 福建福州 350118)

0 引言

當(dāng)前，地方應(yīng)用型本科高校的工科專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)相近，大都是旨在培養(yǎng)學(xué)生在大學(xué)期間能夠獲得工程師基本素質(zhì)，并具有創(chuàng)新精神和實踐能力的高級應(yīng)用型技術(shù)人才[1]。誠然，在地方應(yīng)用型本科高校中，特別是對于專業(yè)性、實踐性、創(chuàng)新性要求很高的土建類專業(yè)，學(xué)生的教學(xué)實踐環(huán)節(jié)則對學(xué)生學(xué)習(xí)成長起到非常關(guān)鍵的作用。目前，土建類各專業(yè)雖然均開設(shè)有各類型實習(xí)、課程設(shè)計、工藝技能訓(xùn)練、綜合實驗、畢業(yè)設(shè)計等實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，也注重培養(yǎng)學(xué)生的實踐、創(chuàng)新能力。但在當(dāng)前新技術(shù)、新產(chǎn)業(yè)、新業(yè)態(tài)、新模式經(jīng)濟(jì)發(fā)展態(tài)勢與產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級過程中，對土建類專業(yè)畢業(yè)生的要求更高，已明顯逐漸向應(yīng)用型、復(fù)合型、創(chuàng)新型人才轉(zhuǎn)變，要求學(xué)生除了具備扎實的專業(yè)技術(shù)外，對專業(yè)知識能力、創(chuàng)新能力、綜合素質(zhì)能力這三方面能力提出了更高要求。因此，除了常規(guī)實踐教學(xué)環(huán)節(jié)外，還需借助其它手段予以補(bǔ)充和加強(qiáng)[2-4]。

面對新時代經(jīng)濟(jì)社會對人才需求的態(tài)勢，近年來各高校紛紛組建創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育學(xué)院，對大學(xué)生在校期間的科創(chuàng)活動進(jìn)行積極引導(dǎo)。與此同時，由國家各相關(guān)部門、各專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會、各專業(yè)學(xué)會與協(xié)會牽頭發(fā)起的學(xué)科競賽也越來越多。這些學(xué)科競賽活動在高校中多數(shù)是由學(xué)生社團(tuán)組織，缺少專業(yè)教師指導(dǎo)，參與群體多數(shù)為低年級學(xué)生，對專業(yè)知識積累不夠；加之，參加活動更多是為了滿足好奇心與年度評獎評優(yōu)需要，客觀上弱化了學(xué)科競賽的主要作用，對學(xué)生專業(yè)知識能力、創(chuàng)新能力的提升影響度較小。基于此，將學(xué)科競賽融入到高年級學(xué)生開放性實驗教學(xué)環(huán)節(jié)中，以選修課學(xué)分形式體現(xiàn)，既調(diào)動了高年級學(xué)生的參與積極性，又促使高年級學(xué)生充分利用以往所學(xué)專業(yè)基礎(chǔ)知識，將學(xué)科競賽的作用發(fā)揮最大化，真正實現(xiàn)學(xué)生專業(yè)知識能力、創(chuàng)新能力、綜合素質(zhì)能力的提升[5-6]。

1 “三位一體”開放性實驗教學(xué)改革

所謂開放性實驗教學(xué)，是指高校實驗室在時間、空間、內(nèi)容和教學(xué)方法等方面對學(xué)生開放，由學(xué)生自主選擇并進(jìn)行實驗學(xué)習(xí)與研究的一種教學(xué)改革方式，是現(xiàn)代高校培養(yǎng)綜合型、創(chuàng)新型人才的新途徑。將開放性實驗教學(xué)與各學(xué)科歷屆全國性模型競賽相結(jié)合，積極探索創(chuàng)新型實驗項目的建設(shè)與開展，是對常規(guī)實踐教學(xué)的重要補(bǔ)充[7-8]。以土建類巖土與地下工程方向?qū)I(yè)實踐教學(xué)為例，基于學(xué)科競賽可以將工程實際中地下工程結(jié)構(gòu)模型轉(zhuǎn)化到實驗教學(xué)中，進(jìn)行不同類型地下結(jié)構(gòu)模型設(shè)計、制作、優(yōu)化、加載分析，從而避免了學(xué)生在校學(xué)習(xí)更多停留在理論知識學(xué)習(xí)層面、對地下工程結(jié)構(gòu)模型認(rèn)識抽象、虛玄、不夠全面等問題。通過構(gòu)建地鐵與隧道工程模型設(shè)計與加載試驗，基坑支護(hù)模型設(shè)計與加載試驗以及邊坡?lián)跬翂δＰ驮O(shè)計與加載試驗，其它巖土相關(guān)模型設(shè)計與加載試驗等多模塊、開放式的實驗教學(xué)新體系，學(xué)生則能利用課堂所學(xué)的多門專業(yè)知識學(xué)習(xí)，借助有限元分析軟件，對模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析與優(yōu)化，進(jìn)一步推進(jìn)學(xué)生理論聯(lián)系實際，收獲培養(yǎng)高素質(zhì)應(yīng)用型人才的實質(zhì)效果，實現(xiàn)以下3個能力的提升：

(1)專業(yè)知識能力提升：學(xué)生能夠利用已學(xué)的力學(xué)與專業(yè)基礎(chǔ)知識，對一定荷載條件下不同模型結(jié)構(gòu)力學(xué)性能進(jìn)行簡單計算、初步設(shè)計出模型結(jié)構(gòu)。通過該環(huán)節(jié)鍛煉，可以鞏固并加強(qiáng)學(xué)生對地下工程結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性認(rèn)識。

(2)創(chuàng)新能力提升：學(xué)生能夠在專業(yè)老師指導(dǎo)下，采用有限元數(shù)值計算軟件，對不同工況條件下不同模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)計算，選取出最優(yōu)模型結(jié)構(gòu)。通過該環(huán)節(jié)鍛煉，可以提升學(xué)生創(chuàng)新能力、數(shù)據(jù)分析能力。

(3)綜合素質(zhì)能力提升：按一定比例進(jìn)行模型制作并加載，對加載過程中一些變形或力學(xué)特征參數(shù)進(jìn)行采集，同時分析結(jié)構(gòu)破壞原因。通過該環(huán)節(jié)鍛煉，可以加強(qiáng)學(xué)生綜合實踐動手與團(tuán)隊合作能力。

綜之，這3個環(huán)節(jié)在開放性實驗教學(xué)過程中相互融合、相互影響，實現(xiàn)培養(yǎng)與提升學(xué)生專業(yè)知識能力、創(chuàng)新能力、綜合素質(zhì)能力“三位一體”的目標(biāo)，如圖1所示。

圖1 “三位一體”開放性實驗教學(xué)實踐示意

2 開放性實驗教學(xué)改革實踐示例

近年來，福建工程學(xué)院土木工程學(xué)院積極探索實驗教學(xué)改革，以全國高校城市地下空間工程專業(yè)大學(xué)生模型設(shè)計競賽為載體，開展開放性綜合實驗改革。該賽事由中國巖石力學(xué)與工程學(xué)會主辦的，每年六月確定賽題并發(fā)布比賽通知，十月或十一月舉辦。賽題涉及巖土與地下工程結(jié)構(gòu)多種類型，旨在激發(fā)青年學(xué)生的創(chuàng)新意識，提高對巖土與地下工程及相關(guān)學(xué)科的學(xué)習(xí)興趣，鍛煉并提高學(xué)生的專業(yè)知識能力、創(chuàng)新能力、綜合素質(zhì)能力。本文以第二屆模型設(shè)計競賽為例，賽題為利用亞克力板拼裝組合而成加載箱，采用230g巴西白卡紙、速干白乳膠、蠟線等材料進(jìn)行格柵拱架模型的設(shè)計與建造，模型外輪廓尺寸限定在600mm×500mm×350mm的空間內(nèi)，并通過在拱架模型頂部施加重力砝碼進(jìn)行分級靜力加載，檢驗其承載力和變形特性。競賽要求采用最少的材料而能承受最大設(shè)計荷載，從而確定支護(hù)結(jié)構(gòu)的可行性、合理性與科學(xué)性。

基于競賽活動目標(biāo)和要求，我校開放性實驗教學(xué)過程主要由以下幾個環(huán)節(jié)組合：

(1)實驗準(zhǔn)備階段：每年六月份，實驗教學(xué)項目指導(dǎo)教師及時跟蹤賽題發(fā)布情況，準(zhǔn)備實驗所需的材料，并及時廣泛動員高年級學(xué)生和組織學(xué)生選擇該項目，做好學(xué)生分組。

(2)模型結(jié)構(gòu)初步設(shè)計：學(xué)生根據(jù)已學(xué)的材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、隧道工程、地鐵工程、地下建筑結(jié)構(gòu)等專業(yè)基礎(chǔ)知識，在該階段對格柵拱架模型進(jìn)行初步簡要設(shè)計，利用結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器進(jìn)行簡單力學(xué)計算并比較，選取力學(xué)特性較好的結(jié)構(gòu)模型，如圖2所示。

圖2 格柵拱架模型加載示意圖(單位：mm)

(3)模型結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化：該階段學(xué)生通過所學(xué)的有限元方法、地下工程結(jié)構(gòu)電算、BIM技術(shù)等課程知識，建立二維或三維結(jié)構(gòu)模型并進(jìn)行有限元數(shù)值計算與分析，以計算出最優(yōu)的模型結(jié)果，達(dá)到模型在一定變形控制條件下，所能承受的荷載值與模型質(zhì)量比值最大，如圖3所示。

(a)BIM建模(b)ANSYS有限元建模圖3 采用不同手段進(jìn)行結(jié)構(gòu)建模

(4)模型結(jié)構(gòu)制作與加載：模型結(jié)構(gòu)制作的精細(xì)程度，以及在加載過程充填標(biāo)準(zhǔn)砂、堆放加載砝碼等情況，都會直接影響模型的承載效果。因此，在該階段，注重學(xué)生團(tuán)隊協(xié)作精神，充分發(fā)揮學(xué)生綜合素質(zhì)能力。

(5)加載結(jié)果分析與模型進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計：通過對模型質(zhì)量、加壓荷載、模型變形等參數(shù)記錄，分析出模型薄弱環(huán)節(jié)及受力最大位置，再次繼續(xù)采用有限元數(shù)值計算軟件對模型結(jié)構(gòu)做進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計，直至比選出最優(yōu)的模型結(jié)構(gòu)。

(a)模型結(jié)構(gòu)實例 (b)模型加載過程

本開放性實驗每個項目8個學(xué)時，均安排在學(xué)生課余時間，在學(xué)院大學(xué)生雙創(chuàng)中心實驗室進(jìn)行，由3名專業(yè)教師共同指導(dǎo)，土木工程、城市地下空間工程、道路橋梁與渡河工程、勘查技術(shù)與工程等土建類專業(yè)學(xué)生均可積極報名參與。在開放性實驗中表現(xiàn)良好的學(xué)生可通過校內(nèi)選拔參加全國高校城市地下空間工程專業(yè)大學(xué)生模型設(shè)計競賽。我校近兩年成績優(yōu)異，參賽隊伍均獲得三等獎以上佳績。

3 結(jié)論

以學(xué)科競賽為載體的土建專業(yè)“三位一體”開放性實驗教學(xué)模式，能夠充分調(diào)動高年級學(xué)生參與積極性。在專任教師指導(dǎo)下，學(xué)生可以結(jié)合課堂所學(xué)的多門專業(yè)基礎(chǔ)知識，同時借助有限元數(shù)值計算軟件，對模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計、分析與優(yōu)化，促進(jìn)學(xué)生對地下工程結(jié)構(gòu)力學(xué)特性有更深入的認(rèn)識，提升學(xué)生知識能力、創(chuàng)新能力、綜合素質(zhì)能力，達(dá)到培養(yǎng)高素質(zhì)應(yīng)用型人才的目的。