勾紅葉, 蒲黔輝, 李小珍, 肖 林

(西南交通大學 土木工程學院，四川 成都 610031)

高校實驗教學水平是衡量一個學?？蒲兴健⒔虒W水平和學生綜合能力的一個重要指標[1]。實驗教學是理論教學的延伸與拓展，它能將抽象的問題具體化，將課堂理論轉化為實際應用。在實驗教學中引導學生發(fā)現并解決問題，深化學生對理論知識的理解，培養(yǎng)學生的科研興趣[2]。土木工程實驗作為高校實驗教學體系的重要組成部分，是培養(yǎng)卓越土木工程師的關鍵環(huán)節(jié)，它在激發(fā)學生興趣、夯實基礎、強化實踐及引導創(chuàng)新等方面有著理論教學無法替代的作用。為了順應科學技術的發(fā)展，滿足社會對高素質人才的需求，本文在綜合分析當前高校土木工程專業(yè)實驗教學現狀，以及學生對實驗教學反饋意見的基礎上，對土木工程專業(yè)實驗教學改革進行了探討。改革路徑為：整合實驗資源，優(yōu)化實驗項目，構建基礎驗證型、綜合設計型及開放創(chuàng)新型三個層次相結合的實驗教學體系[3]；通過構建虛擬仿真實驗室為學生提供更多實踐鍛煉的機會；通過開設電算課，指導不同專業(yè)方向的學生學習使用有限元計算軟件，提升學生理論知識的應用能力；將傳統(tǒng)實驗教學和多媒體教學相結合，加深學生對理論知識的理解，為學生奠定扎實的理論基礎；著力培養(yǎng)學生的實踐能力，使學生始終保持嚴謹認真的科學態(tài)度和實事求是的工作作風，為國家輸送面向科研事業(yè)和實際工程的高水平專業(yè)人才。

一、土木工程專業(yè)實驗教學現狀

(一)實驗課課程體系不夠完善，缺乏系統(tǒng)的實驗教學計劃

長期以來，許多教育者一直認為實驗教學依附于理論教學，實驗教學是理論知識的驗證過程，是為理論課程服務的，他們沒有充分認識到對學生來說實驗教學是直接獲得對自然科學規(guī)律感性認識的最簡單和最直接的途徑。重理論而輕實驗的教學方式也讓學生的動手能力無法得到應有的培養(yǎng)，這一切都不符合理論教學和實驗教學并重的人才培養(yǎng)理念。高校實驗課程體系不完善，導致本該獨立開設的實驗課沒有獨立開課，只能作為課內實驗，且課時少，以相關理論課程的驗證性和演示性實驗為主，缺乏實用性和創(chuàng)新性；各門理論課之間的實驗教學內容聯系不緊密，缺乏實踐性和綜合性。學科間沒有交叉和融合，致使大部分學生對跨學科知識認識模糊，似是而非，無法實現培養(yǎng)學生綜合能力和綜合素質的教學目標[4]。

(二)實驗教學內容陳舊，教學模式缺乏創(chuàng)新

高校土木工程專業(yè)本科實驗主要有工程材料實驗、結構工程實驗、工程測量實驗、水力學實驗及土力學實驗等[5]。長期以來，這類實驗受實驗資源、環(huán)境和師資條件等因素的制約，內容呆板陳舊，各學科缺乏有效的交叉聯系。例如混凝土實驗就只有與混凝土相關的實驗，結構實驗就只有與結構相關的實驗，二者之間完全獨立，互不關聯。但在實際工程中，混凝土在不同的結構形式下有不同的受力特性，學生應在實驗或實際工程中，根據不同需求設計不同結構形式的構件，充分發(fā)揮混凝土材料的性能。但學生往往不能將相關知識進行實際應用，這也是目前實驗教學的不足之處。學生的實驗課基本上為相關理論課的驗證性實驗，缺乏將理論課程和實際應用相結合的綜合設計型實驗和開放創(chuàng)新型實驗。例如學生都知道混凝土材料有較強的抗壓性能，鋼材有較強的抗拉性能，但是在實際工程應用中，學生不能將兩種材料靈活結合在一起使用，以充分發(fā)揮兩種材料的優(yōu)勢。此外，實驗教學多年來始終保持傳統(tǒng)模式，不符合時代發(fā)展的潮流和當代社會對高素質人才的要求。傳統(tǒng)實驗教學模式以理論教學為主，實驗教學為輔，即實驗教研室編寫詳細實驗指導書，實驗指導書把實驗目的、原理，步驟、材料、實驗設備及實驗現象介紹得十分詳細。學生對實驗內容不知其然也不知其所以然，但也能根據實驗指導書的詳細步驟應付式地完成實驗任務。傳統(tǒng)教學模式本質上缺乏教學層次感，對學生進行灌輸式教學，客觀上把學生引向形式化、記憶型的學習方式，學生的創(chuàng)造潛力得不到激發(fā)，在一定程度上限制了學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)和分析解決實際問題能力的提升。

(三)學生對實驗教學重視不夠，實驗教學考核方式不夠嚴謹

據調查，有相當數量的學生認為，實驗教學對他們未來職業(yè)發(fā)展沒有幫助，因而忽視實驗教學，對實驗課程缺乏積極性和主動性。造成這種現象的原因有兩個方面：一是課程設置不合理，實驗教學課時不足，以致無法開展綜合型和創(chuàng)新型實驗，學生缺乏足夠的學習興趣；二是實驗課程考核方式不夠嚴謹，無法體現實驗課程的重要性。實際情況是，多數學生在實驗前沒有進行充分的實驗預習，實驗時僅根據實驗指導書草草完成實驗，沒有認真思考實驗過程中出現的問題，更不探究解決問題的方法，甚至有學生通過篡改、拼湊數據完成實驗。許多高校實驗教學考核又都停留在簡單的查閱學生實驗報告上，學生是否重視或認真開展實驗，并不能在考核環(huán)節(jié)得到充分體現，這也在客觀上助長了學生的消極學習態(tài)度。傳統(tǒng)實驗教學方式難以培養(yǎng)學生的實踐能力和創(chuàng)新能力，既浪費了教學課時，也浪費了寶貴的實驗資源[6]。

(四)實驗室建設有待加強，實驗教學不能因材施教

當前部分高校實驗室設備老化陳舊問題突出，但受實驗教學經費不足和學校對實驗教學重視不夠等因素影響而長期得不到解決。實驗設備不足，多數實驗學生只能通過相關演示視頻了解相關的實驗過程和實驗結果，而不能進行實際的操作，學生實驗能力得不到應有的鍛煉，無法培養(yǎng)學生的基礎實驗技能。此外，實驗教師隊伍建設存在諸多問題，特別是專職實驗教師嚴重不足。多數實驗室由理論課教師兼職實驗管理人員，實驗室管理混亂，影響了實驗教學的順利實施，也制約了實驗教學的改革。由于實驗設備短缺和專職實驗教師人員不足，實驗教學只能采取統(tǒng)一且單一的培養(yǎng)方式而不能因材施教，無法滿足不同能力和興趣學生的個體化學習需求，限制了學生綜合素質的提升[7]。

二、土木工程專業(yè)實驗教學改革方案

實驗教學和理論教學相互依存、相互促進，二者是辯證統(tǒng)一、缺一不可的。通過實驗教學改革調動學生參與實驗研究的積極性和主動性，提升學生的學習興趣，為其理論知識的學習奠定扎實的基礎。同時也通過理論教學，提高學生的知識水平，反過來指導實驗課程的學習。教學改革應始終堅持以學生為根本，以能力培養(yǎng)為核心，知識、能力、素質協調發(fā)展的教育理念，真正達到培養(yǎng)學生實踐能力和創(chuàng)新能力的教學目的。針對現階段實驗教學存在的問題，提出以下改革措施。

(一)劃分實驗教學層次，梳理教學大綱

土木工程實驗教學體系內容繁多，多數理論課程均有一些對應的實驗教學內容。將實驗教學劃分為三個層次：基礎型實驗、綜合設計型實驗和創(chuàng)新實踐型實驗，合理制定實驗教學大綱，讓學生對基礎課程和專業(yè)課程有整體認識的同時，兼顧學生的理論課程學習和實踐應用能力的培養(yǎng)。應對不同學習階段的學生，提出不同的學習要求，既能充分利用實驗資源，兼顧不同學習能力的學生，讓他們學有所獲，又能達到引導學生走進實驗、了解實驗、創(chuàng)新實驗的教學目的[8]。

第一層次：基礎型實驗?；A型實驗包含驗證性和演示性實驗。這類實驗課程主要面向剛剛接觸專業(yè)基礎課的學生，通過基礎實驗讓學生熟悉實驗的基本操作過程和學習基礎實驗技能[9]。例如水力學實驗中的管路測壓管水頭線實驗、雷諾實驗及沿程水頭損失實驗等，又或建筑材料中的石料軟化系數、吸水率試驗和混凝土抗壓強度、抗拉強度、靜力彈性模量實驗等。這些實驗的目的就是驗證理論教學中各類公式的正確性，讓學生熟悉實驗的基本操作過程，了解實驗的注意事項，增強基本實驗意識。在基礎型實驗教學中，要充分發(fā)揮多媒體技術的作用，重視學生基本實驗技能和實驗思維的培養(yǎng)。實驗前，教師應介紹各類基礎實驗的操作步驟，制作實驗過程的3D演示動畫，讓學生直觀了解實驗的詳情；之后學生再根據實驗指導書，在專業(yè)實驗指導教師的指導下進行實驗?；A實驗階段要讓學生充分認識到實驗的重要性，向學生介紹各類實驗在實際生活中的應用，深入淺出地講解超級工程在修建前所做的各種實驗準備，播放各類超級工程視頻，拓展學生視野，激發(fā)學生學習興趣，提高學生參與實驗的動力。

第二層次：綜合設計型實驗。此類實驗課程主要面向已學習了專業(yè)基礎課程和專業(yè)課程的學生。這部分學生經過一年理論課和基礎實驗的學習，已有了一定的理論基礎，掌握了主要的基礎實驗技能。綜合設計型實驗是指學生在自己已有理論知識的基礎上，通過查閱相關資料，將原附屬于理論課的專業(yè)實驗內容進行整合，自主設計實驗方案，并通過小組討論優(yōu)化實驗方案，最終完成的實驗[10]。學生通過自主設計實驗既能鞏固理論知識，又能在實驗過程中發(fā)現問題、解決問題，鍛煉實踐能力。以水力學綜合設計型實驗為例，學生在學習開展水力學管路測壓管水頭線實驗、雷諾實驗、孔口管嘴實驗、文丘里流量計實驗及沿程水頭損失實驗等基礎實驗后，就能獨立根據實驗目的和要求，完成如明渠流速分布實驗和孔口管嘴出流系數實驗等綜合設計型實驗。

第三層次：創(chuàng)新實踐型實驗。創(chuàng)新實踐型實驗是學生在熟練掌握實驗技能的基礎上，教師給定實驗目的和實驗要求，學生自主設計實驗方案，在驗證方案的可行性之后進行的實驗。完成實驗后，學生自主分析實驗數據，并撰寫實驗報告及科研小論文。通過創(chuàng)新實踐型實驗充分激發(fā)學生的學術潛力和創(chuàng)造力，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識、創(chuàng)新能力及團隊合作意識，提升學生自主學習能力和獨立工作能力[10]。創(chuàng)新實踐型實驗對有興趣和有能力的學生開放，不限定年級。但要求學生向專業(yè)實驗教師提交實驗申請并獲同意后方能進行實驗，以保障學生的安全和實驗資源的合理使用。創(chuàng)新實踐型實驗內容主要源于三個方面：一是學校創(chuàng)新實驗教學方案；二是學校教師的科研項目，如疲勞實驗、耐久性實驗、抗震實驗、檢測加固試驗等；三是學生課外學習中產生的實驗需求。以西南交通大學創(chuàng)新實踐型實驗為例，在橋梁系實驗課程教學中設計了一些貼近工程實際、與橋梁結構力學性能分析相關的創(chuàng)新實驗方案，為學生提供開展實驗的條件。需要指出的是，創(chuàng)新實踐型實驗要求只給出實驗目的，具體實驗方案由學生自主設計。目前學校已實施的部分創(chuàng)新實踐型實驗項目如下。

(1)T型梁橋荷載橫向分布實驗。研究T型梁橋的荷載橫向分布及中橫隔板對T型梁橋的荷載橫向分布的影響。

(2)箱梁實驗。箱型截面以良好的空間整體受力性能在橋梁上部結構中得到廣泛的應用。通過結構在靜、動荷載作用下的工作性能研究箱梁結構的力學性能。

(3)鋼—混凝土組合箱梁側向穩(wěn)定性測試方法實驗研究。穩(wěn)定性是橋梁設計中重要的參考因素，通過測試了解荷載類型、荷載作用位置、支承條件及鋼材材質等因素對梁體穩(wěn)定性的影響程度。

實驗教學按上述三種層次劃分，體現了從簡單到復雜、從基礎到綜合逐漸提高學生綜合能力的過程。西南交通大學土木工程國家級實驗教學示范中心始終秉承起點高、基礎厚、重實踐、嚴要求的人才培養(yǎng)原則，提出構建個性化創(chuàng)新實驗室的構想。個性化實驗室以“有利于張揚學生個性，有利于培養(yǎng)學生工程實踐能力，有利于塑造學生探索和創(chuàng)新精神”為指導思想，以綜合設計型和個性化創(chuàng)新型實驗項目為主體，建立開放的實驗教學平臺。通過構建基礎型、綜合型和創(chuàng)新型三個層次的實驗課程，實現實驗教學與科學研究的有機結合。表1為西南交通大學本科生土力學實驗教學中三個層次的實驗課程、實驗項目和實驗模塊。

(二)構建網絡實驗教學平臺，豐富教學內容

在信息化時代，通過構建網絡實驗教學平臺，搭建教師和學生實時互動的橋梁，彌補課堂教學的不足，拓展教學時間和內容，使學生的學習更加自主、自由和便捷，為學生個性發(fā)展，以及學生間的相互交流提供條件。網絡實驗教學平臺包含虛擬實驗室、實驗教學及實驗管理三個模塊[11]。

1.虛擬實驗室

針對土木工程專業(yè)實踐教學安全隱患大、資源消耗大，交通土建工程高復雜性和時效長等問題，構建學科專業(yè)和信息技術深度融合的虛擬仿真實驗室，這是未來實驗教學的發(fā)展方向。虛擬仿真實驗室的建設，應充分利用信息化教學資源，依托虛擬現實、多媒體、人機交互、數據庫和網絡通訊等技術，構建高度仿真的虛擬實驗環(huán)境和實驗對象，實現真實實驗不具備或難以完成的教學功能。西南交通大學土木工程國家級示范中心構建了包括建工、巖土、鐵道、道路、橋梁、地下六大專業(yè)模塊和一個公共基礎模塊的虛擬仿真實驗教學體系，建設了30套貫穿土木工程規(guī)劃、設計、建造、管養(yǎng)、防災全壽命周期的虛擬仿真實驗教學系統(tǒng)，開放多層次實驗項目達229項。學生可以在課外時間通過虛擬仿真實驗室了解實驗，并進行實驗預習、實驗模擬及實驗方案的驗證等。

表1 西南交通大學實驗課程、實驗項目及實驗模塊一覽表

2.實驗教學模塊

開設電算培訓課程及建立網絡教學平臺。有限元分析是利用數學近似方法對真實物理系統(tǒng)(幾何和荷載工況)進行模擬，利用簡單而又相互作用的元素(單元)，將一個擁有無限未知量的真實系統(tǒng)模擬為有限數量的未知量的數值計算模型。這種方法被廣泛應用于土木工程實踐和理論研究上。隨著社會和信息化技術的發(fā)展，土木工程行業(yè)不僅需要懂理論的人才，更需要既懂理論又懂計算的復合型人才。

電算課教學目標是通過軟件的學習，讓學生真正明白所學知識與解決工程實際問題的聯系。電算課教學大綱主要內容的順序：一是通過土木工程軟件概述與數值計算模型的實現來講述軟件的開發(fā)過程和原理；二是通過矩陣位移法的回顧與有限元計算軟件各類單元的介紹和用法來講述有限元軟件的開發(fā)原理和基本方法；三是通過實際案例的介紹、有限元模型的建立和邊界條件的假定來講述軟件應用的基本操作方法；四是通過復雜模型建模、工程實際和課程設計來幫助學生掌握和熟悉所學軟件。

學習使用至少兩門有限元計算軟件，是培養(yǎng)現代卓越土木工程師必不可少的內容。學生應能熟練使用一個與專業(yè)相關的專業(yè)計算軟件和一個通用計算的有限元軟件。比如橋梁方向的學生，可以學習Midas civil、橋梁大師、橋梁博士等計算軟件；結構方向的學生可學習SPA2000等計算軟件。這些軟件能很好地模擬施工各階段的狀態(tài)，對實際工程有較強的適用性。通用有限元計算軟件則能幫助學生在實際應用中進行局部分析和科學研究。

構建網絡教學平臺是加強師生互動、延展課堂教學廣度的有效途徑。在實驗教學中，很多介紹性的內容可以通過網絡教學平臺教師錄制的慕課，以及其他教學視頻圖片或文字來介紹，既節(jié)省了大量的教學課時，又方便學生課余自學。此外，通過構建教學論壇、教學QQ群、微信群等網絡交流互動平臺，拓寬師生之間交流的渠道，學生可以隨時向教師咨詢問題，學生之間也可以自由地討論和交流。師生互動的加強，有利于提高教學效率，也有助于引導學生積極思考，鍛煉學生解決實際問題的能力[12]。

3.實驗管理模塊

實驗管理模塊包含教學大綱、視頻錄像、實驗課程安排、實驗預約、實驗設備借用與歸還、實驗方案審核、實驗報告管理、實驗成果展示、實驗考核及成績查詢等。使用網絡教學平臺極大地減少了各種行政事務的時間，減輕了學生和教師的負擔，使他們能將時間和精力最大限度地投入學習和教學研究。

(三)完善實驗教學大綱，推進實驗教學改革

主要通過教學模式和考核方式的改革，進一步完善實驗教學大綱。

1.教學模式的改革

必須明確的是，實驗教學和理論教學應并重[13]，實驗教學是課堂教學的延伸。在理論教學和實驗教學的課時安排上，應設定合理的比例，讓學生有足夠的時間開展實驗。此外，實驗指導書是指導實驗教學的媒介，在基礎型實驗教學中，應通過編制詳細的實驗指導書，幫助學生認識、了解實驗[14]，讓學生對實驗產生濃厚的興趣。在綜合設計型實驗和開放創(chuàng)新型實驗教學中，要逐漸淡化實驗指導書的作用，讓學生根據實際需要自主選取實驗儀器、制定實驗步驟、觀察實驗現象和分析實驗結果，著力培養(yǎng)學生自行查閱文獻，并獨立設計實驗方案的能力。在教學過程中要有意識地從以教師為主導轉變?yōu)橐詫W生為主導[15]，構建討論—引導—討論—驗證的實驗教學模式，充分發(fā)揮學生的潛在能力。

2.考核方式的改革

傳統(tǒng)實驗考試方式只重視筆試成績和操作考試的結果，而忽視對學生實踐能力、創(chuàng)新能力、分析和解決問題能力以及表達能力等的考核，考核方式過于單一，也不全面。實驗預習是開展實驗前的重要環(huán)節(jié)，但也往往是現行實驗教學模式中最容易被忽視的環(huán)節(jié)，應加大對實驗預習的審核力度。學生在申請實驗的時候，必須有完整的實驗預習方案。在評定學生實驗綜合成績時，要兼顧實驗預習、實驗操作、實驗報告、實驗成果匯報及筆試成績等多個方面，使實驗考核既客觀全面，又能讓學生重視實驗課。圖1為實驗成績評定標準。

三、結語

土木工程專業(yè)是一門實踐應用性較強的專業(yè)，學生的專業(yè)理論知識應在實踐中得到鞏固，應用能力應在實踐中得到提高，專業(yè)素養(yǎng)也應在實踐中得到培養(yǎng)。21世紀土木工程建設對專業(yè)人才提出了更高的要求，高校實驗教學只有遵循社會發(fā)展規(guī)律，積極進行創(chuàng)新改革，才能始終保持活力，滿足社會對高素質人才的需求。