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        實驗儀器設(shè)計與創(chuàng)新人才培養(yǎng)途徑探討

        2021-07-12 07:20:50任曉蕾王林峰李修磊
        科技視界 2021年12期
        關(guān)鍵詞:力學(xué)巖體儀器

        周 鑫 任曉蕾 王林峰 謝 濤 李修磊

        (1.重慶交通大學(xué)河海學(xué)院,重慶400074;2.重慶工商大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院,重慶400067)

        0 引言

        隨著我國“人口紅利”的逐漸消失,將會對未來經(jīng)濟增長潛力造成壓力。根據(jù)相關(guān)研究表明,未來經(jīng)濟增長對科技創(chuàng)新的依賴越來越強[1]。而科技創(chuàng)新必然離不開創(chuàng)新型人才。有報道指出,過去我國經(jīng)濟增長相當(dāng)一部分來自知識與技術(shù)的全球化遷移。而如今,國際技術(shù)遷移紅利不斷衰退,經(jīng)濟系統(tǒng)生產(chǎn)率邊際遞減,產(chǎn)生教育內(nèi)卷化[2]。人才的創(chuàng)新能力對未來社會發(fā)展和經(jīng)濟推動必將產(chǎn)生重要貢獻。因此,如何培養(yǎng)人才的創(chuàng)新能力顯得迫在眉睫。特別是對于大學(xué)教育,有必要探索如何將創(chuàng)新能力的培養(yǎng)融入教學(xué)各個環(huán)節(jié)中。

        在重慶交通大學(xué)地質(zhì)工程專業(yè)的課程體系中,諸如工程地質(zhì)與水文地質(zhì)勘察、巖石力學(xué)等課程均為實踐性極強的課程,其中實驗教學(xué)是理論聯(lián)系實踐的關(guān)鍵環(huán)節(jié),對學(xué)生的綜合素質(zhì)培養(yǎng)和提高有重要意義。但是,傳統(tǒng)的實驗教學(xué)模式普遍存在實踐環(huán)節(jié)薄弱,教學(xué)內(nèi)容狹窄、觀念落后,教學(xué)方法、手段單一等問題,通常難以滿足社會對工程應(yīng)用型創(chuàng)新人才的要求[3]。為了改善這些問題,王述紅等[4]把巖體建模仿真技術(shù)引入巖石力學(xué)課程教學(xué)中,通過數(shù)值實驗再現(xiàn)了許多物理實驗不能觀察到的現(xiàn)象;蔡國軍等[5]針對巖土工程勘察課程,采用項目式驅(qū)動讓學(xué)生結(jié)合課堂所學(xué)理論掌握各種實驗手段,熟習(xí)巖土工程勘察各種設(shè)備的原理、構(gòu)造及常見故障的排除。殷亞軍[6]指出巖土工程勘察課程實踐教學(xué)中應(yīng)加強實驗環(huán)節(jié)、提升實訓(xùn)基地建設(shè)、優(yōu)化課程設(shè)計環(huán)境及產(chǎn)學(xué)研合作。宋盛淵等[7]基于工程地質(zhì)勘察課程存在的問題,提出開展混合式的課堂教學(xué)模式、優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容、構(gòu)建多元化的工程教育實踐教學(xué)環(huán)節(jié)的全面教學(xué)改革。綜合上述研究,以往在教學(xué)實踐方面對人才的培養(yǎng)多集中在融入新技術(shù)、優(yōu)化課程內(nèi)容、豐富實踐環(huán)節(jié)等手段,多關(guān)注對實驗儀器的使用原理、構(gòu)成、操作及數(shù)據(jù)處理等方面的教學(xué),而忽略了設(shè)計與發(fā)明實驗儀器本身亦可服務(wù)于人才培養(yǎng)的育人途徑。

        基于對工程地質(zhì)及水文地質(zhì)勘察、巖石力學(xué)等課程的實驗教學(xué)環(huán)節(jié)的改革,本文提出一種對巖體結(jié)構(gòu)面抗剪強度裝置進行創(chuàng)新設(shè)計的人才培養(yǎng)方案,其主要步驟為:第一,集思廣益,即在教學(xué)實踐中集思廣益,征集學(xué)生們的設(shè)計思想;第二,專家評議,即征求校內(nèi)外專家的建議,對學(xué)生的設(shè)計圖紙及設(shè)計理念進行評價,評選出切實可行的方案;第三,綜合各方建議,師生共同完成對儀器設(shè)計圖紙的修正與完善。該方案在鞏固學(xué)生理論知識基礎(chǔ)上,可激發(fā)學(xué)生的發(fā)明與創(chuàng)造力,服務(wù)于地質(zhì)工程、水利工程及土木工程等專業(yè)創(chuàng)新人才的培養(yǎng)。

        1 實驗教學(xué)與儀器設(shè)計

        實驗教學(xué)是高校培養(yǎng)創(chuàng)新人才的重要環(huán)節(jié)[8]。傳統(tǒng)上的實驗教學(xué)過程中,教師通常受限于授課時間或課時不足,在實驗教學(xué)上會更多關(guān)注如何使學(xué)生掌握實驗?zāi)繕?biāo)及原理、如何操作某種儀器設(shè)備以及如何對獲得的數(shù)據(jù)進行處理等方面內(nèi)容。通常容易缺乏針對某種實驗所需的特定儀器設(shè)備研發(fā)與設(shè)計講解與啟發(fā),即“為何要這樣設(shè)計?”“這樣的設(shè)計是否最優(yōu)?”。但是這方面知識培養(yǎng)的不足容易導(dǎo)致培養(yǎng)出的人才更多是儀器的操作工,而非儀器的掌控者,即“知其然而不知其所以然”。此外,當(dāng)前高校實驗教學(xué)發(fā)展迅速,亟須設(shè)計新實驗、新設(shè)備,而實驗室又受到人力有限等因素的限制,難以滿足這種發(fā)展需求。因此,有必要通過創(chuàng)新化的實驗教學(xué)培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力。在此方面,管新蕾等[3]結(jié)合流體力學(xué)實驗教學(xué)改革實踐,探討了改進自制流體力學(xué)實驗儀器設(shè)備對提升大學(xué)生創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力的作用。該案例有效展示出儀器設(shè)計方向的學(xué)習(xí)與操作對培養(yǎng)創(chuàng)新人才方面有著巨大潛力。

        因此,本文結(jié)合重慶交通大學(xué)地質(zhì)工程、土木工程等專業(yè)中工程地質(zhì)及水文地質(zhì)勘察、巖石力學(xué)等課程的實驗教學(xué)環(huán)節(jié),提出一種對巖體結(jié)構(gòu)面抗剪強度裝置進行創(chuàng)新設(shè)計的人才培養(yǎng)方案。巖體結(jié)構(gòu)面抗剪強度測試裝置是地質(zhì)工程、水利工程、土木工程等專業(yè)均涉及的巖體力學(xué)測試裝置。特別是當(dāng)今我國大型基建工程的發(fā)展,無疑在公路、隧道、鐵路建設(shè)中會碰到受巖體結(jié)構(gòu)面控制的巖體結(jié)構(gòu)。但是學(xué)生在這一部分的實踐學(xué)習(xí)中尚不完善。新時代人才培養(yǎng)不能只停留在理論上,有必要培養(yǎng)學(xué)生們與時俱進的動手能力。開展巖體結(jié)構(gòu)面抗剪強度測試裝置設(shè)計的教學(xué)方案主要基于以下三方面:

        1.1 社會需求

        隨著行業(yè)發(fā)展,研究內(nèi)容逐漸精細(xì)化,以往對巖石整體力學(xué)性質(zhì)的研究已經(jīng)持續(xù)多年。隨著理論認(rèn)識的加深,巖體結(jié)構(gòu)面成為制約裂隙巖體穩(wěn)定的控制性因素。因而對結(jié)構(gòu)面的力學(xué)性質(zhì)進行研究顯得尤為重要。學(xué)生們掌握該方面實驗技能可以增強自身學(xué)習(xí)能力水平、豐富實踐知識。

        1.2 教學(xué)科研需求

        教學(xué)科研不分家,沒有科研的教學(xué)不能與時俱進,沒有教學(xué)的科研脫離了教書育人的根本。當(dāng)前科研項目中多會遇到巖體力學(xué)性質(zhì)的研究,其中迫切需要解決結(jié)構(gòu)面的力學(xué)特性測試,進而服務(wù)社會。在教學(xué)中,以往僅對結(jié)構(gòu)面理論知識進行講解,但是無法豐富學(xué)生們對結(jié)構(gòu)面力學(xué)性質(zhì)的實驗需求。

        1.3 學(xué)生需求

        學(xué)生們在聽實踐性很強的理論內(nèi)容后,若沒有實踐經(jīng)歷,通常容易忽略或者很快忘卻所學(xué)的知識。而學(xué)生們?nèi)粲H自參與設(shè)計,通過“自我學(xué)習(xí)→發(fā)現(xiàn)問題→解決問題”的方式加入理論知識的學(xué)習(xí)中無疑會加深學(xué)生對所學(xué)內(nèi)容的理解。有助于學(xué)生理論、實踐及創(chuàng)新水平的提高。

        2 創(chuàng)新人才培養(yǎng)方案

        實踐教學(xué)體系的改革,不僅要更新人才培養(yǎng)觀念,更要加強與之相應(yīng)的課程體系改革[9]。針對巖體結(jié)構(gòu)面抗剪強度裝置設(shè)計的教學(xué)方案,更加突出“以學(xué)生為中心、教師專家指導(dǎo)為輔助”的培養(yǎng)模式,注重培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、交流探討、發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力。具體方案可以分為如下三方面:

        2.1 集思廣益

        由教師提出巖體結(jié)構(gòu)面抗剪強度裝置設(shè)計需求和背景,激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。以小項目、小團隊的形式引導(dǎo)學(xué)生分組查閱資料并探討儀器設(shè)計的思路。使每組學(xué)生都能充分根據(jù)理論知識和設(shè)計背景發(fā)現(xiàn)儀器設(shè)計背后的原因,挖掘儀器設(shè)計存在的問題或不足,進而通過討論、論證形成自己的觀點。以小組為單位,征集學(xué)生們的設(shè)計思想,通過專業(yè)教師指導(dǎo)進行評價、反饋與修正,形成思想上的集思廣益。這一過程不僅是對課堂理論教學(xué)的檢驗,同時也是學(xué)生拓寬知識的機會,達到一箭雙雕的作用,一方面鞏固了學(xué)生課堂所學(xué),另一方面培養(yǎng)了學(xué)生創(chuàng)新意識。

        2.2 專家評議

        組織校內(nèi)外專家對征集來的儀器設(shè)計方案通過小組答辯的形式進行評價,對各小組設(shè)計方案進行社會需求性評價、創(chuàng)新性評價、可行性評價、方案優(yōu)劣系統(tǒng)性總結(jié),最終通過上述指標(biāo)對各組設(shè)計方案進行評分,并反饋修正建議。這一過程是師生思想碰撞的重要環(huán)節(jié),通過有經(jīng)驗的教師對各種設(shè)計方案提出修正建議能夠充分保障學(xué)生設(shè)計的儀器符合社會需求及理論可行,而小組通過聽取專家建議能夠深化對設(shè)計儀器的了解,以此形成師生共進的良性循環(huán)。

        2.3 綜合各方建議

        各小組根據(jù)專家反饋的建議進行改進,重新總結(jié)好設(shè)計方案的優(yōu)劣及適用范圍,通過與指導(dǎo)教師溝通,師生共同完成設(shè)計方案。最后,通過專家評審,對修正后能夠達標(biāo)的方案再次評分,綜合第一次專家評議結(jié)果評選出優(yōu)秀設(shè)計方案。該階段是學(xué)生不斷吸收專家思想持續(xù)自我改進的過程,也是學(xué)生與專家思想碰撞的過程,通過這一過程的訓(xùn)練,小組成員均可獲得創(chuàng)新能力、動手能力、辯證思維能力的鍛煉。

        3 結(jié)語

        綜上所述,本文從實驗儀器設(shè)計的角度探討了一種創(chuàng)新人才培養(yǎng)途徑的可能性。以學(xué)生為中心,以培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力為目標(biāo),通過師生共同參與設(shè)計巖體結(jié)構(gòu)面抗剪強度測試裝置的教學(xué)方案,采用集思廣益、專家評議、綜合各方建議等方法,借助教師及專家的逐步引導(dǎo)與過程管控,鍛煉了學(xué)生“自我學(xué)習(xí)→發(fā)現(xiàn)問題→解決問題”的水平,不僅鞏固了課堂理論知識,而且培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新能力、思辨水平、團隊協(xié)作能力、以及理論與實踐相結(jié)合能力??梢宰鳛橥晟茖嶒灲虒W(xué)改革的一部分內(nèi)容。

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