土木工程本科生综合创新性实验应用研究

雷鸣苏丹

（1.长沙学院土木工程系，湖南 长沙，410003；2.湖南工业职业技术学院艺术系，湖南 长沙，410028）

前言

为适应科学技术的迅猛发展，我国教育部对本科生素质教育及创新能力培养提出了新的要求。教育部2001年文件《关于加强高等学校本科教学工作提高教学质量的若干意见》中明确提出“进一步加强实践教学，注重学生创新精神和实践能力的培养”思路[1]；2003年以来,教育部对高校开展本科教学工作水平评估的指标体系中,实验教学工作的一个指标为“要求开设综合性设计性实验的课程占到总课程的80%”[2]；教育部2005年文件《进一步加强高等教育本科教学工作的若干意见》中又明确提出“积极开展研究性教学”，“所有实验室要实行开放机制”“，增强综合创新性实验”“，引导大学生了解多种学术观点，立于自身学科学术前沿”等教育思路。文件精神表明：创新能力培养已经成为本科生教育的重要目标。

1 开发综合创新性实验项目的意义

土木工程专业是实践性很强的工科专业之一。为达到培养土木工程本科生创新能力培养这一目的，建设开放性实验室，开发综合创新性实验项目并付诸实施，势在必行。在传统土木工程实验教学中,几乎所有实验课都附属于理论课,实验项目皆为验证理论，测定单一成份或指标，只能划归为验证性实验。如土木工程专业必修课程《土力学》，所开设的土基本性质实验，只为测定土的密度、含水量、相对密度等，为单一指标测定范畴；直接剪切实验，只为验证摩尔-库仑强度理论，为验证理论范畴；固结实验，只为获得e-p曲线、测定压缩系数及压缩模量等，兼有验证理论和测定单一指标的作用。又如土木工程专业必修课程《材料力学》，所开设的拉伸、压缩及扭转实验项目皆归验证理论范畴。这些传统实验项目实施步骤如出一辙：①学生根据实验指导书预习；②教师做好实验前的所有准备工作；③学生在教师的指导下按步骤做完；④学生整理实验报告上交。在此学习过程中学生根本不用主动，不用创造，不用动太多脑筋，都是被动接收知识。这显然属于填塞式教学，不利于学生主动性和创造性的发挥，更谈不上创造性思维的开拓和培养。当然，这结果或多或少与土木工程理论课时要求多、学生扩招后院校实验设备数量跟不上等因素有关，但这并不能成为节省时间，缩短教学周期而打压学生创新能力培养的借口。探索既满足常规教学，同时又能通过综合设计性实验培养学生创新能力的途径，在这个时代具有重要的意义。

本文依托于湖南省教育厅科研基金项目（10C0414）、长沙市科技局科研基金项目（K070704-11）及长沙学院科研基金项目（Y0708）对土木工程本科生综合创新性实验项目设计及应用进行了探索和研究。

2 实验项目与综合创新性实验内涵的联系

综合性实验是指实验内容涉及到该课程综合知识或相关课程知识的实验。可以理解为实验内容牵扯到该课程的多个知识点，或者牵扯到相关多门课程的知识点，或者是几个实验项目内容的综合。土木工程专业课程体系中各门课程内的知识点，各门课程之间的知识点有或多或少的联系，如《土力学》课程中土的液限与塑限知识点与含水量知识点有密切联系，土的压缩变形理论与土的基本性质有极大的关联；《土力学》课程与《基础工程》课程息息相关，如桩的承载能力与桩间土及桩端土的性质有极大关系。我们开发的实验项目：管桩模型实验，要求学生采用扰动土，通过分层夯实模拟地基，这涉及到《基础工程》、《路基工程》、《土木工程施工技术》课程中有关土方填筑工程的知识；要求学生制作管桩模型，这涉及到《土木工程材料》、《土木工程施工技术》课程中有关混凝土配合比及混凝土浇筑技术知识；要求学生摸清模型地基土的基本性质，这涉及到《土力学》课程中有关土的性质、固结理论、剪切强度理论知识；要求学生模拟管桩施工过程，这涉及到《基础工程》、《土木工程施工技术》课程中有关管桩静压施工方法知识等。

创新性实验是指为达到实验目的，学生自己设计实验方案、创造实验条件，并付诸实施的实验。也就是说，实验方案、过程、实验条件、数据分析及结论全部由学生自己完成。创新性实验是学生结合所学知识，进行的独立于各种教学之外的探索性实验。它对学生的要求非常高，不仅需要学生具备比较扎实的综合理论基础，而且要求学生对土木工程实验原理及施作过程非常熟悉。一般我们都是选择大三的学生来进行创新性实验操作。我们先给出实验目的；再引导学生进行理论推导，使其获得设计数据，进行实验方案设计；最后督促其创造条件，实施完成。数据分析和结论全部由学生自己得出。这充分发挥了学生的主动性和创造性，培养了学生的创造性思维。我们所开发的实验项目的思路就是想通过管桩模型承载力实验推求实际管桩工程的承载力。为达此目的，引导学生利用相似原理推求相似判据，获得设计数据，进而引导设计实验方案，进行实验并获得结果，得出结论。这与传统实验区别甚大，新项目中学生所进行的工作没有被传统的框条束缚，创造空间无限扩大，主观能动性得到极大的发挥。

3 实验项目实施条件

综合创新性实验探索性强，决定了实验方案设计、实验过程，实验结果有不可忽略的不确定性，比如学生设计的方案存在不是最合理的情况，实验过程中仪器设备出现异常，实验结果不理想等。因此，为保证实验教学质量实验室必须提供过硬的硬件条件、软件条件、师资力量、实验室开放情况。

3.1 硬件条件

硬件主要包括实验场所、实验设备。实验场所要宽敞，管理规范；实验设备要先进、可靠、齐全。我们长沙学院土木工程系拥有力学、工程测量、建筑材料、土力学、建筑模型等实验室、展览室及建筑设计分院，建筑面积3600平方米；实验设备齐全，总值750余万元。硬件条件完全能满足本科生综合创新性实验的要求。

3.2 软件条件

软件条件主要指实验室管理制度和工作规范。长沙学院土木工程系实验室制定了完善的管理制度，研究出了合适的实验教学方法，开发了不少综合性、设计性、和创新性实验项目。相关教学资料（仪器设备说明书、操作规程、实验规范、影像教学资料等）齐全，完全能满足本科生综合创新性实验的要求。

3.3 师资力量

综合创新性实验对教师的要求，对每一个项目都必须有专门的高水平教师负责。学生实验水平与教师指导水平密不可分。我系现有教职工35名，其中教授6名，副教授8名，讲师8名，助教1名。博士5名，硕士17名，这为本科生综合创新性实验提供了强大的师资力量。

3.4 实行开放性实验

实验室在时间上和内容上对学生实行开放制度，给学生提供了足够的自由空间。学生可以充分利用课余时间进行综合创新性实验研究。

4 综合创新性实验实例

该创新性实验项目为管桩模型承载力实验。

4.1 相似原理（量纲分析法）在综合创新性实验中的应用

以相似第二定理为主要理论基础的量纲分析法是有力的分析手段[3]。使用量纲分析法的前提是：必须知道参与变化的物理量的性质（尽管它们之间的函数关系未知）。量纲分析法一般可分为指数法和矩阵法。因为在静力学问题中，基本量纲的个数很少，用指数法足以求解相似判据[4] 。在教师指导下，学生采用量纲分析法中的指数法求解相似判据，根据所选实际工程中管桩的尺寸，进行管桩模型尺寸设计。

4.2 模拟实验方法及过程

模拟实验包括预制管桩的模拟、地基的模拟和施工方法的模拟三大部分。

⑴预制管桩的模拟

学生根据4.1中管桩模型尺寸，进行管桩模型材料配合比优化设计，进行模板设计并制作出管桩模型。

⑵地基的模拟

学生根据实际工程的地质条件，模拟现场地基条件。通过人为的因素将填充的土样在物理力学性质方面做到最贴近实际工程的地质条件。例如，在含水率方面可以加减水来达到现场的含水程度；在密实程度方面可以进行分层夯实方式以达到现场土体的密实程度；取样做土体基本性质实验、直剪实验，将实验结果与工地现场取样的数据、直剪实验结果对比，用以保证地基模拟的质量。

⑶施工方法的模拟

包括以下几个方面的工作。

①加载平台的研发

②模拟现场压桩过程

图2 学生压桩现场

③监测设备

图3 桩到位后的测量

④模拟静载实验

4.3 实验结果分析

学生根据管桩模型承载力实验数据，绘制e-p曲线，获得管桩模型的承载力，进而用相似性原理反算实际管桩工程承载力，与实际管桩承载力比较分析，总结经验，提取结论。

图4 管桩模型P-S曲线

5 效果检验

⑴该综合创新性实验项目，吸引了大多数学生的关注，不少学生参与到了该项目的学习当中，取得了辉煌的成绩。2006级土木工程专业学生石宇、申权于2010年顺利考上硕士研究生，专业皆为岩土及地下工程；不少学生被岩土公司、建筑及路桥施工单位录用，好评不断。学生感叹创新性实验项目帮助了他们。

⑵教师在科研实验的同时，打破了传统实验教学的框条，培养了学生创新能力，开拓了学生创新思维。学生因可以极大发挥主观能动性，学习兴趣得到激发，理论学习相得益彰。

⑶教师在项目的实施过程中提高了实验教学水平。以前不少教师属于“科研型”，实验教学水平不高。通过综合创新性实验项目的实施，教师在进行科学研究实验的过程中，不可避免的启发、指导学生，科研能力提高的同时，教学水平也有了质的飞跃，教学相长。

[1] 姜玉松.土木综合性和设计性实验探讨与实践[J] .安徽理工大学学报（社会科学版），2008，10（3）：86-89.

[2] 李冬妮，陈旵明.培养计算机学科学生科技创新能力的探讨与实践[J] .北京理工大学学报（社会科学版），2007,（S1）.

[3] Isaacson E de StQ,Isaacson Mde StQ.Dimensional Methods in Engineering and Physics,London：Edward Arnold,Ltd.1975.

[4] 丁翠红,应义淼,单玉川等.采用静压法施工的一种新型扩底管桩[J] .建筑技术,2006,37(3):193-195.