砌 体 结 构 课 程 实 验 与 创 新

沙吾列提·拜开依， 阿肯江·托呼提， 阿布都塞买提·卡力，胡什塔尔·尼亚改， 韩 霞

(新疆大学 建筑工程学院，新疆 乌鲁木齐 830047)

0 引 言

实践性教学环节是高校土木工程专业教学计划中的重要组成部分, 在人才培养方面发挥着独特的作用。加强实验教学环节, 不仅能有效地提高本科教学质量和办学水平，而且对培养高素质、实践型、应用型、创新型人才和土木工程专业学科理论的发展有着巨大的促进作用。在就业压力居高不下的宏观背景下，用人单位对高校毕业生动手实践能力的要求越来越高，客观上要求理论学习的同时，要求加强实验、实践等教学环节。因此，目前如何培养学生的动手能力、分析能力，造就全面发展的创新型人才，已经成为众多高校教育者关注和思考的问题。

新疆大学是首批进入国家“211工程”行列的全国重点综合性大学，是国家教育部与新疆维吾尔自治区人民政府共建高校。建筑工程学院作为新疆大学具有鲜明特色的工科学院之一,秉承新疆大学“团结，奋进，求实，创新”的教育理念，在学校和学院各级领导的支持下，进一步加大了实践性教学的改革力度，利用自治区重点学科(结构工程)、自治区重点产业紧缺专业(土木工程)国家特色专业(土木工程)和自治区土木工程实验教学示范中心等资源，完善了实践性教学环境软硬件建设等，全面提高了实验教学水平。学院近几年来开展了以实践创新能力培养为核心的专业课程实验改革与探索，取得了一定的效果。在实践教学环节中引入了不同的理念和创新，拓宽了学生的知识面，对学生的创新能力的培养起到了一定的作用。本文重点介绍砌体结构课程实践教学环节中的部分探索成果以及课程实验创新中取得的成效和体会。

1 砌体结构及在实践教学中作用

砌体结构是在我国应用广泛的结构形式之一。大量的低层、多层、中高层建筑以及交通、水利工程的构筑物都可采用砌体结构。砌体材料资源分布较广，今后一个相当长的时期内，许多建筑乃至其他土木工程中砌体和砌体结构仍然是一种主要的材料和承重结构体系[1]。

砌体结构课程是我国高等学校土木工程专业的一门必修专业课，是全国一、二级注册结构工程师考试科目之一。通过砌体结构课程的学习和实践环节的锻炼，要求学生掌握砌体及基本材料的力学性能；掌握砌体结构房屋各种墙(柱)的受力和破坏原因；掌握砌体结构的承载力计算方法；掌握混合结构房屋墙体及相应构件的设计原理及方法，对一般工业与民用砌体房屋进行较合理的结构选型和布置，能够准确地定出验算点，画出计算简图，进行承载力验算；能够进行一般混合结构房屋的结构设计。

培养创新型、应用型工程技术人才的根本在于实践[2-3]，实践教学是砌体结构课程教学的重要组成部分，是实践能力培养的关键教学环节。通过实践性教学环节，不仅可以加强学生对砌体结构基本原理的理解，提高学生的学习兴趣和教学质量，还可以培养学生严谨的治学态度和创新精神。课程教学试验的价值并不在于得到某种主要的科研成果，而是在于以课程试验实践为机会，使学生参与试验的全过程，获得直观的感性认识，在试验过程中发现问题、分析问题、提出假设、设计方案、收集整理试验资料、科学分析，得出结论和验证结论。使学生在课程实验训练中学习和巩固专业知识，通过课程实验活动培养学生的思维能力和科学探究能力，发扬学生的科学精神。

2 课程试验的完善及创新

2.1 课程试验

实验教学具有直观性、实践性、综合性、探索性和启发性等特点，符合土木工程专业的认知规律与特征，在培养学生理论联系实际、创新思维能力、实践应用能力和创业精神方面具有不可替代的作用。

目前土木工程专业学生砌体结构课程试验有砖的抗压强度试验、砂浆立方体抗压强度试验、砖砌体抗剪强度试验和砖砌体抗压强度试验四种，块体材料可选用普通砖、多孔砖和免烧砖等。在实验课堂上，学生通过分组亲自动手操作(见图1和图2)，从制作试件、进行试验、分析数据(观察试验现象、极限承载能力、荷载-移曲线、裂缝等)、撰写实验报告等全部内容学生自己完成，具体实验步骤如图3所示。

图1 学生制作试件

图2 学生制作的试件

图3 课程实验的步骤

砌体结构课程是一门实践性较强的课程之一，授课中应注意采用理论联系实际，灵活多样的教学方法，使学生对所学知识，深刻领会，独立思考，创造性地运用所学知识解决学习中或实践中所遇到的问题。为此建议在课堂教学和实践性教学环节过程中应做到以下几点：

(1) 在教学过程中，不要局限于书本知识，结合当前砌体结构的发展，给学生补充新知识，如工程实例、规范知识、地方性建筑材料、FRP材料用于砌体结构加固、格构式钢板加固、嵌埋式加固、组合墙等，使学生了解新知识、新技术，进一步巩固、加深、拓宽所学的理论知识，培养学生的创新精神。不断充实和更新教学内容，把科研的思想、方法及成果引入教学，在教学中鼓励学生把学习与研究结合起来，在学习中研究、在研究中学习，培养学生探索和创新精神。在教学过程中尽量弥补学生实践环节上的缺陷，使之走上工作岗位后能很快地进行结构工程设计、施工和管理工作。

(2) 提高教师队伍的水平和创新能力，强化实验教学团队的研究能力。实验室建设除了仪器设备等硬件条件建设外，最重要的是实验室管理人员以及实验指导教师综合素质的提高。在建设创新型国家进程中，提高实验技术水平，实验室教师队伍建设和形成创新型人才培养指导队伍势在必行。

(3) 在教学中努力创造学生参与砌体结构试验的环境和条件，使学生在试验中加深对理论知识的理解。建设以学生为本的教育理念，不断改革实验教学方法，提高砌体结构实验的教学质量。实践性教学环节中发扬学生的主体作用，通过理论学习、实验方案设计、设计制做、仪器设备须知、实验操作、实验现场观察、数据分析和实验报告撰写等方面的训练提高学生的综合素质。注重培养学生的创新精神、实践能力和科学态度。

(4) 传统的课程试验内容单一，以验证性试验为主，因此，增强了综合性、设计性实验内容，减少验证性、重复性实验内容。传统的土木类教育课程体系在主观认识上存在重理论，轻实践教学，实验课主要作为理论课的辅助课程，不设置独立的实验课程，在实验教学定位、实验教学内容设置以及实验考核与评价等方面存在的一些问题，与其重要性和所处地位存在着很大的矛盾[4]。因此，在培养计划中相对增加实验教学学时比重和实验教学内容，将实验课单独设课不依附课堂理论教学。

(5) 完善实践性教学环节参考指导书、实验报告等。

2.2 课程试验创新

改革应着重于实验教学模式、内容和方法的创新，使之适应现代实验教学需要，传统的实验教学多是采用课堂统一讲授实验内容，然后，老师在实验室内指导学生开展实验，枯操的课堂讲授不利于调动学生对实验学习的兴趣，导致实验教学质量不高、不能在实验中锻炼学生的创新思维能力和动手能力。

在保证基础型、综合型实验的同时，适度开展研究创新型实验。在研究创新型实验中坚持以学生为主体，以教师为主导，以科研项目为依托，重视营造有利于创新人才培养的环境氛围，全面提高学生实验技能、实践能力和创新能力。创新性实验项目选题来源为与实验课程内容有关的自主创新命题，如综合性试验、研究性试验、大学生创新试验、科研训练、基金项目、研究生毕业论文等。

为了适应现代教学理念的教学体系，积极开展大学生创新素质培养的探索与实践。根据砌体结构课程特点，适当拓展了课程的教学和实践性教学内容，结合新疆的实际情况和特点，提出土坯砌体、改性(土坯中渗和各粗砂、麦秸杆和石膏等提高其强度)土坯砌体、土坯组合砌体(加木构造柱和木圈梁)；泥浆砌体等。并提出新的概念，即网状FRP增强砌体。

2.2.1土坯及土坯砌体

生土建筑是一种最古老的建筑形式，国内外的研究表明，土坯墙体结构房屋具有施工技术灵活；材料可再生性；吸放湿作用，具有可调节室内湿度；具有较大的蓄热性，可保证房屋冬暖夏凉等优点，其建筑物理性能卓越，是一种绿色建筑。但生土建筑的抗震性能差，材料强度较低等严重阻碍了这一绿色建筑的发展。目前仍有新建的土坯砌体结构房屋，见图4。

图4 新建土坯砌体民居

新疆土坯砌体房屋具有经济、因地制宜、保护传统民居特色和当地生态的可持续发展的理念。结合新疆土坯砌体房屋(民居、历史文物建筑等)，开展了对土坯及土坯砌体房屋的研究[5-9]， 图5为素土坯墙体抗侧力承载力试验。

图5 素土坯墙抗侧力承载力试验

2.2.2改性土坯砌体

新疆传统生土建筑多以土坯砌体墙和夯筑墙作为承重墙体，这类建筑在新疆已有悠久建造历史。单块土坯的力学性能是影响生土建筑及土坯砌体墙的抗震性能的重要因素，对单块土坯和砌筑泥浆中掺和麦秸秆(植物纤维)、粗砂、熟石灰等提高其力学性能(承力能力、抗裂能力、延性)，并通过试验研究得出了最优麦秸秆、粗砂和熟石灰掺和量[10-11](见图6、7)。

2.2.3土坯组合砌体

组合墙体是指木柱、梁和土坯组合所组成的墙体。试验对木柱、梁-土坯组合墙体施加固定竖向荷载和反复水平荷载，进行了拟静力试验，如图8、图9所示。

(a) 立压

(b) 卧压

(c) 平压

图7 改性土坯砌体图8 木框架抗侧力承载力试验

尺寸为1 200 mm×1 000 mm×310 mm。木柱、梁对素土坯墙体的整体性，刚度，延性和抗侧承载力起到了很好的的提高作用。木柱、梁对素土坯墙体来说，抗侧承载力提高90.8%，延性提高121.2%。试验结果表明：采用木柱、梁来提高墙体抗侧承载力和延性，弥补素土坯墙体本身的不足是完全可行的，而且效果极佳。

图9 组合墙体抗侧力承载力试验图10 泥浆砌筑的多孔砖砌体

2.2.4泥浆砌体

泥浆砌体是指用泥浆或低强度非水泥砂浆砌筑，如图10所示，在临时建筑、施工现场中的临时用房、围墙和非地震区农村居住建筑等中可采用泥浆砌体。泥浆砌体有拆迁方便、砖可以二次利用、不产生建筑垃圾、节能、符合可持续发展等优点。

2.2.5网状FRP增强砖砌体

与钢结构和混凝土结构相比砌体结构房屋的抗震性能较差，如何提高砌体的承载力和整体性，引用网状配筋砌体的概念，提出了网状纤维增复合材料(Fiber Reinforced Polymer/Plastic，FRP)增强砖砌体，如图11～14所示，将FRP布条按照特定的构造方式铺设在砌体水平灰缝砂浆层中，协同砖砌体共同工作的新型砌体结构形式，网状FRP增强层(或称配纤层)具体的铺设方式为FRP布条(图11(a))、FRP格栅(图11(a))或FRP筋(图11(c))。FRP材料根据需要可采用目前土木工程加固中采用的碳纤维、玻璃纤维、纺纶纤维、连续玄武岩纤维和混合纤维等。

图11 网状FRP增强砌体

图12 不同竖向配纤层构造

图13 学生制作试件

图14 试验加载设备

研究了网状FRP增强对改善砌体构件受压性能效果，研究初步证明了网状FRP增强砌体构件的可行性和有效性。提出的网状FRP增强砌体构件，改变了构件的破坏模式和力学性能；显著提高了构件的承载力改善了砌体构件的整体性。结果表明增强效果主要与采用的FRP布条的强度、砂浆强度、块体强度、配纤率和纤维层构造等因素有关[12-13]。

3 实践性教学环节建设成效

实践教学作为人才培养工作的一个重要环节，在高等学校培养高素质创新型人才的过程中发挥着极其重要的作用。以课程试验、科研项目需求为牵引，通过多年的探索与实践，促进了教师学术研究，在培养教师和学生的实践动手能力和科研能力有了明显提高，取得了显著成效。

自2005年以来，获土木工程学生已完成创新实验项目国家级和校级项目各1项(传统土坯民居土体材料的改性及受压力学性能试验研究091075521和网状FRP增强砖砌体轴心受力性能的试验研究)；获国家自然科学基金项目3项(网状FRP增强砖砌体受力机理和性能的试验研究51268053、木柱梁-土坯组合墙体抗震性能及加固研究50768010和植物纤维土坯基砌块及砌体的力学性能试验研究50968015)；获自治区教育厅重点科研项目2项(新疆传统生土民居抗震性能及加固研究xjedu2006-8和地震作用下土坯砌体倒塌机理和加固研究XJEDU2010I09)。

2008年“砌体结构课程建设与实践”获得新疆大学教学成果三等奖。2011年“改性地坯抗压性能试验研究” 荣获第十二届“挑践杯”全国大学生课外学术技术作品竞赛新疆赛区自然科学类学术论文二等奖， 荣获“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛三等奖。2012年，网状CBF增强砖砌体轴心受力性能试验研究论文，获得中国力学学会结构工程专业委员会和中国力学学会工程力学编委会颁发的优秀论文一等奖，2012年，土坯砌体抗压强度试验研究论文，获得第十二届新疆维吾尔自治区自然科学优秀学术论文三等奖。

经过多年的探索和实践，逐步总结、规范了砌体结构课程教学大纲、试验指导书、试验报告、多媒体教学课件、习题集等。为了满足实践性教学环节的需要，编写了“砌体结构实践性教学环节指导书”、“砌体结构实践性教学环节试验报告书”和“砌体结构习题及学习指导”；正式出版了“砌体结构多媒体教学课件”。2012年“砌体结构”课程获新疆大学校级精品课程。

4 体 会

(1) 要进一步突出特色、多途径、多方面加强实践性教学环节，抓住砌体结构课程的特点，强化每一个教学环节，不断改善教学方法。

(2) 为了不断推动高等学校教学水平和教学质量，一定要重视有效地促进实践性环节教学改革的发展和实践性环节教学质量的提高[14-15]，在理工科学生的培养过程中，教师必须进一步提升和更新实验教学观念，以强化培养学生创新精神、工程实践能力和科研实践能力为目标，注重实践、强调应用、重视思路，使学生善于通过查找资料来处理问题和解决问题，要将专业知识运用到工程实践中。

(3) 创新实验项目能够提高学生的自主性、创新性和协作性，使得实验教学质量明显提高。通过理论知识指导实验教学，又由实验教学促进理论学习，使学生对本门课程产生极强的求知欲望。通过实践性教学环节，有助于培养学生实践动手能力、分析问题的能力、解决问题的能力、沟通交流能力和团队协作能力等，并能给学生发挥的空间，引导学生领悟、思考。

(4) 课程试验创新带动了实验教学的全面改革，教学队伍和人才培养质量显著提高。教师的横向、纵向课题在立项数量和项目经费上都有了质的飞跃。

5 结 语

砌体结构实践性教学环节的建设过程对其它课程实验都有借鉴意义，它能引导我们对实验教学理念进行再思考，对实验教学目标导向进行再定位，为开拓创新教育模式提供了一种新的思路。建筑工程专业的发展日新月异，研究创新型实验改革任重道远，虽然我们的工作取得了一定成绩，但也只是刚刚起步，今后我们将继续努力探索、反复实践、不断总结与提高，继续深入教学改革、创新实验教学模式和内容，在培养优秀人才工作中做出应有的贡献。

[1] 施楚贤.砌体结构[M].北京：中国建筑工业出版社，2012.

[2] 冯 鹏,叶列平,王宗纲.混凝土结构课程的自主研究实验教学[J].建筑结构,2008,38(增刊):289-291.

FENG Peng,YE Lie-ping,WANG Zong-gang.Independent research and experiment teaching of concrete structure course[J].Building Structure 2008,38(Suppl):289-291.

[3] 张季超,许 勇,王可怡.土木工程实践教学改革的研究与实践[J].烟台大学学报,2010,23(专刊):305-307.

ZHANG Ji-chao,XU Yong,WANG Ke-yi. Research and practice of civil engineering practice teaching reform[J].Journal of Yantai University,2010,23(Special issue):305-307.

[4] 张向文.大学生创新性实验项目的实践与创新人才培养的思考[J].高教论坛,2012(9):26-30.

ZHANG Xiang-wen. Practice on the undergraduate innovative experiment project and thinking about the innovation talents education[J]. Higher Education Forum, 2012(9):26-30.

[5] 阿肯江·托呼提,亓国庆,陈汉清.新疆南疆地区传统土坯房屋震害及抗震技术措施[J].工程抗震与加固改造,2008,30(1):82-86.

Akenjiang TOHUTI,QI Guo-qing,CHEN Han-qing. Seismic damage and seismic countermeasures of xinjiang traditional adobe house[J]. Earthquake Resistant Engineering and Retrofitting,2008,30(1):82-86.

[6] 曹 耿,阿肯江·托呼提,赵 成,等.土坯及其构件承载力的可靠度分析[J]. 新疆大学学报,2011,28(3):376-378.

CAO Geng，Akenjiang TOHUTI，ZHAO Cheng,etal. Reliability analysis of earth architecture bearing wall[J]. Journal of Xinjiang University, 2011,28(3):376-378.

[7] 曹 耿,阿肯江·托呼提.土坯砌体单轴受压应力-应变曲线试验研究[J].低温建筑技术,2011(6):86-88.

CAO Geng,Akenjiang TOHUTI. Study on the uniaxial compression stress-strain curve of adobe masonry[J].Low Temperature Architecture Technology,2011(6):86-88.

[8] 阿肯江·托呼提,沙吾列提·拜开依,曹 耿,等.土坯砌体抗压强度试验研究[J].河海大学学报,2011,29(3):290-295.

Akenjiang TOHUTI, Sawulet BEKEY, CAO Geng,etal. Experimental study on compressive strength of adobe masonry[J]. Journal of Hohai University, 2011,29(3):290-295.

[9] 阿肯江·托呼提,沙吾列提·拜开依,曹 耿.土坯砌体单轴受压本构模型研究[J].工程力学,2012,29(12):295-301,315.

Akenjiang TUOHUTI,Sawulet BEKEY, CAO Geng. Study on uniaxial compression constitutive models of adobe masonry[J]. Engineering Mechanics,2012,29(12):295-301,315.

[10] 外力·艾比不拉,阿肯江·托呼提,哈斯亚提·哈里丁,等.植物纤维单块土坯抗压试验研究[J].建筑技术,2012,28(5):61-64.

Vali HABIBULLA,Akenjiang TUOHUTI,Hasiyet HALIDING,etal. Experimental research on compressive strength of straw fiber adobe[J]. Building Science, 2012,28(5):61-64.

[11] 赵 成,阿肯江·托呼提,陈 嘉,等.改性土体材料单轴受压本构关系研究[J].新疆大学学报,2010,27(1):123-126.

ZHAO Cheng, Akenjiang TOHUTI, CHEN Jia,etal. Researches on modified raw-soil materials constitutive relation subject to uniaxial compression[J]. Journal of Xinjiang University,2010,27(1):123-126.

[12] 沈 祥,沙吾列提·拜开依,阿力琴·阿布力提甫,等.网状CBF增强砖砌体轴心受力性能试验研究[J].工程力学，2013,30(增刊):109-114.

SHEN Xiang, Sawulet BEKEY, Aliqin. ABULITIPU,etal. Experiment research on CBF mesh reinforced brick masonry under axial compressive loading[J]. Engineering Mechanics,2013,30(Suppl):109-114.

[13] 沙吾列提·拜开依,沈 祥.网状FRP增强砖砌体轴心受力性能的试验研究[J].施工技术,2011,40(347):78-80.

Sawulet. BEKEY, SHEN Xiang. Experiment study of FRP mesh reinforced brick masonry under axial compressive loading[J].Construction Technology,2011,40(347):78-80.

[14] 王晓萍,刘向东,刘 旭.课程实验在工程创新人才培养中的作用及实践探索[J].中国大学教学,2012(1):74-76.

WANG Xiao-ping,LIU Xiang-dong,LIU Xu. Exploration and practice of experimental courses in engineering the cultivation of the innovative talents[J]. China University Teaching,2012(1):74-76.

[15] 董有尔,郜江瑞,王彦华,等.四种教学模式连动,全过程开展研究性物理实验教学[J].实验技术与管理,2012,29(5):6-9.

DONG You-er,GAO Jiang-rei,WANG Yan-hua,etal. Comprehensively implementing exploring experimental teaching with four modes cooperation[J]. Experimental Technology and Management, 2012,29(5):6-9.