“三层开放”与“三开放”实验教学法改革尝试

摘 要：武昌理工学院城建学院工程力学实验室尝试简化工程实际问题，开设综合型实验。针对不同层次的学生，进行了三层开放的教学方法，满足学生做综合实验的需求；为了使学生对实验进行更深入地研究，又采用了三开放的实验教学形式，进而更好地做完综合设计研究型实验内容，收到很好地教学效果。

关键词：三层开放；教学法；研究型实验

中图分类号：G641 文献标识码：A

一、简化工程开设综合性实验

武昌理工学院城建学院工程力学实验室大胆改革实验教学，简化工程开设综合性实验，取得了一些效果。例如，开设了索力测试的综合型实验；开发了混凝土构件缺陷测试的综合型实验；开设了热处理前后球摩机筒体材料的残余应力及疲劳极限的测试实验；开设了CTOD测试的综合型实验；开设了多处激振，定点测试，故障诊断的研究型实验；混凝土梁蠕变实验等。开设了这些综合、设计、研究型实验，对拓展学生知识面有很大好处的。应用工程实例，拉伸、压缩实验课，应用观模式教学，表演抢答式讨论方式，提高了学时利用率及学生的动手能力；扩大了学生视野，提高了对实验课的兴趣。进行三层开放与三开放教学方法的改革尝试，效果良好。为了更好地保证开放性实验的正常进行，更好搞好实验教学开发内化，特制定实验室开放规章制度如下：

1）参加开放性实验的学生要经过实验室的同意或指导员的批准；

2）试验时间要和实验室预约；

3）实验室开放形式可以多种多样，推荐用有计划的形式实行全天候开放；

4）实验所需的试件由实验者提供；老师对方案、原理、实验步骤进行指导；

5）有计划的形式包含实验学时、学分、经费、教材均由教务部门认可；

6）以创新产品组织实验教学的要有教学成果，创新产品等；

7）也可以和目前实验班级一起做教学实验，把提交的实验报告计入实验成绩；

8）实验室可以提供开放性实验教材，通过自愿报名或推荐，可以分批进行实验；

9） 参加开放性实验的学生必须遵守实验室的规章制度。

二、“三层开放”教学法简介及实施

全面开放实验室是运作模式创新的关键，它为创新教育的广泛实施提供了条件，是充分利用教育资源的有效措施之一①。开放分三个层次：一是参观性开放，学生通过参观实验室，了解科研动态，开阔眼界，启发思维；二是完成正常的教学实验，这种实验的开放，可以让学生自主地支配时间，为预习和深入实验创造条件；三是完成自拟题目的实验或科研实验，对有余力的学生开放自拟实验，有利于培养学生自主学习能力、科学研究能力。全面开放实验室，对指导教师从时间上和水平上提出了更高的要求，而且设备的损耗和实验的损耗会明显增加，因此建立一种良性的开放运行机制需要实践的探索和认真的研究。第一、二层次的开放，通过计划和预约来安排，第三层次的开放则需对学生有一个基本条件的限制。

在进行第一层开放时，采用预约和学术讲座相结合的方法，其目的是：首先让学生知道工程力学实验室所做实验内容，其实验内容包括以下三个方面：一是测定材料机械性质的实验；二是验证理论的实验；三是实验应力分析实验。其次，做这些实验需要一些什么仪器。最后是实验室的科研状况。为了让学生在参观过程中对实验过程了解的更加透彻，在参观之前，对机械性能测试原理、电测原理、光测原理进行简单介绍，并给每个人发相关辅导材料（包括机械测试、电测、光测内容），然后分小组进行参观讲解，并用数码相机对整个过程进行了摄相，之后在本次实验的基础上，写出了多媒体实验教学教案并制作成光盘用于实验教学。通过教学效果调查，学生认为老师知识面宽，教学方法得当，使学生了解了目前科研动态，开阔眼界，启发思维，为后续课程开了一个好头。

二层次的开放通过计划和预约来安排，由于这类开放学生多，工作量大，采用了“三段式” 教学法：一段为基础实验阶段，本阶段以机械性能测试及验证性实验为训练的主要内容。在学生初步形成基本的实验能力后，就进入第二阶段——综合实验阶段。在这个阶段，通过对一个组合系统的研究和测试，达到对多个原理、多种组合方法和多种实验手段增加认识，培养学生系统分析方法和系统认识能力。第三阶段的实验是设计性的实验，这种实验可结合课程设计和毕业设计进行。我们将每一次实验分为三个过程①：一是预习过程，该过程需要熟悉实验目的、内容、方法，课前经教师检查后进行第二过程，即实验过程，实验过程中要仔细操作，观察，记录。数据经教师审核后方可进行第三个过程，即写实验报告过程。本过程需要查阅资料，分析数据，解释现象，回答讨论题，提出建议，总结体会。该过程中，老师要认真批改报告，并对报告中存在的相关问题进行讨论及解释。

三层开放是结合实际科研项目进行的，新开发的综合性实验有：CTOD实验，钢丝绳的松弛实验，饱水沥青混凝土的疲劳实验，有裂纹构件的参数识别实验，混凝土梁的蠕变实验，成桥检测综合型实验等。对上述实验采用了开放式实验的方法，开放式实验教学对学生研究自拟的实验题目是非常行之有效的。

三、“三开放”实验法简介及实施

开放实验室是提高实验学时利用率的好办法。所谓三开放是指时间开放、内容开放、和方法开放。开放实验室是手段，目的在于给学生创造一个生动活泼地进行实验教学的环境与条件，这是一个经实践证明有助于提高实验教学的好办法。不仅可以更好地贯彻因材施教，而且可以弥补当前实验教学时数的不足。这不是权宜之计，而是在实验教学中带有根本性的改革措施。

开放是相对于“约束”而言。常规的实验教学，一是时间上的约束，学生只能按规定的时间进实验室；二是内容上的约束，只有必做实验，没有选做实验；三是方法上的约束，只能按实验指导书上规定的方案、方法、步骤做实验。这对于学生能力的培养十分不利。

内容和方法上的开放：除必做和必选的实验外，应安排学生自选实验。也可将教师的部份科研任务，安排为专题性实验，以及开展第二课堂和学生科技小组活动。个人或小组，自拟实验课题，自行设计实验方案，自定实验步骤和方法，自选仪器设备组装实验装置，经批准后，独立进行实验，例如我们开设的成桥检测实验，混凝土构件探伤实验等。并以小论文的形式提交实验报告。实验室的开放可分阶段进行。

结合工程实际问题及监测监控科研项目进行试验，其测试结果与教学效果很好②。学生在工程中学到了一些新内容，并实地用仪器做实验及测试实际工程项目的扣索索力，掌握了测试方法，巩固了理论知识。将索力测试实验引进大课堂后，可利用实验课剩余的时间，讲解索力实验原理和仪器操作方法，课后对要做本实验的同学登记好，另找课外的时间来做本实验，这是一种方法。另一种方法是进行索力测试实验课外讲座及实验的办法，把新实验写成指导书，讲座完毕后，可进行实地做实验。第三种方法为：调解分组人员，即将一个班的学生分为两半。这样实验时，可使做实验的学生人人动手操作仪器，而另外一组，可进行新实验的内容，之后相互调换。这样既提高了学生的动手能力，又扩大了学生的知识面，向实验课内容的深度进行了引伸。最后一种方法整班学生开设新实验，这样既深化了实验课内容，又将综合型实验引入实验教学。这整班学生可以是本科生，也可以是课外小组人员，也可以是五小制作的学生。不论是以前开设的综合

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余新武，扬水金，吕监泉.加强试验室建设与管理，提高基础化学实验教学质量[A].秦忆，张钜斌主编.管理.改革.创新[C].北京：中国人事出版社，1999：337-338.

② 李永信.开设索力测试的教学改革尝试[J].实验室管理与研究，2001（1）：36.

性大实验也好，举办的科技课外小组活动也好，或以后计划模拟工程实际问题，所开设的大跨度桥梁施工过程中的监测监控实验也好，目的只有一个：加深学生对所学理论知识的理解，提高学生的动手能力，扩大知识面，把教学改革搞好，使实验的内容更能解决工程中遇到的实际问题。

四、三层开放与三开放教学法应用举例

（一）结合工程实际问题开设综合性实验

简化工程实际问题开设综合性的实验。本着走出去，请进来，抓的住，放的开的原则来开发综合设计研究型实验。通过尝试效果不错。走出去：参加工程项目之后开发新实验非常便利，曾结合三峡复建工程、京珠高速公路项目、宜昌工程建设，来开发新实验。结合湖北秭归龙潭河大桥建设（见图1，本桥为大跨度双肋中承式钢管混凝土拱桥，主跨200米），开设了

图1 湖北秭归龙潭河大桥

索力测试的综合型实验；结合蔡甸汉江公路大桥建设，开发了混凝土构件缺陷测试的综合型实验。请进来：把工程项目测试内容接到实验室来做，对开发新实验来讲就更方便了。结合黄石水泥厂球摩机残余应力测试项目，开设了热处理前后球摩机筒体材料的残余应力及疲劳极限的测试实验。结合深圳某公司海洋平台材料的断裂力学参数的测试（目前做的82×164×800毫米的大CTOD试件，在国内外是名列前茅的），开设了CTOD测试的综合型实验。抓得住：新工程结构实验室建成之后（见图2），及时开发创新实验。

图2 工程结构实验室

城建学院工程结构实验室可以做以下创新实验：混凝土梁弯曲破坏实验；空芯板梁荷载实验；钢屋架应力挠度测试实验，桥梁静、动态检测荷载模拟实验；断裂韧性CTOD试验以及楼房动力特性测试试验等。新实验室的建立，主要抓了新仪器及配套附件的订购，安装，功能消化及创新实验地开发；教学及科研工作配套设施的配套及加工；多媒体房间的功能开发及利用。抓要抓的紧，效率高，不要全面开花，要重点突破，集中优势兵力（人力、物力、财力）搞好一个房间，之后再搞下一个房间，这样见效快。当然还要有一个不怕吃苦，乐于奉献、团结的、有战斗力的集体。有了过硬的设备及熟练的技术，才能把工程项目接到手，我们已做过有益的尝试。放的开：实验室随时开放，只有开放，学生才能真正一鼓作气地把实验做完。目前正在修订各门课的教学大纲，今后要用综合设计型实验代替验证型实验，这是以后的发展趋势。当然综合型实验也有缺点，比如，时间花的多、要编写的参考资料多等，这是需要改进的地方。相信通过不断的改进，综合、设计、研究型实验会顺利实施的。

（二）综合性实验的开设办法①

有了新内容的实验，我们首先带毕业设计的学生进行尝试，其测试结果与教学效果很好。学生在工程中学到了一些新内容，并实地用仪器做实验，例如：测混凝土的密实度、测扣索索力、钢管拱吊装过程中监测监控实验、测塔架及钢管拱应力、进行混凝土桥面裂缝深度测定实验等。做预应力损失实验，疲劳及预应力损失实验，球磨机的残余应力测定实验，疲劳应力测试实验，镀镍曲轴疲劳实验，桥梁的振动特性及应力测试实验等。之后将这些工程问题，进行必要的简化，搬进课堂及实验室，为广大学生进行开放式实验教学。所谓开放式，即内容开放，实验室开放，教学形式开放，时间开放，只有这样才能真正把实验室办成老师的教学科研基地，学生的第二科研课堂活动基地，培养学生动手能力的好地方。所谓内容开放：即在原来内容的基础之上，增加与工程实际问题有关的工程材料及结构力学性能测试的新实验。该实验内容涉及面很广，开设前要将目录全部印出来，学生根据自己的时间任意选择。教学形式开放，即可以在课内用工程录像及VCD电化教学，也可用图片进行讲解，也可用实际仪器进行示范操作表演，形式不拘，达到让学生了解实验内容为止。实验室开放，即有针对性的开放，比

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李永信.开设混凝土构件缺陷测试实验的教学改革尝试[J].实验室管理与研究，2001（2）：20.

如大跨度桥梁施工监测监控室开放两个月，在此期间，有愿意做此实验的学生，尽管预约时间来进行实际操作实验，为保证实验质量，必须保证每人一台仪器进行实际操作及测试。过一段时间，可换其它实验项目，或用其它房间进行实验项目的开放。这样既提高了老师的实验技术水平，也提高了学生的实验兴趣。所谓教学时间开放，就是以科研或实验项目的结束而结束，不是以45分钟或2小时为基准，只有这样，学生在实验过程中，才能安下心来进行仔细的研究，真正把实验室办成教学科研基地。曾针对本科生毕业班的学生、课外小组、五小制作的学生做过一些力所能及的改革，但步子不大。要大胆创新，走出新路，就要有一套比较系统比较完善的管理办法，确保新开的实验顺利进行。

五、课堂效果检查与调查

课堂效果检查首先从检查实验人数开始，没有来的同学安排补做实验。其次看讲课的内容是否把主要的问题讲清楚，是否给同学留有创新思维的空间，学生是否全神贯注地注意听讲，是否结合工程实际问题进行讲解。对老师的课堂效果的评价可按下列项目进行评定或打分：讲课有热情，精神饱满；讲课有感染力，能吸引学生的注意力；对问题的阐述深入浅出有启发性；对课程内容斓熟，运用自如；对问题的阐述简练准确，重点突出，思路清晰；讲述内容充实，信息量大；教学内容能反映或联系学科发展新思想、新概念；能给予学生思考、联想、创新的启迪；能调动学生情绪，课堂气氛活跃；能有效地利用各种教学挂图、模型、多媒体进行教学。还要看是否运用课中及课终的空余时间组织学生对关键的问题进行讨论。最后看同学们的动手情况，是否真正的把仪器操作搞清楚了，遇到类似的问题，看是否可用所使用过的仪器来进行解决，2个小时的时间是否运用的非常合理。可派检查小组来听课，审核实验教材、讲稿、机器仪器的套数、实验空间及对实验资金的投入等等，看实验的全过程之后，对列出的项目进行评分，全面的评价课堂效果。也可以发调查表给班级学生，让其进行评定打分。通过以上措施最终确定每次实验课课时利用率的高低。

六、开放式实验教学的体会

实验证明，“三层开放与三开放实验教学法”是一种比较好的实验教学方法。通过改革尝试，认为目前改革后的学时安排是合理的，利用率很高；结合工程开设的综合性实验，为后面的实验室开放奠定了基础；三层开放教学法可因地制宜地搞好实验教学；开放实验室，为学生的动手能力培养提供了可靠保证；课内讨论可加深学生对问题的理解，对解决实际工程中的问题有创新的启迪；开放实验室更能提高同学们的动手能力及学时利用率提高教学质量；素质考试办法可使学生更认真对待每次实验的预习，做实验及写实验报告；有利于学生综合素质的提高，培养严谨的实验作风，实事求是的科学态度，坚忍不拔的创新精神；在实验内容的选择上，注意引进国内外新的科研成果，开阔了学生的视野，增强了学生的参与于意识，激发了学生的求知欲；充分发挥了实验室仪器设备的利用率。

（本文审稿 陈敏林）