基于研究性教学方法的土木工程专业探索性实验设计

葛折圣

摘 要：研究性教学是教育部“卓越工程师教育培养计划”大力提倡和着力推广的教学方法。该文针对华南理工大学土木工程专业“卓越全英班”实验教学要求，采用研究性教学方法开展探索性实验的设计和评价。结果表明，采用研究性教学方法，与教师的研究课题相结合，进行探索性实验教学是培养和提高学生创新能力的重要举措；有利于调动学生参与教师研究课题的积极性和主动性；也对教师的理论水平和实践经验提出了更高的要求。

关键词：研究性教学 探索性实验 土木工程 创新能力

中图分类号：G642.4 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）09（b）-0150-02

“卓越工程师教育培养计划”是促进我国由工程教育大国迈向工程教育强国的重大举措。该计划的实施目标是培养造就一大批创新能力强、适应经济社会发展需要的高质量各类型工程技术人才，为国家走新型工业化发展道路、建设创新型国家和人才强国战略服务。“卓越工程师教育培养计划”具有三个特点：一是行业企业深度参与培养过程；二是学校按通用标准和行业标准培养工程人才；三是强化培养学生的工程能力和创新能力。教育部将在五个方面采取措施推进该计划的实施：一是创立高校与行业企业联合培养人才的新机制；二是以强化工程能力与创新能力为重点改革人才培养模式；三是改革完善工程教师职务聘任、考核制度；四是扩大工程教育的对外开放；五是教育界与工业界联合制订人才培养标准。

2010年7月，华南理工大学成为全国第一批“卓越工程师教育培养计划”实施高校。土木工程“卓越全英班”是该计划的重要组成部分，是为探索个性化创新型人才培养模式而开办的。注重培养学生掌握力学、结构基本理论和设计方法、先进施工技术及工程管理知识，突出外语、计算机应用能力。大部分课程采用全英教学，注重和加强实践和创新教学环节，配备高水平教师担任导师进行专业学习和科研实践指导。开设科技前沿专题讲座，参与国际工程实践。培养具有良好的人文、科学与工程的综合素质，具有国际视野和国际交往能力的土木工程优秀创新人才，力争与国际土木工程领域的培养模式接轨。

研究性教学是一种符合工程能力培养规律和综合素质形成逻辑的教学组织形式和教学方式，得到“卓越工程师教育培养计划”的大力提倡和着力推广。该文着重介绍采用研究性教学方法进行土木工程专业道路工程方向的一项探索性试验设计过程及其效果。

1 典型的研究性教学方法

研究性教学是以探究为基础的教学，它以学生的发展为本，把学习与研究相统一，引导学生发现问题、思考问题和解决问题，使学生成为教学活动的中心，成为自我反思和自我发展的主体[1]。作为一种教学方法体系，研究性教学主要有案例教学、基于问题解决的学习和基于问题的学习等三种典型的教学方法。

1.1 案例教学法

案例教学法是一种使得学生处在面临问题的决策者角色的教学方法。在案例教学法课堂，无论是教师和学生必须以不同的方式被激活。教师和学生相互依赖、互相学习。教师一般都是专家，但他们很少直接告知学生专业知识。

案例教学法主要是用在商业学院和公共政策学院教学活动中。例如，1908年已被用于在哈佛商学院和公共政策学院。教学案例研究是全球顶尖的商学院进行核心功能。他们常常组织比赛确定最佳的新的教学案例。商业案例是模仿或模拟真实情况下的文档。案例陈述的现实让读者参与其中。案件往往说明企业或政策形势需要解决问题，还包括课堂讨论和研究的其他信息。在没有明显的解决方案的情况下，提供了充分的事实基础上激发学生获得一切可能的结果。作为现实的模拟，案例必须具有三个特征：一个重要的业务问题或问题。没有问题的情况下，没有教育价值；充分的信息基础；没有明确的结论。

在案例教学过程中，教师的作用是选择和组织案例，这也是实现教学目标的关键。

1.2 基于问题解决的学习

基于问题解决的学习方法是1980年美国数学教师协会正式提出来的[2]。它将学习内容设计成问题，或由学生提出问题，让学习者通过解决问题来获得相应的知识和能力。

让学生提出高质量的问题是这种教学方法的关键。要求学生将问题具体化和形象化，构造成模拟实际生活的故事情节。学生在原有知识和经验的基础上，通过分析解决问题，发现更加复杂和深入的问题。

因此，学生提出问题的多少、思考问题的广度和深度等是基于问题解决的学习方法的重要的评价标准。

1.3 基于问题的学习

基于问题的学习是一种以学生为中心的教学方法。学习的目的是获得解决问题的经验、思考策略和该领域的知识[3]。基于问题的学习的目标是帮助学生形成灵活的知识、有效解决问题的能力、自主学习、有效的协作能力和内在动机。

基于问题的学习是一个主动的学习方式[4]。在工作过程中，学生发现他们已有的知识，需要知道什么，以及如何和在哪里获得新的信息，可能会有益于该问题的解决。教师的作用是为了促进学生的学习、支持、指导和监控学习过程。导师必须建立学生对解决问题的信心，并鼓励学生，同时也拓展他们的理解。

Barrows定义了基于问题的学习模型为[5]：

（1）以学生为中心的学习。

（2）学习是学生小团体做的，理想的6～10人。

（3）教师指导学生而不是教学。

（4）以问题为基础组织和激发学生学习。

（5）问题是设置是提高学生解决问题能力的基础，是刺激的认知过程。

（6）学生通过自我导向学习获得新的知识。

基于问题的学习要求教师的教学风格达到几个主要标准：首先，要有一个与教师科研相关的“学习中心”，所有的学生都需要围绕该中心。第二个标准是必须有一个驱动问题，学生通过完成项目获得问题的答案。这个问题也不能有一个预定的结果，它应该要求学生使用的先验知识来所有可能的结果。其他标准包括建设性的调查研究、学生的自主权等。endprint

基于问题的学习的主要教学过程包括提出问题、分析问题、形成假设、验证假设、修正假设。

2 土木工程探索性试验设计

近年来华南理工大学开展了“探索性实验”教学项目建设工作，引导教师将科研项目成果转化为计划内实验教学内容，从而深化实验教学内容和体系改革，推进实验室开放共享；通过科研与教学融合，切实促进学生实践创新能力的培养。

下面介绍用研究性教学方法设计所申报的“探索性实验”教学项目“沥青混合料多轴加载试验”。

2.1 提出问题

最新版的《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20-2011）中沥青混合料的试验方法主要包括：单轴压缩、单轴拉伸、小梁弯曲和劈裂试验等。试验过程中，沥青混合料试件处于单轴或双轴应力状态。而实际沥青路面中，沥青混合料处于多轴受力状态，承受压缩、拉伸、剪切的交互作用。因此，现有沥青混合料的试验装置与方法无法模拟实际沥青路面材料的多轴受力状态。

2.2 分析问题

为了模拟实际沥青路面材料的多轴受力状态，采用如图1所示的试验装置。通过转动的橡胶轮胎带动圆柱体试件转动，试件受到橡胶轮胎的表面摩擦力F和铅垂方向的压力P作用。同时，在试件水平方向施加压力Q。从而模拟实际路面材料多轴受力状态，使得试件承受压缩、拉伸、剪切的交互作用。

2.3 试验步骤

（1）试件制作。采用击实法、静压法或旋转压实法制作的圆柱体试件；或在轮碾法制作的板块状试件中钻取的圆柱体试件；或在路面中钻取圆柱体的芯样。

（2）安装试件。将试验室的环境温度控制在试验温度±0.1 ℃范围内。加载前，保温时间为90～120 min。

（3）水平方向加载。通过水平加载油缸对试件施加水平方向拉伸或压缩荷载。

（4）铅垂方向加载。通过铅垂方向加载装置在橡胶轮上施加荷载，从而在试件中部上方施加铅垂方向荷载。

（5）启动橡胶轮驱动马达，使得橡胶轮单向旋转，转速为1～100 r/s。

2.4 试验结果的分析与讨论

试件转动一定次数后，量测试件中部加载位置的直径，计算直径变化率。加载后试件中部直径的变化百分率计算公式为：100%×加载一定次数后加载位置试件直径/加载前试件直径。

同时，量测试件长度，计算加载后试件长度的变化率。加载后试件长度变化百分率计算公式为：100%×加载一定次数后试件长度/加载前试件长度。

教学过程中，共15位同学参与该项试验，分为3组，每组5人（表1）。

3 教学效果

采用研究性教学方法，有助于把学生纳入教师的科研项目，驱使学生调查研究，组织讨论会，分析问题，解决问题，完成工作任务。

授课教师与同学们一起通过该试验项目掌握了实际路面材料的受力状态，并创新性的设计了“沥青混合料多轴加载试验”方法。依托研究成果申报了2项实用新型专利和2项发明专利。在国外SCI源刊投稿论文2篇。

4 结语

研究性教学是一种符合工程能力培养规律和综合素质形成逻辑的教学组织形式和教学方式，得到“卓越工程师教育培养计划”的大力提倡和着力推广。本文着重介绍采用研究性教学方法进行土木工程专业道路工程方向的一项探索性试验设计过程及其效果。主要结论如下。

（1）采用研究性教学方法，与教师的研究课题相结合，将土木工程专业实验教学中部分传统的验证性实验改革为探索性实验是培养和提高学生创新能力的重要举措。

（2）开展探索性实验有利于调动学生参与教师研究课题的积极性和主动性，对他们今后开展研究工作具有重要帮助。

（3）开展探索性实验活动过程中，为了引导学生提出问题、分析问题和解决问题，也对教师的理论水平和实践经验提出了更高的要求。

参考文献

[1] Ellet，William.The Case Study Handbook[M].Boston：Harvard Business School Press，2007.

[2] 赵洪.研究性教学与大学教学方法改革[J].高等教育研究，2006，27（2）：71-75.

[3] Hmelo-Silver，Cindy E."Problem-Based Learning：What and How Do Students Learn？[J].Educational Psychology Review，2004，16（3）：235.

[4] Schmidt，Henk G，Rotgans，Jerome I，Yew，Elaine HJ.The process of problem-based learning：What works and why[J].Medical Education，2011，45（8）：792-806.

[5] Hung，Woei.Theory to reality：A few issues in implementing problem-based learning[J].Educational Technology Research and Development，2011，59（4）：529.endprint

基于问题的学习的主要教学过程包括提出问题、分析问题、形成假设、验证假设、修正假设。

2 土木工程探索性试验设计

近年来华南理工大学开展了“探索性实验”教学项目建设工作，引导教师将科研项目成果转化为计划内实验教学内容，从而深化实验教学内容和体系改革，推进实验室开放共享；通过科研与教学融合，切实促进学生实践创新能力的培养。

下面介绍用研究性教学方法设计所申报的“探索性实验”教学项目“沥青混合料多轴加载试验”。

2.1 提出问题

最新版的《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20-2011）中沥青混合料的试验方法主要包括：单轴压缩、单轴拉伸、小梁弯曲和劈裂试验等。试验过程中，沥青混合料试件处于单轴或双轴应力状态。而实际沥青路面中，沥青混合料处于多轴受力状态，承受压缩、拉伸、剪切的交互作用。因此，现有沥青混合料的试验装置与方法无法模拟实际沥青路面材料的多轴受力状态。

2.2 分析问题

为了模拟实际沥青路面材料的多轴受力状态，采用如图1所示的试验装置。通过转动的橡胶轮胎带动圆柱体试件转动，试件受到橡胶轮胎的表面摩擦力F和铅垂方向的压力P作用。同时，在试件水平方向施加压力Q。从而模拟实际路面材料多轴受力状态，使得试件承受压缩、拉伸、剪切的交互作用。

2.3 试验步骤

（1）试件制作。采用击实法、静压法或旋转压实法制作的圆柱体试件；或在轮碾法制作的板块状试件中钻取的圆柱体试件；或在路面中钻取圆柱体的芯样。

（2）安装试件。将试验室的环境温度控制在试验温度±0.1 ℃范围内。加载前，保温时间为90～120 min。

（3）水平方向加载。通过水平加载油缸对试件施加水平方向拉伸或压缩荷载。

（4）铅垂方向加载。通过铅垂方向加载装置在橡胶轮上施加荷载，从而在试件中部上方施加铅垂方向荷载。

（5）启动橡胶轮驱动马达，使得橡胶轮单向旋转，转速为1～100 r/s。

2.4 试验结果的分析与讨论

试件转动一定次数后，量测试件中部加载位置的直径，计算直径变化率。加载后试件中部直径的变化百分率计算公式为：100%×加载一定次数后加载位置试件直径/加载前试件直径。

同时，量测试件长度，计算加载后试件长度的变化率。加载后试件长度变化百分率计算公式为：100%×加载一定次数后试件长度/加载前试件长度。

教学过程中，共15位同学参与该项试验，分为3组，每组5人（表1）。

3 教学效果

采用研究性教学方法，有助于把学生纳入教师的科研项目，驱使学生调查研究，组织讨论会，分析问题，解决问题，完成工作任务。

授课教师与同学们一起通过该试验项目掌握了实际路面材料的受力状态，并创新性的设计了“沥青混合料多轴加载试验”方法。依托研究成果申报了2项实用新型专利和2项发明专利。在国外SCI源刊投稿论文2篇。

4 结语

研究性教学是一种符合工程能力培养规律和综合素质形成逻辑的教学组织形式和教学方式，得到“卓越工程师教育培养计划”的大力提倡和着力推广。本文着重介绍采用研究性教学方法进行土木工程专业道路工程方向的一项探索性试验设计过程及其效果。主要结论如下。

（1）采用研究性教学方法，与教师的研究课题相结合，将土木工程专业实验教学中部分传统的验证性实验改革为探索性实验是培养和提高学生创新能力的重要举措。

（2）开展探索性实验有利于调动学生参与教师研究课题的积极性和主动性，对他们今后开展研究工作具有重要帮助。

（3）开展探索性实验活动过程中，为了引导学生提出问题、分析问题和解决问题，也对教师的理论水平和实践经验提出了更高的要求。

参考文献

[1] Ellet，William.The Case Study Handbook[M].Boston：Harvard Business School Press，2007.

[2] 赵洪.研究性教学与大学教学方法改革[J].高等教育研究，2006，27（2）：71-75.

[3] Hmelo-Silver，Cindy E."Problem-Based Learning：What and How Do Students Learn？[J].Educational Psychology Review，2004，16（3）：235.

[4] Schmidt，Henk G，Rotgans，Jerome I，Yew，Elaine HJ.The process of problem-based learning：What works and why[J].Medical Education，2011，45（8）：792-806.

[5] Hung，Woei.Theory to reality：A few issues in implementing problem-based learning[J].Educational Technology Research and Development，2011，59（4）：529.endprint

基于问题的学习的主要教学过程包括提出问题、分析问题、形成假设、验证假设、修正假设。

2 土木工程探索性试验设计

近年来华南理工大学开展了“探索性实验”教学项目建设工作，引导教师将科研项目成果转化为计划内实验教学内容，从而深化实验教学内容和体系改革，推进实验室开放共享；通过科研与教学融合，切实促进学生实践创新能力的培养。

下面介绍用研究性教学方法设计所申报的“探索性实验”教学项目“沥青混合料多轴加载试验”。

2.1 提出问题

最新版的《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20-2011）中沥青混合料的试验方法主要包括：单轴压缩、单轴拉伸、小梁弯曲和劈裂试验等。试验过程中，沥青混合料试件处于单轴或双轴应力状态。而实际沥青路面中，沥青混合料处于多轴受力状态，承受压缩、拉伸、剪切的交互作用。因此，现有沥青混合料的试验装置与方法无法模拟实际沥青路面材料的多轴受力状态。

2.2 分析问题

为了模拟实际沥青路面材料的多轴受力状态，采用如图1所示的试验装置。通过转动的橡胶轮胎带动圆柱体试件转动，试件受到橡胶轮胎的表面摩擦力F和铅垂方向的压力P作用。同时，在试件水平方向施加压力Q。从而模拟实际路面材料多轴受力状态，使得试件承受压缩、拉伸、剪切的交互作用。

2.3 试验步骤

（1）试件制作。采用击实法、静压法或旋转压实法制作的圆柱体试件；或在轮碾法制作的板块状试件中钻取的圆柱体试件；或在路面中钻取圆柱体的芯样。

（2）安装试件。将试验室的环境温度控制在试验温度±0.1 ℃范围内。加载前，保温时间为90～120 min。

（3）水平方向加载。通过水平加载油缸对试件施加水平方向拉伸或压缩荷载。

（4）铅垂方向加载。通过铅垂方向加载装置在橡胶轮上施加荷载，从而在试件中部上方施加铅垂方向荷载。

（5）启动橡胶轮驱动马达，使得橡胶轮单向旋转，转速为1～100 r/s。

2.4 试验结果的分析与讨论

试件转动一定次数后，量测试件中部加载位置的直径，计算直径变化率。加载后试件中部直径的变化百分率计算公式为：100%×加载一定次数后加载位置试件直径/加载前试件直径。

同时，量测试件长度，计算加载后试件长度的变化率。加载后试件长度变化百分率计算公式为：100%×加载一定次数后试件长度/加载前试件长度。

教学过程中，共15位同学参与该项试验，分为3组，每组5人（表1）。

3 教学效果

采用研究性教学方法，有助于把学生纳入教师的科研项目，驱使学生调查研究，组织讨论会，分析问题，解决问题，完成工作任务。

授课教师与同学们一起通过该试验项目掌握了实际路面材料的受力状态，并创新性的设计了“沥青混合料多轴加载试验”方法。依托研究成果申报了2项实用新型专利和2项发明专利。在国外SCI源刊投稿论文2篇。

4 结语

研究性教学是一种符合工程能力培养规律和综合素质形成逻辑的教学组织形式和教学方式，得到“卓越工程师教育培养计划”的大力提倡和着力推广。本文着重介绍采用研究性教学方法进行土木工程专业道路工程方向的一项探索性试验设计过程及其效果。主要结论如下。

（1）采用研究性教学方法，与教师的研究课题相结合，将土木工程专业实验教学中部分传统的验证性实验改革为探索性实验是培养和提高学生创新能力的重要举措。

（2）开展探索性实验有利于调动学生参与教师研究课题的积极性和主动性，对他们今后开展研究工作具有重要帮助。

（3）开展探索性实验活动过程中，为了引导学生提出问题、分析问题和解决问题，也对教师的理论水平和实践经验提出了更高的要求。

参考文献

[1] Ellet，William.The Case Study Handbook[M].Boston：Harvard Business School Press，2007.

[2] 赵洪.研究性教学与大学教学方法改革[J].高等教育研究，2006，27（2）：71-75.

[3] Hmelo-Silver，Cindy E."Problem-Based Learning：What and How Do Students Learn？[J].Educational Psychology Review，2004，16（3）：235.

[4] Schmidt，Henk G，Rotgans，Jerome I，Yew，Elaine HJ.The process of problem-based learning：What works and why[J].Medical Education，2011，45（8）：792-806.

[5] Hung，Woei.Theory to reality：A few issues in implementing problem-based learning[J].Educational Technology Research and Development，2011，59（4）：529.endprint