基于工程教育认证的土木工程专业实验教学改革与实践

黄正均, 苗胜军, 张 磊, 刘彩平, 刘 钰, 张 栋

(北京科技大学 土木与资源工程学院, 北京 100083)

工程教育专业认证是工程教育学位和工程师执业资格国际互认的基础要求和前提条件。《华盛顿协议》是国际上最具权威和影响力的工程教育学位互认体系[1],2013年我国成为该协议第21个观察成员国,2016年成为第18个正式成员国,对我国工程类后备人才的培养具有重要作用,标志着我国向工程教育国际化迈出重要步伐[2-6]。土木工程专业作为北京科技大学的特色新兴专业之一,于2016年6月顺利通过了住建部专业评估委员会组织的现场考查评估,并获得3年有效期。同时,专家组对评估中发现的问题提出了改进建议。

本文从我校土木工程专业的特色和实际出发,并结合认证专家组所提意见和认证要求,对本专业实验教学体系进行梳理改进,使其与专业认证要求、我校土木工程专业办学定位及人才培养目标更相符合,并力争在2019年的专业认证复评工作中取得更好成绩。

1 专业认证要求和专家组建议

1.1 基本要求

住建部颁布的《全国高等学校土木工程专业评估(认证)文件》中,对土木工程专业评估(认证)从学生发展、专业目标、教学过程、师资队伍、教学资源等方面列出了7个一级指标,25个二级指标,67个观察点。其中包括工程教育专业认证通用标准,主要从学生、培养目标、毕业要求、持续改进、课程体系、师资队伍、支持条件等7个方面进行了系统阐述；并结合土木工程专业特色和行业需求,从课程体系、师资队伍和支持条件等3个方面作出了更为详细的补充标准[7-8]。专业认证详细标准如图1所示。

图1 土木工程专业评估(认证)标准

补充标准中尤其对毕业要求和对复杂工程的定义做了特别阐释[7]。在关于研究能力的毕业要求中特别提出,要“能够基于科学原理、采用科学方法对土木工程专业的复杂工程问题进行研究,包括设计实验、收集、处理、分析与解释数据,通过信息综合得到合理有效的结论并应用于工程实践”,对土木工程专业实验实践教学提出了特别要求。

1.2 对实验教学部分的要求

上述专业评估(认证)标准和指标体系中,每个一级指标均对实验课程体系相关部分有所要求,尤其是专业目标、教学资源、教学过程几个指标。如教学过程中的实验实践环节,教学资源中的教学设施等,对实验课程的内容及教学过程、方法、实验设备、场地等均有详细要求说明[7]。

(1) 专业目标中能力要求部分。能力要求指标中,“土木工程技术基础应用的能力”和“解决工程实际问题的能力”两个观察点,均涉及相关实验教学、实验能力培养方面的阐述。其中,实验和计算分析能力要求“具有制定土木工程技术基础实验方案、独立完成实验的能力,对实验数据进行整理、统计和分析等能力”。

(2) 教学过程中实践环节部分。整个实践环节指标全部为对实验教学的要求描述,如:实验实践教学安排合理、重视与工程实际的结合、严格按照教学大纲安排实践教学环节、有完善的考核制度、指导教师应具有实践教学经验、配备的教师人数应满足分组指导的要求等,同时还要求能为学生提供课外自主实验的条件和有效指导。

(3) 教学资源中教学设施部分。教学设施中专门针对实验室资源设置了观察点,要求具备大学物理、化学、计算机、测量、力学(工程力学、流体力学)、材料、土工、结构等实验室；要求实验设备、仪器完好,场地面积和设备台套数能满足实验教学的分组要求,操作型实验分组应满足人人动手的要求；实验标准符合现行工程规范要求等。

1.3 初评专家组改进建议

2016年5月底的专业认证现场评估过程中,专家组针对我校自评报告和现场考查情况,对我校专业实验教学相关部分提出了部分改进建议。比如,实验多为基础类实验项目,建议增加设计类、创新类项目；实验室教师偏少,不利于实验教学；实验设备的台套数略显不足；实验室缺少场地规模；操作类实验分组人数不满足人人动手要求；实验教学质量监控体系效果不明显等。并建议在下一个评估周期之前进行有效改进。有鉴于此,针对上述建议对实验教学相关内容进行改进建设已势在必行。

2 基于专业认证的实验教学改革

2.1 整合实验教学资源,改善实验教学条件

实验教学资源主要包括实验教学场地、仪器设备、标准方法等,优质的实验教学资源,可以保障优质的实验教学过程和教学效果。专业认证标准中要求具备物理、化学、力学、材料、土工和结构等实验室,以及功能齐全、设备完好和台套数足够的仪器设备。为此,我们整合了学校相关的实验教学资源,分为自然科学基础实验和学科专业实验两大类,包括场地、设备和标准方法等。

其中物理、化学、数学、力学和电工电子实验等,主要依托学校自然科学中心、数理学院、化生学院等院系中心的实验室进行,实验场地面积充裕,仪器设备功能齐全、台套数充足,且具有完善的实验标准和操作规程。

专业实验主要依托学院土木实验室、地质实验室和机械学院流体实验室等进行,设有独立的建材实验室、土力学实验室、岩石力学实验室、测量实验室、地质实验室、流体力学实验室等12个专业实验室,整合教学科研全部相关设备,利用修购建设、科研经费等渠道购置新的实验设备,并加大对结构方向的投入力度,满足设备功能、台套数等相关要求[9-10]。

此外,实验室和系所课程负责人每年定期更新与各实验课程相关的实验方法、标准,全部与现行的国际标准、国内标准相吻合。同时引入科研领域部分先进的实验方法,以体现实验教学资源丰富性、设施完备性和方法前沿性的要求(见图2)。

2.2 构建科学合理的实验教学课程体系

根据我校土木工程专业的特色优势及初评过程中专家给出的改进建议,同时对照《高等学校土木工程专业指导规范》和评估标准要求,系里组织校内外专业和行业领域部分专家论证,并结合学校2017版教学计划修订工作,对原有实验教学课程体系进行重新修订,将以理论为核心的教学体系重新构建为以实践为导向的实践教学体系。

图2 土木工程实验教学资源组成

行业内专家学者根据社会经济发展的新形势、新需要以及科技发展的新成果,提出了科学合理的实验教学计划制定方案,设置具有层次性、渐进性和可操作性的实验教学内容,完善实践教学体系[11-13]。据此,将本专业原有实验课程累计18门、204学时(包括基础类和专业必修、选修类),整合调整为通识类、学科平台类、专业核心类、专业选修类和独立实验课程类5大类,共14门、220学时的实验教学课程体系,另有上机类实验教学课程3门、36学时。

改革后的实验教学课程体系见图3。其中,原有土力学和土木工程材料实验合并扩容为土木工程基础实验,并增设综合创新型、自主设计型课程设计。

图3 土木工程实验教学课程体系

2.3 完善实验教学内容,形成多种模式相结合的教学形式

根据土木工程专业实验实践单元和知识技能要求,以及认证专家组建议和专业规范要求,并结合我校土木工程专业特色定位,在2017版教学计划中对实验教学内容重新进行梳理完善。根据规范要求和教学需要,对实验内容和实验大纲进行重新编写,优化配置实验学时,修订实验教材或指导书等。

自然科学基础类和通识类实验与专业规范要求内容全覆盖,学科平台类实验项目继续保留了我系特色的岩石力学实验项目(国家级精品课程),并在原有8项岩石物理力学性质实验的基础上,新增了水理性质、多场耦合、声发射等前沿性实验项目,作为介绍和创新类教学内容。

“工程地质学”和“混凝土结构原理”两门专业核心类实验教学课程继续保留在课堂课程中,但除原有实验内容外,还新增了GIS地理信息技术和遥感图像解译、混凝土无损检测技术等实验内容。

原有“土力学”和“土木工程材料”两门学科基础实验,合并扩容为土木工程基础实验,实验内容在原有基础上新增配合比设计、沥青混合料实验等4项内容。

原有16学时的“土木工程测试技术与方法”实验课程扩容为32学时的“土木工程测试技术与专业实验”,在原有钢桁架静载实验、应变测试技术、桥式电路连接等内容基础上,新增长短柱实验、十字节点实验和结构工程智能安全监测实验、基础工程智能安全监测实验、结构工程虚拟实验教学等内容。

此外,还保留并新增众多专业选修和上机设计类实验内容,如“土木工程勘测实验”新增电法物探、静力触探等原位实验内容,极大地丰富了专业实验教学内容,使我专业的实验教学不但满足工程教育认证标准,还与社会发展和建筑工程行业需求相契合,对培养学生解决土木专业“复杂工程问题”能力和创新能力极具促进作用[14]。

同时,我们利用即将建成的AI结构虚拟实验教学平台,将结构类实验教学项目通过虚拟环境,使学生完成实验原理预习、过程操作、结果分析等工作,从而节省实际操作时间,提高效率,并达到以学生为中心、提倡自主学习的目的。

利用“岩石力学与工程”国家精品课程平台,将实验教学部分内容录制为数字视频,并网络共享至学校和国家精品开放课程共享平台,实现了实验教学的数字化和网络化,将传统的“面授式”实验教学模式转变为自主型、在线式教学模式[15-16]。

通过上述教学方式改革,将实验教学过程从传统的面授式教学与AI虚拟技术教学、数字化教学、网络化在线教学等模式相结合,丰富了实验教学形式,对发挥学生主观能动性、促进学习自觉性和提高学习效率等具有积极意义。

2.4 加强实验教学过程指导和师资力量建设

所有列入教学计划的实验教学课程和项目,均已或即将全部开出(17版计划尚未完全到达执行年度),并严格按照或优于专业规范和认证要求,进行分组操作和指导。

鉴于部分教学实验场地面积有限,而专业学生班级和人数较多(约4个班130人/级)的情况,部分实验教学采取分组、分批次进行方式,以保证全部实验项目均满足3～5人/组、5～7人/组,最大分组人数7～15人(岩石三轴实验等)。

实验教学过程由专职实验教师和课程主讲教师共同指导,当部分项目分组较多时,适当引入科研和相关实验经验丰富的高年级博士生参与辅助指导,实现了实验教学过程中学生分组与指导教师一对一。

完善的实验教学体系必须有专业知识扎实、实践经验丰富的师资队伍作保障。我校土木工程专业采用内部培养、外部引进、以老带新等方式,培养建立了专业的实验教师队伍。现有专职实验教师4人,另有2位退休返聘的实验教学领域优秀教授。同时,系所各专业课程理论课堂主讲教师,以及部分专业实验经验丰富和能力出色的高年级博士生,也都参与到实验教学指导过程中,共同组成了土木专业实验教学师资队伍。他们定期到本专业其他高校和行业内知名企业、研究院所等进行交流学习,以提高实验教学的业务能力,促进我专业实验教学工作稳步开展和提高教学效果[9,17]。

2.5 完善实验教学保障体系和评价机制

目前,学校对课程理论教学部分的保障和评价机制较为完善,教务处和院系均有教学督导组和评课系统对教学过程和效果进行监控管理,但实验实践教学专业性强,由校、院进行统一的监督评价较为困难。

为此,我系联合学院实验中心、土木专业实验室,成立了以系主任为组长,教学副主任、实验中心主任为副组长的实验教学督导组,制定科学合理的实验实践教学、实习设计等质量评价标准。评价标准由学生、教学督导组、教师同行、实验室教师、用人单位等共同参与制定,并采用问卷调查的形式,对各课程的实验教学过程、教学方法、教材选用、教学效果等进行监控评价[1,9]。

3 结语

土木工程专业行业特色明显,评估标准较其他专业更高,尤其在实验实践教学部分。作为我校较早启动和通过评估的专业之一,我院于2016年通过首次评估认证,对专业发展和人才培养起到了极大促进作用。本文结合专业认证标准要求及首评过程中的专家建议,对本专业实验教学体系进行了较为系统的改革。通过整合实验教学资源、改善教学条件、重新构建教学课程体系、完善教学内容、改革教学模式、强化教学过程指导和保障评价机制等措施,使其与我专业“立足首都,面向全国,服务于建筑、交通、矿业及城镇基础设施建设,培养基础扎实、专业面宽、具有实践能力和创新精神的应用研究型工程技术人才,建设特色突出、国内一流、国际知名的土木工程专业”的专业定位更为契合,并力争在即将迎来的2019年专业认证复评工作中取得更好成绩。