学生全过程参与“钢筋混凝土结构”教学实验探索

王立成

(大连理工大学 建设工程学部, 辽宁 大连 116024)

“钢筋混凝土结构”是土木、水利类专业中最为重要的技术基础课程。学习本课程的主要目的是掌握钢筋混凝土结构构件设计计算的基本理论和构造知识,为学习有关专业课程和顺利地从事钢筋混凝土建筑物的结构设计打下牢固的基础。该课程是一门实践性和实验性都非常强的技术课,要求学生既要掌握课堂上讲授的基础理论知识,又要综合考虑材料、施工、经济、构造细节等各方面的因素[1]。而上述这些因素的学习和掌握仅靠课堂教学和教师的讲解是远远不够的,必须鼓励学生努力参加实践工作,通过学生的亲自动手,大胆探索，逐步掌握对各种因素的感性认识,提高综合分析问题和解决问题的能力[2]。

随着教育教学改革的深入,如何在学时不断减少的情况下,让学生对专业基础课的基本理论和工程应用实践有较深刻的认识和理解,并融传授知识、培养能力、提高素质为一体,为国家建设培养出高质量的人才,已经成为摆在高校专业课教师面前的一个首要任务。由于钢筋混凝土结构课程的性质和学生知识水平的限制,钢筋混凝土结构课程教学对实验的依赖性很强,实验教学普遍被认为是提高钢筋混凝土结构课程教学质量的关键环节[3-4]。然而长期以来,受实验室场地、学生人数以及认识上的制约,从教师到学生对实验教学普遍重视不够,没有有效发挥实验教学对提高学生创新能力培养的积极作用。因此,笔者在为水工、港工专业开设和指导钢筋混凝土结构课程教学实验过程中,着手进行这方面的教学改革和实践。经过多年的尝试, 摸索出了较为行之有效的教学实验方案,得到了学生普遍的接受和欢迎,并且在全院土木工程、工程管理专业进行了推广和实践,收到了良好的效果。

1 转变实验教学观念,强调学生参与

1.1 课堂教学中实验思想的渗透

该课程教学实验改革的指导思想是:转变实验教学观念,改革过去以教师讲授、学生观察为主的实验模式,变成以学生为主体,强调学生的参与意识、动手能力和创新意识,加强应用性和综合性能力的培养,着眼于建立学生知识应用能力和实验动手能力培养体系。钢筋混凝土结构课程教学实验题目为: 钢筋混凝土简支梁正截面破坏实验; 实验内容包括:观测正截面应变分布、验证平截面假定,观察裂缝的出现及开展、挠度变化及破坏特征等。

在传统的教学实验模式中,从实验试件的设计、制作,以及试件的安装就位、量测仪器的布置和安装,全部是由实验技术人员在学生进入实验室之前完成的,没有学生参与其中[5]。因此,在实验过程中,学生只是记录了大量由实验仪表读取的实验数据,至于这些数据有哪些特点,是否有异常现象,如果出现异常,原因是什么,或者说由于试件的加工制作、安装定位等环节中哪些不当操作造成的,这些问题学生几乎无法想到,更不用说给出合理的解释和回答。常言道,“授人以鱼,不如授人以渔”。因此,笔者在实验课的准备、上课以及数据资料的整理过程中,始终贯彻这一思想,不是简单地告诉学生这是什么,应该学习什么,而是给出实验要完成的主要内容,至于采取的实验方法、采用的技术措施则完全由学生自己设计、实现。当然,为使学生能够有章可循,将《混凝土结构试验方法标准》(GB50152)、《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T50081)的内容提供给学生,通过阅读和学习这些相关的标准,可以在很大程度上拓宽学生的知识面,让学生了解和掌握简单的结构实验的主要过程和方法,这就是力图教给学生最简便实用的“捕鱼”方法。

1.2 强调每一个实践环节的参与性

钢筋混凝土是一种由钢筋和混凝土组成的复合材料,而混凝土又是由砂子、水泥、石子和水等形成的一种人造石材,因此钢筋混凝土结构的力学性能非常复杂,或者用我们常讲的一句话说“其离散性非常大”。这些概念对于一个大三的学生来说,是非常模糊的,他们中的大多数人几乎没有深入工地现场一线的经历,即使有过认识实习,也只是走马观花,根本不知道应该看些什么、了解些什么。在教学中就遇到过,有的学生对于箍筋的形状以及与纵向钢筋的绑扎问题就感到十分费解,多次提出同一个问题,在解释不通的情况下,笔者带学生到正在制作钢筋混凝土试件的现场,当学生看到实物并观察了绑扎制作的过程以后,才表示真正明白是怎么回事了。从这个例子中,可以看出,学生在对课堂知识有了一定的了解和学习之后,非常迫切地希望能真正看到或者亲自参与到这些实践环节中去,去消除长期困扰他们的疑问并深入理解和体会课堂所学的基础理论知识。而实践环节的加强和扩展,又会相应地促进理论知识的学习,二者是相辅相成,缺一不可的。因此,在教学过程中,争取做到让每名学生都能够亲眼看到一根钢筋混凝土梁浇筑的全过程,了解浇筑养护以及实验安装的步骤和细节[6-7]。

在指导水工、港工专业钢筋混凝土结构课程教学实验过程中,始终强调并贯彻全部实验均由学生亲自动手完成,教师仅起到检查和指导的作用,要求学生根据实验要求能独立完成自己的实验方案设计和实验计划,并以班级为单位进行讨论。在确定了实验计划以后,就要根据实验计划进行实验的早期准备工作[7]。由于这里面涉及的工作较多,几乎需要一个班级中的每位学生参与。比如要制作试件,就要购买材料,需要学生根据实验试件的数量,确定购买的钢筋、砂子、水泥、石子等的品种、数量以及应该怎样购买。这一过程看似与实验本身无关,实际上却能够大大锻炼学生的社会实践能力和解决实际问题的能力；另外学生到了建筑材料市场以后,面对五花八门的建筑材料,还能够开阔眼界,扩大知识面。当然,这些事情都是要求学生利用课余时间完成的。

2 鼓励学生勇于尝试,培养动手能力

在整个实验教学过程中,把培养学生的自学能力、分析和解决实际问题的能力作为一项重要的任务贯穿其中。针对目前大学生中普遍存在的动手能力弱的现象,鼓励学生在实验设计、试件制作以及实验过程中敢于提出自己的思路和设想,并尽可能地去尝试[7]。如有位学生提出,在实验中采用的钢筋是软钢,也就是有明显屈服点的钢筋,那么它与硬钢,即没有明显屈服点的钢筋,从书本上学习知道其应力-应变关系是明显不同的,但是真正做实验是否真的如此呢？该学生希望能通过实验进行验证。于是找来了具有硬钢性质的钢筋,由该学生设计了一个对比实验,并向全班学生进行了演示,收到了意想不到的效果。再如,很多学生对混凝土立方体抗压强度和轴心抗压强度的概念不是太清楚,特别是关于实验方法对混凝土抗压强度的影响缺乏感性认识,学生迫切希望能亲手通过实验来理解这方面的知识。虽然这部分内容不属于钢筋混凝土结构课程教学实验的内容,但是为了帮助学生答疑解惑,也专门设计了这样一组对比实验。

该课程教学实验包含了钢筋混凝土结构静载实验的大部分内容，即试件的安装就位、测量仪表的调试、安装以及读数方法等。学生在实验技术人员的指导下独立完成这些工作。当然,在这一过程中出现过很多问题,比如有的学生感觉粘贴应变片(测量混凝土的变形)是件非常简单容易的事,就主动承担了这项工作,可是粘贴完成以后,在接线调试时,却发现调试不通,通过与指导实验的教师讨论、分析后，查找到了问题的原因。最后,不仅问题得到了解决,这些学生还从中学到了很多的知识,而这些知识如果不是通过自己动手,主动尝试,是很难获得的。再比如,学生对于混凝土的裂缝形态以及开裂宽度的概念不是很清楚,因为学生还缺乏足够的实践经验。因此,在实验过程中,让每名学生都尝试采用读数显微镜观测裂缝的形态和裂缝宽度,使学生真正能够从定性和定量两个方面很好地了解混凝土裂缝的特点[7]。图1为学生在采用读数显微镜观测加载时梁侧面的裂缝宽度。

图1 采用读数显微镜观测混凝土裂缝宽度

3 激发创新意识,培养创新型人才

“深化教育改革,全面推进素质教育”是中央的教改精神,这一精神要求我们在实验教学中注意对学生的创新思维能力和实践动手能力进行培养。当代的大学生思维活跃、创新观念强烈,他们有着青年人所特有的勇于尝试、不怕挫折的良好品质,但是传统的教学方法在很大程度上限制了学生主动创新的意识,结果造成学生在学习过程中循规蹈矩、思维意识僵化,过分相信书本和教师的讲解,在实验过程中畏手畏脚,不敢大胆实践和尝试,结果造成学生的创新思想在一定程度上被抹杀。从某种意义上来讲,造成的后果甚至超过了教学实验带来的正面效应。

针对这一现象,笔者在钢筋混凝土结构课程教学实验中,有意识地激发学生的创新意识,告诉学生,只要是你自己的想法、自己的思路,哪怕后来证明是错误的,都不要担心,要大胆讲出来,然后尽可能地采取技术措施去尝试、去实验。例如在一次实验中,根据实验设计应该发生正截面破坏的钢筋混凝土简支梁,却发生了斜截面破坏,有几位学生对此感到非常困惑,提出要重新进行验算分析。指导实验的教师非常支持学生的想法,并与学生一起讨论实验方案。最后形成了统一的思路:将发生斜截面破坏的梁分别测试其混凝土和钢筋的强度等级,并量测相关的几何尺寸,根据构件的真实情况进行验算分析,最后获得了满意的答案。混凝土是一种准脆性材料,混凝土开裂后裂缝宽度难以控制[8],如何准确观测并记录裂缝宽度及其扩展过程,对本科学生来说具有很大的挑战性。图2为学生在观测、描绘混凝土加载时裂缝的扩展过程和扩展路径。这一过程虽然花费了不少的时间和精力,但对学生来说,无疑极大地调动了学生学习的积极性和创造性,更为重要的是激发了学生的创新意识和敢于挑战的勇气。

图2 观察、描绘梁侧面裂缝的扩展过程

有关学生在实验过程中提出有创新性的建议、思想的例子还有很多,笔者和指导实验的教师都进行了一一答复和讨论。

4 撰写实验报告,培养学生科技论文写作水平

实验报告不仅是全部实验过程的总结和实验结果的分析,更体现了每位学生在实验过程中的参与程度[9-10]。除了规定报告必须要包含的内容以外,并不限制内容的篇幅,但要求学生必须按照科技论文的写作规范去撰写。很多学生反映,在这之前他们对于科技论文存在很大的陌生感,甚至感到有一种恐惧感,认为这样的论文必须要工程师、教授或者研究生才能完成。笔者给他们进行了耐心细致的讲解,告诉他们实验报告也是一篇科技论文,这里面也包含着作者的大量的智慧和创新思想,如果实验过程规范、实验数据准确,论文撰写符合要求,完全可以在学术杂志上发表。当然,科技论文写作是一门很重要的学问,不仅要从事科学研究,还必须学会“写科学”,这就要求学生去查阅科技论文的写作要求。因为科技论文有其特有的规范格式,一项好的研究发明,如果不能以规范、合理的形式呈现给大家,其研究成果就得不到大家的公认,更难于推广应用。因此笔者一再强调,通过本次实验报告的撰写,让学生尽可能地掌握科技论文的写作方法和写作技巧,为学生在今后工作中从事科技论文写作打下良好的基础。从学生上交的实验报告(论文)来看,多数学生能够按照科技论文的写作要求,有摘要、前言和结论,有的学生还将摘要翻译成了英文,并且参考文献的写作也比较规范。我们相信有了这样的经历,这些学生如果再撰写科技论文的话,在格式、形式上就不会有太大的问题了。

5 结语

“钢筋混凝土结构”是一门实践性非常强的专业基础课,必须鼓励、引导学生走出课堂,走进实验室,走进施工一线,让学生在观察、动手的过程中主动体会钢筋混凝土结构受力、材料破坏的现象、状态和特征。这样既能培养学生的基础理论知识,又能增加学生的感性认识,特别是能提高学生的实践动手能力。这对学生将来走向工作岗位,尽快适应工作的需要,具有重要的意义。因此,教学实验的改革必须围绕这个宗旨开展下去。通过对这几年的系统改革和实践,已经取得了较好的效果,学生的知识面拓宽了、动手能力提高了。特别是体现在课堂教学上,学生已经不再是被动地接受灌输,而是能够将课堂所学的理论知识与实践结合起来综合地考虑问题,从而提高了课堂教学的效率,收到了事半功倍的效果。