土木工程专业全过程递进式实验教学内容体系构建与实践

2020-09-01 08:22马立国刘继良
高教论坛 2020年8期
关键词:全过程构件钢筋

马立国,刘继良

(烟台大学 土木工程学院,山东 烟台 264005)

一、背景

2011年烟台大学被教育部批准为全国第二批“卓越工程师教育培养计划”高校,2013年烟台大学土木工程专业入选“山东卓越工程师教育培养计划”项目,并与2019年12月烟台大学土木工程专业入选山东省省级一流本科专业建设点。2016年,国家发改委、教育部、人力资源和社会保障部联合启动实施职业教育产教融合发展工程规划项目,“十三五”期间推动具备条件的普通本科高校向应用型大学转变,打造建设一批高水平应用型大学,烟台大学入选。无论卓越工程师计划项目还是建设应用型大学计划项目的目标都是培养适应社会发展的高级应用型工程技术人才,紧密结合区域地方特色,注重学生实践能力,培养应用型人才;教学体系建设中要体现“应用”二字,其核心环节是实践教学,必须加强实践教学改革,提高学生的工程意识、工程素质和适应各种工程实践需求的能力。山东省2016年发布了《山东省教育厅关于加强普通本科高校实践教学工作的通知》,烟台大学之后根据其精神于2017年10月发布了《烟台大学关于加强实践教学工作的意见》讨论稿。2017年烟台大学土木工程专业顺利通过了住建部组织的专业认证(原专业评估),认证的理念就是以学生为中心,目标为导向和持续改进,本专业目标之一为培养学生较强的工程实践能力和创新能力,这都需要通过加强实践教学及其教学改革达成,在培养方案修订的过程中加强实践环节使实践学分在总学分中所占比例要求不低于30%。2018年教育部推出了“六卓越一拔尖”计划,号称“卓越工程师教育培养计划”2.0版本,并在2019年推出了“双一流专业”建设的双万计划,即建设一流专业为目标,实施一流专业建设,建设一万个国家级一流本科专业点和一万个省级一流本科专业点。其中重要的目标之一是坚持以学生为中心,促进学生全面发展,有效激发学生学习兴趣和潜能,增强创新精神、实践能力[1]。土木工程作为实践性非常强的专业,创新精神和实践能力为培养学生目标中的重中之重,就需要在实践环节中进行有力改革来达成。

二、土木工程专业实验教学的主要问题

土木工程专业课程设置非常严谨,课程与课程之间紧密关联,并存在合理的前后关系,前序课为后续课的基础,学生必须依据一定的先后顺序进行学习,循序渐进,体现出较强的理论教育系统性。在传统的土木工程专业教学中存在重学轻术的思想,课程中包含的或单独开设的实验课教学中存在各种各样的问题,而且较为普遍。例如实验体系保守、实验内容陈旧、教学模式呆板、知识不连贯,实验很多依据理想化的假设,与工程实际严重脱节[2];实验环节之间相互孤立,不成完整的体系,缺乏连续性,获得专业知识不能前后融会贯通;实验教学方式主要为填鸭式灌输性教学方式,实验内容固定而单一,多为演示性、测试性或验证性实验[3];学生缺乏自主性基本处于被动的地位,即使设计性实验存在的问题为具体的实验设计基本由指导教师全权负责,学生在实验中仅仅是重复教师预设的动作甚至不能独立操作实验仪器或设备[4];实验中学生分组人数较多,部分学生不能真正地得到实验课的锻炼,只是流于表面地了解实验内容和仪器,离实验课的设定目标相差较远;开放性实验也基本为各课程中原有实验内容简单翻新,缺乏创新性。

对于实践性强的专业,教育界学者在教学中越来越注重实践能力的培养,在教育中对实践教育理念、培养目标、教学内容、教学模式等方面的改革做了大量的探究[5]。实验教学是其中重要组成部分,目前土木工程专业实验内容方面中传统的实验教学存在较多的问题,普遍认为传统实验内容陈旧、固定单一,多为演示性或验证性实验,学生在实验中基本处于被动地位[6]。根据以上情况,国内外的学者在实验教学方面做了各种努力与尝试,将实验内容更新为设计性或综合性实验、研究型创新实验、项目驱动实验和开放性实验等[7],取得了较好的效果,但整个实验教学中的各门课程实验尽管有了较大的革新,还基本处于相互孤立的关系,没有很好地衔接起来,实验教学内容设置其实和课程教学设置一样,也有前后顺序,前一个是后一个基础,建立连续型体系涵盖多课程、虚拟实验和实体实验相结合的全过程递进式实验内容体系非常有必要。

三、土木工程专业全过程递进式实验教学内容体系构建与实践

根据土木工程专业中各个含有实验的课程之间前后关系和衔接点,与相关指导教师讨论更新为综合性实验模块涵盖原有的陈旧的演示性或验证性等实验;设置要求模块间不是相互孤立的,前一个实验模块为后一个模块的基础,层层递进、环环相扣;指导学生独立思考,自行设计相互关联的实验思路。考虑以上各项因素将土木工程专业的实验课建成前后衔接的递进式实验体系,涵盖材料、构件到结构实验模块,主要牵扯到的课程包含土木工程材料、混凝土结构设计、土木工程施工、建筑结构检测技术、土木工程结构实验、工程造价分析、BIM建筑信息化管理等,从实际动手操作仪器设备到独立完成设计、实验、结构分析到虚拟建模进行造价、进度和受力分析等,基本涵盖土木工程专业混凝土结构应用全过程。基本思路见下图。

土木工程专业在房屋设计中常用的钢筋混凝土结构形式,各科课程实验中均牵扯到钢筋混凝土结构建造全过程的相关内容,在实验教学体系中设置递进式的三大模块,分别为材料实验模块、构件实验模块和结构实验模块。材料实验模块主要为建筑材料中的结构材料钢筋混凝土组成材料、设计和性能测试相关实验,包括密度、表观密度和堆积密度,水泥的细度,标准稠度用水量、体积安定性、水泥强度实验、混凝土配合比设计实验、坍落度实验、体积密度实验、强度实验、耐久性实验、钢筋的拉伸性能和冷弯性能测试等;构件实验模块的实验主要为混凝土梁的实验,包括少筋量、超筋梁和适筋梁实验,实验过程涵盖钢筋的绑扎,模板的加工固定和混凝土浇筑、振捣、养护和性能测试实验等工序;结构实验模块为虚拟建筑模型建立和相关分析,可以采用BIM相关软件,例如PKPM、盈建科等结构建模计算软件等,广联达BIM5D软件可以用来分析造价、进度等相关信息,或者Revit等BIM软件结合VR平台实现施工工序的可视化、建筑模型的漫游和碰撞检查等。第一个模块设置材料实验模块为后续施工和结构设计提供基本技术参数,其中混凝土配合比设计为综合性实验,其他主要为测试性实验,经过性能测试调整后的混凝土配合比应用于第二个模块;第二个模块为构件实验模块,构件试件为钢筋混凝土梁,内容包括少筋梁、适筋梁和超筋梁实验,梁试件制作涵盖钢筋的绑扎、模板的固定、保护层厚度的控制、第一模块确定配合比的混凝土的浇筑、振捣、拆模和养护等,标准养护28天后,混凝土强度无损检测,梁受弯破坏的全过程实验,少筋梁、适筋梁和超筋梁破坏形式对比等分析钢筋等配置、构件的尺寸设计等。第三个模块结构试验模块为房屋建筑信息模型整体仿真实验,包括结构分析、成本、合同和进度等控制以及整体结构分析和碰撞检查等,采用虚拟仿真建模,可以为工程项目提供数据支撑,实现有效决策和精细管理,从而达到减少施工变更,缩短工期、控制成本、提升质量和保证安全的目的;采用的建筑信息模型的参数由第一实验模块和第二实验模块确定提供。土木工程专业全过程递进式实验模块设置详见下表。

图 土木工程专业专业全过程递进式实验教学内容体系创建思路

表 土木工程专业全过程递进式实验模块

第一个模块材料实验模块中,水泥材料的密度、表观密度、凝结时间和安定性实验等均为测试性试验,验证水泥是否符合国家规范的要求;石子和砂等表观密度、堆积密度、砂石筛分实验等均为测试性试验,为后续混凝土配合比设计计算提供技术参数,混凝土配合比实验为综合性实验,配制的混凝土要满足和易性、强度、耐久性和经济性的设计要求,在实验过程中需要根据实验结果进行合理的调整水胶比、砂率、单位用水量和外加剂的用量等参数来优化配合比,需要大量的实验尝试调整;钢筋的拉伸实验为测试性实验,可以确定其弹性模量、屈服强度和抗拉强度以及断后伸长率等参数。第二个模块构件实验模块中,主要为受弯构件钢筋混凝土梁的实验,其中混凝土的配合比采用第一模块优化后的配合比和原材料配制,梁的钢筋指标采用第一模块测试的力学性能指标,钢筋的配置需要梁的正截面受弯和斜截面抗剪等计算获得。实验内容具体为钢筋的绑扎,掌握钢筋的数量确定、箍筋的弯折,使用扎钩、扎丝绑扎固定钢筋,模板固定、保护层厚度控制,混凝土浇筑时振捣密实,梁拆模后需要到标准养护室进行养护,在梁两侧需要预埋吊装件方便行吊移动梁试件,养护结束后在梁表面粉刷石灰水并在表面绘制方格网,在梁受弯性能实验过程中可以清楚描述梁裂缝的位置。第三个模块结构实验模块主要为建筑信息模型,其中部分梁构件的设计信息和第二模块的构件梁的设计信息一致;建立的模型既涵盖了结构模型进行受力分析和结构配筋,又可以通过模型核算工程量进行造价分析,还可以展示三维施工进度以及进行三维虚拟现实漫游。

四、结语

聚焦土木工程专业实验教学内容改革,解决实验教学中各实验课程孤立、知识体系不连贯等问题,建立全过程递进式实验内容体系,使前后实验模块循序渐进,在此过程中可以培养学生独立设计能力、综合分析问题和解决问题的能力。土木工程专业的实验课设置前后衔接的连续型综合实验,涵盖材料、构件到结构实验模块,牵扯的课程包含土木工程材料、混凝土设计原理、土木工程施工、建筑结构检测技术、土木工程结构实验、造价分析、BIM建筑信息化管理等,从实际动手操作仪器设备到独立完成设计、实验、结构分析到虚拟建模造价、进度和受力分析等,基本涵盖土木工程专业混凝土结构应用全过程。实践证明,该实验教学内容体系具有整体提升学生专业素质的效果,可以在土木工程专业高年级实验教学中进行推广。

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