新工科背景下土木工程专业试验课程教学改革——以土木工程材料课程试验为例

李宏斌，宇云飞，孟志良

(河北农业大学，河北 保定 071000)

2016年以来，我国工程教育改革进入快车道，加入了《华盛顿协议》，开展了新工科研究与实践，实施了卓越工程师教育培养计划(2.0)，各项工作紧锣密鼓，层层推进。2017年教育部启动新工科建设工程，以复旦共识、天大行动、北京指南为标志的工程教育改革进入到一个新阶段。教育部2018年6月的成都会议和2019年7月的海口会议，提出把全面振兴本科教育作为新时代高等教育改革发展的核心任务。并提出强化质量意识、掀起质量革命、树立质量品牌、提高本科教育质量的口号。伴随中国经济的快速发展，基础建设投资增大，土木工程技术的发展也日新月异，对土木工程专业毕业生质量要求更高，需要在新工科战略指导下创新土木工程人才培养模式，培养出符合“新工科”内涵要求的专业性人才[1]。为了更好地达成上述目标，需要转变教学理念，以学生发展为中心，以产出为导向，注重学生能力的培养，对土木工程专业教学进行改革，其中包括对传统试验教学模式进行深度改革。

一、土木工程专业试验教学改革的必要性分析

《高等学校土木工程本科指导性专业规范》指出，教学中要以工程实际为背景，以工程技术为主线，着力提升学生的工程素养，培育大学生的工程实践能力和工程创新能力[2]。土木工程专业教育要培养具有扎实的理论基础、较高的工程实践能力及创新能力的高素质人才。而工程实践能力和工程创新能力只有通过高质量的实践教学才能得到培养，因此试验教学作为实践教学的主要组成，应发挥其应有的重要作用。

土木工程专业是具有很强工程实践性的专业，主干专业课程都有配套的试验。试验课程教学是理论联系实际、巩固和提高理论知识理解和掌握的有效途径，试验教学质量决定着实践能力培养目标的达成，进而影响毕业生质量达成度的实现。学生通过试验课所培养的综合能力和操作技术，会转化成就业后的职业能力。基于此，设有土木工程专业的国内工科高校，近几年对土木工程专业的试验教学开展了一些探索研究。但试验课教改多是依附在课程教改中，试验课教改目标也是服务于本课程的达成度要求，试验教学改革不能独立之外，教改措施不能根据试验课程特点自成体系。造成试验教学改革的深入度不足，专业课程之间交叉融合不足，与生产实践和工程技术发展的时代背景脱节，试验教学目标和教学成果呈低阶性。

土木工程专业人才培养方案和教学计划中普遍存在“重理论轻实践”现象，理论教学比重大，试验教学课时严重不足，对试验教学和能力培养达成度的支撑认识不足。试验内容中验证性试验居多，试验教学方法简单，试验管理落后，试验指导教师工程经验不足，试验内容滞后工程技术的发展，试验考核评价不合理。这些问题的存在，直接制约着“新工科”人才培养目标的实现。

在新工科建设背景下，以学习成果为导向、以能力培养为宗旨，对试验教学目标提出了更高的新要求，必须对传统的试验教学模式进行改革，将试验教学任务目标由单一性转变为多重性，以培养学生综合能力为高阶目标，并与现代土木工程技术发展同步。只有以学生的发展为中心，主动适应人才成长规律，建构和整合试验资源，才能为创新型技术人才的培养提供沃土。

经过多年的探索，结合土木工程专业主干课程试验的内容及特点，将传统的验证性试验改革为开放性的设计型、综合型试验，倡导实施自主性试验，实施线上线下混合式试验教学，将有关联的课程试验进行衔接贯通，并引导学生开展以创新发明为目标的研究性试验。基于此，提出了土木工程专业试验课程教改的三层次教学法，并创设贯通性试验模式。下面以土木工程材料课程试验为例，论述试验教学改革措施。

二、土木工程专业试验课程教改的三层次教学法

新工科建设的核心是培养能适应甚至引领未来工程发展需求的复合型创新人才。需要具备创新意识、全球视野、终身学习能力、批判性思维、引领技术进步的想象力和创造力等新素养、新能力[3]。新工科的“新”其内涵在于：新理念、新模式、新体系、新技术等，基于新工科的“新”要求，作为地方院校，结合本校实际情况，主要从试验内容、教学模式、教学技术、管理和评价几个方面深入开展试验教学改革和创新探索。提出了符合土木工程专业发展且具有自己特色的试验教学模式“三层次教学法”。

(一)三层次教学法的特点

1．整合试验内容，打破章节限制。土木工程专业试验课程一般包括若干个试验项目。传统试验教学中，试验内容与讲授章节相对应，相对独立分散，并且难易程度不同。学生在进行试验学习时由于认知能力的限制，导致“只见树木不见森林”，很难将前后章节的知识体系相联系。特别是一、二年级的学生，专业知识体系尚未成型，分析和解决较复杂问题的技术能力和思维能力不足，导致试验教学效果较差，达不到能力培养达成度指标的要求。针对这个问题，将试验内容进行整合，划分为若干个模块。例如土木工程材料试验整合为三大模块，分别是钢筋混凝土模块、砌体模块和沥青混合料模块，帮助学生在知识点间建立联系，更好地对接工程实践。

2．开放实验室，打破课时限制，实施开放性试验。传统试验教学中，试验内容受制于固定课时，为了在指定时间内(通常是两学时)完成试验，不得不“削足适履”，对试验项目进行取舍，致使许多必要试验无法开展。例如水泥体积安定性试验，试件制备约30分钟、养护24小时、沸煮3小时，持续时间超过28小时，受限于课时，不得不放弃。但该试验需要的真正操作时间并不多，其中约27小时属于等待状态，而实施开放性试验，开放实验室，学生自主安排试验时间，就能完成“耗时持久”的试验项目。

为了合理使用试验室资源，提高利用率，对应试验室开放而重新制定了试验室使用制度和试验室管理条例，实施试验申请预约和试验方案审核审批制，做到试验时间、试验空间、试验项目、试验设备、试验指导的全方位开放[4]。

3．简化试验讲授环节，变讲授为指导，强化自主学习，加强预习指导。要真正实现自主性试验，提高试验课的时间效率，必须强化试验预习。传统的试验教学模式是以教师讲授为主体，学生根据要求分组进行试验验证。教师讲解试验目的、仪器设备、试验方法等内容，通常会占用1/4以上的试验课时，不仅缩短了学生试验操作时间，而且学生在短时间内被动接收大量新知识，很难掌握，更谈不上对整个试验操作的理解，无法调动学生对试验的兴趣和探究意识。这种试验教学模式无法满足培养创新意识和科研能力的培养要求，与“以学生为本”，强调学生自主性的教学理念是不相符的。针对以上问题，强化课前预习环节，把课堂讲解变为课前指导。按试验改革目标编写设计型开放式试验指导书，充分利用课外时间，指导学生自主学习仪器设备的使用、操作步骤和数据处理方法。这样，学生进入实验室后自主性开展试验，分工合理，有条不紊，能够顺利完成试验任务。实践证明，有效的预习是开放式自主性试验的前提保障。

4．借力网络新媒体技术，实现线上教学指导和远程管理。试验技能学习不同于书本知识学习，单凭文字图片很难学会。全媒体时代，指导教师应发挥新网络媒体的优势，创新性运用网络媒体技术指导学生，挖掘网络资源，制作试验视频，建设课程资源库，让学生自主学习设备仪器使用方法、试验步骤。师生间通过QQ、微信进行个体化即时交流，通过学习通、腾讯会议或腾讯课堂、雨课堂实现线上教学，变课上集中讲解为课前课中远程指导。

由于开放性试验的试验用时的不确定性和个性化的试验方案各异，指导教师和实验室管理人员全天候现场指导管理是不现实的。利用即时通讯软件和摄像器材，学生拍摄试验过程、试验现象，同步传送给指导教师，即可实现远程指导。管理人员利用试验室监控系统，随时掌控试验进程，可实现远程管理。

(二)三层次试验教学法的内容

三层次试验教学法，即将试验内容按认知规律和能力培养路径划分为3个层次，由简到难依次递进。第一层次是基础试验，第二层次是综合性试验，第三层次为生产性试验。下面以土木工程材料试验的钢筋混凝土模块来说明：试验项目围绕钢筋混凝土这一主线而开展，由简至繁、由易到难、由验证到设计，直至到综合性生产制作钢筋混凝土构件。试验教学兼顾基础技能培养，更注重科研能力、创新能力、团队协作能力和探究精神的培养。

1．由浅入深，难度递进的层次化试验内容。钢筋混凝土模块的第一层次试验包括水泥、砂、石、掺和料和钢筋5个单项基础试验；第二层次试验为综合性试验，是利用第一层次的试验结果和培养的学习能力、动手能力、分析能力，完成混凝土配合比设计及混凝土性能测定的设计型综合试验；第三层次为应用型生产性试验，按照设计图纸完成钢筋混凝土构件的生产，这些构件将用于后续相关课程的试验。3个层次试验的难度、复杂性、工作量逐步增加，阶梯形递进，由单人可操作的简单试验，到团队协作才能完成的综合性大型试验，试验能力由入门到提高，到最后形成处理综合工程问题的能力。

第一层次的基础试验部分，是不同材料的单独试验，表面看是孤立的，其试验结果将用于第二层次的混凝土配合比设计试验，彼此之间就产生了关联，并且各项原材料的性能影响着混凝土配合比设计结果和混凝土性能的优劣。因此，第一层次试验目的具有双重性，一是检验材料的性能，学习试验方法和操作技能；二是评价其质量能否满足工程要求，分析其性能参数对混凝土性能(工作性、强度、耐久性、经济性)和配合比设计的影响。在教学中教师要将其中的关联，材料质量对工程质量的影响传达给学生，引发学生对每一次试验的重视度，借以培养学生严谨的治学精神。

2．“以教师为中心”转变为“以学生为中心”，实施自主性试验。以往的教学模式大多数属于以教师为中心的模式，这种模式强调教师的教学主导作用，忽视学生的学习主体作用,不利于培养学生的学习能力、创新能力。以学生为中心的教学模式可以发挥学生的主动性、积极性，使学生由被动灌输知识转变为主动加工信息，有利于学生的主动探索发现，有利于学习能力的培养[5]。为了实现这种转变，在三层次试验教学中采取以下措施。

实施自主性试验，激发学生的主动性和积极性。传统的试验教学模式通常是讲解、示范、练习3个步骤，以老师为中心的讲授演示模式，会使学生在试验课开始就感到枯燥乏味，被动性执行老师的试验指令，不仅失去试验的兴趣，更谈不上创新思维和探究意识的培养。实施自主性试验，学生在充分预习的基础上，自主完成试验内容。鼓励学生在完成必选试验项目后，根据自己的兴趣拓展试验内容。并给予学生一定的试验时间自由度，从而由固定时间固定内容的试验课，转变为可增时增项、可重复修正的试验，从而有效激发学生对试验课的兴趣和积极性。

以目标为导向，开展设计性试验，培养创新意识。试验教学的培养目标是以获取职业胜任力为目标，为学生职业生涯准备核心才能，要实现能力培养的高阶教学效果。因此在各项试验中，有目的地引导学生提出问题、解决问题。鼓励学生在已有知识水平、能力水平的基础上通过查询文献资料自己设计试验内容和试验方案，大胆构思，小心求证，借以培养创新精神和探究意识。例如水泥性能试验，以往基本是对一种水泥样品的性能和质量进行试验评定；倡导设计性试验后，学生根据所学理论知识，提出个性化试验问题，并进行试验探究。例如：普通硅酸盐水泥和矿渣水泥性能差异的对比性试验；不同品种水泥为什么不能混合使用？配制泵送高流态混凝土宜选用普通硅酸盐水泥而不宜选择矿渣水泥的原因；受潮严重的水泥为什么不能用于结构工程？等等。这样的试验改进，可以发挥学生的主观能动作用，培养学生探究精神与专业思维，提升学生工作后解决实际工程问题的能力。

3．以生产性试验，提升学生实践能力和工程素养。三层次试验教学模式的第三层次是大型生产性试验，是将试验与土木工程生产实践相结合，不再是验证性和研究性试验内容，是将企业的施工生产搬移到实验室，是对试验范畴的突破，是大胆的创新尝试。例如工程质量检测试验，将试验地点搬移到在建或建成的建筑工程，按施工质量验收规范要求，对混凝土强度、结构尺寸偏差、钢筋位置等实地检测,为企业提供质量数据。再以土木工程材料实验为例：第三层次试验是按照土木工程的施工工艺流程完成大型钢筋混凝土构件制作，它将第一层次的单项材料试验和第二层次的混凝土配合比设计试验综合起来，试验的综合性、复杂性、技术性和工作量大大增加，难度更大。

构件制作工作严格按实际工程的工艺流程进行，主要包括：设计图的识读、钢筋下料计算和加工绑扎、混凝土配合比设计和施工配合比换算、应变片粘贴、模板组装、混凝土拌制和浇筑养护、构件检测。所用到的理论知识除土木工程材料课程外，还主要涉及工程制图识图、混凝土结构原理和土木工程施工等课程。通过上述试验环节，能够将所学理论知识运用于实践中，积累感性认识，巩固专业知识，并为土木工程施工、工程质量事故分析等后续专业课程的学习打下基础。

“真枪实干”的生产性试验就是一次真实的工程工作经历，是理论与实践的结合，它不仅需要一定的理论知识支撑，更要求相应的技术能力和团队协作能力。由于试验模拟真实施工过程，流程复杂，难免出现意外情况，例如从料堆取石子时，级配、含土量、含水率的变化都会导致混凝土的坍落度发生明显变化，怎样调整？粘贴应力片时涂胶厚度怎样控制才能既牢固又不影响测试结果？振捣时怎样避免碰撞钢筋，并保证控制钢筋保护层的卡子和垫块不移位脱落？后期大型构件如何拆模和吊装搬运？这些实际问题的解决，可以锻炼学生分析解决专业技术问题的工程应用能力，特别是让他们体会到“看似容易，做好很难”，有利于培养学生踏实务实的工作作风，并让学生获得很强的劳动成就感，也是对学生吃苦耐劳、不惧脏累、不畏困难的职业品质锻炼。

4．打破课程限制，将关联度较高的课程试验融合衔接，实现贯通性试验。传统教学中各门课程的教学内容划分明确，各自为战，这实际上与工程实践是相违背的。在工程实践中，不管是规划、设计还是施工，各个环节都需要综合知识体系。因此，转变课程本本思想，打破课程体系界限，将土木工程专业相关课程试验融合衔接，实现贯通性试验。例如将不同学年不同学期的工程制图、土木工程材料、结构力学、材料力学、混凝土结构、土木工程施工、建筑结构试验、土木工程专业试验、工程质量事故分析等试验课相衔接，互相渗透，互相结合，协同共享，由课程独立建设发展转变为跨界融合贯通，互相支撑，帮助学生建立完整的专业知识和专业技能体系。学生按照混凝土结构、建筑结构实验、土木工程专业实验课程的要求设计构件，利用工程制图课程实验绘制构件图纸，依据土木工程施工课程知识完成钢筋下料计算和混凝土施工配合比换算，通过土木工程材料课程试验完成混凝土配合比设计和构件的生产制作。试验所制作的构件，用于混凝土结构和建筑结构试验、土木工程专业试验等课程的试验中，学生自己生产的构件用于未来的试验，会获得较强的成就感。事实证明，学生在此生产实践中表现出很高的积极性、责任意识、竞争意识和团队荣誉感。

贯通性试验是多个融合衔接的课程试验的集合体，从一年级的专业基础课程试验贯穿至四年级的主干专业课试验，以能力培养为主线，不同课程试验如同递进的驿站，承上启下，串联组合。指导教师不仅要完成本课程的教学任务，还应该明确与其他课程的知识能力的传递关系，完成对其他课程的支撑服务。

三、借鉴企业管理经验，改革试验教学管理，强化学生责任意识

三层次试验教学法，打破固定课时、固定试验内容，实施自主性开放性试验，以学生为主体，教师为辅助，如果缺乏有效的过程管理，单纯靠学生的自觉性，很难保证试验完成质量，学生能力培养的达成度指标就不可能实现。试验教学模式改变，对应的试验教学管理也应进行改革。

土木工程专业试验的特点和工作量，需要以试验小组形式完成。小组成员之间不仅有学习能力和动手能力的差异，还有学习态度和合作意识的差异，容易出现“混试验”的学生，成为试验的旁观者，共享数据结论，这是分组试验的普遍性问题。为破解分组试验只“看”不做的问题，实现人人参与、积极动手、责任共担，将建筑工程企业的项目责任制引用到试验教学管理上。管理方法如下：

(一)试验项目责任制

以试验小组的组长作为总负责人，将每次的试验项目分解为若干子项目，每名成员分别担任子试验的主做人、协作人和复核人，实行试验数据和试验现象记录复核签字制，小组成员明确自己的职责和任务，各负其责。试验出现严重失误，追究试验人的责任。每次试验小组成员都有机会担当试验的“主角”主持试验。

例如混凝土骨料试验，包含表观密度、堆积密度、含土含泥量、含水率测定和筛分试验，试验小组每人主做一项，交叉担任协作人和数据记录复核人。再集体完成设计性试验内容。这样既有分工，又有团队合作，培养了认真负责、勇于担当、团结协作的精神，也消除了“滥竽充数”和“旁观者”的现象。

(二)试验方案审批制

设计型和综合型试验，要求学生先进行小组讨论，初步确定试验项目方向，再查阅文献资料研讨确定试验设计方案，同时确定所需的材料和仪器设备，并对试验结果和可能出现的问题进行预测。试验前将试验设计方案报送指导老师审核，填报试验申请表。申请表中列明试验计划时间、所用时长、材料品种和数量、试验仪器设备，由指导老师和实验室管理人员签署批准意见后，方可进入实验室试验。试验方案的审核，既要保护学生创新的积极性，也要保障个性化试验的科学性、严谨性、安全性和经济性。

(三)预习考核机制和预习承诺保证制

要求学生在试验之前，通过学习试验资源库的资料和参加仪器设备安全操作培训，认真学习试验操作规程和设备使用方法。并通过有效的预习，明确试验目的、测试原理、试验步骤、数据计算和分析方法，做好充足的试验准备。在此基础上，填写预习承诺保证书，以诚信促进预习，以承诺培养担当精神。

同时利用学习通或雨课堂系统建立试验习题库，设置预习线上考核机制，线上考核学生，学生必须完成随机生成的答题，只有小组所有成员达到要求的合格率才能进行试验操作。以此促进学生对试验的预习，避免临阵磨枪，仓促试验。

(四)试验成果署名制和评比制

各种试验试件、构件或作品，采用标签或墨水标记组别和制作人员姓名，制作完成后进行展示评比，由任课教师、试验指导教师和试验组组长根据制作质量予以评判。严格按工程规范和试验规程的质量标准进行检测，按优、良、合格、不合格进行评定等级，作为试验成绩评定的主要依据。对质量好的试验组予以表扬和加分奖励。不合格的制品，由制作者分析说明原因，重新制作，并扣减此试验的量化分值。以此提高学生对试验的重视度、认真度，强化学生的责任意识、集体荣誉意识。

四、改进试验考核模式，采取多元化考核评价方法

制定试验课程考核的科学评价方法也是课程建设和教学改革的重要任务。教学理念更新、教学目标转变、教学模式变革，相应的考核标准及方法也要适应新工科建设的要求而变革。创新考核评价方法：采用试验小组学生互评和教师评价结合方式，制定量化评分表和评分细则，改变以试验报告和考勤评定成绩的传统考核模式。

设计型试验是具有各试验小组个性创意的试验，试验数据和结论各异，考核没有标准答案，评判依据具有开放性。考核不仅要注重试验过程的考量，更要注重所形成能力的考核，要充分考虑学生个体学习能力和创造力的差异，合理制定考核指标，按预习测评、试验操作、试验分析和结论、制品质量、试验报告和试验答辩等多个环节，对自主学习能力、试验技能、创新能力、团队合作能力、科研能力、分析解决问题能力以及担当精神、科学认真的工程意识等进行综合考评。

考核标准多元化，将量性评价和质性评价相结合，尊重学生个性，注重试验过程考察，从知识、能力、素质上多维度科学合理评价。

五、试验教学实施过程中需要注意的问题

三层次试验教学不同于以往的试验教学，新的方法必然出现新的问题。为了更好地推进三层次试验教学，取得更好的教学效果，在具体实施过程中要解决好以下几方面问题：

1.合理设置试验目标，试验的技术难度和创新性应与学生的能力相适应。学生的试验能力从无到有，从低到高，是渐进发展的，在教学中需按试验内容的复杂性、技术性和难度，合理划分层次，按基础性试验、综合性试验、生产性试验的顺序进行，使试验任务和研究难度逐层提高，既具有挑战性，又能够实现既定试验目标。防止出现超过学生能力的，技术要求和知识难度过高的试验，以免挫伤学生的积极性和信心。

部分优秀学生在完成课堂试验任务的基础上还可以开展创新性试验，可以是试验过程中产生的新思路新创意，也可以参与创新创业课题或教师科研课题。创新试验是课堂试验的延伸，用以培养学生的科研能力。

2.科学规划试验时间，提高试验的时间利用率。在有限的时间内，完成系列复杂的试验，必须科学规划试验时间。试验过程中可以打破试验项目顺序，利用试验中的必需间断时间相互穿插进行。组长做好组织协调工作，确定试验计划，完成试验申请报告。

开放性试验赋予学生较大的自由度，而设计性试验结果又具有不确定性，往往与预期结果相差较多，很难做到一次性成功。反复试验，不仅占用实验室资源，也会占用大量时间。有效预习试验规程、熟悉仪器设备操作方法，提前对试验影响因素进行分析，减少人为失误，组内同学通力合作，才能提高试验的时间利用率。

3.改变管理理念，全天候开放实验室。开放性试验打破固定课时的限制，要求实验室全天候对学生开放，管理难度远大于固定时间、固定内容的传统试验教学。这就要求更完善的实验室管理，对设备的使用、保管、维护、出借、调用有一套严格的管理登记责任制度。

设计型、综合型的开放式试验，对于试验指导教师和实验室管理教师而言，意味着工作量的大幅增加，需要协调好试验场地、设施数量、试验时间，试验前做安全和技术的培训，试验时做现场技术指导，试验后要整理放置设备仪器。教师要树立为学生服务、为科研服务的意识，要有甘于奉献的精神，为学生创新探索提供便利条件。

六、结语

土木工程专业试验教学是培养土木工程类大学生创新能力和实践能力的重要环节和有效手段。自2018年6月成都的本科教育工作会议后，深化本科教育改革态势已经形成，工程教育也进入了快速和根本性变革时期。新工科建设的最终目的是培养能够适应未来工程需求的人才。面对新工业时代和土木工程行业发展对人才能力提出的新要求，土木工程试验教学要积极求变和主动求变，转变教学理念，深化试验教学改革势在必行[6]。教学有法，教无定法，贵在得法，因此，根据院校实际情况和专业培养目标，以学生为中心，以产业为导向，不断探索适合新工科升级建设的新教学方法、新教学手段，倡导开放性、自主性试验，在兼顾基础实验基础上增加设计型、综合型、生产性试验，适应社会产业发展的需要，培养符合“新工科”内涵要求的，既具有坚实知识基础，又具有创新创业能力的专业性人才 。