土木工程专业启发式开放性实验教学模式探索

江雨辰 帅 瑞

无锡太湖学院土木工程学院（214064）

0 前言

近年来，我国大力推动装配式建筑的发展，倡导建筑工业化、智能化，促进建筑行业的转型升级。伴随而来的是新材料、 新结构和新技术的大量应用，并要求专业人才与时俱进，具备良好的创新能力及发现问题、分析问题和解决问题的实践能力。

实验教学是高校课程体系中不可或缺的重要环节，不仅可以让学生更加直观地掌握专业理论和专业技能，也能培养学生的创新思维和实践能力[1]。尤其对于土木工程这类工科专业而言，实验教学的成效很大程度上决定了专业人才培养质量和毕业生的社会评价。 因此，实验教学越来越受到高校的重视， 高校教师也在不断探索高效的实验教学模式，以期培养适应社会发展的专业人才。

开放性实验是一种创新型的实验教学模式，它以学生作为实验主体，学生自主设计实验、完成实验，实验时间设置灵活[2-3]。与传统实验教学相比，开放性实验更能激发学生的创新思维和参与实验的积极性。 此外，开放性实验也有助于提高实验室的利用率，优化高校资源配置。

1 土木工程专业实验教学存在的问题

1.1 内容固定不变，形式单一

传统土木工程专业实验课程往往作为理论课程的补充和辅助，实验内容固定不变，形式单一，且大多数为验证性实验[4]。 如混凝土结构原理这门课程开设的“单筋矩形梁正截面受弯破坏实验”，主要是让学生直观地了解受弯构件正截面破坏的三种模式，并验证平截面假定和受弯构件极限承载力计算公式。

1.2 实验课时不足

土木工程专业实验课课时普遍不足[5]。 如混凝土结构原理课程有64 学时， 其中实验课程仅为8学时，实验课课时量不充足。 “单筋矩形梁正截面受弯破坏实验”分为适筋梁、超筋梁和少筋梁的三组破坏实验，课上时间仅能满足实验仪器的架设、试件的加载及实验数据采集。 粘贴应变片及接线等实验步骤只能在课外时间完成。这种情况下，学生往往难以保质保量完成实验任务。

1.3 学生参与积极性不高

通常课程实验是根据既定的实验指导手册进行的，由于大多数为验证性实验，实验结果单一，可预测性较高， 学生参与实验的积极性不高。 在实验过程中， 学生仅需要根据指导书或者教师的指示进行每一个步骤的操作，很少独立思考，不能主动去发现问题、分析问题和解决问题。

1.4 不能与时俱进

随着建筑行业的快速发展，新材料、新结构和新技术被大量应用。 程式化的课程实验仅可作为特定专业理论知识的教学辅助， 不能启发学生的创新思维，培养学生举一反三分析问题及解决问题的能力。

2 启发式开放性实验的实施

2.1 题目设置

开放性实验的题目设置要体现创新性， 既不要循规蹈矩地重复课程辅助性实验，也不能天马行空，超越学生的认知和能力范畴。本案例的题目为：以玻璃为主要承重材料， 设计一种透光的横向承重构件（梁），其余材料自行选择，并通过模型实验确定该构件的力学性能。 这个题目符合学生对于梁这种受弯构件的总体认知， 材料的自由选择也大大扩展了学生的思维空间。 学生通过模型实验来确定构件的力学性能，可以培养其科学性思维和实际动手能力。

题目给定后，实验负责教师需要适当地引导学生思考，但要注意度的把握。 引导的目的在于启发学生的思维， 而不能限制学生的思维。 如在本案例中，教师会介绍一些常用建筑材料的力学性能和一些新型结构的受力特点。 这样学生才会以科学性的思维去选择与玻璃搭配，以满足构件的使用功能。

2.2 实验室开放

开放性实验需要有专门的实验管理人员监督和管理，实验室的使用需要提前预约，使用时需要进行台账记录。 提前预约也有利于学生的时间管理，让学生提前制订好学习和生活计划，保证有充足的时间参与开放性实验。 为了保证实验效果，实验小组人数不宜过多，3～5 人一组比较合适。 在本案例中，主要开放土木工程材料实验室和结构实验室，实验的开展以小组为单位。 小组成员明确各自分工和职责，如资料搜集、材料购买、模型制作、模型加载以及报告撰写等。 教师或者实验室管理人员要对学生进行实验设备的操作指导，并且在加载时需要实验管理人员在场，以确保实验安全。

2.3 成果考核和评价

实验成果的考核和评价是完善开放性实验的重要环节。 开放性实验要兼顾实验的过程评价和结果评价， 分值比重可根据实验的具体内容来确定。为了体现评价机制的客观性，建议采用实验报告的形式进行成果考核。 在本案例中，实验过程评价主要分为实验设计的合理性、完成程度及实验操作的规范性，实验结果评价主要为透光梁的强重比（抗弯承载力与重量的比值）和构件造价。 其中，过程评价占总分数的40%，结果评价占60%。

为了进一步提高学生参与的积极性，开放性实验可以依托校内学科竞赛进行。 如本案例依托于“第一届土木工程学院新型结构设计大赛”，并根据上述的考核和评价机制确定比赛名次。 最终获得第一名的实验小组，他们的设计作品为“采用碳纤维增强的玻璃组合梁”。 该组同学通过搜集、查阅相关资料发现，玻璃具有良好的透光性和美观性，抗压强度较大，但有明显的脆性，所以很少将其用作受力构件。 碳纤维增强复合材料（CFRP）作为一种力学性能优异的新型建筑材料，具有轻质高强、延性好、耐冲击、耐高温、耐腐蚀等优点，在工程加固领域得到广泛应用。 将两种建筑材料组合在一起，共同承受外荷载， 既保留玻璃原有的透光性和美观性，又可以获得承重构件所应具备的强度和延性。

在提出设计方案后，该组同学开始购买材料并制作结构模型（如图1 所示），然后设计该构件的抗弯试验，并对实验数据进行处理和分析，最终完成实验报告。 整个过程中，小组成员分工明确、团队协作良好，具有较高的参与热情，圆满地完成开放性实验的预期任务。

图1 模型制作

图2 模型加载

3 结语

针对土木工程专业，提出一种启发式开放性实验的教学模式。 在给定的实验条件下，通过设置题目并作适当的启发，让学生自主选择实验材料、设计实验及动手完成实验，最终以实验报告的形式进行成果评价。 该开放性实验的实施，有效提高了学生参与实验的积极性，也培养了学生的创新思维和实践动手能力。