专业认证背景下民族地区地方高校新办土木工程专业实验室建设

卓德兵

(吉首大学 土木工程与建筑学院，湖南 张家界 427200)

专业认证(评估)是检验高校办学实力和教育质量的尺子。开展土木工程专业认证(评估)的目的是加强国家和行业主管部门对高等学校土木工程专业教育的宏观指导和管理，保证和提高土木工程专业的教育质量，更好地贯彻教育必须为社会主义建设服务的方针，使我国高等学校土木工程专业毕业生能够符合国家规定的申请参加注册工程师考试的教育标准，为与其它国家和地区相互承认同类专业的学历创造条件[1]。截至2019年12月，全国已有102所高校通过了土木工程专业认证(评估)。湖南省内土木工程专业办学实力雄厚的湖南大学和中南大学早在1995年和1997年就通过了认证(评估)，中南林业科技大学和湖南科技大学也先后于2014年和2018年通过了认证(评估)，如表1所示。

表1 湖南省通过土木工程专业认证(评估)的高校名单

吉首大学是湖南省属综合性大学，也是武陵山片区唯一的综合性大学。学校所在地区是武陵山连片特困区，是国家脱贫攻坚的主战场。近年来，随着 “武陵山经济协作区”“武陵山片区区域发展与扶贫攻坚”等国家重大战略先后实施，该地区土建类人才的需求越来越大[2]。为填补长期以来该地区土建类人才培养的空白，更好地服务地方经济社会发展，为当地城镇、路桥建设等方面培养急需人才，2011年吉首大学正式开办土木工程专业。

实验室是高校开展实验教学的重要场所，是培养学生实践能力和创新精神的重要平台，也是专业认证(评估)的重要考核指标。自专业开办以来，学校以加入“中西部高校基础能力建设工程”项目为契机，高度重视土建类专业办学条件的建设提升，不断加大实验建设经费投入，以专业认证(评估)为导向，以培养高级应用型土建类技术人才为宗旨，以打造省级土建类专业学生创新创业教育中心、省级土木工程实验教学示范中心和湘西北地区土木工程质量检测中心为目标，科学筹划，稳步推进，实现了实验室建设跨越式发展，促进人才培养质量和专业办学水平的稳步提升[3—4]。

一、专业认证(评估)对土木工程专业实验室的基本要求

2011年颁布的“全国土木工程本科指导性专业规范”(以下简称“专业规范”)以及在“全国高等学校土木工程专业评估(认证)文件”(以下简称“专业认证文件”)中，对土木工程专业实践教学环节中的实验部分应开设的实验项目都进行了明确规定，土木工程专业本科四年期间必须要开设的实验主要包括大学物理实验、大学化学实验、材料力学实验、流体力学(水力学)实验、土木工程材料实验、混凝土与钢结构基本构件实验、土力学实验、土木工程测试技术、专业综合实验等。同时，“专业规范”还对实验领域核心实践单元的学时要求也做了具体规定，如表2所示。

表2 土木工程专业实验领域核心实践单元及学时要求

在此基础之上，“专业认证文件”进一步对土木工程专业办学应具备的实验室条件进行了明确：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；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[5]。

二、实验室建设思路

1.紧扣规范，瞄准认证

在实验室建设过程中，始终紧扣“专业规范”、专业人才培养方案及教学大纲等制度规范，瞄准“专业认证文件”要求，严格依据实验项目选设备，对于需要人人动手的实验项目，设备台套数和实验面积需要优先得到保证。如，在“专业规范”和培养方案中，明确要开设的土木工程材料实验有材料的基本性能实验、水泥实验、混凝土集料检测实验、混凝土和易性及强度检测实验、钢筋力学与机械性能实验和沥青实验6个项目，教学要求均为掌握，因此，相应的实验设备要能保证这些项目都能按要求开展。对于这其中需要人人动手的集料实验，则要严格保证实验场地面积和设备台套数能满足实验教学的分组要求。

2.广泛调研，科学论证

土木工程实验所涉及的仪器设备品种多、数量大、造价高、规格复杂。民族地区地方高校由于工科办学基础薄弱、办学经验缺乏、建设经费有限，想在较短的时间内将其建好，需要广泛调研，汲取其他各高校建设过程中的经验教训，少走弯路，更要进行科学细致的论证，保障有限的资金用在“刀刃”上。如，结构实验室中反力墙和反力台座造价较高，建设难度较大，能够进行设计和施工的单位较少，且一旦建成后，若不符合要求返工难度极大，后期也很难进行升级改造；结构实验室核心设备，如多通道拟动力电液伺服加载系统，需要投入大量经费。因此，要在广泛而深入的调研基础上，制定初步建设方案，同时，邀请专家和同行从土建结构形式、实验室功能布局、建设规模、建设步骤及远景规划等方面进行科学细致的论证，最后制定详细的实施方案。

3.突出重点，分步实施

由于实验室建设经费比较大，对于民族地区地方高校来说，很难一步建设到位，可结合自身财政状况，采取统筹规划、突出重点、分步实施的策略[6]。对于本科实验教学需要的公共基础和专业基础实验设备，应按轻重缓急，依次建设到位。建设过程中应以学生创新实践动手能力培养为重点，加强综合性、设计性和创新性实验设备的配置，保证学生最大程度参与到实践过程中。如，对于某些项目实验设备在选型时，应尽量避免盲目追求“全自动系列”和“智能系列”，尽量选择“手动系列”或“经典系列”，给学生创造更多的动手机会，从而加深对基本概念和原理的理解。对于专业实验室大型仪器设备的购置，则要从专业学科发展、平台打造以及社会服务等方面，综合考虑其性能是否稳定、技术是否先进、工作是否可靠等多种因素，本着立足当前、着眼未来、突出特色的原则，有条不紊推进建设。

4.虚实结合，相互补充

土木工程专业实验如钢筋混凝土梁静载破坏实验、三轴压缩实验等实验项目，普遍存在实验操作复杂且有安全隐患、实验现象短暂且无法再现、实验仪器设备昂贵且易损坏、实验耗材准备困难且成本较高等问题，加之地方高校实验实训条件不足或短期无法建设到位，实验室师资力量有限等多方面原因，使得在传统教学模式中，教师习惯于采用演示的方法进行教学，学生很难自己动手参与到整个实验过程中，教学效果大打折扣，未能真正达到培养学生实践能力的目的。基于此，本着“虚实结合、相互补充”的教学理念，通过自主研发、校企合作等方式构建贴近工程、高度仿真的虚拟实验教学资源，并搭建虚拟仿真实验教学平台，采用传统教学与虚拟仿真教学相结合的方式，将虚拟仿真教学有机融入到传统实验教学课前、课中和课后全过程，取长补短，充分发挥各自的优势，最终达到提高实验教学效果，培养学生实践动手能力的目的[7—8]。

三、实验室建设内容

结合“专业规范”和“专业认证文件”要求，将土木工程实验室划分为基础实验室、专业实验室和虚拟仿真实验室三部分进行介绍。

1.基础实验室

土木工程基础实验室又分为公共基础实验室和专业基础实验室。公共基础实验室主要包含测量实验室、工程制图实验室、计算机辅助设计实验室、物理实验室和化学实验室5个模块。在该项目的建设过程中，考虑到学院及所在校区已有相近专业先期进行的建设，不能完全满足新增专业的教学需要。2011年学校临时自筹经费50万元购买了所需设备，并对该实验室进行了扩充改造，以满足土木工程专业工程测量、工程制图、大学物理和大学化学等课程的实验教学需要，如表3所示。

表3 公共基础实验室

专业基础实验室主要是为了满足大二学生的材料力学实验、流体力学实验、土木工程材料实验、土力学实验，大三学生混凝土结构基本原理、土木工程试验等课程共计74课时的实验课开设问题而建设的[9]。为解决第一批学生专业基础课的教学急需，学院于2011年立项了中央财政支持地方高校发展专项资金，并于2012年实施完成。该项目包含力学实验室、建材实验室、流体力学实验室、土力学实验室、工程检测实验室、教学用结构实验室6个子模块，新增实验室面积1 140m2，共投入经费300万元，如表4所示。该项目的建成，使学院土木工程专业的办学条件得到了改善，极大的缓解了首批土木工程专业学生的实验教学压力。

表4 专业基础实验室

2.专业实验室(结构实验室)

结构实验室是土木工程专业最重要的实验室之一，是开设专业课和专业方向课的实践场地，同时也是开展学科竞赛和创新实践活动的重要场所，更是专业认证、学科平台打造和社会服务的重要依托,在专业人才培养中发挥着不可替代的作用[2]。为建好结构实验室，2011年学校多次组织学院领导、实验室主任、专业骨干教师到国内10余所同类高校就结构实验室建设进行学习交流，汲取各校结构实验室建设经验，如表5所示。综合考虑民族地区高校办学实际、办学定位以及学科发展规划，制定了初步的建设方案，然后邀请同行专家和实验室建设厂家进行深入论证和修改，最终确定了本校的结构实验室实施方案。

表5 国内部分高校结构实验调研结果

最终确定的结构实验室厂房采用混凝土结构，实验室总面积为1 100m2，其中附属用房面积约200m2，实验大厅长42米，宽21米，高15米。考虑将来开展三维拟动力加载实验，采用了厚度为3米的L形反力墙，其中长边长度为15米，高度为10米，短边采用阶梯型，总长度为10米，其中靠近长边近端高度为10米，远端高度为7.5米。同时，采用了经济性较好且完全满足使用要求的槽道式反力台座，台座长度为35米，宽度为12米，实验航吊采用跨度为19.5米，额定起重量为20T的电动桥式双梁起重机。

结构实验室建设经费主要依靠中央财政支持地方高校发展专项资金、中西部高校基础能力建设工程项目资金及其他建设资金。2014年学校建设了工程结构实验室，购置了四通道美国MTS拟动力伺服加载系统，其中高性能疲劳试验作动器100T一套，50T两套，25T一套，及相应的油源和控制软件。2017年学校又建设了工程结构与设计大学生创新实践基地，购置了东华测试32通道动态信号测试分析系统、无线静态应变测试分析系统、美国国家仪器PXI动态信号测试系统、振动测试与控制教学实验系统等结构实验室常用的信号采集设备和部分结构实验模型。2020年学校建设了道路与桥梁工程实验室，购置了结构工程阵列加载试验系统反力架，500T压力试验机，60T微机控制电液伺服万能试验机，10T微机控制电子万能试验机等大型设备。截止到2020年，结构实验室已基本建成，累计投入经费近2 000万元。

3.虚拟仿真实验室

2012年，学校建设了虚拟仿真实验室，购置了6通道环幕立体投影系统和高性能工作站，为开展虚拟仿真教学创造了良好的硬件条件。同时，还联合西安三好、上海曼恒、北京瑞尼尔、盈建科、迈达斯等多家企业开发虚拟仿真教学资源，并打造了土木工程虚拟仿真实验教学平台。该教学平台分为三大模块，如图1所示，分别是力学性能虚拟仿真模块、结构设计虚拟仿真模块和工程实训虚拟仿真模块。

力学性能虚拟仿真模块共分为钢筋拉伸实验虚拟仿真、钢筋混凝土简支梁静载破坏实验虚拟仿真、简支钢桁架静载非破坏实验虚拟仿真和三轴压缩实验虚拟仿真4个子模块，主要服务于土木工程专业大二及大三学生“土力学”“混凝土结构基本原理”“土木工程试验”等课程。本模块能够满足学生自行设计实验方案，学习实验构件制作，自行搭架实验环境及装配操作实验仪器，自行动手操作实验过程，观察现象并记录数据，完成数据分析处理等多种需求，让每位学生都能参与进来，帮助学生熟悉实验操作过程，同时，有效克服了破坏性实验所带来的危险性，降低实验成本，减少仪器设备的损坏。

结构设计虚拟仿真模块主要包含结构构件设计虚拟仿真、建筑结构设计虚拟仿真、桥梁结构设计虚拟仿真、工程结构创新虚拟仿真4个子模块，主要服务于土木工程专业大三学生的“建筑结构计算机辅助设计”“桥梁结构计算机辅助设计”“结构设计模型制作”等课程以及课程设计、毕业设计和结构设计大赛等集中实践教学环节和创新实践活动。本模块主要能够训练学生应用电子计算机对结构构件、建筑结构、桥梁结构以及各类其他结构形式进行方案设计、结构分析和构件设计，培养学生电算的操作技能及对计算结果合理性的判断能力，使学生具备工程结构设计的基本素质和创新意识。

工程实训虚拟仿真模块包含BIM模型综合设计虚拟仿真、工程构造虚拟仿真、建筑工程施工虚拟仿真、路桥工程施工虚拟仿真、工程项目管理虚拟仿真5个子模块，主要服务于土木工程专业大四学生的“工程施工仿真”“工程项目管理”“BIM技术应用”等课程以及生产实习、毕业实习等集中实践教学环节。本模块主要以施工技术、工程管理、安全文明施工为教学重点，加强学生对施工工艺、施工规范、安全规范、进度及质量控制的理解和认识。

土木工程虚拟仿真平台所包含的各模块系统涵盖了土木类专业80%的实践教学内容，有效降低了设备、场地、经费等条件限制对实践环节的影响，强化了工程素质培养，也有助于培养学生的专业学习兴趣。

四、建设成效

目前，全新的10 000m2工程实训大楼与1 000m2的结构实验室已经建成并投入使用，其中各类实验室总面积近4 000m2，拥有各类仪器设备1 339台件，总价值1 500余万元。“实验中心”实行校、院两级管理，共有实验人员20名，其中高级职称教师的比例达到45%，具有硕士学位以上教师比例达80%。

近年来，实验中心已成为教师开展实践教学、科学研究和社会服务的重要场地。依托实验中心，学校教师主持国家自然科学基金项目两项，省厅级科研、教改课题50余项，校级实验室开放基金项目60余项，社会服务项目40余项，发表学术论文300余篇，获得各类专利20余项。2013年，专业教师自主开发“钢筋拉伸实验”虚拟仿真教学软件，获得湖南省教师现代教育技术应用竞赛一等奖。2016年，与企业共同开发“工程施工虚拟仿真软件”，获湖南省教师信息化教学竞赛二等奖。2019年，“混凝土结构基本原理”课程被认定为湖南省线上线下混合式一流课程。

同时，依托实验中心，学院成立了工程设计与管理创新工作室，为大学生科技创新活动搭建了有效平台，为各类学科竞赛的开展提供场地、设备与专业技术支持。自工作室成立以来，先后开展了大学生结构设计竞赛、大学生力学竞赛、混凝土设计竞赛等校级、省级、国家级赛事的筹划、组织、选拔、培训及指导工作。通过开展多种类型的创新实践活动，学生的创新实践能力得到了极大的提高。近年来，学生在各类学科竞赛当中屡获大奖，共获得省级以上学科竞赛奖励20余项，尤其是代表湖南省参加第八届、第十届和第十二届全国大学生结构设计大赛均取得了一等奖的好成绩。同时，学生还积极申报大学生研究性学习与创新性实验计划项目，其中“防爆抗冲击仿生混凝土材料的研发”等4项获得国家级立项，“变截面Euler-Bernoulli梁自由振动固有频率研究”等9项获得省级立项。除此之外，学生还积极参加与专业相关的各类职业技能培训、社会服务、“互联网+”、科技创意等活动30余项。

2015年，土木工程专业顺利通过本科办学水平评估和新增学士学位授权学科专业评估。2016年，“力学与工程虚拟仿真中心”被认定为湖南省虚拟仿真实验教学中心。同年，土木工程专业获批校级“十三五”专业综合改革试点项目。2017年，学院获批湖南省建筑工人培训考核机构。2018年，“规划设计工程实践创新创业教育中心”被认定为湖南省创新创业教育中心。2019年，“能力导向、特色发展：西部地方高校土建类专业应用创新型人才培养改革与实践”获得国家民委教学成果二等奖。2020年，土木工程专业获批成为湖南省一流本科专业建设点。

五、结语

实验室是高校开展实验教学的重要场所，是培养学生实践能力和创新精神的重要平台。实践表明，对于新建土木工程专业的民族地区地方高校来说，通过采取紧密结合专业认证要求，采用紧扣规范、瞄准认证，广泛调研、科学论证，突出重点、分步实施，虚实结合、相互补充的建设思路，从基础实验室、专业实验室和虚拟仿真实验室等几个方面进行建设，能够取得较好的建设成效，从而为提升专业办学水平和人才培养质量打下坚实的基础。