产学合作协同育人项目驱动的土木工程实验教学探索

宋彦朋，程刚

（武汉工程大学邮电与信息工程学院，湖北武汉 430073）

土木工程专业为应用型学科，实践是训练学生工程技能的主要方式之一，而实验教学又是实践的重要组成部分，是专业学习的重点内容，是培养学生创新能力、研究和解决工程问题能力的关键环节[1-2]。但传统的土木工程实验教学存在着教学体系不完整、教学模式单一等问题。本文根据武汉工程大学邮电与信息工程学院（以下简称我院）土木工程专业实验教学的现状以及面临的问题，依托教育部产学合作协同教育工程项目，并根据与主办院校武汉工程大学土木与建筑工程学院（以下简称本部土建院）共建共管共用资源的土木工程实验中心，开展了实验教学的全面改革研究。

1 我院土木工程专业实验教学现状

我院土木工程专业的实验教学分为三部分：公共必修课、专业基础课和专业必修课，具体情况如表1 所示。

表1 土木工程专业实验课程统计表

本专业实验教学存在的问题如下：

（1）实验教学课时设置以课内实验为主。除了物理实验外，其他内容都依附于理论课程。我院实验课的教学一般采取以理论教师为主、主办高校实验室人员为辅的模式完成授课。因此部分教师偏重理论教学而忽视了实验教学，学生在学习过程中也以理论学习为主。同时土木工程专业的实验往往涉及的知识比较广泛，在有限的学时里学生只能初步了解实验知识，难以掌握实验的本质[3]。

（2）实验内容存在一定的交叉重复，教学缺乏整体规划。我院本专业实验教学内容的设置往往以理论教学为依据，但各专业课知识存在交叉重复，因此实验内容出现交叉重复现象，例如在土木工程材料的实验教学中，会设置低碳钢的力学性能的检测，同时材料力学实验教学内容也会设置相应的实验[4]。

（3）实验教学模式单一。目前大多数实验均以验证结论为主要目的，教学方法主要是“课前教师进行实验准备→课中教师进行讲解示范，学生模拟重复实验内容→课后学生完成实验报告的撰写”，这种教学方式以教师为主导，学生简单重复，难以最大限度地激发学生学习的主动性和积极性[5]。

2 土木工程专业实验教学改革的基础

根据我院土木工程专业实验教学现状，本专业教师团队积极探索实验教学的体系方法等方面的创新。教学改革有一定的硬件基础，同时兼具软件条件。

我院与主办院校共同合作建设了土木工程实验中心，该实验中心总使用面积为2 686m2,共投入资金近1 000 万元。该教学实验中心综合了土木工程建筑材料实验室、材料力学与特性实验室、水土力学研究室、桥梁构造与模型室、工程测量实训室、施工项目管理实训活动中心等29 个实验实训室。可以满足我院土木工程专业开设的所有实验课程需求[6]。

借助教育部产学合作协同育人平台，我院联合烟台新天地试验技术有限公司申请了师资培训项目《面向应用型人才培养的力学相关实验技能培训》。该企业主要开展实验教学领域的实验装置研发和测试技术研发[7]。公司具备技术资源优势,我院将与之协同进行师资建设和培养,通过选派教师团队成员先后赴公司进行技术培训,尤其是利用关于材料力学、工程力学等的实践课题研究、课程标准构建、实验教学模式设计等方面的前沿理论,对教师开展力学实践与技术训练,以提高教师实验力学的实践操作与技能水平,从而更好地使理论知识和实验课程相互融通。同时进行实验方案设计，使实验教学方案既能和理论知识紧密联系，又能与实际工程结构，特别是桥梁工程和大型土木工程结构接轨，满足学生应用技术学习的要求。在实验方案中体现科学性与实用性。

基于教育部产学合作协同育人项目，依托与主办院校共建共管共用的实验中心，我教研团队梳理整合了土木工程专业实验教学体系，革新了实验教学方法，丰富了实验教学内容。

3 土木工程专业实验教学改革内容

3.1 递进式的实验教学体系的梳理

我院土木工程专业培养目标为应用型创新人才，因此在进行实验教学时，既要完成基础性实验教学，还要设置综合性和创新性实验项目[8]。根据目前土木工程实验中心的建设情况，依据不同的专业课程特点进行实验教学体系的重新梳理。学科的基础实验分为材料力学实验课程、结构力学实验课程、工程测量技术实验课程、土木工程材料学实验课程等；专业技能实践包含土木工程结构实验课程、路基路面实验课程、钢结构实验课程、工程结构检测课程等；创新性综合实验包含混凝土构件无损测试、有限元分析实验、钢结构的自振频率和模态实验等[9]，如图1 所示：

图1 土木工程实验中心功能

3.2 集中与开放式相结合的实验教学模式创新

集中授课指的是根据理论教学安排实验教学课在周中进行，开放式实验教学指的是开课周次其余时间的下午、晚上。

集中授课的部分以基础性验证实验为主。这些实验大多需要教师来讲解实验目的、实验原则、实验仪器、实验要求、实验过程、数据等，由学生进行重复操作。这种教学模式使学生较快地掌握实验内容与现象，加深对相关理论知识的掌握，在人才培养中起到重要的作用，且没有基础实验的循序渐进，学生很难完成设计性、研究性、探索性实验。但这种教学方法不利于学生创造力的培养。将集中授课和开放式教学相结合可以很好地弥补此类缺点[10-11]。

开放式的实验教学第一步需要学生查阅大量的资料，包括相关设计手册、国家行业企业标准、学术论文等文献资料，观看实验过程的视频讲解和动画演示等影视资料、实验数据收集分析环境、以往数据的分析等与实验教学相关的内容，完成实验预习过程。实验预习要求学生可以提出具体的实验目的,根据实验原理编写详尽的实验操作与流程,熟悉实验装置使用,熟悉实验数据处理的方式,同时进行实验预习报告的编制。由实验教师对实验的预习报告进行审核修改,分组安排开放性实验。开放式实验教学,通过学生的独立思考可以培育其创造精神[12]。

3.3 目的对应式的实验教学层次设置

不同的岗位要求学生掌握的理论层次不同，因此在教学过程中我们以生为本，以学定教。实验是理论联系实践的桥梁，同时实验教学过程及结果也是检验学生理论知识掌握情况的手段。实验教学要根据学生的学习情况服务于多层次理论教学，对应不同层次的理论，设计不同类型的实验项目，如图2 所示：

图2 实验教学与理论教学对应关系

以材料力学课程的金属挤压实验为例,该实验首先需要我们仔细观察各种性质金属材料如低碳钢、铸铁、铝合金等在挤压实验时的变形和破坏情况，并研究分析原因，形成感性认识。在此基础上了解基本概念压应力导致试件发生断裂破坏的形式、原因以及测量方式。然后对试件在压缩实验中的相关概念进行量化，如材料的流动极限 、强度极限 ，定点测量压缩实验中应力变化，找到其变化规律。最后制定深化研究目的，如根据试件压缩实验过程中加载、卸载曲线，分析材料弹性模量的变化。

3.4 创新性地补充综合实验

综合性实验能进一步促进学生知识能力素质的培养和形成，更有利于学生解决复杂工程问题，且国家本科教学评估文件中要求创新性综合实验的比例需达80%以上[6]。综合性实验涉及多门课程，多种实验方法，是在基础性实验的基础上，由教师给定实验任务、学生自行设计实验方案的基础上完成的。

以《混凝土结构设计原理》为例，将“混凝土梁正截面受弯实验”的基础实验改设为“各种配筋梁受弯破坏实验”的综合实验，由学生自行设计、制作、养护试件，加载、分析不同配筋梁（超筋梁、少筋梁、适筋梁）受弯破坏形态[13]。实验内容涉及多门课程的知识，如《土木工程材料》《土木工程施工技术》《混凝土结构设计原理》《建筑结构检测》等。采用综合性实验，对先行课程的知识进行串联，增强了学生对理论知识的把握,并锻炼了学生分析问题、解决问题的能力[14]。

4 结语

综上所述,通过本实验课程改革将一方面促进对学生实验能力与创新能力的培养,从而更好地适应社会对专业人才的需要,另一方面促进了我院教师队伍的建设，提高了教师的实验教学水平。