“新工科”背景下土木工程专业实验教学探索与应用

陈荣妃，杨华山，李维维，赵振华

（贵州师范大学 材料与建筑工程学院，贵州贵阳 550025）

新经济的快速发展，需要大批具备较强创新实践能力的复合型工程技术人才[1]。正是这样的契机，培养新型工科人才的“新工科”应运而生。“新工科”的“新”不仅包括新兴工科专业，更是对传统工科专业的升级改造[2]。土木工程专业就是典型的传统工科专业，在推动我国经济社会发展中有着重要地位。目前，人工智能、BIM 技术、大数据、3D 打印等新技术的迅猛发展，无疑给土木工程行业带来了革新的最强动力，也对土木工程师的创新实践能力提出了更高要求。工程技术人才能力的培养离不开实践，实验教学是实践能力培养的重要组成部分，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，承担着培养学生基础工程素质的任务[3-4]。然而，传统土木工程专业实验教学在教学理念、教学内容、考核方式等方面的缺陷[5]，使得实践教学应有的价值没有发挥出来，限制了学生创新能力和工程能力的培养，忽略了对学生自主学习意识和批判性思维的培养。鉴于此，本文以学生在土木工程专业实验教学中应获取的综合能力为目标，对土木工程专业实验教学进行探索与应用，以期为新型工程技术人才培养提供参考。

1 “新工科”背景下，土木工程专业实验教学的改革措施

综合国际工程教育研究热点[6]和我国教育部关于“新工科”建设、人才培养等文件精神，“新工科”人才应具备批判性思维品质、跨学科整合能力、实践操作能力和创新创造能力等[7]。再结合土木工程专业特点及毕业生必须具备的12 种能力要求，对土木工程专业实验教学模式（见图1）的改革以培养学生自主学习能力、创新能力、批判性思维、解决实际工程问题的能力为目标，贯穿“以学为中心”的教学理念，对实验课程的考核方式、教学内容、教学环节等提出相应措施，并应用于贵州师范大学材料与建筑工程学院的土木工程材料实验课程教学中。

图1 “新工科”背景下土木工程专业实验教学模式

1.1 培养学生自主学习能力——全过程考核

在教学中发现，部分学生对待学习的态度是：要考核的内容就认真学，不考试的内容就马虎对待，甚至不学。为了让学生端正学习态度，实验课程采用“全过程考核”方式，即从实验前到实验结束都设置对应的分值，该分值作为实验课程成绩的组成部分。例如，实验前，学生要在线上完成相关内容的学习，并提交预习作业或实验方案；课堂上，设置实验成果汇报、原因分析、提问及讨论环节；课后提交实验报告，要求报告中每个学生的实验图片及总结部分不能相同。这样，实验课程的最终成绩由线上积分、课堂得分及实验报告得分相加得到，既避免了传统的只依据实验报告论成绩的片面问题，也避免了小组中部分学生“投机取巧”的现象，对培养学生自主学习能力起到督促作用。

1.2 培养学生创新能力——综合设计型实验、研究探索型实验

欲通过实验课程培养、提高学生的创新能力，综合设计型实验和研究探索型实验[8]必不可少。同一门课程，不同高校的侧重点不同。表1为贵州师范大学材料与建筑工程学院开设的土木工程材料实验课程项目，共16 学时。其中，项目三为设计性实验，要求学生参考教材上混凝土配合比设计方法设计几组混凝土，并进行试拌；项目四为研究性实验，提供多种原材料，但不限定混凝土配合比设计方法，要求学生配制出既满足工程性能指标又经济环保的混凝土。要完成这两个实验，各小组学生必然要在课前查找大量资料，共同研讨选材、设计初步配合比。实验结果的不唯一性充分发挥了学生的创新能力。完成规定的实验课程后，部分学生继续在教师的指导下进行探索性实验，申报项目和参加比赛，进一步提高创新能力。

当然，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。建议第一次课设置为基础验证性实验或难度相对低的综合性实验，课时不宜过多，可采用TRIZ 理论进行教学设计或以比赛形式进行教学，使学生对实验保持新鲜感，又可达到熟悉实验环境、实验仪器和实验过程的目的。

1.3 培养学生批判性思维——汇报、讨论、答辩环节

批判性思维在教育中的体现，是鼓励学生提问、质疑、讨论和阐释[7]。工程技术人才不仅会“动手”，还要会“动口”。实验方案确定和调整时的讨论、实验成果汇报和原因分析、生生之间和师生之间课堂上的提问和讨论等，均是培养学生批判性思维的良机。从表1可见，最后一次实验课为答辩课，要求每一组学生准备答辩材料，先由学生代表对配制混凝土的设计依据、计算过程、配合比调整、实验结果等进行阐释，然后同组全部学生接受其他学生和教师的提问。这就要求每名学生不仅要参与实验，还要熟悉、理解实验全过程。即使是基础验证性实验，也要有讨论环节，让学生展示实验成果并进行简单的分析，倾听的学生至少提出一个问题。这样，不仅锻炼了学生的批判性思维，还能保证学生上课的专注度。

1.4 培养学生解决实际工程问题的能力——工程情境下的命题

解决实际工程问题的能力对土木工程专业学生的重要性不言而喻。实验项目的命题可设定在某工程情境下，让学生沉浸在处理实际工程问题的氛围中。如表1的项目四：混凝土配合比设计，参考了“全国大学生混凝土材料设计大赛”。大赛主题是，以有利于混凝土耐久性为原则，采用机制砂配制某强度等级的大流态混凝土，要求考虑工程的实际应用环境和符合经济性，展示大学生解决复杂工程问题的能力。实验室提供不同砂石料、不同掺合料、不同外加剂供学生自主选择。课堂上采用“学生为主，教师为辅”的教学方式，并对又快又好地完成实验任务的小组加分。事实证明，学生非常喜欢这种有挑战性的实验，积极性有很大提高。

表1 土木工程材料实验课程项目

2 建议

为了更好地推进实验教学，稳定的教学团队、多管齐下的教学手段对提高实验教学质量能起到良好的效果。

2.1 教学团队建设

以贵州师范大学材料与建筑工程学院的“土木工程材料教学团队”为例，团队由以建筑材料为研究方向的几位教师组成。无论是课前的线上学习资源建设、实验项目设置，还是实验教学的具体开展，抑或是课后对学生参赛和科研训练的指导，教学团队成员都是互帮互助、共同研讨。最终，将土木工程材料理论课程、实验课程均打造成了校级一流课程。

2.2 线上与线下融合

随着“互联网+”的发展，以及受新冠肺炎疫情影响，为满足“停课不停教，停课不停学”的要求，线上线下融合教学模式成为必然趋势。对于土木工程专业，很多实验项目受实验条件、资金等因素的影响，很难在线下开展实体实验，而线上的虚拟仿真不失为一种理想解决方式。对于很多高校，要建设虚拟仿真实验项目确实不易，但是可以借助某些平台上已有的虚拟仿真实验项目开展教学，完全突破了时空的限制。其中，由高等教育出版社负责建设运营的虚拟仿真实验教学课程共享平台——实验空间，就是可直接服务于各高校的实验教学公共服务平台。

2.3 实验与理论融合

实验课程常用来衬托理论课程这个“主角”，但偶尔让其承担“主角”，让理论课程为实验教学服务，也能取得意外的效果。要求学生在较少学时的实验课堂上一下涌出很多思路、方案，这是有难度的，何不让学生从理论学习时就去思考、准备呢？在理论课程教学时，教师一般都会结合科研项目、实际工程问题、前沿热点等为学生拓展很多内容，抑或采用“翻转课堂”模式，让学生去查资料、写读书笔记，然后在课堂上与同学分享、讨论。理论课程的这种启发式、探究式教学，能为学生进行综合设计型、研究探索型实验提供思路。

3 结语

在“新工科”背景下，实践教学更凸显其重要地位。事实证明，土木工程专业人才的自主学习能力、创新能力、批判性思维、解决实际工程问题的能力，是可以通过在实验课堂上学习和实践中获得的，关键是要建立科学合理、可操作的实验教学模式。即围绕“以学为中心”的教学理念、实施全过程考核、开展沉浸于工程情境下的设计性和研究性实验、增设答辩环节，同时采取团队教学、线上线下融合、实验与理论融合的多组合教学方式。将该实验教学模式应用于土木工程材料实验课程教学中，取得了较好的效果。学生参与科研训练、比赛的积极性和主动性明显提高，近两年多个学生团队基于3D 打印混凝土、MgO 混凝土、透水混凝土、再生混凝土等项目，获得了多项校级、省级、国家级的大学生创新创业训练项目立项，在“挑战杯”“全国大学生节能减排社会实践与科技竞赛”“互联网+”“全国大学生混凝土材料设计大赛”中均获得奖项，学生的创新实践能力得到了很大提升。