“纸杯-砂组合体轴压性能”开放性实验案例分析与研究生创新能力培养

路冰 赵宝成 刘聪 史慧媛

摘要：研究生创新能力的提高是研究生教育的重要课题。目前研究生培养多以导师指导作为主要培养手段，而在研究生课程教学过程中則以演示讲述为主，研究生运用所学专业知识解决实际工程问题的机会较少，对于研究生创新能力的培养也浅尝辄止。苏州科技大学土木工程学院土木工程专业是江苏省优势学科，在研究生《组合结构》课程讲授过程中，设计“纸杯-砂组合体轴压性能”开放性实验，为培养研究生创新能力提供了实验平台。结合三届研究生所完成的“纸杯-砂组合体轴压性能”开放性实验数据进行系统分析发现，研究生的创新意识和创新能力有所提高，对于专业知识的运用能力有所增强。

关键词：研究生教育；创新能力；开放性实验

创新，一词在我国史书出现很早，《魏书》中记载“革弊创新”。创新，一方面指创造绝无仅有的新事物，另一方面指对旧事物进行创造性的改造进而获得与旧事物有较大差异的新事物。在西方，创新，Innovation，起源于拉丁语，原意有三层意思，一是更新，二是创造，三是改变。1912年，美国经济学家熊彼得在《经济发展理论》一书中首次提出了“创新理论”。熊彼得界定了经济学中创新的五种形式：开发新产品；引进新技术；开辟新市场；发掘新的原材料来源；实现新的组织形式和管理模式。研究生教育的首要任务在于培养创新人才，需要着力提升研究生创新能力。从研究学者针对国内研究生创新能力评测的调查结果来看，我国研究生创新能力不足已经是迫在眉睫的重要研究生教育课题[1]。目前，对于任何一个国家而言，创新型人才的培养基地在大学，而大学中创新型人才聚集在研究生阶段。因此，研究生创新能力是衡量高校研究生教育质量的重要指标[2]，而提升研究生创新能力培养即是高校研究生教育工作的重点和难点，也是国家创新能力的重要源泉[3]。对于工科类研究生而言，创新的内在驱动力在于生产力的提升，因此，工科类研究生创新能力的培养的前提在于认识生产力，并了解制约生产力提升的社会因素、制度因素和技术因素，而培养工科类研究生创新能力的关键在于发掘制约生产力提升的技术层面的科学问题[4]。苏州科技大学作为一所以工科为主、工理文管艺多学科协调发展的全日制普通高校，未来学校的发展定位是高水平教学研究型大学，因此，培养研究生创新能力是学校研究生教育工作的重中之重，而开放性实验是培养研究生创新能力的重要手段[5]。在苏州科技大学土木工程专业研究生《组合结构》课程讲授过程中，设计了纸杯-砂组合体轴压性能开放性实验，其目的在于培养学生发掘科学问题的能力，并能够运用所学专业知识提出解决科学问题的可行性方案。自2021年以来，共有三届研究生完成的53次实验。通过对实验案例进行系统分析，进一步发掘培养研究生创新能力的关键环节，提出改进措施，建立长效反馈机制，为研究生创新能力课程培养方案提供借鉴。

一、实验介绍

苏州科技大学土木工程学院开设《组合结构》课程，该课程培养目标为使学生了解组合结构的基本概念与性能特点，掌握组合梁与组合柱的受力机理、传力机制与构造要求。组合结构设计的一个核心概念是将两种或多种不同性质的材料组合在一起，以实现大于两种或多种不同性质的材料简单叠加的效果，即“1+1>2”。课程授课内容中组合梁类型有两种，即钢-混凝土组合梁和型钢-混凝土组合梁；组合柱类型有三种，钢管混凝土柱，钢管约束混凝土柱和型钢混凝土柱。对比这五种组合结构构件，其中，钢管混凝土柱对于组合结构设计核心观点的阐释最为直接，也最能吸引学生的学习兴趣。该课程以此为基础，设计了纸杯-砂组合体轴压性能开放性实验。该实验以纸杯和砂土作为基本材料，设计三个基本试件，即掏空底部纸杯，纸杯状砂土，纸杯-砂组合体。该实验的开放性体现在可以在实验中增加任意材料用于改善纸杯-砂组合体轴压性能，提高其轴压承载能力。该实验旨在帮助研究生在学习组合结构课程的过程中更好领会组合结构的核心概念，也可以帮助其更好地理解课堂中所讲述的一些偏于晦涩难懂的专业知识，如套箍理论，约束混凝土，钢管局部屈曲等。该实验的目的在于分析纸杯-砂组合体的承压机理，观察纸杯与砂破坏形态，并对实验过程进行描述，对实验数据进行分析，训练其开展实验研究的能力，提高提炼科学问题的能力，锻炼其数据总结与分析能力。此外，该实验为团队合作实验，可以培养研究生团队意识和合作能力。在进行不同类型纸杯-砂组合体轴向承压承载力测量方面，考虑到经济性、简便性与易操作性，在降低测量精度的条件下，建议以书本作为加载物，以体重计作为称重设备。从现有案例分析结果来看，该测量方式足够用于区分不同类型纸杯-砂组合体轴压性能，可以帮助研究生进行实验数据的定性分析处理。

二、案例分析

按照苏州科技大学土木工程学院研究生《组合结构》课程教学大纲要求，该课程为考查课，期末考试以大作业作为评分标准。该课程大作业共设计了三种类型，即纸杯-砂组合体轴压性能实验、组合结构构件研究现状文献综述和组合结构构件力学性能数值模拟分析。下面将就每一年选修该课程研究生选择纸杯-砂组合体轴压性能实验的案例进行分析。

（一）2021年

2021年进行第一次开放性实验。在第一次考核中，纸杯-砂组合体轴压实验案例共计17份，参与学生49人。在这17组例开放性实验中，仅考虑单次实验偶然性而进行重复实验的共有5例，其中4例重复实验3次，1例重复实验5次。仅考虑砂土粒径影响的有1例，对比纸杯-粗砂组合体与纸杯-细沙组合体轴压承载力的差异。仅考虑湿砂影响的有1例，对比纸杯-湿砂组合体与纸杯-干砂组合体轴压承载力的差异。仅考虑砂土压实度影响的有7例，对于纸杯-压实砂组合体与纸杯-松散砂组合体轴压承载力的差异。仅考虑纸杯底部掏空与否影响的1例，对比不掏空纸杯-砂组合体与掏空纸杯-砂组合体轴压承载力的差异。以上共计14例，学生仅考虑单一因素影响。考虑砂土压实度与砂土内嵌十字形硬纸影响的有2例，其中十字形硬纸填充纸杯内起到支撑作用，可以显著提高纸杯-砂组合体轴压承载力。考虑砂土粒径、砂土压实度和湿砂三种因素影响的有1例。

从当年所搜集的案例来看，学生的创造性思维得到一定释放，多数同学在基本试件基础上增加单一因素进行实验分析，仅少数同学可以同时考慮两种以上因素。印象较为深刻的有一点，即在砂土中内嵌十字形硬纸。从实验数据分析来看，由于绝大多数研究生并未有开展开放性实验的经历，只是进行试探性实验与分析，实验数据处理过于简单。由此可以看出，研究生的创新能力不足已经成为共性问题。

（二）2022年

2022年进行第二次开放性实验。在第二次考核中，纸杯-砂组合体轴压实验案例共计21组，参与学生42人。在这21组案例中，仅考虑砂土压实度影响的有5例，仅考虑砂土种类的1例，对比采用纸杯-压实砂土组合体与纸杯-压实黏土组合体轴压承载力的差异。其余15例中，考虑两种因素的有11例，考虑三种因素的有4例。在11例考虑两种因素的案例中均考虑砂土压实度的影响，其中，1例额外考虑砂土中含水率影响，含水率精确到1.0%，1.5%和3.0%； 1例额外考虑湿砂与干砂影响；1例额外考虑在砂土中增设普通纸卷钢筋；1例额外考虑在砂土中增设硬纸卷钢筋；1例额外考虑在砂土中增设工字形硬纸；1例额外考虑将纸杯揉捏用以模拟钢管腐蚀影响；2例额外考虑在砂中增设十字形硬纸；3例额外考虑单次实验偶然性而进行重复实验，实验均重复3次。在4例考虑三种因素的案例中均考虑砂土压实度的影响，其中，1例额外考虑纸杯层数与砂土内嵌三角形硬纸的影响；1例额外考虑皮筋数量与砂土内嵌粗骨料的影响；1例额外考虑套箍纸杯与砂土内嵌工字形硬纸的影响；1例额外考虑砂土内嵌硬纸与硬纸形状的影响，包括工字形硬纸，十字形硬纸与矩形硬纸。

从当年所搜集的案例来看，学生的创造性思维得到进一步释放，多数同学在基本试件基础上考虑两种以上因素进行实验分析，仅少数同学考虑单一因素。从影响因素的考查范围来看，学生的思维深度和广度得到提高，严谨性也得到进一步启发。印象较为深刻的有四点，一是，将含水量精确到百分数，二是，将纸杯揉捏模拟真实环境中的钢管锈蚀，三是，纸杯外套皮筋进行径向约束，四是，考虑硬纸形状的影响。本次在考核前展示上一年研究生的实验成果照片，对于启发研究生开展开放性实验有一定帮助，并且可以调动他们的积极性和求胜心。在进行实验数据处理分析方面也较去年更好一些，特别是从纸杯-砂组合体轴压性能实验联想到圆钢管混凝土柱轴压性能试验，对于钢管与混凝土的受力机理进行了类比分析。

（三）2023年

2023年进行第三次开放性实验。在第三次考核中，由于严格控制实验人数，纸杯-砂组合体轴压实验案例只有15组，参与学生30人。在这15组案例中，仅考虑砂土种类的1例，对比采用纸杯-压实砂土组合体与纸杯-压实黏土组合体轴压承载力的差异。其余14例中，考虑两种因素的有9例，考虑三种因素的有5例。在9例考虑两种因素的案例中有8例考虑通过在纸杯外增设套箍纸杯，或者缠绳，或者采用工业尼龙扎带进行困扎，或者用皮筋进行困扎，以增加纸杯对砂土的约束作用。同时，在这8例采用套箍措施的案例中，1例额外考虑砂土内嵌星形硬纸的影响；1例额外考虑砂土内嵌方形硬纸的影响；1例额外考虑砂土内嵌十字形硬纸的影响；1例额外考虑砂土内嵌空心方形纸管的影响；2例额外考虑砂土内嵌粗骨料的影响；1例额外砂土压实度的影响；1例额外考虑单次实验偶然性进行重复实验。在考虑两种因素的案例中尚有1例同时考虑砂土压实度与砂土内嵌普通纸卷钢筋的影响。在考虑三种因素的案例中，1例考虑纸杯层数、套箍纸杯和砂土内嵌三角形硬纸的影响；1例考虑砂土压实度、套箍纸杯和砂土内嵌十字形硬纸的影响；1例考虑砂土压实度、纸卷钢筋和砂土内嵌粗骨料的影响；1例考虑砂土内嵌粗骨料、砂土内嵌竹筷和砂土压实度的影响；1例考虑砂土压实度、套箍纸杯和砂土内嵌方形硬纸的影响。

从当年所搜集的案例来看，学生的创造性思维得到一定释放，多数同学在基本试件基础上考虑两种以上因素进行实验分析，仅个别同学考虑单一因素。从影响因素的考查范围来看，学生的思维深度和广度较之去年没有更大的扩展，其思维深度与广度受到专业知识和认知范围的局限。印象较为深刻的有三点，一是，考虑砂土压实度的影响的案例从上一年20例减少到仅5例，而采用各种方式进行纸杯套箍的案例从上一年3例增加到11例；二是，考虑空心纸管尺寸对纸杯-砂组合体轴压性能的影响，，类比中空夹层钢管混凝土柱；三是，在进行数据分析时可以进行正交对比分析，分析不同材料对纸杯-砂组合体轴压承载力的影响。从实验数据分析来看，实验数据处理能力得到进一步提升。

结语

研究生创新能力的培养，不能再依靠填鸭式灌输的方式，更应该以开放性实验为锻炼手段，让研究生有机会灵活运用所学习的专业知识，进行开放性实验研究，以获取更多启发性的认识，并提高对专业知识的掌握与运用能力。纸杯-砂组合体轴压性能实验的出发点在于体现组合结构一个核心设计理念（1+1>2），学生在进行实验总结过程中，也会将其与钢管混凝土结构受力机理进行联想，可以帮助其理解钢管混凝土柱传力机制。该实验中可以体现工科类创新的形式在于以不断突破原始结构形式（纸杯-砂组合体），推陈出新，提出各种方式来提升原始结构形式的力学性能（采用各种材料与形式提升纸杯-砂组合体的轴压承载力）。该实验中研究生在制作每一个纸杯-砂组合体时所花费的时间和精力是不同的，而采用各种材料和形式提升纸杯-砂组合体的轴压承载力的效果也是显而易见。由此，研究生从实验中可以认识生产力，并体会提升生产力方式方法。在第三次考核中，采用分组演示的方式进行成果考核，通过提问方式让其深刻领会制约生产力提升的技术层面的因素，并能够总结提炼出实验所解决的关键科学问题，即如何用最少的材料，耗费较少的人力，实现纸杯-砂组合体更大的轴向承载力。对于工科类研究生而言，这种形式的创新是最基础的，也是最实用的。

从新一年的考核中对上一年的案例进行总结，向学生具象化一个科学问题的研究历程，并将个别优秀研究生提出经典创造性思维的案例进行细致阐述，提高学生的参与热情和创新积极性。创新能力的培养并不是一蹴而就，需要多学科交融，更需要全社会和高校在研究生教育方面提供支持，并不能够仅仅通过一门课程的一次开放性实验完成。研究生具有一定的专业知识，也有一定的理解能力，开放式实验的设计可以最少的成本，获得研究生创新能力的极大培养，应该提倡和推广。今后，将不断加强对参与实验研究生的科研进展情况进行回访，并听取其对开放性实验的反馈意见，以期设计更多开放性实验。

参考文献：

[1]贾强， 王乙舒， 郭福. 创新性实验教学在先进电子封装课程中的探索[J]. 教育教学论坛， 2023（52）： 11-14.

[2]王芳， 刘超. “不同水稻品种的品质鉴定和综合评价”创新性实验课程设计与教学实践[J/OL]. 安徽农学通报， 2021， 27（7）： 163-164. https：//doi.org/10.16377/j.cnki.issn1007-7731.2021.07.058.

[3]吴雪艳， 陈秋龙， 周伟敏， 等. 材料综合实验课程创新性实验项目的设计与实施[J]. 实验室研究与探索， 2020， 39（8）： 228-231.

[4]金建輝， 邵永成， 谢鹤龄， 等. 基于便携实验室的实验教学模式研究[J]. 实验科学与技术， 2021， 19（1）： 110-114.

[5]杨黎黎， 华观庆， 黄海静. 基于OBE理念的高校设计类实验课程创新性改革——以建筑模型实验教改为例[J]. 高等建筑教育， 2023， 32（4）： 95-102.

项目基金：2023年中国建设劳动学会《住房和城乡建设建设高质量发展要素和人才支撑》科研项目（编号：CCLI2023R005和CCLI2023R006），苏州科技大学“五育融通”教学研究专项课题（编号：2023WYY-01）

作者简介：路冰（1988—  ），男，汉族，山东泰安人，博士，讲师，主要从事结构工程与工程抗震方面研究；赵宝成（1970—  ），男，汉族，内蒙古赤峰人，博士，教授，主要从事结构工程方面研究；刘聪（1992—  ），男，汉族，河南濮阳人，博士，副教授，主要从事结构工程方面研究；史慧媛（1989—  ），女，汉族，山东济南人，博士，副教授，主要从事结构工程与工程材料方面研究。