劉 偉，郭嘉成

（大連海洋大學(xué) 海洋與土木工程學(xué)院，遼寧 大連 116000）

引言

隨著當(dāng)今社會經(jīng)濟(jì)與科技的飛速發(fā)展，創(chuàng)新能力與實踐能力已然成為當(dāng)今社會發(fā)展的強(qiáng)大推動力和廣泛的社會需求，傳統(tǒng)教學(xué)模式下培養(yǎng)的應(yīng)用型人才已遠(yuǎn)不能滿足當(dāng)今社會的實際需要。徐瑋瑋［1］分析了應(yīng)用型大學(xué)中實驗教學(xué)的現(xiàn)狀，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)階段許多大學(xué)缺乏完善的實驗設(shè)施，大大降低了學(xué)生在教學(xué)中的主體地位。王志鑫［2］分析了混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理早期實驗教學(xué)的缺陷，提出了“全程式實驗教學(xué)”設(shè)計。羅伯光等［3］發(fā)現(xiàn)混凝土結(jié)構(gòu)實驗教學(xué)缺乏獨立的實驗教學(xué)體系，提出了符合培養(yǎng)創(chuàng)新型土工類專業(yè)人才的混凝土結(jié)構(gòu)實驗教學(xué)改革思路。劉建平等［4］學(xué)者對混凝土結(jié)構(gòu)實驗教學(xué)中存在的主要問題進(jìn)行分析，實驗教學(xué)采用“講授式”模式，缺乏啟發(fā)性；實驗教學(xué)項目單一，系統(tǒng)性和實用性不足。針對混凝土結(jié)構(gòu)現(xiàn)存問題，提出了線上線下混合式實驗教學(xué)模式和優(yōu)化實驗內(nèi)容開發(fā)綜合性設(shè)計性探究實驗。蔡瑛［5］發(fā)現(xiàn)在實驗課程中，土工類綜合性、設(shè)計性實驗所占比例較少，優(yōu)化實驗知識結(jié)構(gòu)，更新實驗教學(xué)內(nèi)容，建立以學(xué)生為中心，系統(tǒng)化、科學(xué)化、規(guī)范化和開放的實驗教學(xué)模式。

“混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理”是一門以實驗為基礎(chǔ)、兼具實踐性與理論性的學(xué)科，其內(nèi)涵豐富，外延廣泛，與技術(shù)規(guī)范及工程實際聯(lián)系緊密，具有綜合性、技術(shù)性及應(yīng)用性的特點［6-7］。因此，實驗教學(xué)在各大高校中發(fā)揮著顯著作用?！盎炷两Y(jié)構(gòu)設(shè)計原理”實驗課程較多，包括驗證性實驗、綜合性實驗、創(chuàng)新性實驗。其中，綜合性實驗建立在驗證性實驗的基礎(chǔ)之上，實驗內(nèi)容涉及多門課程或運用多種實驗方法和實驗手段，創(chuàng)新性實驗則在二者之上。劉寶生等［8-10］針對不同專業(yè)提出了“一體化三層次”的實驗教學(xué)改革，但對“混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理”這門專業(yè)課，甚至對土工類這門專業(yè)的實驗教學(xué)改革研究少之又少。本文基于“混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理”這門專業(yè)課，實現(xiàn)理論知識與實踐技能的整合，促進(jìn)各學(xué)科之間的交叉與融合，構(gòu)建“一體化、三層次”實驗教學(xué)體系，從而全面提高學(xué)生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力。

一、“一體化、三層次”實驗教學(xué)模式的內(nèi)涵

《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010—2020年）》強(qiáng)調(diào)，要優(yōu)化學(xué)科專業(yè)、類型、層次結(jié)構(gòu)，促進(jìn)多學(xué)科交叉和融合［11］。本文基于“混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理”實驗教學(xué)的不足，提出了“一體化、三層次”實驗教學(xué)模式，通過科學(xué)地安排實驗教學(xué)內(nèi)容，獨立設(shè)置實驗課程，基于簡單到復(fù)雜的循序漸進(jìn)原則［12］，構(gòu)建“一體化、三層次”實驗教學(xué)體系。

其中，“一體化”是指明確實驗?zāi)繕?biāo)，以培養(yǎng)新世紀(jì)應(yīng)用型、創(chuàng)新型人才為宗旨，追求知識體系完整，加強(qiáng)各學(xué)科之間的聯(lián)系，更好地培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力與實踐能力；“三層次”是指實驗教學(xué)內(nèi)容分為三個層次，即驗證性實驗教學(xué)模式、綜合性實驗教學(xué)模式、創(chuàng)新性實驗教學(xué)模式，其內(nèi)涵是摒棄傳統(tǒng)的實驗教學(xué)模式，推進(jìn)、完善各學(xué)科的交叉與融合、實驗教學(xué)與工程實踐、創(chuàng)新活動、科學(xué)研究、企業(yè)協(xié)作的交互融合。

二、“一體化、三層次”實驗教學(xué)模式的構(gòu)建

（一）以科學(xué)發(fā)展觀重組實驗教學(xué)內(nèi)容，構(gòu)建“一體化、三層次”的實驗教學(xué)體系

國家標(biāo)準(zhǔn)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB50010—2010）及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》（JTG3362—2018）頒布實施后［13］，進(jìn)一步提升了結(jié)構(gòu)整體安全性能和抗災(zāi)性能設(shè)計水平的要求，初步實現(xiàn)了由“構(gòu)件設(shè)計”向“結(jié)構(gòu)設(shè)計”的轉(zhuǎn)變，相應(yīng)地，對行業(yè)及土木類人才培養(yǎng)的要求也隨之提高。因此，土木工程專業(yè)課程體系及教學(xué)內(nèi)容亟須重組。本文以科學(xué)發(fā)展觀為導(dǎo)向，秉承“以生為本”的基本原則，構(gòu)建了“一體化、三層次”實驗教學(xué)體系（見圖1），旨在更好地培養(yǎng)應(yīng)用型、創(chuàng)新型人才。

圖1 “一體化、三層次”實驗教學(xué)體系

第一個層次為驗證性實驗教學(xué)，主要目的是讓學(xué)生掌握混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理中實驗的基本方法和技術(shù)，加深理解課堂上所學(xué)的基本技能和基本方法。驗證性實驗包括試件加載實驗、材料強(qiáng)度測定和材料配合比設(shè)計等實驗，通過這些實驗，使學(xué)生加深對階段性知識的理解水平和掌握程度。

第二個層次為綜合性實驗教學(xué)模式，主要目的是培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和研究能力，提高學(xué)生對專業(yè)知識的理解，增進(jìn)學(xué)生對專業(yè)技能和實踐能力的綜合訓(xùn)練。其內(nèi)容包括兩個學(xué)科方向的交叉性實驗，如利用有限元軟件，對不同工況條件下的模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)計算。綜合性實驗有利于學(xué)生對不同方向的學(xué)科內(nèi)容和專業(yè)知識進(jìn)行同步加深學(xué)習(xí)，進(jìn)而拓寬學(xué)生的復(fù)合型專業(yè)知識結(jié)構(gòu)，培養(yǎng)綜合實踐能力。

第三個層次為創(chuàng)新性實驗教學(xué)，包括大學(xué)生土木工程結(jié)構(gòu)創(chuàng)新大賽等創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)活動，主要目的是引導(dǎo)學(xué)生更多地參與創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)活動，發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，鍛煉實踐能力，提高科研能力和團(tuán)隊合作能力，同時提高學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新意識，加強(qiáng)思考問題和解決問題的方法，提高創(chuàng)新能力和實踐能力。

（二）基于“一體化、三層次”的實驗教學(xué)體系，建立實驗教學(xué)管理平臺

《教育部關(guān)于加快建設(shè)高水平本科教育全面提高人才培養(yǎng)能力的意見》指出，要加強(qiáng)校內(nèi)實驗教學(xué)資源建設(shè)，構(gòu)建功能集約、資源共享、開放充分、運作高效的實驗教學(xué)平臺［14］。現(xiàn)階段，隨著普通高等院校招生人數(shù)的日益增加，土木工程專業(yè)實驗教學(xué)過程中出現(xiàn)了居高不下的學(xué)生人數(shù)與無法增容的土木工程實驗室設(shè)備之間的矛盾。實驗教學(xué)的信息化建設(shè)和管理面臨許多問題和挑戰(zhàn)，建設(shè)一個系統(tǒng)、高效的實驗教學(xué)管理平臺，對于實驗教學(xué)來說具有重要的現(xiàn)實意義［15］?；凇盎炷两Y(jié)構(gòu)設(shè)計原理”的“一體化、三層次”實驗教學(xué)體系，構(gòu)建形成實驗教學(xué)平臺整體框架（見圖2），它包括考核管理模塊、教學(xué)資源管理模塊、驗證性實驗教學(xué)模塊、綜合性實驗教學(xué)模塊、創(chuàng)新性實驗教學(xué)模塊、實驗室虛擬平臺模塊等。

圖2 實驗教學(xué)管理平臺框架

據(jù)統(tǒng)計，大部分工科類專業(yè)實驗教學(xué)課時約占總課時的30%左右，實驗教學(xué)開展的充分條件是擁有儀器設(shè)備，它在教學(xué)實驗室中占據(jù)主要空間，但由于絕大多數(shù)高校實驗室空間有限，實驗設(shè)備不能同時滿足大量學(xué)生的實驗教學(xué)。為此，實驗室除了正常的實驗教學(xué)外，還應(yīng)建立一個開放、互聯(lián)、共享的網(wǎng)絡(luò)資源實驗室虛擬平臺。

1.實驗室虛擬平臺的內(nèi)涵。實驗室虛擬平臺與傳統(tǒng)的實驗教學(xué)相比，具有如下特點。（1）虛擬實驗室可以通過減少實驗資金投入彌補(bǔ)教學(xué)實驗條件和實驗經(jīng)費的缺乏［16］，同時提高使用效率，更好地實現(xiàn)大型科學(xué)儀器的資源共享，進(jìn)而避免大型儀器設(shè)備的浪費。（2）強(qiáng)調(diào)“網(wǎng)絡(luò)是實驗設(shè)備”的概念?；ヂ?lián)網(wǎng)在實驗中扮演著以往由操作臺和實驗儀器實現(xiàn)的角色。學(xué)生可以通過實驗室虛擬平臺，以身臨其境的方式對實驗現(xiàn)象進(jìn)行觀察和“實際”操作，甚至還可以與異地學(xué)生合作進(jìn)行實驗。（3）實驗室虛擬平臺改變了以往實踐教學(xué)模式受時間和地點的限制，利用計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)提高實驗教學(xué)效率，更好地培養(yǎng)學(xué)生獨立分析問題和解決問題的能力，進(jìn)一步提高學(xué)生的實踐技能。（4）考慮到網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室的開放性和共享性，實驗室虛擬平臺可以提高資源的可重用性，縮短系統(tǒng)構(gòu)建時間，方便功能的擴(kuò)展和管理，增加學(xué)生的實驗操作機(jī)會，擴(kuò)大實驗范圍和科目，促進(jìn)各學(xué)科之間的交叉與融合，充分發(fā)揮教育領(lǐng)域互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的優(yōu)勢。

2.實驗室虛擬平臺的搭建。實驗室虛擬平臺屬于遠(yuǎn)程操作類虛擬實驗，學(xué)生可以通過校內(nèi)機(jī)房或通過校外電腦下載軟件和手機(jī)下載App遠(yuǎn)程進(jìn)行虛擬實驗，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3。在虛擬實驗系統(tǒng)中，硬件資源主要包括實驗儀器、實驗設(shè)備、實驗材料、實驗室環(huán)境及一些輔助實驗工具。在系統(tǒng)的有效控制下，實驗室虛擬平臺不僅可以為本校師生提供服務(wù)，還可以被國內(nèi)各大高校使用。在使用過程中出現(xiàn)什么問題或產(chǎn)生創(chuàng)新性的實驗方法，可及時反饋給系統(tǒng)，更好地發(fā)揮實驗室虛擬平臺的開放、互聯(lián)、共享作用。

圖3 實驗室虛擬平臺系統(tǒng)

實驗室虛擬平臺主要有三個模塊：系統(tǒng)管理模塊、教師指導(dǎo)模塊和學(xué)生模擬實驗?zāi)K。其中，系統(tǒng)管理模塊為實驗室管理人員對整個系統(tǒng)進(jìn)行實時監(jiān)控，處理系統(tǒng)中出現(xiàn)的問題，維護(hù)實驗平臺的功能；教師指導(dǎo)模塊可以讓指導(dǎo)教師通過實驗平臺進(jìn)行實驗指導(dǎo)、批改實驗報告、布置實驗內(nèi)容等；學(xué)生模擬實驗?zāi)K可以讓學(xué)生通過虛擬實驗平臺充分了解實驗儀器、裝置及材料的用途，在實驗平臺上進(jìn)行實驗學(xué)習(xí)、實驗練習(xí)、提交實驗報告、提問及回答問題。

結(jié)語

本文以“混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理”課程實驗教學(xué)模式改革為目標(biāo)，以科學(xué)發(fā)展觀為導(dǎo)向，提出驗證性實驗教學(xué)模式、綜合性實驗教學(xué)模式、創(chuàng)新性實驗教學(xué)模式和應(yīng)用型、創(chuàng)新型人才培養(yǎng)相結(jié)合，構(gòu)建“一體化，三層次”實驗教學(xué)模式，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生的自律性，用高質(zhì)量的實驗教學(xué)培養(yǎng)出優(yōu)秀的新時代大學(xué)生。