路冰 趙寶成 劉聰 史慧媛

摘要：研究生創(chuàng)新能力的提高是研究生教育的重要課題。目前研究生培養(yǎng)多以導師指導作為主要培養(yǎng)手段，而在研究生課程教學過程中則以演示講述為主，研究生運用所學專業(yè)知識解決實際工程問題的機會較少，對于研究生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)也淺嘗輒止。蘇州科技大學土木工程學院土木工程專業(yè)是江蘇省優(yōu)勢學科，在研究生《組合結構》課程講授過程中，設計“紙杯-砂組合體軸壓性能”開放性實驗，為培養(yǎng)研究生創(chuàng)新能力提供了實驗平臺。結合三屆研究生所完成的“紙杯-砂組合體軸壓性能”開放性實驗數據進行系統(tǒng)分析發(fā)現，研究生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力有所提高，對于專業(yè)知識的運用能力有所增強。

關鍵詞：研究生教育；創(chuàng)新能力；開放性實驗

創(chuàng)新，一詞在我國史書出現很早，《魏書》中記載“革弊創(chuàng)新”。創(chuàng)新，一方面指創(chuàng)造絕無僅有的新事物，另一方面指對舊事物進行創(chuàng)造性的改造進而獲得與舊事物有較大差異的新事物。在西方，創(chuàng)新，Innovation，起源于拉丁語，原意有三層意思，一是更新，二是創(chuàng)造，三是改變。1912年，美國經濟學家熊彼得在《經濟發(fā)展理論》一書中首次提出了“創(chuàng)新理論”。熊彼得界定了經濟學中創(chuàng)新的五種形式：開發(fā)新產品；引進新技術；開辟新市場；發(fā)掘新的原材料來源；實現新的組織形式和管理模式。研究生教育的首要任務在于培養(yǎng)創(chuàng)新人才，需要著力提升研究生創(chuàng)新能力。從研究學者針對國內研究生創(chuàng)新能力評測的調查結果來看，我國研究生創(chuàng)新能力不足已經是迫在眉睫的重要研究生教育課題[1]。目前，對于任何一個國家而言，創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)基地在大學，而大學中創(chuàng)新型人才聚集在研究生階段。因此，研究生創(chuàng)新能力是衡量高校研究生教育質量的重要指標[2]，而提升研究生創(chuàng)新能力培養(yǎng)即是高校研究生教育工作的重點和難點，也是國家創(chuàng)新能力的重要源泉[3]。對于工科類研究生而言，創(chuàng)新的內在驅動力在于生產力的提升，因此，工科類研究生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)的前提在于認識生產力，并了解制約生產力提升的社會因素、制度因素和技術因素，而培養(yǎng)工科類研究生創(chuàng)新能力的關鍵在于發(fā)掘制約生產力提升的技術層面的科學問題[4]。蘇州科技大學作為一所以工科為主、工理文管藝多學科協(xié)調發(fā)展的全日制普通高校，未來學校的發(fā)展定位是高水平教學研究型大學，因此，培養(yǎng)研究生創(chuàng)新能力是學校研究生教育工作的重中之重，而開放性實驗是培養(yǎng)研究生創(chuàng)新能力的重要手段[5]。在蘇州科技大學土木工程專業(yè)研究生《組合結構》課程講授過程中，設計了紙杯-砂組合體軸壓性能開放性實驗，其目的在于培養(yǎng)學生發(fā)掘科學問題的能力，并能夠運用所學專業(yè)知識提出解決科學問題的可行性方案。自2021年以來，共有三屆研究生完成的53次實驗。通過對實驗案例進行系統(tǒng)分析，進一步發(fā)掘培養(yǎng)研究生創(chuàng)新能力的關鍵環(huán)節(jié)，提出改進措施，建立長效反饋機制，為研究生創(chuàng)新能力課程培養(yǎng)方案提供借鑒。

一、實驗介紹

蘇州科技大學土木工程學院開設《組合結構》課程，該課程培養(yǎng)目標為使學生了解組合結構的基本概念與性能特點，掌握組合梁與組合柱的受力機理、傳力機制與構造要求。組合結構設計的一個核心概念是將兩種或多種不同性質的材料組合在一起，以實現大于兩種或多種不同性質的材料簡單疊加的效果，即“1+1>2”。課程授課內容中組合梁類型有兩種，即鋼-混凝土組合梁和型鋼-混凝土組合梁；組合柱類型有三種，鋼管混凝土柱，鋼管約束混凝土柱和型鋼混凝土柱。對比這五種組合結構構件，其中，鋼管混凝土柱對于組合結構設計核心觀點的闡釋最為直接，也最能吸引學生的學習興趣。該課程以此為基礎，設計了紙杯-砂組合體軸壓性能開放性實驗。該實驗以紙杯和砂土作為基本材料，設計三個基本試件，即掏空底部紙杯，紙杯狀砂土，紙杯-砂組合體。該實驗的開放性體現在可以在實驗中增加任意材料用于改善紙杯-砂組合體軸壓性能，提高其軸壓承載能力。該實驗旨在幫助研究生在學習組合結構課程的過程中更好領會組合結構的核心概念，也可以幫助其更好地理解課堂中所講述的一些偏于晦澀難懂的專業(yè)知識，如套箍理論，約束混凝土，鋼管局部屈曲等。該實驗的目的在于分析紙杯-砂組合體的承壓機理，觀察紙杯與砂破壞形態(tài)，并對實驗過程進行描述，對實驗數據進行分析，訓練其開展實驗研究的能力，提高提煉科學問題的能力，鍛煉其數據總結與分析能力。此外，該實驗為團隊合作實驗，可以培養(yǎng)研究生團隊意識和合作能力。在進行不同類型紙杯-砂組合體軸向承壓承載力測量方面，考慮到經濟性、簡便性與易操作性，在降低測量精度的條件下，建議以書本作為加載物，以體重計作為稱重設備。從現有案例分析結果來看，該測量方式足夠用于區(qū)分不同類型紙杯-砂組合體軸壓性能，可以幫助研究生進行實驗數據的定性分析處理。

二、案例分析

按照蘇州科技大學土木工程學院研究生《組合結構》課程教學大綱要求，該課程為考查課，期末考試以大作業(yè)作為評分標準。該課程大作業(yè)共設計了三種類型，即紙杯-砂組合體軸壓性能實驗、組合結構構件研究現狀文獻綜述和組合結構構件力學性能數值模擬分析。下面將就每一年選修該課程研究生選擇紙杯-砂組合體軸壓性能實驗的案例進行分析。

（一）2021年

2021年進行第一次開放性實驗。在第一次考核中，紙杯-砂組合體軸壓實驗案例共計17份，參與學生49人。在這17組例開放性實驗中，僅考慮單次實驗偶然性而進行重復實驗的共有5例，其中4例重復實驗3次，1例重復實驗5次。僅考慮砂土粒徑影響的有1例，對比紙杯-粗砂組合體與紙杯-細沙組合體軸壓承載力的差異。僅考慮濕砂影響的有1例，對比紙杯-濕砂組合體與紙杯-干砂組合體軸壓承載力的差異。僅考慮砂土壓實度影響的有7例，對于紙杯-壓實砂組合體與紙杯-松散砂組合體軸壓承載力的差異。僅考慮紙杯底部掏空與否影響的1例，對比不掏空紙杯-砂組合體與掏空紙杯-砂組合體軸壓承載力的差異。以上共計14例，學生僅考慮單一因素影響?？紤]砂土壓實度與砂土內嵌十字形硬紙影響的有2例，其中十字形硬紙?zhí)畛浼埍瓋绕鸬街巫饔?，可以顯著提高紙杯-砂組合體軸壓承載力?？紤]砂土粒徑、砂土壓實度和濕砂三種因素影響的有1例。

從當年所搜集的案例來看，學生的創(chuàng)造性思維得到一定釋放，多數同學在基本試件基礎上增加單一因素進行實驗分析，僅少數同學可以同時考慮兩種以上因素。印象較為深刻的有一點，即在砂土中內嵌十字形硬紙。從實驗數據分析來看，由于絕大多數研究生并未有開展開放性實驗的經歷，只是進行試探性實驗與分析，實驗數據處理過于簡單。由此可以看出，研究生的創(chuàng)新能力不足已經成為共性問題。

（二）2022年

2022年進行第二次開放性實驗。在第二次考核中，紙杯-砂組合體軸壓實驗案例共計21組，參與學生42人。在這21組案例中，僅考慮砂土壓實度影響的有5例，僅考慮砂土種類的1例，對比采用紙杯-壓實砂土組合體與紙杯-壓實黏土組合體軸壓承載力的差異。其余15例中，考慮兩種因素的有11例，考慮三種因素的有4例。在11例考慮兩種因素的案例中均考慮砂土壓實度的影響，其中，1例額外考慮砂土中含水率影響，含水率精確到1.0%，1.5%和3.0%；?1例額外考慮濕砂與干砂影響；1例額外考慮在砂土中增設普通紙卷鋼筋；1例額外考慮在砂土中增設硬紙卷鋼筋；1例額外考慮在砂土中增設工字形硬紙；1例額外考慮將紙杯揉捏用以模擬鋼管腐蝕影響；2例額外考慮在砂中增設十字形硬紙；3例額外考慮單次實驗偶然性而進行重復實驗，實驗均重復3次。在4例考慮三種因素的案例中均考慮砂土壓實度的影響，其中，1例額外考慮紙杯層數與砂土內嵌三角形硬紙的影響；1例額外考慮皮筋數量與砂土內嵌粗骨料的影響；1例額外考慮套箍紙杯與砂土內嵌工字形硬紙的影響；1例額外考慮砂土內嵌硬紙與硬紙形狀的影響，包括工字形硬紙，十字形硬紙與矩形硬紙。

從當年所搜集的案例來看，學生的創(chuàng)造性思維得到進一步釋放，多數同學在基本試件基礎上考慮兩種以上因素進行實驗分析，僅少數同學考慮單一因素。從影響因素的考查范圍來看，學生的思維深度和廣度得到提高，嚴謹性也得到進一步啟發(fā)。印象較為深刻的有四點，一是，將含水量精確到百分數，二是，將紙杯揉捏模擬真實環(huán)境中的鋼管銹蝕，三是，紙杯外套皮筋進行徑向約束，四是，考慮硬紙形狀的影響。本次在考核前展示上一年研究生的實驗成果照片，對于啟發(fā)研究生開展開放性實驗有一定幫助，并且可以調動他們的積極性和求勝心。在進行實驗數據處理分析方面也較去年更好一些，特別是從紙杯-砂組合體軸壓性能實驗聯想到圓鋼管混凝土柱軸壓性能試驗，對于鋼管與混凝土的受力機理進行了類比分析。

（三）2023年

2023年進行第三次開放性實驗。在第三次考核中，由于嚴格控制實驗人數，紙杯-砂組合體軸壓實驗案例只有15組，參與學生30人。在這15組案例中，僅考慮砂土種類的1例，對比采用紙杯-壓實砂土組合體與紙杯-壓實黏土組合體軸壓承載力的差異。其余14例中，考慮兩種因素的有9例，考慮三種因素的有5例。在9例考慮兩種因素的案例中有8例考慮通過在紙杯外增設套箍紙杯，或者纏繩，或者采用工業(yè)尼龍扎帶進行困扎，或者用皮筋進行困扎，以增加紙杯對砂土的約束作用。同時，在這8例采用套箍措施的案例中，1例額外考慮砂土內嵌星形硬紙的影響；1例額外考慮砂土內嵌方形硬紙的影響；1例額外考慮砂土內嵌十字形硬紙的影響；1例額外考慮砂土內嵌空心方形紙管的影響；2例額外考慮砂土內嵌粗骨料的影響；1例額外砂土壓實度的影響；1例額外考慮單次實驗偶然性進行重復實驗。在考慮兩種因素的案例中尚有1例同時考慮砂土壓實度與砂土內嵌普通紙卷鋼筋的影響。在考慮三種因素的案例中，1例考慮紙杯層數、套箍紙杯和砂土內嵌三角形硬紙的影響；1例考慮砂土壓實度、套箍紙杯和砂土內嵌十字形硬紙的影響；1例考慮砂土壓實度、紙卷鋼筋和砂土內嵌粗骨料的影響；1例考慮砂土內嵌粗骨料、砂土內嵌竹筷和砂土壓實度的影響；1例考慮砂土壓實度、套箍紙杯和砂土內嵌方形硬紙的影響。

從當年所搜集的案例來看，學生的創(chuàng)造性思維得到一定釋放，多數同學在基本試件基礎上考慮兩種以上因素進行實驗分析，僅個別同學考慮單一因素。從影響因素的考查范圍來看，學生的思維深度和廣度較之去年沒有更大的擴展，其思維深度與廣度受到專業(yè)知識和認知范圍的局限。印象較為深刻的有三點，一是，考慮砂土壓實度的影響的案例從上一年20例減少到僅5例，而采用各種方式進行紙杯套箍的案例從上一年3例增加到11例；二是，考慮空心紙管尺寸對紙杯-砂組合體軸壓性能的影響，，類比中空夾層鋼管混凝土柱；三是，在進行數據分析時可以進行正交對比分析，分析不同材料對紙杯-砂組合體軸壓承載力的影響。從實驗數據分析來看，實驗數據處理能力得到進一步提升。

結語

研究生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，不能再依靠填鴨式灌輸的方式，更應該以開放性實驗為鍛煉手段，讓研究生有機會靈活運用所學習的專業(yè)知識，進行開放性實驗研究，以獲取更多啟發(fā)性的認識，并提高對專業(yè)知識的掌握與運用能力。紙杯-砂組合體軸壓性能實驗的出發(fā)點在于體現組合結構一個核心設計理念（1+1>2），學生在進行實驗總結過程中，也會將其與鋼管混凝土結構受力機理進行聯想，可以幫助其理解鋼管混凝土柱傳力機制。該實驗中可以體現工科類創(chuàng)新的形式在于以不斷突破原始結構形式（紙杯-砂組合體），推陳出新，提出各種方式來提升原始結構形式的力學性能（采用各種材料與形式提升紙杯-砂組合體的軸壓承載力）。該實驗中研究生在制作每一個紙杯-砂組合體時所花費的時間和精力是不同的，而采用各種材料和形式提升紙杯-砂組合體的軸壓承載力的效果也是顯而易見。由此，研究生從實驗中可以認識生產力，并體會提升生產力方式方法。在第三次考核中，采用分組演示的方式進行成果考核，通過提問方式讓其深刻領會制約生產力提升的技術層面的因素，并能夠總結提煉出實驗所解決的關鍵科學問題，即如何用最少的材料，耗費較少的人力，實現紙杯-砂組合體更大的軸向承載力。對于工科類研究生而言，這種形式的創(chuàng)新是最基礎的，也是最實用的。

從新一年的考核中對上一年的案例進行總結，向學生具象化一個科學問題的研究歷程，并將個別優(yōu)秀研究生提出經典創(chuàng)造性思維的案例進行細致闡述，提高學生的參與熱情和創(chuàng)新積極性。創(chuàng)新能力的培養(yǎng)并不是一蹴而就，需要多學科交融，更需要全社會和高校在研究生教育方面提供支持，并不能夠僅僅通過一門課程的一次開放性實驗完成。研究生具有一定的專業(yè)知識，也有一定的理解能力，開放式實驗的設計可以最少的成本，獲得研究生創(chuàng)新能力的極大培養(yǎng)，應該提倡和推廣。今后，將不斷加強對參與實驗研究生的科研進展情況進行回訪，并聽取其對開放性實驗的反饋意見，以期設計更多開放性實驗。

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項目基金：2023年中國建設勞動學會《住房和城鄉(xiāng)建設建設高質量發(fā)展要素和人才支撐》科研項目（編號：CCLI2023R005和CCLI2023R006），蘇州科技大學“五育融通”教學研究專項課題（編號：2023WYY-01）

作者簡介：路冰（1988—??），男，漢族，山東泰安人，博士，講師，主要從事結構工程與工程抗震方面研究；趙寶成（1970—??），男，漢族，內蒙古赤峰人，博士，教授，主要從事結構工程方面研究；劉聰（1992—??），男，漢族，河南濮陽人，博士，副教授，主要從事結構工程方面研究；史慧媛（1989—??），女，漢族，山東濟南人，博士，副教授，主要從事結構工程與工程材料方面研究。