譚曉慧+侯曉亮+儲(chǔ)誠富+查甫生+錢家忠+馬雷

摘要：實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高等學(xué)校教學(xué)工作的重要組成部分，是溝通理論與實(shí)踐的橋梁。為了提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)具有較高科研素質(zhì)、較強(qiáng)創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的創(chuàng)新型拔尖人才，提出了土工實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的兩個(gè)具體辦法：要求學(xué)生進(jìn)行研究性預(yù)習(xí)，提交實(shí)驗(yàn)所需的電子表格；對(duì)實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行數(shù)值模擬分析，深入理解實(shí)驗(yàn)過程及影響因素。通過教學(xué)改革，可以提高學(xué)生的預(yù)習(xí)效果，提高實(shí)驗(yàn)課教學(xué)質(zhì)量；可以更好地將理論與實(shí)踐相結(jié)合，促進(jìn)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)過程、現(xiàn)象及影響因素的深入理解，

學(xué)會(huì)深入分析問題。這種改革有利于培養(yǎng)具有扎實(shí)理論基礎(chǔ)、較強(qiáng)工程實(shí)踐能力及創(chuàng)新能力的高素質(zhì)人才。

關(guān)鍵詞：實(shí)驗(yàn)教學(xué)；教學(xué)改革；研究性；土工實(shí)驗(yàn)

中圖分類號(hào)：G642；423；TU41文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：

10052909（2017）05010404

一、研究背景

培養(yǎng)創(chuàng)新型拔尖人才是新時(shí)期高等教育教學(xué)改革的核心目標(biāo)之一，“加強(qiáng)自主創(chuàng)新、建設(shè)創(chuàng)新型國家”已成為中國社會(huì)主義現(xiàn)代化建設(shè)的國家戰(zhàn)略。培養(yǎng)和造就創(chuàng)新型人才，是建設(shè)創(chuàng)新型國家、實(shí)施科教興國戰(zhàn)略和人才強(qiáng)國戰(zhàn)略的關(guān)鍵所在。創(chuàng)新型人才是指具有創(chuàng)新意識(shí)、創(chuàng)新精神、創(chuàng)新能力，能夠取得創(chuàng)新成果的人才。創(chuàng)新型拔尖人才的培養(yǎng)最重要地是培養(yǎng)創(chuàng)新能力和創(chuàng)新思維。在培養(yǎng)過程中，應(yīng)充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性，要通過一系列的創(chuàng)新型教育活動(dòng)，使學(xué)生學(xué)會(huì)提出問題、分析問題和解決問題[1]。

實(shí)驗(yàn)室是高校教學(xué)與科研的重要基地，實(shí)驗(yàn)教學(xué)是教學(xué)工作的重要組成部分，是培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的創(chuàng)新型拔尖人才的重要環(huán)節(jié)，是溝通理論與實(shí)踐的橋梁[2]。理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)兩者相互依存、相互促進(jìn)，二者的有機(jī)結(jié)合有利于培養(yǎng)全面發(fā)展的創(chuàng)新型高層次專業(yè)技術(shù)人才。實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以增加學(xué)生對(duì)抽象理論的感性認(rèn)識(shí)，加深對(duì)理論知識(shí)的理解，它不僅可以培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力，還可以培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考的工作作風(fēng)和科學(xué)思維。這對(duì)于學(xué)生畢業(yè)后從事工程實(shí)踐或科學(xué)研究具有十分積極的意義[3]。

土工實(shí)驗(yàn)是土木工程、地質(zhì)工程、水利工程等專業(yè)重要的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容之一。隨著國家基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)步伐的加快，高層建筑、復(fù)雜水利水電工程、高速公路與鐵路等工程大量興建，社會(huì)對(duì)土木工程人才的需求越來越高，這種需求不僅表現(xiàn)在數(shù)量上，而且更注重質(zhì)量的提升。如何培養(yǎng)具有扎實(shí)理論基礎(chǔ)、較強(qiáng)工程實(shí)踐能力、具有創(chuàng)新思維及創(chuàng)新能力的高素質(zhì)人才，已成為當(dāng)前高等院校土木、地質(zhì)、水利等相關(guān)專業(yè)教學(xué)中面臨的十分重要的課題[2，4-5]。

在計(jì)算機(jī)技術(shù)高速發(fā)展的今天，高校學(xué)生具有較為開闊的專業(yè)視野，有跟蹤熱點(diǎn)工程的意愿和濃厚的科研興趣[6]。高校教師大多具有從事科研工作的豐富經(jīng)驗(yàn)，有扎實(shí)的土力學(xué)知識(shí)、良好的實(shí)驗(yàn)技術(shù)和計(jì)算能力。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師結(jié)合學(xué)生的求知意識(shí)，注重培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力，可以充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情，提高教學(xué)效果。研究性實(shí)踐教學(xué)是培養(yǎng)創(chuàng)新型及應(yīng)用型人才的內(nèi)在要求，能夠?yàn)樯鐣?huì)培養(yǎng)所需的基礎(chǔ)寬、能力強(qiáng)的復(fù)合型、應(yīng)用型、創(chuàng)新型人才[7]。為此，筆者以土工實(shí)驗(yàn)教學(xué)為例，探討基于研究性理念的工科實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式與方法。

二、土工實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀

土工實(shí)驗(yàn)是土木工程、地質(zhì)工程、水利工程等專業(yè)課程教學(xué)體系中非常重要的實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)，是相關(guān)專業(yè)本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)的基礎(chǔ)。通過土工實(shí)驗(yàn)，可以使學(xué)生深入了解土的工程性質(zhì)，熟悉土工實(shí)驗(yàn)各種儀器設(shè)備的操作，培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手操作

、分析整理實(shí)驗(yàn)報(bào)告、獨(dú)立思考和創(chuàng)新的能力，為今后從事專業(yè)技術(shù)工作打下良好的基礎(chǔ)[8]。

傳統(tǒng)土工實(shí)驗(yàn)教學(xué)普遍存在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容單一、驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)多、綜合設(shè)計(jì)類實(shí)驗(yàn)少的問題；

不重視實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)，注重實(shí)驗(yàn)過程對(duì)學(xué)生操作技能的訓(xùn)練，忽視對(duì)其科研素質(zhì)及創(chuàng)新能力的培養(yǎng)；實(shí)驗(yàn)結(jié)束，只是簡(jiǎn)單套用公式或圖表對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析，未展開對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比對(duì)分析，雖然在實(shí)驗(yàn)過程中學(xué)生也會(huì)進(jìn)行分析、探討，但分析較為簡(jiǎn)單，缺乏深度。

為了提高人才培養(yǎng)質(zhì)量，滿足國家對(duì)創(chuàng)新型拔尖人才的需求，很多高校進(jìn)行了土工實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，提出了一系列改革措施[2，6，9]。如：增購儀器設(shè)備、建立開放實(shí)驗(yàn)室、增加綜合與設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的比例、自制模型演示實(shí)驗(yàn)、加強(qiáng)校企合作[10]等。這些改革舉措為提高土工實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果起到了促進(jìn)作用，但具體執(zhí)行效果仍有待進(jìn)一步提高。如：增購實(shí)驗(yàn)儀器需要層層報(bào)批，具體落實(shí)有難度。建立開放實(shí)驗(yàn)室，學(xué)生做實(shí)驗(yàn)的時(shí)間相對(duì)靈活，能充分挖掘?qū)W生的潛力，訓(xùn)練學(xué)生的動(dòng)手能力，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維，但開放實(shí)驗(yàn)室學(xué)生做實(shí)驗(yàn)的時(shí)間戰(zhàn)線較長，教師無法全程陪同并及時(shí)給予指導(dǎo)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果取決于學(xué)生自身的態(tài)度。增加綜合與設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的比例是提高學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力的有效措施，但實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果也與學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度和教師對(duì)實(shí)驗(yàn)過程的掌控息息相關(guān)。

為充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，激發(fā)其創(chuàng)新潛質(zhì)，在現(xiàn)有的教學(xué)條件下，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中強(qiáng)調(diào)研究性預(yù)習(xí)及實(shí)驗(yàn)后續(xù)數(shù)值分析的重要性，為培養(yǎng)創(chuàng)新性拔尖人才提供了一種新途徑。

三、基于研究性理念的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

（一）研究性預(yù)習(xí)

預(yù)習(xí)對(duì)于實(shí)驗(yàn)教學(xué)同樣具有重要作用，良好的預(yù)習(xí)是保證學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力得以提升的基礎(chǔ)。在常規(guī)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師一般要求學(xué)生在實(shí)驗(yàn)課前預(yù)習(xí)

，了解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、目的、原理、方法和注意事項(xiàng)等。雖然多年來教師一直強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)的重要性，但學(xué)生預(yù)習(xí)效果差強(qiáng)人意。多年的實(shí)驗(yàn)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)表明：很多學(xué)生在預(yù)習(xí)時(shí)只關(guān)注具體的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟，保證能按時(shí)完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)；學(xué)習(xí)態(tài)度較為認(rèn)真的學(xué)生還會(huì)準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)記錄表格，以便及時(shí)填入實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，但是，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)之前很少關(guān)注實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的具體處理方法。由此導(dǎo)致的結(jié)果往往是學(xué)生機(jī)械地做實(shí)驗(yàn)，記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果，至于為何進(jìn)行這樣的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是否正確，如何對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析處理，endprint

缺乏更為深層的思考。如果實(shí)驗(yàn)結(jié)果有問題，學(xué)生也很難及時(shí)重復(fù)實(shí)驗(yàn)或改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方法。

為了提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)課預(yù)習(xí)的質(zhì)量，提前布置研究性預(yù)習(xí)任務(wù)，要求學(xué)生課前不僅要閱讀實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書、了解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，而且要用EXCEL做好電子表格。電子表格做好后在實(shí)驗(yàn)課之前上交教師評(píng)閱、修改、打分。在電子表格中，要明確區(qū)分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄區(qū)域及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理區(qū)域。在數(shù)據(jù)記錄區(qū)只能填寫實(shí)驗(yàn)過程中直接觀測(cè)到的讀數(shù)，而在結(jié)果處理區(qū)域，則要求輸入相應(yīng)的計(jì)算公式，并計(jì)算最終結(jié)果，必要時(shí)，還可繪制實(shí)驗(yàn)結(jié)果曲線圖。

上述內(nèi)容看似簡(jiǎn)單，但近年來的教學(xué)實(shí)踐表明，這樣的研究性預(yù)習(xí)有如下優(yōu)點(diǎn)。

（1） 將傳統(tǒng)教學(xué)中實(shí)驗(yàn)結(jié)束后部分工作提前至實(shí)驗(yàn)開始之前，讓學(xué)生做到有的放矢。學(xué)生研究性預(yù)習(xí)后必須提交電子表格，因而教師能對(duì)學(xué)生的預(yù)習(xí)效果有明確的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。學(xué)生的預(yù)習(xí)不再流于形式，而需要花大量時(shí)間，精心準(zhǔn)備。學(xué)生通過帶有明確任務(wù)的研究性預(yù)習(xí)，能夠?qū)?shí)驗(yàn)?zāi)康呐c內(nèi)容有更好的了解。通過制表，學(xué)生能明確實(shí)驗(yàn)過程中需要測(cè)定的物理量，能夠計(jì)算得到具體值以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理的具體方法。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中及時(shí)將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)填入電子表格之后，能夠?qū)崟r(shí)得出計(jì)算結(jié)果，這有助于判斷實(shí)驗(yàn)結(jié)果是否正確，及時(shí)分析實(shí)驗(yàn)過程中存在的問題。

（2）有助于培養(yǎng)學(xué)生的研究性思維及創(chuàng)新實(shí)踐能力。學(xué)生在充分了解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的基礎(chǔ)上再進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，更有利于理解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及本質(zhì)。此時(shí)，學(xué)生不再被動(dòng)按照教材或教師的指導(dǎo)按部就班地完成實(shí)驗(yàn)，他們有更多的時(shí)間思考實(shí)驗(yàn)過程中遇到的問題，并提出相應(yīng)解決辦法，這對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的研究性思維及創(chuàng)新實(shí)踐能力有促進(jìn)作用。

（3）有助于提高學(xué)生對(duì)電子表格及計(jì)算機(jī)的應(yīng)用能力。EXCEL是辦公軟件OFFICE的組件之一，熟練使用EXCEL是大學(xué)生的必備技能之一。雖然EXCEL的入門非常簡(jiǎn)單，但能真正利用其強(qiáng)大的計(jì)算及繪圖功能卻有一定難度。通過研究性預(yù)習(xí)，學(xué)生可以在電子表格中直接輸入簡(jiǎn)單公式。當(dāng)公式較為復(fù)雜時(shí)，還可以通過EXCEL內(nèi)嵌的VB編程功能編寫小程序，使數(shù)據(jù)處理更為簡(jiǎn)潔。對(duì)于計(jì)算所得數(shù)據(jù)，還可以用圖形直觀表示數(shù)據(jù)間的內(nèi)在關(guān)系，有助于深入分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。這樣，學(xué)生既能學(xué)習(xí)專業(yè)知識(shí)，又能提高自己的計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力，滿足用人單位對(duì)復(fù)合型人才的需求，達(dá)到事半功倍的效果。

（二）實(shí)驗(yàn)過程的數(shù)值模擬

在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，分析處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、編寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告是實(shí)驗(yàn)結(jié)束之后的主要任務(wù)。在教學(xué)過程中我們發(fā)現(xiàn)，很多學(xué)生愿意主動(dòng)去學(xué)相關(guān)數(shù)值分析軟件（如：有限差分軟件FLAC，有限元軟件ANSYS、SIGMA/W等），但由于缺乏合適的工程實(shí)例作支撐，學(xué)生自學(xué)效果不佳。按照書本指導(dǎo)去學(xué)習(xí)軟件只能達(dá)到入門級(jí)要求，帶著具體的工程問題去學(xué)習(xí)軟件才能達(dá)到對(duì)軟件的深入了解和靈活應(yīng)用。

土工實(shí)驗(yàn)一般安排在大三進(jìn)行，由于大三學(xué)生的專業(yè)知識(shí)較為欠缺，讓他們用數(shù)值計(jì)算軟件去分析實(shí)際工程問題難度很大。但是，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)之后，讓學(xué)生用軟件分析實(shí)驗(yàn)過程卻相對(duì)簡(jiǎn)單。學(xué)生通過對(duì)實(shí)驗(yàn)過程的數(shù)值模擬，既能學(xué)習(xí)專業(yè)軟件的使用，又能對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行深入分析。例如，以土的直剪實(shí)驗(yàn)為例，可以讓學(xué)生模擬直剪實(shí)驗(yàn)的全過程，了解土樣在實(shí)驗(yàn)過程中的應(yīng)力與應(yīng)變的變化規(guī)律，以及初始條件與邊界條件對(duì)數(shù)值計(jì)算結(jié)果的影響；可以選擇不同的本構(gòu)模型進(jìn)行數(shù)值模擬，了解不同本構(gòu)模型對(duì)應(yīng)的土體應(yīng)力與應(yīng)變特性；可以結(jié)合固結(jié)與滲流分析，讓學(xué)生分析快剪、固結(jié)快剪與慢剪的實(shí)驗(yàn)過程，分析三種實(shí)驗(yàn)方法的本質(zhì)區(qū)別；可以改變土工參數(shù)，

分析參數(shù)的敏感性，了解土的黏聚力、內(nèi)摩擦角、彈性模量及泊松比等對(duì)抗剪強(qiáng)度及土體變形的影響。

學(xué)生通過對(duì)實(shí)驗(yàn)過程的數(shù)值模擬分析，可以達(dá)到以下效果。

（1）數(shù)值模擬分析可以與實(shí)驗(yàn)教學(xué)互為補(bǔ)充，相互促進(jìn)。相同條件下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果可以互為驗(yàn)證，使得理論與實(shí)踐結(jié)合更為緊密。在數(shù)值模擬過程中需要輸入相應(yīng)的計(jì)算參數(shù)，而計(jì)算參數(shù)的獲取又必須通過實(shí)驗(yàn)獲取。不同的計(jì)算參數(shù)對(duì)應(yīng)不同的計(jì)算結(jié)果，這種形象化計(jì)算會(huì)讓學(xué)生深入理解土工實(shí)驗(yàn)的重要性，培養(yǎng)學(xué)生認(rèn)真開展土工實(shí)驗(yàn)的科學(xué)態(tài)度。

（2）數(shù)值模擬分析可以促進(jìn)學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解與掌握。培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力是實(shí)踐教學(xué)的主要任務(wù)，但由于實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)數(shù)有限，實(shí)驗(yàn)條件也相對(duì)固定，要想開展大量的土工實(shí)驗(yàn)不切實(shí)際，而且，一些土工實(shí)驗(yàn)歷時(shí)較長，學(xué)生在短時(shí)間內(nèi)無法真正完成實(shí)驗(yàn)。例如：黏性土的固結(jié)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)中只能讓學(xué)生模擬實(shí)驗(yàn)操作，通過數(shù)值模擬計(jì)算可以靈活改變實(shí)驗(yàn)條件，分析實(shí)驗(yàn)過程及各種實(shí)驗(yàn)條件的影響。這對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維及創(chuàng)新能力有良好的促進(jìn)作用。

（3）通過對(duì)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行數(shù)值模擬分析，學(xué)生不僅可以熟練地掌握數(shù)值模擬軟件的操作和使用方法，而且還可以為其今后的工作和學(xué)習(xí)打下良好的基礎(chǔ)。

四、結(jié)語

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高等學(xué)校教學(xué)工作的重要組成部分，是理論聯(lián)系實(shí)際的橋梁，是培養(yǎng)創(chuàng)新型拔尖人才的重要環(huán)節(jié)。為了提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量，培養(yǎng)具有較高科研素質(zhì)、較強(qiáng)創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的創(chuàng)新型拔尖人才，筆者提出了基于研究性理念的土工實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的兩個(gè)具體辦法：一是要求學(xué)生開展研究性預(yù)習(xí)，讓學(xué)生制作并提交實(shí)驗(yàn)所需的電子表格；二是要求學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)過程采用專業(yè)軟件進(jìn)行數(shù)值模擬分析及參數(shù)敏感性分析，讓學(xué)生理解實(shí)驗(yàn)過程及實(shí)驗(yàn)的各種影響因素。通過改革，可以增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)課的預(yù)習(xí)效果，提高實(shí)驗(yàn)課教學(xué)質(zhì)量；可以更好地將理論與實(shí)踐相結(jié)合，促進(jìn)學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的深入理解；可以使學(xué)生較為全面地分析實(shí)驗(yàn)過程的多種影響因素，學(xué)會(huì)科學(xué)的思維方法，培養(yǎng)具有扎實(shí)理論基礎(chǔ)、較強(qiáng)工程實(shí)踐能力及創(chuàng)新能力的高素質(zhì)人才。參考文獻(xiàn)：

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Abstract： Experimental teaching is an important part of teaching work in colleges and universities. It is a bridge of communication between theory and practice. To improve the quality of experimental teaching and to cultivate innovative talents with high scientific research qualities， strong innovative spirits and practice abilities， two specific methods for the reform of geotechnical experimental teaching were proposed. The first method is to demand students to conduct researchoriented preview and then design and submit spreadsheets for the geotechnical experiments. The second method is to carry out numerical simulations for some geotechnical experiments and to analyze the influence factors on the experimental process. Through this teaching reform， the quality of preview and the experimental teaching can be improved and the combination between theory and practice can be promoted. Students can understand the experiment process， phenomenon and influence factors more clearly and they can learn to analyze problems deeply. This teaching reform helps to cultivate highquality talents with solid theoretical foundation， strong engineering practice abilities and innovative abilities.

Keywords： experimental teaching； teaching reform； researchoriented； geotechnical experiment

（編輯梁遠(yuǎn)華）endprint