杜怡韓，李永勝，王昌勝

（1.安徽工程大學 建筑工程學院，安徽 蕪湖241000；2.中建八局第一建設有限公司，山東 濟南250000）

自2016年6月成為《華盛頓協(xié)議》組織正式成員后，我國工程教育專業(yè)認證體系實現國際實質等效［1］，為深化工程教育改革提供了良好契機。當前，國家推動創(chuàng)新驅動發(fā)展，以新技術、新業(yè)態(tài)、新模式、新產業(yè)為代表的新經濟蓬勃發(fā)展，對工程技術人才提出了新的要求，迫切需要加快工程教育改革創(chuàng)新，使培養(yǎng)出的畢業(yè)生能夠更好地適應實際工作，并能夠通過培訓和實踐性訓練獲得職業(yè)能力與專業(yè)資格。

為培養(yǎng)與國際接軌的中國土木行業(yè)工程師，各高校開展土木工程專業(yè)教育認證，認證包含“產出導向、學生中心、持續(xù)改進”三個核心理念［2］，這與OBE教育模式高度契合。物理模型試驗可拓展專業(yè)課的教學空間，激發(fā)學生學習興趣，幫助學生更好地掌握和理解理論知識，因此，以物理模型試驗為載體，在整個物理模型教學過程中始終貫徹OBE教育模式，確定學習目標的前提下，在每個教學環(huán)節(jié)中堅持以學生為主導，指導學生主動學習、思考、操作、反饋、修正，使得學生綜合能力得到提高；增加教與學的互動性，使學生更多地了解復雜結構的試驗過程，從而更深刻地理解所學專業(yè)課內容。

一、土木工程專業(yè)本科試驗教學中的問題

現行本科教育存在如下問題：重知識輕能力，重傳統(tǒng)輕發(fā)展，重理論輕實踐，教學內容局限于教材，教學形式局限于課堂，教學手段局限于講授，即使是最能提高學生實踐能力和綜合能力的某些試驗型課程，也主要以教師為中心，對學生講授試驗過程，讓學生按照試驗流程操作完成試驗，結果是即使學生能夠完成試驗，獲得合理的數據，但是由于缺乏主動思考、發(fā)現問題、解決問題和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)過程，往往無法深刻理解相關原理，實踐能力和綜合素質并沒有得到明顯提高，無法滿足新形勢下社會對本科畢業(yè)生的要求。

此外，試驗課程的評估手段也存在問題，通常是對考勤、課堂表現、試驗報告三部分進行考核，其中權重最重的是試驗報告，而課堂時間有限，教師缺乏跟學生的交流，僅僅通過紙質試驗報告的正確性和規(guī)范性進行評判，無法真正了解學生對知識的掌握程度、對試驗的思考研究和理解程度，評估缺乏客觀性。一次完成打分，無法激發(fā)學生在試驗過程中不斷學習不斷改進的積極主動性和創(chuàng)新精神。學生在試驗課結束后上交試驗報告完成試驗課程，導致試驗中存在的問題無法及時有效反饋，限制了學生的進步。

未來新興產業(yè)和新經濟需要的是工程實踐能力強、創(chuàng)新能力強、具備國際競爭力的高素質復合型“新工科”人才。顯然，按照傳統(tǒng)模式培養(yǎng)出來的學生無法滿足社會發(fā)展的需求，對于培養(yǎng)模式和教學理念的革新勢在必行。

二、OBE教學理念簡介

OBE是成果導向教育（Outcome-based education）的簡稱，亦稱為能力導向教育、目標導向教育或需求導向教育，于1981年由Spady等人提出，現已成為美國、英國、加拿大等國家教育改革的主流理念。理念上，OBE是 “以學生為本”的教育哲學，是聚焦于學生受教育后獲得什么能力和能夠做什么的培養(yǎng)模式。一切教育活動、教育過程都是圍繞實現預期的學習成果。

在OBE教育中，主要包括以下幾個核心問題：要學生學習、掌握什么？為什么要學生學習這些內容？如何幫助學生取得這些學習成果？如何有效地知道學生取得這些學習結果？如何保障學生有效地取得這些學習成果？

上述的學習成果是學生最終取得的學習結果，是學生通過某一階段學習后所能達到的最大能力。

OBE的特點正好可以解決傳統(tǒng)本科教學存在的問題?；贠BE的試驗教學與傳統(tǒng)試驗教學的區(qū)別主要有以下方面，具體見表1。

表1 OBE與傳統(tǒng)試驗教學的對照表

三、試驗教學設計

（一）物理模型試驗教學目標培養(yǎng)體系

土木工程專業(yè)學習中試驗是不可或缺的重要組成部分，基于教師科研項目，通過物理模型試驗將相關課程重要試驗有機組合在一起，課程目標為培養(yǎng)學生掌握設計試驗、操作試驗、理解試驗原理，總體目標為培養(yǎng)學生解決復雜工程問題能力。具體來說通過物理模型試驗模擬天然工況和暴雨工況，確定不同工況下?lián)跬翂Ρ惩翂毫Γ婕暗健巴亮W”“工程地質”“基礎工程”“結構力學”等課程知識，以及“相似比理論”“有限土體土壓力”等學科研究前沿知識，同時涵蓋了各土工試驗、混凝土試驗等實踐操作環(huán)節(jié)，此外，還需要學生具有團隊意識，協(xié)同合作能力，嚴密的邏輯思維能力，動手能力等。

根據物理模型試驗教學特點，結合土木工程畢業(yè)要求及分解指標說明，見表2，構建其與學生畢業(yè)能力要求矩陣［3］，見表 3。

表2 畢業(yè)要求及分解指標項表

表3 物理模型試驗與畢業(yè)要求關系矩陣

根據表2、表3可以看出，物理模型試驗與畢業(yè)要求2（問題分析）中的分解指標3（即2-3）具有高關聯(lián)度，此外，具有高關聯(lián)度的畢業(yè)要求還包括3-3、4-3、9-2，與 5-2、6-2、10-1 及 12-2 具有中等關聯(lián)度，與8-3關聯(lián)度較低。

（二）物理模型試驗教學流程設計

結合土木工程專業(yè)認證人才畢業(yè)需求，反向設計綜合物理模型試驗教學流程：依托教師科研項目，以工程實例為背景，分析測定不同工況下?lián)跬翂Ρ惩翂毫Φ倪^程中可能出現的問題，分解問題，依照土力學等相關課程的理論知識、相關規(guī)范、相關文獻，探討解決問題的辦法。具體來說，首先將土壓力測定分為天然工況和暴雨兩種工況下模型的制作和測試兩方面，模型與實際工程之間可通過相似比聯(lián)系起來，模型又可以分解為土體、巖體、模型箱三個部分，對于土體和巖體，關鍵是通過一系列土工試驗，確保其物理力學性質與工程實例的相關性，相關試驗的設計和完成將成為考察學生的重要指標，模型箱的設計制作則涉及到結構設計方面的知識，同時培養(yǎng)學生的動手能力，測試元件的安放和設備操作也是評價重點，最終通過整個設計、制作、試驗、成果等全方面對學生進行綜合評估。整個過程分為對工程實例的解析、問題分析、解決問題、過程評價及綜合評價幾方面，教學流程設計，見圖1。

圖1 綜合試驗教學流程圖

（三）物理模型試驗教學模塊設計

根據綜合物理模型試驗的內容和特點，結合學生能力培養(yǎng)目標，將綜合試驗教學設計為以下模塊：問題模塊、知識模塊、能力模塊、評價模塊，如圖2所示。

圖2 綜合試驗教學模塊圖

從最終成果中提煉出問題模塊，包括兩種不同工況、模型制作、測試等方面，根據問題模塊導出相應的知識模塊，在解決問題的過程中，培養(yǎng)學生統(tǒng)籌規(guī)劃、自主學習、設計、制作、協(xié)作等多方面能力，在整個過程中，通過與學生的交流、計劃書、設計圖紙等客觀成果，對學生進行評價打分，形成評價模塊。

（四）成果輸出評價

將整個物理模型綜合試驗實施過程分為三階段，第一階段為發(fā)現問題、分解問題階段，第二階段為學習相關理論知識、統(tǒng)籌規(guī)劃階段，完成試驗計劃書、物理模型設計圖紙等，第三階段為試驗操作、模型制作、土壓力測試，獲得試驗報告、物理模型及測試數據。第一階段共20分，第二階段共30分，第三階段共50分，總分100分，每階段平時成績占各階段總分的15%，教師通過學生的學習態(tài)度、積極性對學生進行打分，每階段階段性匯報及答辯成績占25%，教師通過學生匯報和回答教師提問情況進行打分，每階段總分的10%為學生間互評平均分，同學們根據溝通協(xié)作能力對其他同學進行打分，其余50%根據各階段匯報總結、設計書、設計圖紙、試驗成果、測試成果等進行打分。評分分區(qū)圖，見圖3。

圖3 評分分區(qū)圖

四、試驗教學的實施

本次物理模型試驗基于教師科研項目和實際工程，將OBE教學理念引入物理模型教學，充分調動學生的積極性，讓學生理解物理模型研究的意義和預計產出的成果——有限土體墻后土壓力分布規(guī)律，引導學生發(fā)現問題——如何獲得有限土體土壓力分布規(guī)律，指導學生分階段解決問題——查閱文獻、學習理論知識、設計、選材、制作、測試、分析。最終各階段成果綜合評估學生。以下進行具體說明：

第一階段通過指導學生查閱國內外論文文獻，讓學生了解目前有限土體土壓力研究現狀，結合實際工程現場調研，使學生進一步認識物理模型試驗的必要性、研究內容和研究方法，以及預計的成果，并以成果為導向，提煉出兩大問題：天然工況下有限土體土壓力和暴雨工況下有限土體土壓力研究，上述兩大問題可繼續(xù)分解為不同工況下模型的建立和模型的測試，進一步分解，模型的建立包括模型箱的設計制作、巖土體設計制作、擋土墻設計制作，模型的測試包括測試元件的選擇和放置、測試儀器的操作、測試數據的整理。學生完成第一階段成果總結。

第二階段根據第一階段的分解問題，引導學生思考如何通過專業(yè)知識解決各個具體問題，以及問題之間的邏輯關系。針對模型箱和擋土墻的設計制作需要結構設計方面的知識，指導設計最有利于模型測試的結構并完成制作圖紙；巖土體配比設計應考慮相似比，及其密度、含水率、抗剪強度等物理力學性質，指導學生學習掌握相關理論知識和規(guī)范，完成試驗計劃書；測試元件選用土壓力盒，指導學生完成土壓力盒數量、量程設計，并學習使用DH3819數據接收器以及軟件，讓學生形成研究問題、解決問題的思路，完成總規(guī)劃說明書和技術路線圖，教師及時予以修正。

第三階段學生通過前期準備，按照計劃首先搭建模型試驗箱，學生結合實際情況和結構穩(wěn)定原理，從矩形框架——梯形框架——三角形框架，不斷改良形成最穩(wěn)固的試驗箱，接下來是巖土體的制作，針對滑坡巖層材料的選定，學生通過相似比理論的學習，對于巖層的制作，采用內部磚石砌筑表面水泥砂漿抹面。學生對已學知識點，如磚石砌筑、水泥砂漿配合比設計、C10混凝土的配合比設計等進行了實踐操作。巖層制作完成后，再確定擋土墻材料，學生提出采用石膏和磚石砌筑兩種方案，通過微模型試驗比選，最終選擇磚石砌筑擋土墻，墻身表面采用水泥砂漿抹面處理。

接下來是安裝測試元件土壓力盒，為研究擋土墻墻背土壓力分布規(guī)律，沿豎向和水平向分別安裝土壓力盒，對于土壓力盒，其主要問題是土壓力盒量程的選擇。若選擇量程過小，將無法正常量測擋土墻墻背土壓力，不符合物理試驗的合理性；若選擇量程過大，則精度上不能滿足要求。教師對學生提出問題，學生積極思考，通過滑坡原型估算出土壓力大小范圍，再利用相似理論算得該物理模型所產生的土壓力大致范圍，再與商家溝通，最終確定了土壓力盒示數為0~100 kPa。

對于DH3819數據接收器以及相應軟件的使用，為模擬持續(xù)強降雨過程，僅僅靠單次取樣是無法實現的，學生經過一個星期的摸索研究，熟練掌握了DH3819測試軟件的各種功能，主要包括單次采樣、定時采樣、連續(xù)采樣、采樣數據轉換為折線等多種功能。

墻后土體的制作，需要確定土體的物理力學指標?；谙嗨票壤碚摚Y合土力學相關知識，運用土工試驗來確保模型土體物理力學參數與滑坡原型之間的關聯(lián)度，土體填裝采用多段分層擊實的方法，保證所填土體的均勻性，該過程需多人協(xié)同操作，分工合作。待土體填裝、固結沉降后，再對滑坡土體的上、中、下部取樣，再次進行土工試驗，保證土體填裝、固結沉降后該土體能夠達到模型試驗要求。學生制作及測試模型，見圖4。

圖4 學生制作測試物理模型

在整個第三階段，基于物理模型試驗的產出和學生最終的能力要求，一步步完成整個試驗過程，在每個步驟中以學生為主，主動學習，不斷反饋問題，教師及時輔助。

五、結語

基于OBE教育模式的物理模型試驗教學是對學生綜合能力的培養(yǎng)，不僅包括理論知識的學習，更多的則是培養(yǎng)學生的動手能力、學習和運用新知識的能力，此外還有經濟性比較能力、協(xié)同合作能力、管理能力等。以成果輸出為目的，引導學生在物理模型試驗中發(fā)現問題、分析問題和解決問題，本次物理模型試驗取得了較好的效果，與“新工科”人才培養(yǎng)目標相契合。