顏桂云 潘欽鋒

(1.閩臺合作土木工程技術(shù)福建省高校工程研究中心 福建福州 350118；2.福建工程學(xué)院土木工程學(xué)院 福建福州 350118)

0 引言

2017年6月，教育部提出“新工科”建設(shè)目標，旨在探索實踐工程教育的新理念、學(xué)科專業(yè)的新結(jié)構(gòu)、人才培養(yǎng)的新模式、教育教學(xué)的新質(zhì)量和分類發(fā)展的新體系，從頂層設(shè)計來進行工程教育改革。持續(xù)深化工程教育改革，強調(diào)要抓好五方面重點工作，其中之一就是要更加注重理念引領(lǐng)——全面落實“學(xué)生中心、成果導(dǎo)向、持續(xù)改進”國際工程教育專業(yè)認證理念，工程教育改革是“新工科”建設(shè)的核心內(nèi)容之一[1]。

福建工程學(xué)院土木工程專業(yè)于2017年5月通過工程教育認證，是全國土木工程專業(yè)首批按照《華盛頓協(xié)議》工程教育認證體系進行，同時，也正在按2017年6月教育部積極推進新工科建設(shè)的要求，進行系列的教學(xué)改革與實踐，并在土木工程專業(yè)本科教學(xué)實踐中取得了一些經(jīng)驗?；诖?，本文結(jié)合工程教育認證標準與新工科建設(shè)要求，闡述福建工程學(xué)院對土木工程專業(yè)綜合實驗進行的教學(xué)改革探索與實踐，期為支撐工程教育認證的實踐課程的改革提供參考。

1 綜合實驗改革必要性

土木工程綜合實驗是福建工程學(xué)院土木工程專業(yè)建筑工程方向?qū)嵺`性教學(xué)環(huán)節(jié)的一個重要的組成部分，是培養(yǎng)學(xué)生研究能力、創(chuàng)新能力和解決工程實際問題能力的重要環(huán)節(jié)，同時也是進行工程技術(shù)研究和理解結(jié)構(gòu)構(gòu)造措施的重要手段。目前，福建工程學(xué)院土木工程專業(yè)綜合實驗項目主要有混凝土框架結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計及模型制作、鋼屋架設(shè)計及模型制作、框架節(jié)點實體模型制作與鋼結(jié)構(gòu)樓梯設(shè)計與模型制作等。這些項目是培養(yǎng)學(xué)生解決工程實際問題能力、加強學(xué)生理解結(jié)構(gòu)構(gòu)造措施的重要手段，為工程教育認證打下了基礎(chǔ)。

2017年，土木工程專業(yè)評估(認證)首次采用全國工程教育認證新體系，工程教育認證新體系下教學(xué)體系強調(diào)基于成果導(dǎo)向(OBE)，聚焦于“復(fù)雜工程問題(Complex Engineering Problems)”，這有別于傳統(tǒng)的教學(xué)體系。基于成果導(dǎo)向的課程體系側(cè)重于按照學(xué)生的畢業(yè)要求進行組織，要求教學(xué)重點關(guān)注學(xué)生怎樣取得學(xué)習(xí)成果與實際獲得學(xué)習(xí)成果的程度，即重點關(guān)注產(chǎn)出(output)[2-3]。同時，課堂教學(xué)組織要求以學(xué)生為中心，采取有效措施激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，引導(dǎo)學(xué)生深度參與教學(xué)過程、培養(yǎng)學(xué)生實踐能力、創(chuàng)新能力與辨證思維能力等。

根據(jù)工程教育認證新體系標準，目前開設(shè)的綜合實驗項目更多側(cè)重于綜合實訓(xùn)而非綜合實驗，對學(xué)生解決“復(fù)雜工程問題”能力、自主創(chuàng)新能力與辨證思維能力的培養(yǎng)尚顯不足。因此，有必要對土木工程專業(yè)綜合實驗進行教學(xué)改革。

福建工程學(xué)院土木工程學(xué)院之所以能在2017年首批通過工程教育認證，某種角度上得益于結(jié)構(gòu)實驗室的場地建設(shè)、實驗設(shè)備建設(shè)已經(jīng)較為完善，如實驗室面積約2000m2，具有WS-Z30小型精密模擬振動臺系統(tǒng)、小型精密振動臺實驗測試系統(tǒng)、DHVTC振動測試與控制學(xué)生實驗系統(tǒng)、千斤頂、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等，已具備開展工程教育認證下“虛擬仿真+實驗”模式的土木工程專業(yè)綜合實驗實踐條件，“虛擬仿真+實驗”模式的綜合實驗作為目前開設(shè)綜合實驗的拓展與有益補充。

2 綜合實驗改革主要目標與特色

2.1 “虛擬仿真+實驗”模式綜合實驗改革目標

綜合實驗主要改革目標為：結(jié)合工程教育認證新標準，將土木工程專業(yè)側(cè)重綜合實訓(xùn)的綜合實驗逐漸向“虛擬仿真+實驗”模式的綜合實驗方向轉(zhuǎn)變，初步培養(yǎng)學(xué)生獨立進行結(jié)構(gòu)模型虛擬仿真分析、實驗方案設(shè)計、數(shù)據(jù)處理、虛擬仿真與實驗結(jié)果對比分析等能力。在綜合試驗過程，激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，引導(dǎo)學(xué)生深度參與實驗過程、培養(yǎng)學(xué)生實踐能力、自主創(chuàng)新能力與辨證思維能力等。既注重培養(yǎng)掌握一定的實驗方法和解決問題的能力，又注重啟發(fā)學(xué)生對實驗原理、方法、優(yōu)缺點等思考，提高解決“復(fù)雜工程問題”的能力。

2.2 “虛擬仿真+實驗”模式綜合實驗特色與突破

目前，在綜合實驗教學(xué)上的內(nèi)容設(shè)置，大多以讓學(xué)生進行側(cè)重于綜合實訓(xùn)的綜合實驗為主，而普遍缺少引導(dǎo)學(xué)生深度參與教學(xué)過程，對培養(yǎng)學(xué)生實踐能力、自主創(chuàng)新能力與辨證思維能力等尚顯不足?！疤摂M仿真+實驗”模式的綜合實驗特色為：不以老師的講解或演示為主，而是以學(xué)生自己的想象力、知識體系及自身參與實驗為主，通過虛擬仿真+實驗?zāi)Ｊ剑瑢崿F(xiàn)現(xiàn)場學(xué)習(xí)與虛擬學(xué)習(xí)相結(jié)合的全新實踐教學(xué)模式，突破土木工程專業(yè)傳統(tǒng)實踐學(xué)習(xí)的局限性，營造以學(xué)生為主體的互動式學(xué)習(xí)環(huán)境，提高實踐的教學(xué)效果，體現(xiàn)以“學(xué)生中心、成果導(dǎo)向”的教學(xué)理念，培養(yǎng)了學(xué)生解決“復(fù)雜工程問題”能力。

3 綜合實驗改革內(nèi)容

3.1 課程目標及其對應(yīng)的畢業(yè)要求

福建工程學(xué)院土木工程專業(yè)，根據(jù)《工程教育認證標準2015》中的12條畢業(yè)要求，提出34個分解指標點，將“復(fù)雜工程問題”化解于34個指標點中，并將指標點劃分到每門課程與實踐環(huán)節(jié)中[2]。土木工程綜合實驗，根據(jù)理論教學(xué)、實驗教學(xué)與創(chuàng)新型探索研究相結(jié)合的原則，在常規(guī)教學(xué)實驗的基礎(chǔ)上開展具有一定創(chuàng)新性的“虛擬仿真+實驗”模式綜合訓(xùn)練項目，培養(yǎng)學(xué)生的工程計算與設(shè)計能力、動手與測試能力；培育學(xué)生具有設(shè)計實驗、操作實驗、搜集與處理實驗數(shù)據(jù)、分析實驗結(jié)果與撰寫實驗報告的基本技能；促進學(xué)生養(yǎng)成嚴謹求實的科學(xué)態(tài)度和發(fā)現(xiàn)、分析、解決問題的能力?；耍⑷缦抡n程目標與畢業(yè)要求與課程目標的對應(yīng)關(guān)系，如表1所示。

3.2 課程目標

目標1：了解各類測試設(shè)備的發(fā)展概況，掌握儀器設(shè)備的組成部分與功能，掌握各類測試儀器的試驗規(guī)程與試驗方法；掌握需要標定儀器的標定原因與標定方法。

目標2：掌握試驗研究的各個階段，引導(dǎo)學(xué)生能夠針對不同工程問題合理選擇與使用恰當?shù)默F(xiàn)代工具進行試驗設(shè)計、試驗開展；掌握測試資料的整理和分析，理解影響成果的因素，包括參數(shù)修正、數(shù)據(jù)處理和圖表設(shè)計等；培養(yǎng)學(xué)生數(shù)據(jù)處理過程中的科學(xué)性和嚴謹性。

目標3：應(yīng)用結(jié)構(gòu)設(shè)計分析軟件進行各類建筑結(jié)構(gòu)的建模與分析，規(guī)范繪制結(jié)構(gòu)施工圖；掌握各類建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)造措施；培養(yǎng)學(xué)生通過試驗手段分析實際工程問題的能力。

目標4：與小組成員共同討論、合作完成實驗項目，培養(yǎng)學(xué)生的團隊精神及溝通交流能力。

目標5：激勵學(xué)生認識到學(xué)習(xí)行業(yè)新知識的重要性并進行自主學(xué)習(xí)，從而適應(yīng)土木工程新發(fā)展，并把所學(xué)新知識用于實驗中。

表1 畢業(yè)要求與課程目標的對應(yīng)關(guān)系

3.3 “虛擬仿真+實驗”模式綜合實驗項目內(nèi)容

目前，綜合實驗主要是以傳統(tǒng)的側(cè)重實訓(xùn)為主的項目,如混凝土框架結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計及模型制作、鋼屋架設(shè)計及模型制作、框架節(jié)點實體模型制作與鋼結(jié)構(gòu)樓梯設(shè)計與模型制作等。每個項目安排2周，學(xué)生一般前期進行模型設(shè)計計算，后期進行模型制作。前期設(shè)計計算與部分課程設(shè)計課程方法存在重疊，模型制作只能了解結(jié)構(gòu)構(gòu)造，而對分析問題能力、創(chuàng)新能力與批判性思能力等尚顯不足。一旦遇到新的問題，不能利用所學(xué)的知識、方法進行變通、改進，進而去解決新的問題。

為了更好發(fā)揮學(xué)生的主動性和創(chuàng)造性，培養(yǎng)學(xué)生解決“復(fù)雜工程問題”的能力，將土木工程專業(yè)側(cè)重綜合實訓(xùn)的綜合實驗逐漸向“虛擬仿真+實驗”模式的綜合實驗方向轉(zhuǎn)變。

3.3.1“虛擬仿真+實驗”模式綜合實驗項目的選擇

在現(xiàn)有綜合實驗項目的基礎(chǔ)上，結(jié)合《建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計》理論課程教學(xué)改革探索與實踐的經(jīng)驗[4]，利用土木工程學(xué)院結(jié)構(gòu)實驗室已有的設(shè)備與虛擬仿真軟件，緊扣工程教育認證新標準對學(xué)生實踐能力、創(chuàng)新能力與批判性思維能力等培養(yǎng)要求，開設(shè) “結(jié)構(gòu)減震與隔震振動試測試實驗、多層框架結(jié)構(gòu)模型小型精密模擬地震振動臺實驗、單自由度體系動力性能測試實驗”等3個實驗項目。

(1)隔震結(jié)構(gòu)與消能減震結(jié)構(gòu)振動測試實驗

設(shè)計出一個雙層框架隔振結(jié)構(gòu)模型，由鋼筋、鋼板、滑輪、小型振動臺4個部分組成。其中，鋼筋直徑為6mm，鋼板邊長為35cm，鋼板厚度為4mm，模型層高為30cm，總高為60cm，如圖1所示。通過下部滑輪的設(shè)置，模擬隔震層，可以將一部分地震荷載隔絕，只有其中一部分較低的能量輸入主體結(jié)構(gòu)中，從而實現(xiàn)對振動的被動控制。利用Midas/Gen有限元軟件對實體模型進行虛擬仿真，可對地震下結(jié)構(gòu)的動態(tài)響應(yīng)進行綜合分析。

(a)滑輪底板 (b)隔振模型 (c)有限元模擬

圖1 雙層框架結(jié)構(gòu)隔震實驗

消能減振結(jié)構(gòu)振動測試實驗的模型主要由鋼筋、鋼板、阻尼器、小型振動臺4個部分組成。其中，所用的構(gòu)件尺寸與隔振結(jié)構(gòu)模型相同，輸入地震荷載，通過長為45cm的阻尼器的消能減振作用，如圖2所示?？蓸O大減少結(jié)構(gòu)層間位移。此外，對實體模型進行Midas/Gen有限元軟件的虛擬仿真，分析結(jié)構(gòu)在地震作用下的實時動態(tài)響應(yīng)，實驗與仿真結(jié)果綜合對比隔振、減振模型在相同加載下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，加深學(xué)生對結(jié)構(gòu)振動控制理論與技術(shù)的理解和實踐動手能力，增強學(xué)生解決“復(fù)雜工程問題”能力。

(a)阻尼器 (b)消能減振模型 (c)有限元模擬

圖2 雙層框架結(jié)構(gòu)消能減震試驗

(2)多層框架結(jié)構(gòu)模型小型精密模擬地震振動臺實驗

(a)振動臺模型 (b)振型模型圖3 多層框架結(jié)構(gòu)模型模擬地震振動臺實驗

設(shè)計一個6層框架結(jié)構(gòu)實驗?zāi)Ｐ?，尺寸長190mm，寬160mm，高500mm，模型由結(jié)構(gòu)柱和板結(jié)構(gòu)組成，用空心鋼管與薄鋼板模擬結(jié)構(gòu)柱與結(jié)構(gòu)板。利用WS-Z30小型精密模擬振動臺系統(tǒng)，進行結(jié)構(gòu)模型振型測試與結(jié)構(gòu)地震模擬，每層安放一只加速度傳感器，通過試驗來模擬高層建筑在地震動下的地震響應(yīng)，以此來學(xué)習(xí)一般建筑結(jié)構(gòu)抗震試驗過程、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理等，如圖3所示。同時，利用Midas/Gen建立結(jié)構(gòu)模型的虛擬仿真模型，進行結(jié)構(gòu)虛擬仿真，結(jié)合試驗過程，綜合分析結(jié)構(gòu)的抗震性能，培養(yǎng)學(xué)生實踐能力、創(chuàng)新能力、批判性思維能力與解決“復(fù)雜工程問題”能力。

(3)單自由度體系動力性能測試實驗

首先，利用Midas/Gen有限元軟件對簡支梁附加質(zhì)量塊單自由度系統(tǒng)(質(zhì)量塊質(zhì)量大而簡支梁質(zhì)量微小近視忽略)結(jié)構(gòu)模型進行虛擬仿真；然后，利用小梁振動測試系統(tǒng)(圖4)，進行單自由度系統(tǒng)自由衰減振動實驗。在簡支梁跨中按放一只加速度傳感器，利用橡皮錘錘擊質(zhì)量塊探測自由衰減振動，測試自由衰減振動的波形，確定結(jié)構(gòu)固有頻率與阻尼比，以此讓學(xué)生了解一般建筑結(jié)構(gòu)在地震動下的動力特性，掌握振動試驗過程、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理等。結(jié)合Midas/Gen有限元軟件對結(jié)構(gòu)模型的虛擬仿真結(jié)果，綜合分析結(jié)構(gòu)動力特征，培養(yǎng)學(xué)生實踐能力、創(chuàng)新能力、批判性思維能力與解決“復(fù)雜工程問題”能力。

(a)實驗裝置 (b)實測自由振動衰減曲線

圖4 單自由度系統(tǒng)自由衰減振動及阻尼比的測量

3.3.2“虛擬仿真+實驗”教學(xué)模式的探討

對擬新增加的項目，采用“虛擬仿真+實驗”的教學(xué)模式。該教學(xué)模式包括以下幾個環(huán)節(jié)：文獻查閱、實驗方案設(shè)計、實驗?zāi)Ｐ吞摂M仿真、實驗操作、實驗報告編寫、匯報交流。

①文獻查閱階段：要求學(xué)生利用學(xué)校圖書館的圖書和電子資源以及google學(xué)術(shù)瀏覽器，查閱相關(guān)文獻，了解當前國內(nèi)外相關(guān)內(nèi)容的研究情況。

②實驗方案設(shè)計階段：實驗方案不再由指導(dǎo)老師或?qū)嶒炇依蠋熓孪冗M行演示或設(shè)計，而是給出實驗?zāi)康呐c要求，讓學(xué)生在文獻查閱的基礎(chǔ)上，自主確定實驗內(nèi)容并自行設(shè)計實驗方案，然后與指導(dǎo)教師、實驗室教輔人員交流討論。最后，綜合考慮實驗室設(shè)備條件及實驗方案的可行性，對方案進行改進調(diào)整，并最終確定實驗方案。

③實驗?zāi)Ｐ吞摂M仿真：根據(jù)設(shè)計好的實驗?zāi)Ｐ?，?jīng)過指導(dǎo)老師進行概括性的Midas/Gen培訓(xùn)后，由參與學(xué)生進行獨立的實驗?zāi)Ｐ吞摂M仿真分析，以虛擬仿真結(jié)果為參考，指導(dǎo)其后的模式實驗。

④實驗操作階段：考慮到擬增加的實驗項目在理論和實驗上的難度均較大，而且?guī)в幸欢ǖ目蒲行再|(zhì)，需要實驗準備與測試工作，因此完成每項實驗所需要的時間較長、實驗量較大。如果仍然按照現(xiàn)行的實驗課程管理模式，即實驗室僅在正常上班時間對學(xué)生開放，將會導(dǎo)致實驗過程不連續(xù)。因此，盡量采取開放式的實驗室管理模式，讓學(xué)生在課余時間也能進行相關(guān)的實驗內(nèi)容。

⑤實驗報告編寫階段：指導(dǎo)學(xué)生掌握一些常規(guī)的數(shù)據(jù)處理方法，并初步培養(yǎng)學(xué)生分析實驗數(shù)據(jù)的能力、結(jié)合虛擬仿真結(jié)果，探討各種實驗規(guī)律及其原因，總結(jié)實驗過程尚存在的不足問題。

⑥匯報交流：組織各組學(xué)生對實驗過程、內(nèi)容、心得體會進行匯報交流，條件允許的前提下盡量要求制作PPT進行匯報交流。

3.3.3“虛擬仿真+實驗”人員組數(shù)和時間安排的調(diào)整

對擬新增加的實驗項目，由于學(xué)生的參與程度深、實驗工作量大，因此在2周的綜合實驗課程中，學(xué)生只選擇其中的1項進行學(xué)習(xí)。每組學(xué)生人數(shù)大致5～6人，以讓同組的每個學(xué)生都能參與其中；而且，各組都盡量選擇能力較強的碩士研究生參與實驗的準備工作，指導(dǎo)學(xué)生進行實驗的前期準備。

4 結(jié)語

根據(jù)《土木工程專業(yè)綜合實驗》實踐課程特點，結(jié)合多年來綜合實驗教學(xué)與實踐經(jīng)驗，建立了“虛擬仿真+實驗”模式綜合實驗改革目標與特色、課程目標及畢業(yè)要求，開展了隔震結(jié)構(gòu)與消能減震結(jié)構(gòu)振動測試實驗、多層框架結(jié)構(gòu)模型小型精密模擬地震振動臺實驗、單自由度體系動力性能測試實驗，培養(yǎng)了學(xué)生創(chuàng)新能力、批判性思維能力與解決“復(fù)雜工程問題”能力。該綜合實驗改革探索附諸于文，期為工程教育認證的其他實踐類課程改革提供參考。