江雨辰 帥 瑞

無(wú)錫太湖學(xué)院土木工程學(xué)院（214064）

0 前言

近年來(lái)，我國(guó)大力推動(dòng)裝配式建筑的發(fā)展，倡導(dǎo)建筑工業(yè)化、智能化，促進(jìn)建筑行業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)。伴隨而來(lái)的是新材料、 新結(jié)構(gòu)和新技術(shù)的大量應(yīng)用，并要求專業(yè)人才與時(shí)俱進(jìn)，具備良好的創(chuàng)新能力及發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的實(shí)踐能力。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高校課程體系中不可或缺的重要環(huán)節(jié)，不僅可以讓學(xué)生更加直觀地掌握專業(yè)理論和專業(yè)技能，也能培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和實(shí)踐能力[1]。尤其對(duì)于土木工程這類工科專業(yè)而言，實(shí)驗(yàn)教學(xué)的成效很大程度上決定了專業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量和畢業(yè)生的社會(huì)評(píng)價(jià)。 因此，實(shí)驗(yàn)教學(xué)越來(lái)越受到高校的重視， 高校教師也在不斷探索高效的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，以期培養(yǎng)適應(yīng)社會(huì)發(fā)展的專業(yè)人才。

開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)是一種創(chuàng)新型的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，它以學(xué)生作為實(shí)驗(yàn)主體，學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、完成實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)時(shí)間設(shè)置靈活[2-3]。與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)相比，開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)更能激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維和參與實(shí)驗(yàn)的積極性。 此外，開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)也有助于提高實(shí)驗(yàn)室的利用率，優(yōu)化高校資源配置。

1 土木工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的問(wèn)題

1.1 內(nèi)容固定不變，形式單一

傳統(tǒng)土木工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程往往作為理論課程的補(bǔ)充和輔助，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容固定不變，形式單一，且大多數(shù)為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)[4]。 如混凝土結(jié)構(gòu)原理這門課程開(kāi)設(shè)的“單筋矩形梁正截面受彎破壞實(shí)驗(yàn)”，主要是讓學(xué)生直觀地了解受彎構(gòu)件正截面破壞的三種模式，并驗(yàn)證平截面假定和受彎構(gòu)件極限承載力計(jì)算公式。

1.2 實(shí)驗(yàn)課時(shí)不足

土木工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)課課時(shí)普遍不足[5]。 如混凝土結(jié)構(gòu)原理課程有64 學(xué)時(shí)， 其中實(shí)驗(yàn)課程僅為8學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)課課時(shí)量不充足。 “單筋矩形梁正截面受彎破壞實(shí)驗(yàn)”分為適筋梁、超筋梁和少筋梁的三組破壞實(shí)驗(yàn)，課上時(shí)間僅能滿足實(shí)驗(yàn)儀器的架設(shè)、試件的加載及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集。 粘貼應(yīng)變片及接線等實(shí)驗(yàn)步驟只能在課外時(shí)間完成。這種情況下，學(xué)生往往難以保質(zhì)保量完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)。

1.3 學(xué)生參與積極性不高

通常課程實(shí)驗(yàn)是根據(jù)既定的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)手冊(cè)進(jìn)行的，由于大多數(shù)為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果單一，可預(yù)測(cè)性較高， 學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)的積極性不高。 在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中， 學(xué)生僅需要根據(jù)指導(dǎo)書(shū)或者教師的指示進(jìn)行每一個(gè)步驟的操作，很少獨(dú)立思考，不能主動(dòng)去發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題。

1.4 不能與時(shí)俱進(jìn)

隨著建筑行業(yè)的快速發(fā)展，新材料、新結(jié)構(gòu)和新技術(shù)被大量應(yīng)用。 程式化的課程實(shí)驗(yàn)僅可作為特定專業(yè)理論知識(shí)的教學(xué)輔助， 不能啟發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維，培養(yǎng)學(xué)生舉一反三分析問(wèn)題及解決問(wèn)題的能力。

2 啟發(fā)式開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)的實(shí)施

2.1 題目設(shè)置

開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)的題目設(shè)置要體現(xiàn)創(chuàng)新性， 既不要循規(guī)蹈矩地重復(fù)課程輔助性實(shí)驗(yàn)，也不能天馬行空，超越學(xué)生的認(rèn)知和能力范疇。本案例的題目為：以玻璃為主要承重材料， 設(shè)計(jì)一種透光的橫向承重構(gòu)件（梁），其余材料自行選擇，并通過(guò)模型實(shí)驗(yàn)確定該構(gòu)件的力學(xué)性能。 這個(gè)題目符合學(xué)生對(duì)于梁這種受彎構(gòu)件的總體認(rèn)知， 材料的自由選擇也大大擴(kuò)展了學(xué)生的思維空間。 學(xué)生通過(guò)模型實(shí)驗(yàn)來(lái)確定構(gòu)件的力學(xué)性能，可以培養(yǎng)其科學(xué)性思維和實(shí)際動(dòng)手能力。

題目給定后，實(shí)驗(yàn)負(fù)責(zé)教師需要適當(dāng)?shù)匾龑?dǎo)學(xué)生思考，但要注意度的把握。 引導(dǎo)的目的在于啟發(fā)學(xué)生的思維， 而不能限制學(xué)生的思維。 如在本案例中，教師會(huì)介紹一些常用建筑材料的力學(xué)性能和一些新型結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)。 這樣學(xué)生才會(huì)以科學(xué)性的思維去選擇與玻璃搭配，以滿足構(gòu)件的使用功能。

2.2 實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放

開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)需要有專門的實(shí)驗(yàn)管理人員監(jiān)督和管理，實(shí)驗(yàn)室的使用需要提前預(yù)約，使用時(shí)需要進(jìn)行臺(tái)賬記錄。 提前預(yù)約也有利于學(xué)生的時(shí)間管理，讓學(xué)生提前制訂好學(xué)習(xí)和生活計(jì)劃，保證有充足的時(shí)間參與開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)。 為了保證實(shí)驗(yàn)效果，實(shí)驗(yàn)小組人數(shù)不宜過(guò)多，3～5 人一組比較合適。 在本案例中，主要開(kāi)放土木工程材料實(shí)驗(yàn)室和結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室，實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展以小組為單位。 小組成員明確各自分工和職責(zé)，如資料搜集、材料購(gòu)買、模型制作、模型加載以及報(bào)告撰寫等。 教師或者實(shí)驗(yàn)室管理人員要對(duì)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)備的操作指導(dǎo)，并且在加載時(shí)需要實(shí)驗(yàn)管理人員在場(chǎng)，以確保實(shí)驗(yàn)安全。

2.3 成果考核和評(píng)價(jià)

實(shí)驗(yàn)成果的考核和評(píng)價(jià)是完善開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)的重要環(huán)節(jié)。 開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)要兼顧實(shí)驗(yàn)的過(guò)程評(píng)價(jià)和結(jié)果評(píng)價(jià)， 分值比重可根據(jù)實(shí)驗(yàn)的具體內(nèi)容來(lái)確定。為了體現(xiàn)評(píng)價(jià)機(jī)制的客觀性，建議采用實(shí)驗(yàn)報(bào)告的形式進(jìn)行成果考核。 在本案例中，實(shí)驗(yàn)過(guò)程評(píng)價(jià)主要分為實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的合理性、完成程度及實(shí)驗(yàn)操作的規(guī)范性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果評(píng)價(jià)主要為透光梁的強(qiáng)重比（抗彎承載力與重量的比值）和構(gòu)件造價(jià)。 其中，過(guò)程評(píng)價(jià)占總分?jǐn)?shù)的40%，結(jié)果評(píng)價(jià)占60%。

為了進(jìn)一步提高學(xué)生參與的積極性，開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)可以依托校內(nèi)學(xué)科競(jìng)賽進(jìn)行。 如本案例依托于“第一屆土木工程學(xué)院新型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽”，并根據(jù)上述的考核和評(píng)價(jià)機(jī)制確定比賽名次。 最終獲得第一名的實(shí)驗(yàn)小組，他們的設(shè)計(jì)作品為“采用碳纖維增強(qiáng)的玻璃組合梁”。 該組同學(xué)通過(guò)搜集、查閱相關(guān)資料發(fā)現(xiàn)，玻璃具有良好的透光性和美觀性，抗壓強(qiáng)度較大，但有明顯的脆性，所以很少將其用作受力構(gòu)件。 碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CFRP）作為一種力學(xué)性能優(yōu)異的新型建筑材料，具有輕質(zhì)高強(qiáng)、延性好、耐沖擊、耐高溫、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，在工程加固領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。 將兩種建筑材料組合在一起，共同承受外荷載， 既保留玻璃原有的透光性和美觀性，又可以獲得承重構(gòu)件所應(yīng)具備的強(qiáng)度和延性。

在提出設(shè)計(jì)方案后，該組同學(xué)開(kāi)始購(gòu)買材料并制作結(jié)構(gòu)模型（如圖1 所示），然后設(shè)計(jì)該構(gòu)件的抗彎試驗(yàn)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，最終完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。 整個(gè)過(guò)程中，小組成員分工明確、團(tuán)隊(duì)協(xié)作良好，具有較高的參與熱情，圓滿地完成開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)的預(yù)期任務(wù)。

圖1 模型制作

圖2 模型加載

3 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)土木工程專業(yè)，提出一種啟發(fā)式開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)的教學(xué)模式。 在給定的實(shí)驗(yàn)條件下，通過(guò)設(shè)置題目并作適當(dāng)?shù)膯l(fā)，讓學(xué)生自主選擇實(shí)驗(yàn)材料、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)及動(dòng)手完成實(shí)驗(yàn)，最終以實(shí)驗(yàn)報(bào)告的形式進(jìn)行成果評(píng)價(jià)。 該開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)的實(shí)施，有效提高了學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)的積極性，也培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新思維和實(shí)踐動(dòng)手能力。