结构防灾试验教学改革探索

刘 栋， 卢文胜

（同济大学土木工程学院，上海 200092）

0 引言

灾害日益增长的趋势及对人类社会发展和经济建设的危害，成为一个全球关注的热点，而土木工程在防灾减灾中具有特殊的重要性［1～2］。防灾减灾研究已成为土木工程学科的重要研究方向之一［3］。为了更好地适应国家和社会发展的需要，为结构防灾领域培养基础性人才，同济大学土木工程学院于2006年开设土木工程本科“工程防灾与风险评估”方向，进行本科生教学和培养工作。

“结构防灾试验”课程是为配合土木工程防灾方向本科生培养工作而开设的新型实践课程。以土木工程结构灾害为切入点，传授有关结构抗震、抗风及抗火试验方法和性能评价要点，是一门将土木工程结构灾害特点与结构试验研究成果相结合的综合性专业课程。

1 教学特色

1.1 课程概况

本课程34学时，学生为土木工程专业防灾方向三年级本科生，班级人数一般为36～40人。

本课程试图通过理论和实践学习环节，使学生获得结构抗震、抗风及抗火试验的基本知识和基本技能，在掌握已有的物理、力学、材料和结构等专业知识基础上，根据本专业设计、施工和科学研究任务的需要，能够进行一般性结构试验设计，并得到初步的训练和实践。课程主要教学内容及其学时配置如图1所示。

1.2 教学模式

图1 教学内容及其学时配置

同济大学土木工程防灾国家重点实验室拥有大量高水平研究人员、长期积累的研究成果、一流的试验研究装备，以及正在实施的大量纵横向研究课题，这些研究资源可以融入本科生试验教学当中，促进试验教学的提高，如图2所示。本课程开设以来，始终坚持“教学与研究相结合”［4］的教学模式，利用已有的结构抗震、抗风和抗火研究成果，使其在“结构防灾试验”本科教学中发挥作用，如图3所示。多年教学效果表明，该教学模式能有效提高结构防灾试验教学的效率，推进结构防灾试验教学改革的发展［4］。

图2 防灾试验教学与试验研究资源的关系

1.3 课堂教学内容

精选课堂内容，有针对性地对试验内容进行增减，保留具有学校科研特色的、代表性的试验项目，摒弃技术含量较低，在工程设计和科研过程中不常用的试验内容。结合学校和社会实际，将课堂内容与工程实际及科研项目联系起来讲述，启发学生的工程意识和科研意识［4］。

1.4 实践环节

学生实践能力培养是本课程的重要目标。因此，安排约11课时的试验实践环节，学生分组参加试验室安排的结构防灾试验项目。试验前，学生预习试验大纲，了解研究课题的全过程;试验时，在教师和项目组的指导下，了解和观察所进行的试验，如图4所示;试验后，进行分析并完成试验报告。

1.5 考核方式

学生成绩分为平时成绩（40%）和考试成绩（60%）两部分。平时成绩主要根据学生的考勤情况、课堂及实践环节的活跃程度、课后作业及试验报告完成情况作出评价;考试成绩主要是学生在课程结束后的理论考试结果。

图3 同济大学土木工程防灾国家重点实验室试验研究项目

图4 实践环节中的师生互动

1.6 教学衔接

保持试验室的开放性［4～10］，鼓励有兴趣的学生在课程学习结束后，继续回到试验室自主参与试验环节，并对课程建设提出意见和建议。每届约有25%的同学会在课余时间回到试验室深入了解和参与试验项目。大部分同学能提出建设性的意见，图5为2009年部分学生提出的意见和建议分布图。对这部分学生而言，实验教学成为是衔接本科教学和研究生教学的重要环节，有利于充分发挥实验室和学生的教学研究潜力［4］。

图5 学生对课程的意见和建议分布图

2 存在的问题

在教学实践中暴露出一些问题需要改进。

（1）研究项目与试验教学的时间冲突。实验研究项目的进程以研究目标和资源调配为主导，而课程时间则相对固定;加之本科生课程编排比较紧凑，课余可资利用的时间也有限。因此实验教学时间与研究项目时间的匹配存在难度。

（2）教学资源与课程安排之间的矛盾。相对于丰富的研究资源，本课程的教学时间较短，学生既要理解结构试验的基本知识，又要了解和掌握结构抗震、抗风和抗火试验研究项目的进展和方法;既要学习相关理论知识，又要有相应的实践经历。加上结构抗震、结构动力学等相关课程的教学平行进行，学生要在有限的时间内完成课程学习任务，达到教学目标，有一定难度。

（3）课程教学内容与教材短板。本课程是新型结构试验课程，包含抗震试验、抗风试验和抗火试验等三部分，现有的结构试验教材内容和衔接不够紧凑，实践环节的内容转换较快，难以切合教学内容。

（4）考核方式存在不足。本课程是实践性很强的一门课程，在评价学生的成绩时，就必须重视学生的实践能力。但现有考核方式没有专门就实践能力进行评价，归入平时成绩所占比例也较小。

3 教学改革设想与实践

针对上述问题，本课程教学提出一些可行的改革设想，并在教学实践中进行了探索。

3.1 实验教学网络平台建设

现代信息技术的普及和应用影响了整个教育理念，促进了教学模式的改革和创新［11］。通过信息技术构建教学网络平台，能有效提升教学管理和服务水平［12］。

建立实验教学网络平台，给每名学生分配一个网络账号，供他们登录网络平台，参与网上学习和讨论，完成在线或离线的“实验实践”，并提交结果。系统将根据各账号的活跃程度分别给予不同的积分和等级。平台设有不同等级的活动版块，由浅及深，分别对不同等级的账号开放，即要想进入高等级版块，就必须积极参与网上学习和讨论，积累更多的积分，提升到更高的等级。这样可以把实验学习“游戏化”，激发学生深入学习及参与实验项目的兴趣和积极性。

实验教学网络平台应包括6方面主要内容，如图9所示，分别介绍如下。

3.1.1 实验室简介及管理规章制度

使学生了解实验室基本情况、进入实验室的安全问题及相关规定。

建立“实验室安全教育与考试系统”，对学生进行系统全面的安全教育，提高安全防范意识，并进行网上科普性考核，考核通过后才能进入实验室。

图6 实验教学网络平台组织结构图

3.1.2 课程简介及本学期进度安排

通过本版块，学生可以了解到课程特点、教学内容与方式及进度安排，定位自己在教学中的角色，同时便于合理安排学习和实践的时间。

3.1.3 教学课件及参考资料

每次课后，由管理员发布教学课件及相关参考资料目录，方便学生自行检索和学习。

3.1.4 近期实验研究项目安排

本版块列出本学期计划实施的实验研究项目内容，预告近期项目时间进度，通告正在进行的项目进度情况等。遇有项目进度和内容调整等，管理员应及时更改相关信息。

3.1.5 教学交流论坛

分为4个讨论区，分别介绍如下。

（1）实验项目分组讨论区。将学生分为若干组，每组6或7人，各组分别跟进不同的实验项目。按照实验项目建立不同的讨论分区，各分区划分不同等级的实验研究成果区。不同等级的实验研究成果区由浅及深，分别对不同等级的账号开放。

根据课程和项目的进度，管理员会在各分区中上传相应的资料，布置相应的作业和需要讨论的问题。教师讲授“实验设计”一章后，管理员在各分区发布本实验项目任务书，并辅以必要的资料，要求学生根据任务书，查阅相关文献，完成实验大纲;及时通告实验进展情况，协调实验进度，尽可能使学生参与到实验准备与实验实施过程中;实验后，上传照片、录像及数据等，要求学生完成实验报告。由于各实验可能处于不同的阶段，因此各组学生跟进本组实验的同时关注和了解其他实验，这样学生可以同时认识不同实验项目的不同阶段，从而了解实验开展过程中的全部流程（如图7所示），实现“实验全过程教学”。

图7 实验过程

（2）问题讨论与答疑区。学生可提出课堂、实践及作业中遇到的问题，大家进行讨论，并由教师答疑。

（3）结构实验研究前沿讨论区。引导学生关注并讨论结构实验研究的最新进展情况。

（4）课程及实验室管理讨论区。学生可就课程及实验室管理中的问题与不足提出建议和意见。管理员可在学期末以问卷的形式就相关问题向学生开展调查工作。

3.1.6 实验研究资源转化与共享

实验室有大量既有实验研究成果，以及每年防灾实验课程资料等。教师和助教可以将这些研究资源汇总并分类整理，建立既有实验研究资源转化与共享的平台，鼓励学生通过平台对以往的研究和教学过程进行了解，提出问题，并根据问题深入探索，形成自己的研究内容。这样，在不断传承中建立发展的课程实验研究体系。

实验教学网络平台是本课程在课堂外的拓展，可以增进师生间及学生间的交流，在一定程度上缓解教学与研究项目之间的时间冲突，并且可以与实践环节有效结合，增加实验学习的趣味性，促进学生从整体和各个细节上把握结构防灾实验的过程与基本方法。

3.2 本科生实验教学与后续发展相结合

本课程需聘任1或2名助教辅助教师完成教学工作，若干项目组成员也将参与实验教学环节。他们的任务是指导学生实验，同时协调各方工作，发挥“桥梁”的作用，即不同任课教师之间沟通的桥梁、学生和教师之间互动的桥梁及学生和实验室与项目组之间沟通的桥梁。

另外，本科生在防灾实验中取得的研究成果可作为推荐读研及出国深造的资料，供招生单位参考。课程所学为本科生参与和完成SITP、创新实践、专业竞赛及毕业设计等提供了有力的支持，将实验研究成果提升为小论文、申报奖项、申请出国等，并可在后续学习阶段继续拓展，实现本科到研究生阶段“无缝”衔接，既可以使学生尽快进入研究状态，又能避免研究资源的浪费。

3.3 教材建设

教材在课程教学中占据重要地位，一部好教材可以全面反映课程的整体水平和基本情况［13］，有效提升教学质量，提高学生的学习效率。因此，有必要根据本课程的特点，集中同济大学结构抗震、抗风及抗火实验三方面专家及其教学团队，编写高质量教材。

3.4 考核方式改进

实践能力评价是本课程考核的重要方面。因此，应将学生实验实践环节专门进行评价，提高实践环节所占分值比重。

将学生成绩分为课堂成绩（10%）、网上学习（10%）、实验实践成绩（50%）和理论考试成绩（30%）四部分。其中，网上学习主要根据学生参与网上学习和讨论所取得的积分和等级进行评价;实验实践成绩主要根据学生对自己所感兴趣的实验的了解情况、参与次数和程度以及完成实验大纲和报告的质量作出评价。对学生的实验大纲和报告进行评价可以采用答辩的形式，课程所有任课教师组成答辩组，各组同学分工完成答辩汇报，由答辩组提问并评定成绩。

3.5 小学期实验实习

实验项目时间、实践教学时间、学生课余时间和小学期的关系如图9所示。从图中可以看出，实验项目时间较松散，且有一定的不确定性;实践教学时间是确定的，学生在教师、助教和项目组的指导下参观和参与实验项目;学生课余时间也较松散和随机，且只有部分学生能走进实验室与项目组主动交流;暑期小学期时间相对较长，可以利用小学期开展实验实习，教师和助教也可以集中部分时间对学生进行指导。学生利用课余和小学期时间走进实验室可以有效缓解研究项目与课程教学的时间冲突，也可以在一定程度上解决课程内容多和学时少的矛盾。

图9 实验项目、课程教学、学生课余时间和小学期的关系

因此，要继续保持和完善实验室的开放机制，鼓励有兴趣的学生在课余和小学期时间继续回到实验室自主参与实验项目。

3.6 兴趣培养

学生是学习的主体，学生主动学、愿意学才能达到良好的教学效果。兴趣是学习的动力，有了兴趣，学生才具有学习的主动性，培养兴趣才能最大限度地挖掘学生的潜力［14～15］。因此，培养兴趣所起到的作用大于直接性的知识传授。

增加实验教学过程中的趣味性，可以多进行教学互动，例如组织学生对灾害产生的原因进行分析、让学生设计小实验阐述某些原理等。另外，上文所述教学与研究相结合、建设实验教学网络平台和开展“游戏化”网上学习方式都能够增加实验学习的趣味性，有助于培养学生学习和参与实验研究项目的兴趣。

4 教学效果

（1）重视实验室教学实践环节的凝练和环境营造，协调实验室运行和教学模式，培养实验室针对本科生的教学能力。经过课程建设，本课程获得2010年同济大学教学成果奖。

（2）通过网络平台、实验实习等方式，把研究资源转化并融入本科生实验教学实践中，以期丰富教学方法、开阔学生视野、提升实验教学质量。2008年，本课程抗震实验环节被评为同济大学精品实验项目，教学改革论文“结构抗震实验教学探索与实践”获得2009年全国高校实验室工作学术研讨会优秀论文。

（3）促进土木工程实验理论和动手实践相结合，激发学生学习和参与实验项目的自主性和积极性，提高学生解决实际问题的能力。通过学习和实践，每届学生均完成了较高水平的实验报告，并对课程提出了建设性的意见。

（4）尝试课程教学与学生专业发展有效结合，为土木工程学生自主学习和可持续发展提供良好的学习和发展空间。通过继续参与实验项目，每年都有若干名本科生获得推免、直博及出国推荐;其中佼佼者获得2009年全国大学生结构设计竞赛奖及2012年全国高校土木工程本科生优秀创新实践奖等。

5 结语

通过对“结构防灾实验”教学现状的分析，探讨了其教学中存在的问题，并提出了教学改革的合理设想，以期对课程教学改革有所裨益。经过教学实践，课程取得了一系列教学成果，并期待进一步深化改革教学方法，不断深入探索和实践，获得更加理想的教学效果。

致谢：本课程教学获得同济大学教改基金、精品实验项目资助，并得到任课教师宋锦忠、余江滔、戴靠山老师以及课程助教的支持和帮助，在此一并致谢。

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