一流学科建设背景下土木工程实验室教学改革对策研究

徐伟杰, 徐 明, 郭 彤， 宗周红, 刘 艳

(东南大学 土木工程学院, 江苏 南京 210096)

国务院2015年11月印发了《统筹推进世界一流大学和一流学科建设总体方案》,为我国建成高等教育强国明确了任务和路径。作为高校科研、教学和对外服务重要场所的实验室,在“双一流”建设中的作用得到了广泛关注,实验室为“双一流”建设提供支撑的观点得以确立[1-4]。在“双一流”建设中,需要以学科建设为基础,优化学科结构、凝练学科发展方向、突出学科建设重点、创新学科组织模式、打造更多学科高峰。培养拔尖创新人才是“双一流”建设的主要任务,要突出人才培养的核心地位,着力培养具有历史使命感和社会责任心,富有创新精神和实践能力的各类创新型、应用型、复合型优秀人才。然而,不同学科有不同的特点,各学科的实验室功能和管理方法各不相同,很难有适用于所有学科人才培养的实验室教学改革方案[5]。本文针对土木工程学科,从实验室支撑一流学科人才培养的必要性和面临问题入手,提出了教学改革的具体对策。

1 实验室对土木工程一流学科建设的必要性

土木工程学科具有较强的工程实践性,相关专业基础课和专业课对实践教学要求较高,与其他学科相比,实验室对土木工程专业的发展有着无可替代的作用。高校土木工程学科的教学水平,往往可以直接从实验室的建设情况反映出来。

1.1 实验室直接承担土木工程专业人才培养

对于土木工程专业,学生在课堂学到的知识,必须通过实验才能真正掌握。部分课程除了课堂教学外,本身还安排了实验教学学时,如“建筑结构设计原理”中的混凝土梁受弯承载力实验,只有通过实验教学,学生才能真正了解梁在不同荷载作用下的变形和破坏情况,将课堂上学到的知识融会贯通。类似的课程还有“工程力学”“建筑结构设计原理”“土力学”“水力学”和“结构检测”等。还有部分土木工程专业课程,尽管本身不设置实验部分,但是实验室实验可以使学生加深对课程的了解,如“大跨空间结构”“工程结构抗震与防灾”等。因此,实验室直接承担着土木工程专业人才培养任务。

1.2 实验室能够提高土木工程人才综合能力

除了教学实验,实验室还开展针对学生的自主创新实验。当学生进行自主创新实验时,当从构件的设计、加载方案的确定、实验加载和结果分析等一整套流程完成时,可以有效提高学生的科研能力。在整个实验过程中,学生需要亲自动手解决实验过程中的问题,有效地锻炼学生的动手能力和发现问题、解决问题的能力。土木工程领域的创新实验往往需要多人合作完成,因此通过实验可以有效提高学生的团队意识。在实验过程中,学生需要与指导教师、实验室教师、工人及其他学生进行沟通,可极大地提高学生的沟通能力。而上述的科研能力、动手能力、发现问题和解决问题的能力、团队意识和与人沟通能力等都很难通过课堂教学获得。

1.3 实验室有助于培养学生的社会意识

土木工程专业所针对的建筑物与生活密切相关,很大一部分土木工程专业的学生都会进入土木工程施工单位和设计单位。由设计单位设计不合格或施工单位施工不合格而导致的建筑物破坏,往往会造成巨大的人员、财产伤亡。此外,土木工程专业学生必须具有足够的社会担当,来考虑地震、火灾、风灾等自然灾害对建筑物的影响。通过在实验室观察建筑结构的破坏形态,可以使学生牢记土木工程学科的使命。可以说,学生在实验室观察到建筑结构破坏瞬间的感受远比课堂教学深刻得多。

2 实验室支撑土木工程一流学科人才培养面临的问题

2.1 教学资源有限

土木工程学科具有较强的工程实践性,相关专业基础课和专业课对实践教学要求较高。然而,土木工程学科实验对象往往是大体量的结构或构件,制作安装成本较高,且需要较大的实验空间,因此在实际的实验教学过程中往往需要分组,同一组实验需要若干名甚至几十名学生同时操作,弱化了学生通过教学实验掌握相关知识的效果。此外,进行土木工程教学实验往往需要相应的设备仪器,如土力学的三轴实验机,结构检验中的无损检测设备等,如果缺乏必要的教学设备,实体教学实验则无法完成。因此,在土木工程一流学科建设中,实验室教学资源的有限性是创新人才培养的不利因素。

2.2 教学理念落后

土木工程实验教学理念落后主要体现在教学手段和教学对象上。目前土木工程实验教学往往是将一整班的学生集中到实验室进行实验,这虽然可以提高学生的动手能力,但也存在实验成本高、时间不灵活、存在安全隐患等问题。随着土木工程技术的发展,当前的实验教学手段已经很难满足学生对先进土木工程技术的实践需求。此外,目前土木工程实验教学的对象往往仅限于本校土木工程专业的本科生,实验教学资源无法共享,实验室教学资源的有限性进一步凸显。

2.3 教学人才缺乏

实验室在教学上面临的问题归根结底还是人的问题,即土木工程实验室没有开展各项教学活动的充足人才。土木工程实验室与其他学科实验室相比,对人才的要求更高。首先,土木工程实验是劳动密集型实验,在构件的安装和拆卸过程中,必须要由专业的施工团队配合完成,包括电焊工、吊车工和装卸工等。在实验进行过程中,大型加载设备和部分教学实验设备,如地震模拟振动台、MTS伺服加载系统等需要专职人员操作。实验过程中的数据采集人员、现象观测人员等,也需要具备相应的知识和水平。此外,新实验的开发不仅对相关人员的实验能力有较高要求,还对科研能力有较高要求。因此,在人员编制有限的情况下,土木工程实验教学只能采用一对多的形式,即一个实验指导教师同时指导多名甚至多组学生进行实验。

3 实验室支撑土木工程一流学科建设的对策

3.1 改进教学方式,重视虚拟仿真实验教学

目前土木工程教学主要以课堂教学为主,部分课程采用课堂教学与实体实验相结合的模式。然而,由于实验室场地和器材限制,大规模的实体实验是不现实的。但随着计算机仿真技术的不断进步,基于数值模拟技术的土木工程虚拟仿真手段,在本专业的工程实践应用和本学科的科学研究应用中,发挥着越来越重要的作用。因此,可以采用计算机技术开发虚拟仿真实验,将传统的课堂教学或课堂教学与实体实验相结合的模式改为“课堂教学+虚拟仿真教学”和“课堂教学+虚拟仿真教学+实体实验教学”的模式,通过虚拟仿真实验弥补课堂教学和实体实验的不足[6-7]。

土木工程虚拟仿真实验的来源主要有3个,分别是实体教学实验的虚拟仿真、数值模拟的虚拟仿真和实际工程的虚拟仿真。实体教学实验的虚拟仿真主要针对构件层次,即实体教学实验的虚拟再现,如混凝土梁柱的受压、受弯等。通过实体教学实验的虚拟仿真实验,每个学生都可以参与实验的整个过程,并且可以通过修改参数,观察到实体实验无法实现的实验现象,从而成为实体教学的有效补充。数值模拟的虚拟仿真往往针对结构层次,如结构隔、减震实验等。这种类型的实体实验往往很难在实验室再现和重复,通过虚拟仿真实验可以加深学生对相关知识的理解,有效弥补课堂教学的不足。实际工程的虚拟仿真是将整个工程从开始施工到最终完成完全虚拟化,使学生能够将所学的知识与实际相结合,提高学生的综合能力。因此,虚拟仿真实验教学是实验室提高土木工程学科教学能力的重要举措,有助于创新人才的培养。

3.2 进行教学资源共享,积极举办科普活动

教学资源共享是解决实验教学资源有限问题的重要途径,尤其是当虚拟仿真教学形成体系后,通过互联网即可实现教学资源的共享[8-9]。通过教学资源共享,各个学校可以充分发挥自身优势和特色,扩大优质教学资源影响力,提高教学资源的利用率,最终提高实验教学水平。此外,土木工程实验室还应积极举办科普活动,主动实现实验设备对外共享,普及土木工程相关知识,提高全社会土木工程防震减灾意识,如防灾科技学院的灾害模拟实验室和东南大学的结构创新竞赛[10-11]。

3.3 完善人才梯队建设

作为土木工程实验室的工作人员,应具备3个依次提升的层次要求。首先,应具备职业道德、法律意识和良好的身体素质。其次,应具备专业技能和服务意识。土木工程实验室的核心职责是完成实验教学和科研实验,只有具备专业技能和服务意识,才能真正地履行职责。最后,还应具备创新能力和沟通能力,从而能够面对一流学科建设中出现的新问题。其中,第1层次人员主要为中级以下职称,即以劳务合同形式聘请一定数量的熟练工人,协助完成教学实验和科研实验任务。第2层次人员主要为中级和副高职称,是实验室的骨干人员,主要负责完成教学实验、科研实验及大部分对外服务任务。第3层次主要为副高和正高职称,主要负责实验室的统筹规划[12]。