土建类专业“三位一体”开放性实验教学实践
——基于学科竞赛为载体

陈军浩 赵振伟 翁旭然 王启云 张丙强

(福建工程学院 土木工程学院 福建福州 350118)

0 引言

当前，地方应用型本科高校的工科专业培养目标相近，大都是旨在培养学生在大学期间能够获得工程师基本素质，并具有创新精神和实践能力的高级应用型技术人才[1]。诚然，在地方应用型本科高校中，特别是对于专业性、实践性、创新性要求很高的土建类专业，学生的教学实践环节则对学生学习成长起到非常关键的作用。目前，土建类各专业虽然均开设有各类型实习、课程设计、工艺技能训练、综合实验、毕业设计等实践教学环节，也注重培养学生的实践、创新能力。但在当前新技术、新产业、新业态、新模式经济发展态势与产业转型升级过程中，对土建类专业毕业生的要求更高，已明显逐渐向应用型、复合型、创新型人才转变，要求学生除了具备扎实的专业技术外，对专业知识能力、创新能力、综合素质能力这三方面能力提出了更高要求。因此，除了常规实践教学环节外，还需借助其它手段予以补充和加强[2-4]。

面对新时代经济社会对人才需求的态势，近年来各高校纷纷组建创新创业教育学院，对大学生在校期间的科创活动进行积极引导。与此同时，由国家各相关部门、各专业教学指导委员会、各专业学会与协会牵头发起的学科竞赛也越来越多。这些学科竞赛活动在高校中多数是由学生社团组织，缺少专业教师指导，参与群体多数为低年级学生，对专业知识积累不够；加之，参加活动更多是为了满足好奇心与年度评奖评优需要，客观上弱化了学科竞赛的主要作用，对学生专业知识能力、创新能力的提升影响度较小。基于此，将学科竞赛融入到高年级学生开放性实验教学环节中，以选修课学分形式体现，既调动了高年级学生的参与积极性，又促使高年级学生充分利用以往所学专业基础知识，将学科竞赛的作用发挥最大化，真正实现学生专业知识能力、创新能力、综合素质能力的提升[5-6]。

1 “三位一体”开放性实验教学改革

所谓开放性实验教学，是指高校实验室在时间、空间、内容和教学方法等方面对学生开放，由学生自主选择并进行实验学习与研究的一种教学改革方式，是现代高校培养综合型、创新型人才的新途径。将开放性实验教学与各学科历届全国性模型竞赛相结合，积极探索创新型实验项目的建设与开展，是对常规实践教学的重要补充[7-8]。以土建类岩土与地下工程方向专业实践教学为例，基于学科竞赛可以将工程实际中地下工程结构模型转化到实验教学中，进行不同类型地下结构模型设计、制作、优化、加载分析，从而避免了学生在校学习更多停留在理论知识学习层面、对地下工程结构模型认识抽象、虚玄、不够全面等问题。通过构建地铁与隧道工程模型设计与加载试验，基坑支护模型设计与加载试验以及边坡挡土墙模型设计与加载试验，其它岩土相关模型设计与加载试验等多模块、开放式的实验教学新体系，学生则能利用课堂所学的多门专业知识学习，借助有限元分析软件，对模型结构进行分析与优化，进一步推进学生理论联系实际，收获培养高素质应用型人才的实质效果，实现以下3个能力的提升：

(1)专业知识能力提升：学生能够利用已学的力学与专业基础知识，对一定荷载条件下不同模型结构力学性能进行简单计算、初步设计出模型结构。通过该环节锻炼，可以巩固并加强学生对地下工程结构的力学特性认识。

(2)创新能力提升：学生能够在专业老师指导下，采用有限元数值计算软件，对不同工况条件下不同模型结构进行力学计算，选取出最优模型结构。通过该环节锻炼，可以提升学生创新能力、数据分析能力。

(3)综合素质能力提升：按一定比例进行模型制作并加载，对加载过程中一些变形或力学特征参数进行采集，同时分析结构破坏原因。通过该环节锻炼，可以加强学生综合实践动手与团队合作能力。

综之，这3个环节在开放性实验教学过程中相互融合、相互影响，实现培养与提升学生专业知识能力、创新能力、综合素质能力“三位一体”的目标，如图1所示。

图1 “三位一体”开放性实验教学实践示意

2 开放性实验教学改革实践示例

近年来，福建工程学院土木工程学院积极探索实验教学改革，以全国高校城市地下空间工程专业大学生模型设计竞赛为载体，开展开放性综合实验改革。该赛事由中国岩石力学与工程学会主办的，每年六月确定赛题并发布比赛通知，十月或十一月举办。赛题涉及岩土与地下工程结构多种类型，旨在激发青年学生的创新意识，提高对岩土与地下工程及相关学科的学习兴趣，锻炼并提高学生的专业知识能力、创新能力、综合素质能力。本文以第二届模型设计竞赛为例，赛题为利用亚克力板拼装组合而成加载箱，采用230g巴西白卡纸、速干白乳胶、蜡线等材料进行格栅拱架模型的设计与建造，模型外轮廓尺寸限定在600mm×500mm×350mm的空间内，并通过在拱架模型顶部施加重力砝码进行分级静力加载，检验其承载力和变形特性。竞赛要求采用最少的材料而能承受最大设计荷载，从而确定支护结构的可行性、合理性与科学性。

基于竞赛活动目标和要求，我校开放性实验教学过程主要由以下几个环节组合：

(1)实验准备阶段：每年六月份，实验教学项目指导教师及时跟踪赛题发布情况，准备实验所需的材料，并及时广泛动员高年级学生和组织学生选择该项目，做好学生分组。

(2)模型结构初步设计：学生根据已学的材料力学、结构力学、隧道工程、地铁工程、地下建筑结构等专业基础知识，在该阶段对格栅拱架模型进行初步简要设计，利用结构力学求解器进行简单力学计算并比较，选取力学特性较好的结构模型，如图2所示。

图2 格栅拱架模型加载示意图(单位：mm)

(3)模型结构分析与优化：该阶段学生通过所学的有限元方法、地下工程结构电算、BIM技术等课程知识，建立二维或三维结构模型并进行有限元数值计算与分析，以计算出最优的模型结果，达到模型在一定变形控制条件下，所能承受的荷载值与模型质量比值最大，如图3所示。

(a)BIM建模(b)ANSYS有限元建模图3 采用不同手段进行结构建模

(4)模型结构制作与加载：模型结构制作的精细程度，以及在加载过程充填标准砂、堆放加载砝码等情况，都会直接影响模型的承载效果。因此，在该阶段，注重学生团队协作精神，充分发挥学生综合素质能力。

(5)加载结果分析与模型进一步优化设计：通过对模型质量、加压荷载、模型变形等参数记录，分析出模型薄弱环节及受力最大位置，再次继续采用有限元数值计算软件对模型结构做进一步优化设计，直至比选出最优的模型结构。

(a)模型结构实例 (b)模型加载过程

本开放性实验每个项目8个学时，均安排在学生课余时间，在学院大学生双创中心实验室进行，由3名专业教师共同指导，土木工程、城市地下空间工程、道路桥梁与渡河工程、勘查技术与工程等土建类专业学生均可积极报名参与。在开放性实验中表现良好的学生可通过校内选拔参加全国高校城市地下空间工程专业大学生模型设计竞赛。我校近两年成绩优异，参赛队伍均获得三等奖以上佳绩。

3 结论

以学科竞赛为载体的土建专业“三位一体”开放性实验教学模式，能够充分调动高年级学生参与积极性。在专任教师指导下，学生可以结合课堂所学的多门专业基础知识，同时借助有限元数值计算软件，对模型结构进行设计、分析与优化，促进学生对地下工程结构力学特性有更深入的认识，提升学生知识能力、创新能力、综合素质能力，达到培养高素质应用型人才的目的。