土木工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革措施

時(shí)間:2022-07-15 11:17:56

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土木工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革措施

摘要:實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量的提升對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力有非常重要的意義。在“新工科”背景下,針對(duì)土木工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式與當(dāng)代工程技術(shù)人才所需能力培養(yǎng)不匹配的問(wèn)題,以培養(yǎng)土木工程專業(yè)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、創(chuàng)新能力、批判性思維和解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力為目標(biāo),提出全過(guò)程考核、開展綜合設(shè)計(jì)型和研究探索型實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)答辯環(huán)節(jié)和工程情境下命題等改革措施,同時(shí)建議采用團(tuán)隊(duì)教學(xué)、線上線下融合、實(shí)驗(yàn)與理論融合的教學(xué)方式,并應(yīng)用于土木工程材料實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)中,效果明顯。

關(guān)鍵詞:“新工科”;實(shí)驗(yàn)教學(xué);創(chuàng)新;土木工程

新經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,需要大批具備較強(qiáng)創(chuàng)新實(shí)踐能力的復(fù)合型工程技術(shù)人才[1]。正是這樣的契機(jī),培養(yǎng)新型工科人才的“新工科”應(yīng)運(yùn)而生?!靶鹿た啤钡摹靶隆辈粌H包括新興工科專業(yè),更是對(duì)傳統(tǒng)工科專業(yè)的升級(jí)改造[2]。土木工程專業(yè)就是典型的傳統(tǒng)工科專業(yè),在推動(dòng)我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展中有著重要地位。目前,人工智能、BIM技術(shù)、大數(shù)據(jù)、3D打印等新技術(shù)的迅猛發(fā)展,無(wú)疑給土木工程行業(yè)帶來(lái)了革新的最強(qiáng)動(dòng)力,也對(duì)土木工程師的創(chuàng)新實(shí)踐能力提出了更高要求。工程技術(shù)人才能力的培養(yǎng)離不開實(shí)踐,實(shí)驗(yàn)教學(xué)是實(shí)踐能力培養(yǎng)的重要組成部分,是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力、研究和解決工程問(wèn)題能力的關(guān)鍵環(huán)節(jié),承擔(dān)著培養(yǎng)學(xué)生基礎(chǔ)工程素質(zhì)的任務(wù)[3-4]。然而,傳統(tǒng)土木工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)在教學(xué)理念、教學(xué)內(nèi)容、考核方式等方面的缺陷[5],使得實(shí)踐教學(xué)應(yīng)有的價(jià)值沒(méi)有發(fā)揮出來(lái),限制了學(xué)生創(chuàng)新能力和工程能力的培養(yǎng),忽略了對(duì)學(xué)生自主學(xué)習(xí)意識(shí)和批判性思維的培養(yǎng)。鑒于此,本文以學(xué)生在土木工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)獲取的綜合能力為目標(biāo),對(duì)土木工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行探索與應(yīng)用,以期為新型工程技術(shù)人才培養(yǎng)提供參考。

1“新工科”背景下,土木工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革措施

綜合國(guó)際工程教育研究熱點(diǎn)[6]和我國(guó)教育部關(guān)于“新工科”建設(shè)、人才培養(yǎng)等文件精神,“新工科”人才應(yīng)具備批判性思維品質(zhì)、跨學(xué)科整合能力、實(shí)踐操作能力和創(chuàng)新創(chuàng)造能力等[7]。再結(jié)合土木工程專業(yè)特點(diǎn)及畢業(yè)生必須具備的12種能力要求,對(duì)土木工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式(見圖1)的改革以培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力、創(chuàng)新能力、批判性思維、解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力為目標(biāo),貫穿“以學(xué)為中心”的教學(xué)理念,對(duì)實(shí)驗(yàn)課程的考核方式、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)環(huán)節(jié)等提出相應(yīng)措施,并應(yīng)用于貴州師范大學(xué)材料與建筑工程學(xué)院的土木工程材料實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)中。

1.1培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力——全過(guò)程考核

在教學(xué)中發(fā)現(xiàn),部分學(xué)生對(duì)待學(xué)習(xí)的態(tài)度是:要考核的內(nèi)容就認(rèn)真學(xué),不考試的內(nèi)容就馬虎對(duì)待,甚至不學(xué)。為了讓學(xué)生端正學(xué)習(xí)態(tài)度,實(shí)驗(yàn)課程采用“全過(guò)程考核”方式,即從實(shí)驗(yàn)前到實(shí)驗(yàn)結(jié)束都設(shè)置對(duì)應(yīng)的分值,該分值作為實(shí)驗(yàn)課程成績(jī)的組成部分。例如,實(shí)驗(yàn)前,學(xué)生要在線上完成相關(guān)內(nèi)容的學(xué)習(xí),并提交預(yù)習(xí)作業(yè)或?qū)嶒?yàn)方案;課堂上,設(shè)置實(shí)驗(yàn)成果匯報(bào)、原因分析、提問(wèn)及討論環(huán)節(jié);課后提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告,要求報(bào)告中每個(gè)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)圖片及總結(jié)部分不能相同。這樣,實(shí)驗(yàn)課程的最終成績(jī)由線上積分、課堂得分及實(shí)驗(yàn)報(bào)告得分相加得到,既避免了傳統(tǒng)的只依據(jù)實(shí)驗(yàn)報(bào)告論成績(jī)的片面問(wèn)題,也避免了小組中部分學(xué)生“投機(jī)取巧”的現(xiàn)象,對(duì)培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力起到督促作用。

1.2培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力——綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)、研究探索型實(shí)驗(yàn)

欲通過(guò)實(shí)驗(yàn)課程培養(yǎng)、提高學(xué)生的創(chuàng)新能力,綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)和研究探索型實(shí)驗(yàn)[8]必不可少。同一門課程,不同高校的側(cè)重點(diǎn)不同。表1為貴州師范大學(xué)材料與建筑工程學(xué)院開設(shè)的土木工程材料實(shí)驗(yàn)課程項(xiàng)目,共16學(xué)時(shí)。其中,項(xiàng)目三為設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn),要求學(xué)生參考教材上混凝土配合比設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)幾組混凝土,并進(jìn)行試拌;項(xiàng)目四為研究性實(shí)驗(yàn),提供多種原材料,但不限定混凝土配合比設(shè)計(jì)方法,要求學(xué)生配制出既滿足工程性能指標(biāo)又經(jīng)濟(jì)環(huán)保的混凝土。要完成這兩個(gè)實(shí)驗(yàn),各小組學(xué)生必然要在課前查找大量資料,共同研討選材、設(shè)計(jì)初步配合比。實(shí)驗(yàn)結(jié)果的不唯一性充分發(fā)揮了學(xué)生的創(chuàng)新能力。完成規(guī)定的實(shí)驗(yàn)課程后,部分學(xué)生繼續(xù)在教師的指導(dǎo)下進(jìn)行探索性實(shí)驗(yàn),申報(bào)項(xiàng)目和參加比賽,進(jìn)一步提高創(chuàng)新能力。當(dāng)然,沒(méi)有基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的循序漸進(jìn),學(xué)生很難完成設(shè)計(jì)性、研究性、探索性實(shí)驗(yàn)。建議第一次課設(shè)置為基礎(chǔ)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)或難度相對(duì)低的綜合性實(shí)驗(yàn),課時(shí)不宜過(guò)多,可采用TRIZ理論進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)或以比賽形式進(jìn)行教學(xué),使學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)保持新鮮感,又可達(dá)到熟悉實(shí)驗(yàn)環(huán)境、實(shí)驗(yàn)儀器和實(shí)驗(yàn)過(guò)程的目的。

1.3培養(yǎng)學(xué)生批判性思維——匯報(bào)、討論、答辯環(huán)節(jié)

批判性思維在教育中的體現(xiàn),是鼓勵(lì)學(xué)生提問(wèn)、質(zhì)疑、討論和闡釋[7]。工程技術(shù)人才不僅會(huì)“動(dòng)手”,還要會(huì)“動(dòng)口”。實(shí)驗(yàn)方案確定和調(diào)整時(shí)的討論、實(shí)驗(yàn)成果匯報(bào)和原因分析、生生之間和師生之間課堂上的提問(wèn)和討論等,均是培養(yǎng)學(xué)生批判性思維的良機(jī)。從表1可見,最后一次實(shí)驗(yàn)課為答辯課,要求每一組學(xué)生準(zhǔn)備答辯材料,先由學(xué)生代表對(duì)配制混凝土的設(shè)計(jì)依據(jù)、計(jì)算過(guò)程、配合比調(diào)整、實(shí)驗(yàn)結(jié)果等進(jìn)行闡釋,然后同組全部學(xué)生接受其他學(xué)生和教師的提問(wèn)。這就要求每名學(xué)生不僅要參與實(shí)驗(yàn),還要熟悉、理解實(shí)驗(yàn)全過(guò)程。即使是基礎(chǔ)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn),也要有討論環(huán)節(jié),讓學(xué)生展示實(shí)驗(yàn)成果并進(jìn)行簡(jiǎn)單的分析,傾聽的學(xué)生至少提出一個(gè)問(wèn)題。這樣,不僅鍛煉了學(xué)生的批判性思維,還能保證學(xué)生上課的專注度。

1.4培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力——工程情境下的命題

解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力對(duì)土木工程專業(yè)學(xué)生的重要性不言而喻。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的命題可設(shè)定在某工程情境下,讓學(xué)生沉浸在處理實(shí)際工程問(wèn)題的氛圍中。如表1的項(xiàng)目四:混凝土配合比設(shè)計(jì),參考了“全國(guó)大學(xué)生混凝土材料設(shè)計(jì)大賽”。大賽主題是,以有利于混凝土耐久性為原則,采用機(jī)制砂配制某強(qiáng)度等級(jí)的大流態(tài)混凝土,要求考慮工程的實(shí)際應(yīng)用環(huán)境和符合經(jīng)濟(jì)性,展示大學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力。實(shí)驗(yàn)室提供不同砂石料、不同摻合料、不同外加劑供學(xué)生自主選擇。課堂上采用“學(xué)生為主,教師為輔”的教學(xué)方式,并對(duì)又快又好地完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)的小組加分。事實(shí)證明,學(xué)生非常喜歡這種有挑戰(zhàn)性的實(shí)驗(yàn),積極性有很大提高。

2建議

為了更好地推進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué),穩(wěn)定的教學(xué)團(tuán)隊(duì)、多管齊下的教學(xué)手段對(duì)提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量能起到良好的效果。

2.1教學(xué)團(tuán)隊(duì)建設(shè)

以貴州師范大學(xué)材料與建筑工程學(xué)院的“土木工程材料教學(xué)團(tuán)隊(duì)”為例,團(tuán)隊(duì)由以建筑材料為研究方向的幾位教師組成。無(wú)論是課前的線上學(xué)習(xí)資源建設(shè)、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)置,還是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的具體開展,抑或是課后對(duì)學(xué)生參賽和科研訓(xùn)練的指導(dǎo),教學(xué)團(tuán)隊(duì)成員都是互幫互助、共同研討。最終,將土木工程材料理論課程、實(shí)驗(yàn)課程均打造成了校級(jí)一流課程。

2.2線上與線下融合

隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”的發(fā)展,以及受新冠肺炎疫情影響,為滿足“停課不停教,停課不停學(xué)”的要求,線上線下融合教學(xué)模式成為必然趨勢(shì)。對(duì)于土木工程專業(yè),很多實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目受實(shí)驗(yàn)條件、資金等因素的影響,很難在線下開展實(shí)體實(shí)驗(yàn),而線上的虛擬仿真不失為一種理想解決方式。對(duì)于很多高校,要建設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目確實(shí)不易,但是可以借助某些平臺(tái)上已有的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目開展教學(xué),完全突破了時(shí)空的限制。其中,由高等教育出版社負(fù)責(zé)建設(shè)運(yùn)營(yíng)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程共享平臺(tái)——實(shí)驗(yàn)空間,就是可直接服務(wù)于各高校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)公共服務(wù)平臺(tái)。

2.3實(shí)驗(yàn)與理論融合

實(shí)驗(yàn)課程常用來(lái)襯托理論課程這個(gè)“主角”,但偶爾讓其承擔(dān)“主角”,讓理論課程為實(shí)驗(yàn)教學(xué)服務(wù),也能取得意外的效果。要求學(xué)生在較少學(xué)時(shí)的實(shí)驗(yàn)課堂上一下涌出很多思路、方案,這是有難度的,何不讓學(xué)生從理論學(xué)習(xí)時(shí)就去思考、準(zhǔn)備呢?在理論課程教學(xué)時(shí),教師一般都會(huì)結(jié)合科研項(xiàng)目、實(shí)際工程問(wèn)題、前沿?zé)狳c(diǎn)等為學(xué)生拓展很多內(nèi)容,抑或采用“翻轉(zhuǎn)課堂”模式,讓學(xué)生去查資料、寫讀書筆記,然后在課堂上與同學(xué)分享、討論。理論課程的這種啟發(fā)式、探究式教學(xué),能為學(xué)生進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)型、研究探索型實(shí)驗(yàn)提供思路。

3結(jié)語(yǔ)

在“新工科”背景下,實(shí)踐教學(xué)更凸顯其重要地位。事實(shí)證明,土木工程專業(yè)人才的自主學(xué)習(xí)能力、創(chuàng)新能力、批判性思維、解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力,是可以通過(guò)在實(shí)驗(yàn)課堂上學(xué)習(xí)和實(shí)踐中獲得的,關(guān)鍵是要建立科學(xué)合理、可操作的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。即圍繞“以學(xué)為中心”的教學(xué)理念、實(shí)施全過(guò)程考核、開展沉浸于工程情境下的設(shè)計(jì)性和研究性實(shí)驗(yàn)、增設(shè)答辯環(huán)節(jié),同時(shí)采取團(tuán)隊(duì)教學(xué)、線上線下融合、實(shí)驗(yàn)與理論融合的多組合教學(xué)方式。將該實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式應(yīng)用于土木工程材料實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)中,取得了較好的效果。學(xué)生參與科研訓(xùn)練、比賽的積極性和主動(dòng)性明顯提高,近兩年多個(gè)學(xué)生團(tuán)隊(duì)基于3D打印混凝土、MgO混凝土、透水混凝土、再生混凝土等項(xiàng)目,獲得了多項(xiàng)校級(jí)、省級(jí)、國(guó)家級(jí)的大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目立項(xiàng),在“挑戰(zhàn)杯”“全國(guó)大學(xué)生節(jié)能減排社會(huì)實(shí)踐與科技競(jìng)賽”“互聯(lián)網(wǎng)+”“全國(guó)大學(xué)生混凝土材料設(shè)計(jì)大賽”中均獲得獎(jiǎng)項(xiàng),學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力得到了很大提升。

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作者:陳榮妃 楊華山 李維維 趙振華 單位:貴州師范大學(xué) 材料與建筑工程學(xué)院