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土木工程专业结构试验课程教学探索

2021/08/02 阅读:

摘要:“结构试验”作为一门土木工程专业课程,在培养“新工科”创新型卓越工程科技人才中起着重要作用。文章通过分析“结构试验”课程的内容及特点,从教学内容、教学方法和手段等方面进行了教学改革,构建了验证型、应用型、创新研究型多层次教学体系,实践探索了与工程项目和科研项目相结合的“结构试验”课程教学方式。借助多媒体手段、线上平台、虚拟仿真实验等现代技术,采取多种教学方法和手段,形成科学合理的课程成绩评定方法。

关键词:“结构试验”;课程教学;实践探索;现代技术

0引言

结构试验是研究和发展工程结构新材料、新体系、新工艺、新的工程设计理论和方法的手段,也是鉴定结构损伤情况和处理工程事故不可缺少的依靠,在工程结构科学研究和技术创新中起着非常重要的作用[1]。“结构试验”课程是土木工程等工科专业的重要专业必修课,通过“结构试验”课程的教学,能够培养学生掌握基本的科学实验方法与技能,提高科学素养和工程意识。通过结构试验,学生不仅能够验证结构基本理论知识,还可拓宽工程结构的知识面;顺利完成结构试验需要小组成员齐心协力、团结合作。“结构试验”课程在培养土木工程专业“新工科”创新型卓越工程人才中有着不可替代的作用。

1“结构试验”课程内容及主要特点

“结构试验”课程的教学主要包括:结构试验与检测、结构试验荷载与加载、结构试验测量技术与仪表、结构模型试验、结构静载试验、结构动载试验、结构非破损检测及建筑物鉴定、工程现场试验、试验数据统计分析等方面[2]。土木工程专业本科阶段“结构试验”课程内容应围绕工程结构试验需求,着眼于培养学生的专业思想、专业素质、动手和创新能力,使学生掌握对结构受荷载后性能观测、对测量数据进行统计分析,并能对结构的工作性能和承载能力做出评价的方法。本课程教学不仅要讲授“结构试验”的基本知识,更重要的是培养学生进行试验方案设计、操作、综合分析和评价的能力。课程试验操作一般包括:结构加载设备初识与应用、电阻应变片的粘贴技术、电阻应变仪测量应变、常用机械式量测仪器的构造与使用、回弹法测混凝土强度、结构脉动测试等实验项目。由于受教学课时少的限制,有许多内容不能做详细教学讲解;受试验设备、场地、试件制作等条件的限制,有些试验不可能完全由学生完成。学生缺乏现场实验的动手锻炼,单纯的读数观测无法培养学生的创新思维[3]。因此“结构试验”课程教学需要进行改革。

2“结构试验”课程教学的创新做法

2.1优化课程教学内容

“结构试验”课程一般24学时左右(理论教学14学时,实验教学10学时),在满足学时情况下,应对课堂讲授内容和实验项目进行系统组合优选。要注重培养学生的创新意识,紧密结合工程实际,最大限度涵盖土木工程专业涉及的钢结构、混凝土结构、砌体结构等方面;实验教学以基础实验为重点,灵活与科学研究项目相结合,尽量保持实验教学手段的先进性和现代性。教学内容和实验项目的设置紧密衔接,做到彼此关联、循序渐进,符合学习规律。同时兼顾工程实际需要(工程质量检测),使教学和实验具有一定的连贯性、系统性和实用性。教材是知识传播的重要载体[4],在精心挑选教材和参考书的同时,结合具体教学条件,笔者编写了结构实验指导书以及相关数字教材,从试验基本原理、实验操作、试验结果分析、试验报告格式及要求等方面对结构试验进行介绍。现场实验前学生需提前阅读学习,实验课上教师仅对实验重点和难点进行扼要讲解或演示操作,从而保证学生能够顺利完成实验内容。

2.2构建分层次的结构试验教学体系

结合理论教学内容和学生掌握基础知识的程度,结构试验项目设为必须完成内容和研究创新性内容。按照循序渐进的原则,课程教学涉及的试验可分为3种类型。第一类为验证型试验,主要是为了很好地服务于土木专业理论课程的教学,起到验证理论、深化理解理论,培养学生基本试验技能的作用,如应用电阻应变仪测试悬臂钢梁的力学规律。第二类为应用型试验,即应用专业基础课和专业课知识的综合试验,学生在具有一定知识和技能的基础上,灵活运用所学课程的知识、技能和方法的综合训练。例如,钢筋混凝土简支梁试验,该试验的目的是测试梁正截面和斜截面承载力。学生结合混凝土结构设计原理课程知识和学校实验条件,选择加载设备、量测仪器、加载图式,制定试验方案,探讨分析钢筋混凝土受弯构件受力特点,就是这门专业课的重要试验。第三类为创新研究型试验,主要是结合创新研究项目或其他研究项目的试验。学生要根据试验目的,设计试验方案并完成试验。在试验过程中教师可做提示和监督,具体试验方法要给学生创新留下足够空间。例如,土木专业2013级同学的“山东农业大学水土学院结构实验楼振动特性的研究”试验项目,就是该课题组成员自行设计测试方案、进行测试试验并进行结果分析的。这类结构试验工作量大,也需要一定的条件做保障,通常是结合大学生创新实践项目或结构大赛等项目进行。对学生综合能力的训练是其他试验无法取代的。

2.3开展与工程项目和科研项目相结合的结构试验教学方式

将试验教学与科研及社会服务有机地结合起来,贴近实际工程问题,对学生们吸引力很大。学生经受工程现实环境的锻炼,解决工程实际问题的能力和责任感逐渐得到提升。实例一,结构试验与房屋结构损伤鉴定项目相结合。工程结构受到自然环境及各种复杂因素的作用,会导致不同程度的损伤,房屋结构损伤诊断和评估需求项目比较多。2016级同学们参与了岱岳区贫困户农村自主房检测鉴定项目,利用常用测量仪器设备,以基础、承重墙、梁、檩、木屋架、混凝土柱、梁、屋面等为鉴定单位,对房屋整体的安全性进行评定。经历这次实践活动,同学们在对工程试验检测技术应用、土木专业知识的进一步巩固及国家规范规程的理解等各方面有了很大的体会和收获。实例二,结构试验与碳纤维加固技术研究课题的结合。在“碳纤维加固技术试验研究”科研项目中,学生们参与了试验方案论证、实验准备、试验测试、数据采集分析等过程。试验过程及对研究课题的了解,使学生们不仅开阔了视野,提高了试验技能,还激发了钻研工程结构问题的热情,加强了工程试验意识[5]。“结构试验”教学与校企合作项目相结合是一个好方式,校企合作可达到行业、企业、学校、教师、学生各方受益、多方共赢、多元共享的目的。

2.4采用多种灵活的课程教学手段和方法

“结构试验”课程讲授的重点内容之一是介绍试验仪器装置的功能、工作原理、使用方法和加载方式等,课堂讲授应生动直观,为此采用了灵活多样的教学手段和方法。

2.4.1课堂外学习和课堂内教学相结合

教师课堂内讲授主要抓住重点和难点,而次要的、简单的内容安排学生课后自学,可采用翻转课堂的形式完成。利用智慧树、雨课堂等线上平台,为同学们提供丰富的课堂外网络学习资源。这种强化学生自主探究的学习模式,盘活学习资源,学习过程具有自主性、灵活性和开放性,很好地提升了“结构试验”课程教学效果[6-7]。

2.4.2现场实物教学和课堂讲授相结合

结构试验涉及的仪器、仪表和加载设备类型较多,有的设备庞大,有的设备数量较少,结合学校具体试验条件,采取了实验室现场实物教学和课堂讲授相结合的做法。体积较小、较轻的仪器、仪表直接带到课堂上,使课堂讲授与操作相结合;较大的设备和仪器介绍,主要以到实验室现场讲解为主,课堂上则利用各种视频、照片和图片等多媒体形式,展示、介绍大型仪器、设备的操作及试验过程。

2.4.3虚拟仿真与课堂教学相结合

结构试验经常会遇到许多不便,如对混凝土结构构件类的实验,从实验准备、绑扎钢筋、浇筑混凝土、混凝土构件养护直到最后加载实验,历时长、操作投入大、过程复杂,有时无法保证所有学生参加全周期实验,有些只能做演示实验。而计算机数值仿真试验不受实验室仪器设备、试验材料、试验场地等限制,能够对真实环境和事物仿真,具有沉浸性、交互性、虚幻性、逼真性的特征,已是一种全新的试验辅助手段[8]。借助虚拟仿真实验,可模拟完成实验全过程,并可使实验过程和内容多次重复再现,达到学习的目的。山东农业大学2010级大学生创新实践项目(SRT)——“结构试验仿真系统”在“结构试验”中得到尝试应用,借助这套结构试验仿真系统,学生们可进行预习、实验准备、模拟试验操作过程,提高了学习效率,教学效果良好。

2.5形成较合理的课程成绩评定办法

考试是督促学生学习的有效措施,也是检验学习效果的手段之一,但“结构试验”是一门实践性很强的课程,仅凭一次卷面考试来评定课程成绩不够全面准确。笔者改变传统以考试试卷定成绩的简单做法,将课程成绩构成分为两部分:实验成绩和期末闭卷考试成绩。其中实验操作成绩占40%~50%。实验操作考核以能力评价为中心,采用“预习成绩+实验准备、实验操作成绩+实习报告成绩”全过程考核方式[9]。期末闭卷考试注重学生综合能力的考察,设计综合性试验是综合能力考察的最佳方式。因此,在考试试题中既包括结构试验基本原理,还包括试验原理的综合应用[10-11]。试验设计综合题目占20%左右,考核内容包括试验设计、试验操作、数据统计分析、问题解答等方面。

3结语

结合高等工程教育对大学生创新实践能力培养的要求,笔者对“结构试验”课程教学进行了一系列的创新探索:优化整合了课程教学内容、构建了课程教学体系、提出并实施了多种教学手段和教学方法、强化学生自主学习模式、课程成绩评定充分体现学生的创新实践能力等。通过“结构试验”教学实践,增强了学生学习“结构试验”的兴趣,学生们的动手能力和创新能力也有了很大的提高,“结构试验”课程教学改革取得了较好的成效。

作者:王萱 单位:山东农业大学

土木工程专业结构试验课程教学探索

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