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知識能力一體化培養的土木工程力學實驗群建設論文
摘要：以加強學生工程能力培養為目標，將現有土木工程專業力學實驗教學在工程能力培養方面存在的問題提煉為"三個脫節"，即實驗項目設置與工程需求脫節，實驗項目與行業規范脫節，單一性知識訓練與工程需要綜合性知識應用能力脫節。為解決以上問題，文章提出在實驗教學方法上需要"兩個轉變"，即以教師為中心轉變為以學生為中心，以知識傳授為主轉變為以工程能力培養為主。并指出通過多層次課程新體系建設、綜合力學實驗項目建設、多元化實驗教學方法與手段研究等，實現知識—能力一體化培養的土木工程力學課程群建設。
關鍵詞：土木工程專業； 力學實驗； 工程教育；
一、建設背景
隨著學科和專業的發展，專業課程門數的增加，學科交叉、學科滲透變得越來越廣泛。與此相應，學生所需要學習的知識和掌握的能力也就越來越多。工程教育面臨的一個共同挑戰是如何在有限的時間資源下兼顧學科知識傳授和工程實踐能力培養。
桂林電子科技大學土木工程專業教學培養方案中包含力學實驗的理論課程有理論力學、材料力學、結構力學、土木工程材料、土力學、混凝土結構設計原理、鋼結構設計原理、高層建筑結構設計。長期以來基礎力學課程已經形成了相對穩定的課程體系[1] 。但課程之間存在一定的內容交叉，專業課程亦是如此。如土木工程材料和材料力學實驗中都有鋼筋的拉伸實驗，也就是說理論課程所涉及的力學實驗內容存在一定的交叉和重復。同時實驗目的以對理論知識的驗證和補充為主，以加強學生對理論知識的理解為主，導致學生只要按照實驗步驟操作即可完成實驗，缺乏工程能力的培養。
雖然各高校已經意識到工程能力培養的重要性[2] ，實驗教學也逐步經歷了"基礎型實驗—綜合型、設計型實驗—創新型實驗"的過渡，但培養學生工程能力的目的似乎并未完全達到。其主要原因，筆者認為在實驗項目內容方面存在"三個脫節"[3] ，即實驗項目設置與工程需求脫節，課程內容及實驗項目與行業規范脫節，單一性知識訓練與工程需要綜合性知識應用能力脫節，從而不利于引導學生工程能力和創新思維的培養。因此，在實驗教學方法和模式上需要"兩個轉變"，即以教師為中心轉變為以學生為中心，以知識傳授為主轉變為以工程能力培養為主。比如在實驗中，學生的注意力往往集中在如何按照教師和實驗指導書的講解，按圖索驥地完成實驗（稱之為以教師為中心的教學模式）。整個實驗過程學生處于一種被動盲目的狀態，缺少參與實驗的主動性和積極性，缺少一個自己思考、設計實驗的過程。因此，土木工程力學實驗教學面臨如何從以教師為中心轉變為以學生為中心的問題。另外，實驗的工程背景有待加強。如拉伸和壓縮實驗，只是為了計算、驗證和理解材料的力學性能，但是該實驗的工程背景是什么，不得而知。如果補充工程背景，比如結構破壞的工程實例，則更能加深對該實驗以及其工程意義的理解。土木工程力學實驗同時也面臨著以知識傳授為主到以工程能力培養為主的轉變。
以實施"卓越計劃"[4] 為契機，在土木工程力學實驗課程建設過程中，通過多層次課程新體系建設、綜合力學實驗項目建設、多元化實驗教學方法與手段研究等，最終實現知識—能力一體化培養的土木工程力學課程群建設。
二、土木工程力學類實驗教學改革思路及措施
（一）多層次土木工程力學實驗課程新體系規劃與建設
以加強學生工程訓練和設計能力培養為重點，緊密結合土木工程實際，建立以能力培養為導向，分層次、多模塊、相互銜接的工程力學專業實驗教學體系。實驗項目類型涵蓋驗證性實驗、綜合型實驗、創新型實驗、開放性實驗等。改變按理論課程設置實驗教學的局限性，綜合平衡考慮不同專業、不同課程對力學實驗項目的要求，凝練實驗項目，盡量避免不同課程之間重復性實驗，使力學實驗具有一定的系統性。
為使單一性知識訓練與綜合性知識工程應用的情況相適應，建立多層次力學實驗課程新體系。它包括三個層面：第I類實驗項目為專業綜合性實驗項目，主要為跨課程多知識點的綜合性項目。涵蓋了理論力學、材料力學、結構力學、土木工程材料、土力學、混凝土結構設計原理、鋼結構設計原理、高層建筑結構設計知識體系的綜合運用。第II類項目為某一門課程知識的綜合應用，此類實驗以綜合性、開放性實驗為主，要求學生自行完成實驗方案和實驗過程。第III項目為課程單一知識點的驗證性實驗。多層次土木工程力學實驗課程新體系。
（二）面向知識—能力一體化培養的力學實驗項目建設
通過實驗教學培養學生工程能力的關鍵是實驗項目與工程能力培養相適應，實驗內容與土木工程行業指導規范相適應。因此，改變只將"知識"作為教學大綱的傳統做法，制定和實施反映知識—能力一體化培養的實驗教學大綱。根據"卓越計劃"的要求，按通用標準和行業標準培養人才，強化培養學生的工程能力和創新能力。在大綱中建立每個實驗所對應的知識點和能力培養目標之間的對應關系。通過建立知識—能力—實驗內容關系矩陣（如表1），按照土木工程行業相關標準和規范，將各知識點的能力培養落實到實驗項目，突出土木工程行業相關標準和規范內容的講解，避免知識點與工程應用脫節，從而達到工程和創新人才的培養要求。
（三）多元化實驗教學方法與手段研究
（1）實驗教學以培養學生實踐能力和應用創新能力為主要目的。采用理論講授、現場示范與實際操作相結合，多媒體輔導和教師輔導相結合，課堂實驗與課外實踐、應用創新相結合等多元化實踐教學方法與手段。在實驗教學過程中結合具體情況，以啟發式、自學式、討論式、研究式等教學方法為主，深入淺出，充分調動學生學習的積極性，培養其創新思維和創新能力，進行問題式、案列式教學探索。通過對實驗教學方法、手段、實驗考核方法的創新改革，推進學生自主學習。多元化實驗教學方法與手段層次結構如圖2所示，主要體現在教學方法、教學形式、教學活動類型以及能力培養的不同層次。
（2）教學模式的兩個轉變。在實驗教學方法和模式上實現"兩個轉變"，即以教師為中心轉變為以學生為中心，以知識傳授為主發展為以工程能力培養為主。對于綜合性實驗，只給出實驗目的和要求。讓學生根據所學知識，自主制定實驗方案，進行材料準備、實驗操作、數據檢測與分析。在這個過程中培養學生獨立操作能力、獨立分析解決問題能力等。對于驗證性基礎實驗，增加基礎理論與對應工程背景的聯系，以及該理論知識對土木工程建設的工程意義。
（四）建立力學實驗與創新研究興趣小組
為組織第二課堂，提高學生的自主學習興趣和能力，加強開放性實驗建設，將力學實驗建設與結構創新競賽相結合，組建了力學實驗與創新研究興趣小組。該力學實驗與創新研究興趣小組建設工作側重于創新型、研究型、開放性實驗的實施，引導學生進行自主學習，定期舉辦校級結構模型制作及加載試驗比賽，激勵學生參加。
三、改革特色及成效
依托工程教育指導思想、卓越工程師計劃和土木工程行業標準與規范，進行土木工程力學實驗課程群建設，主要特色體現在：（1）通過多層次力學實驗課程體系建設使單一性知識訓練與工程綜合性知識相適應；（2）通過構建知識—能力—實驗內容關系矩陣，實現實驗項目與工程能力培養相適應，實驗內容與土木工程行業指導規范相適應；（3）通過多元化實驗教學方法研究與實踐、力學實驗第二課堂建設等，實現力學實驗教學的"兩個轉變"。最終構建知識能力一體化培養的土木工程力學實驗特色課程，從而加強工程能力與創新能力培養。
通過改革實踐，本實驗教學研究的成果已經在2012級、2013級中得以應用。筆者作為該力學實驗課程的主講教師，帶領2012級學生代表學校第一次參加廣西區結構設計大賽獲得二等獎、三等獎。指導2013級學生獲得國家和廣西大學生創新訓練項目各1項。此外，通過創建創新研究興趣小組，學生參與實驗的積極性普遍提高，2015年參加校級結構設計大賽人數達72%，改革效果顯著。
參考文獻
[1]高等學校土木工程專業指導委員會。高等學校土木工程專業本科教育培養目標和培養方案及課程教學大綱[M]。北京：中國建筑工業出版社，2002。
[2]龔克。解放思想，銳意改革，創造新時期高等工程教育的中國模式[J]。高等工程教育研究，2009（6）：7—14。
[3]蔣慧，黃小林，王榮，等。基于"卓越工程師教育培養計劃"的土木工程材料課程實踐教學研究[J]。高等建筑教育，2014，23（4）：152—153。
[4]林健。"卓越工程師教育培養計劃"專業培養方案研究[J]。清華大學教育研究，2011（2）：47—55。
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