土木工程专业结构试验课程教学改革实践

　[摘要]结构试验是土木工程专业一门重要的实践课程。厦门理工学院土木工程专业对结构试验课程进行了教学改革。其将结构试验课程设置为两部分，分别在两个学期安排教学。课程设置改革不仅对材料力学、结构力学、混凝土结构原理等理论课程形成了良好的支持，也对大学生创新性试验、结构设计竞赛等学生科技活动起到了有力支撑作用。在教学过程中，教师引导学生将理论知识与实际相结合，增强了学生的理论应用能力、动手能力和协作能力，取得了较好的教学效果。
　　[关键词]土木工程；结构试验；教学改革
　　[中图分类号] G642.3 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2017）10-0036-03
　　土木工程是一门实践性较强的专业，其教学计划中除了常规的理论教学外，还结合不同课程的特点安排了多种多样的实践教学环节。结构试验就是其中一门重要的实践性课程，其任务是通过理论和实践教学环节，使学生获得工程结构试验、检测方面的基础知识和基本技能，并培养其进行试验设计和试验规划的能力。掌握结构试验的理论和技能是顺利开展生产和科研工作的重要保障。该课程设置的试验理论及试验操作环节，能够引导学生将结构理论与试验测试进行有机结合，既加深了对结构理论的认识，又提高了试验分析能力。
　　由于对实践教学重视程度不够，试验设备经费投入不足，导致试验仪器落后；加上多数院校对于土木工程结构试验的教学存在着重视理论教学、轻视试验教学的情况，结构试验教学一直以来效果较差，无法发挥其应有的功能。近几年来，各院校普遍开始重视实践教学，结构试验场地、试验设备和师资均有了较大程度的提高。廈门理工学院是一所地方性本科高校，主要是为地方培养应用型人才，根据此定位，在教学过程中开展了结构试验教学改革研究。本文主要介绍我校结构试验课程教学改革的实践探索经验，以资同类高校参考借鉴。
　　一、结构试验课程设置改革
　　我国高等院校土木工程专业培养方案中均设置了结构试验与检测课程，不少院校将结构试验与检测设置为一门课程，且以理论讲授为主，实践课时较少。结合我校应用型定位，土木工程专业将结构试验与检测设置为结构试验和结构检测两门独立课程。结构试验课程的教学内容主要包括结构试验基础理论与结构试验技术两部分，结构检测课程的教学内容主要是与行业新技术应用结合较紧密的岩土、建筑和桥梁结构检测理论与方法。
　　在学期安排上，以前我校参考一些高校的做法，将结构试验课程安排在大四上学期。这样安排导致结构试验课程与相关理论课程之间存在着明显的脱节，理论课程往往比结构试验提前了好几个学期。结构试验课程除了承担结构试验理论和试验技术教学任务外，还应有配合支持本专业结构理论课程教学的任务。为了与相关专业课程对接以形成互相支持关系，我校将结构试验课程设置为上、下两部分，分别安排在大二下学期和大三上学期，以改善过去结构试验教学与材料力学、结构力学、混凝土结构基本原理等课程之间脱节的问题。结构试验（上）（下）的主要课程安排如表1所示。
　　二、结构试验对理论课程的实证
　　结构试验中有混凝土受弯梁（含少筋梁、适筋梁、超筋梁三种构件）、受剪梁（含剪压、斜压、斜拉三种构件）和偏压柱的破坏性试验。在混凝土结构基本理论课程中，教师一般通过图片进行解说，学生往往难以直观理解各构件的破坏规律，影响了教学效果。在结构试验课程中，除偏压柱是演示试验外，每个小组都要独立完成受弯梁和受剪梁共六种构件的试验测试过程。在试验测试过程中，学生能够直接地观测到裂缝的产生、发展直至构件完全破坏的过程。整个构件的破坏规律和破坏形态会让学生得到深刻印象，学生对照混凝土结构基本理论课程上的相关论断，会加深并巩固所学知识。完成这一试验后，与混凝土结构理论教学就构成了完整的理论与试验的印证关联，同时学生也要进一步运用混凝土结构理论完成试验分析和报告。等强度梁的应力测试试验和钢桁架静载试验都是非破坏性试验，分别对材料力学和结构力学相关理论知识进行了实证，同时也需运用相关知识完成试验任务。
　　三、结构试验对理论课程的升华
　　在试验教学过程中，我们特别注意启发、引导学生思考理论知识与实践知识之间的联系，进一步对所学理论知识进行反思和升华。在结构试验课程教学中，等强度梁的应力测试需要应用材料力学的知识；钢桁架的静载试验需要应用结构力学知识进行桁架杆件的应力计算、节点的挠度计算；混凝土受弯、受剪试验需要应用混凝土结构原理课程知识，同时试验构件破坏过程也是混凝土结构原理理论知识的直观化呈现。在结构试验教学中，教师要注重理论与实际之间的差别与联系。在教学实践中，我们一般从实际结构与结构力学模型二者之间的联系与差异来引导学生思考。
　　将现实结构简化为结构力学模型，这个过程就是建模。建模在结构分析中是非常关键的第一步工作。在钢桁架静载试验之前，教师要让学生先到实验室观察钢桁架实际结构，然后引导学生思考如何将实际结构转化为结构力学模型。在这个过程中，启发学生思考：实际结构的杆件如何简化为结构力学模型中的杆件？为什么钢桁架杆件可以简化为轴心受力杆件？其对荷载作用有什么限制？对于钢结构节点区域，结构力学模型是如何简化的？是否存在着误差？误差到底有多大，是否可以推翻结构力学的基本假设？试验钢桁架构件的支座如何设置才能满足结构力学中支座的力学特性要求？实际的支座与结构力学中的理想状态差别在哪里？进一步的，可以引导学生思考：钢桁架杆件应力测点选在哪些位置，为什么要远离节点区域？节点区域应力是什么状态，是否可以用结构力学知识求解？如何进行应力测试？经过一系列的提问，引导学生思考力学建模的过程和误差来源，从而加深对结构知识的认识与理解。
　　在结构课程教学实践中发现，学生一般较关注杆件的简化和计算，但容易忽略结点和支座建模，遇到实际结构有时候不知道简化为何种结点、支座形式。对照钢桁架结构，教师重点讲解了桁架节点区域在力学模型中的简化，随即启发学生思考这种简化是否会带来误差、误差有多大。学生一般能回答出这种简化会带来误差，能够回答力学模型中是铰结点，但对实际结构结点与理想铰结点之间的误差到底有多大回答不出来。教师可以有针对性地引入次应力的概念，引导学生课下自行查阅次应力的相关课外知识。在结构试验教学过程中，教师引导学生将以前学过的各门理论课程知识与本门课程实践联系起来，对结构理论起到了反思、强化和提高的作用，加强了结构建模和结构分析知识的应用，改变了过去为完成试验教学任务而试验的状况，取得了较好的教学效果。
　　四、结构试验对学生实践能力的提高
　　根据我校地方应用型高校的定位，结构试验课程要保证每个学生有充分的动手训练机会。除学时要保证足够外，在分组时上也要保证每位学生在试验中都有职责，以杜绝“袖手旁观”现象。因此，应变测试技术试验要求2人一组，其他试验要求5～6人一组，且每组都要求有明确分工；各组员分工合作完成试验任务，既能充分训练每个人的动手能力，又能锻炼其团队协作能力。
　　在结构试验过程中，试验构件的表面处理、贴片、吊运、安装、联线、调试和试验测试整个过程都由学生以小组形式协同完成。教师主要负责安全、技术、质量方面的把关指导，试验过程中遇到的问题均需要组员在教师指导下协作解决；如一个试验不能完成，则所有小组组员的课程成绩都不及格。经过近几年实践，学生都能做到积极动手参与试验，较好地掌握了试验测试的理论和技术，取得了较好的教学效果。
　　五、结构试验对大学生结构设计竞赛的支持
　　大学生结构设计竞赛是培养大学生创新意识、合作精神和工程实践能力的学科性竞赛。大学生结构设计竞赛对提高大学生的创新设计能力、动手实践能力和综合素质，加强高校间的交流与合作具有重要意义，同时也为高等学校开展创新教育和实践教学改革、加强高校与企业之间联系、推动学科创新活动起到积极示范作用。目前大学生结构设计竞赛已具备全国、跨省片区、省、市、校等多级竞赛体系格局，参与面广，是土木工程专业最有影響力的专业竞赛之一。结构设计竞赛一般需要进行结构设计、理论计算并制作结构模型进行结构加载测试，其整个过程实质上包含了结构设计和结构试验内容。鉴于结构设计竞赛的参赛主力是大二、大三学年学生，我们将结构试验课程提前到大二学年开设，学生能够尽早学习结构试验测试理论和技术方面的知识，对于结构竞赛起到了很好的支持作用。
　　六、结构试验对大学生创新性试验的支持
　　大学生创新性实验计划是我国高等学校本科教学“质量工程”的重要组成部分。该计划的启动和实施旨在探索并建立以问题和课题为核心的教学模式，倡导以本科学生为主体的创新性实验改革，调动学生的主动性、积极性和创造性，激发学生的创新思维和创新意识，在校园内形成创新教育氛围，建设创新教育文化，全面提升学生的创新实验能力。通过开展实施计划，带动广大学生在本科阶段得到科学研究与发明创造的训练，改变目前高等教育培养过程中实践教学环节薄弱、学生动手能力不强的现状，改变灌输式的教学方法，推广研究性学习和个性化培养的教学方式，形成创新教育的氛围，建设创新文化，进一步推动高等教育教学改革，提高教学质量。目前，大学生创新性试验形成了国家级、省级、校级等完整体系，是覆盖面广、影响广泛的本科生科研项目之一。
　　大学生创新性试验项目中，学生是项目的主体，导师只是起辅导作用。参与项目的本科学生创新团队，在导师指导下，要自主选题设计、自主组织实施、独立撰写总结报告。土木工程专业的大学生创新性试验很多是在导师指导下开展新材料、新结构方面的科研，且必须具备一定学科基础知识才能申报，因此学生一般以大二、大三学生为主。学生由于在大二学习了结构试验课程，掌握了结构试验理论和测试技术，再加上其他专业课程的知识基础，就具备了开展创新性试验项目研究的基础。因此，我们对结构试验课程设置的相关改革，对大学生创新性试验项目的开展十分有利，部分优秀学生可以提前跟随导师开展科研活动，也可以将后续研究延伸至毕业设计环节。
　　七、结构试验对教师科研和毕业设计（论文）的支持
　　积极引导大学生参与课外科技创新活动，对提高学生的创新意识具有非常积极的意义。其中一个很重要的形式是参与教师科研活动。土木工程专业的科研项目大多需要做试验研究，以教师和研究生为主体；但近些年来，由于对创新创业教育的日益重视，本科生作为后备科研力量越来越多地参与了教师科研活动，相当多的本科生取得了较好的科研成果，这也有助于尽早发现好的科研苗子。由于我们在大二下学期就开设了结构试验课程，学生学习了结构试验的基础理论和基本测试技术，这给学生参与教师科研打下了必备的知识技能基础。很多学生在参与教师科研活动后，将所参与的科研项目延伸至毕业设计（论文）阶段，继续开展结构试验科研，为进一步深造打下了坚实的基础。
　　八、结语
　　针对土木工程专业结构试验课程的教学改革实践，我校改变了过去结构试验课程不受重视的状况，将结构试验教学提升到了土木工程专业实践教学中的重要位置。在教学过程中，教学内容对材料力学、结构力学、混凝土结构原理等课程形成呼应关系，并利用既有知识在实践中进一步强化应用，起到了很好的理论与实践结合的作用。课程设置的改革对大学生创新性试验、结构设计竞赛、参与教师科研等学生科研创新活动起到了较好的支撑作用。同时，学生动手能力、协作精神、克服困难的意识都得到了明显提升。总体而言，结构试验课程教学改革取得了较好的效果。
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