土木工程材料与结构实验创新型教学体系的构建
来源:用户上传
作者:袁健
摘要：根据《高等学校土木工程本科指导性专业规范》的要求，文章分析了中南林业科技大学土木工程材料与结构实验课程教学中存在的问题，提出构建土木工程材料与结构实验创新型教学体系的思路，并从实验室管理模式、实验专技教师和实验教学方式等方面给出具体的改革措施。
关键词：土木工程材料实验;结构实验;教学体系
中图分类号：TU502 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2020）12-0269-03
《高等学校土木工程本科指导性专业规范》[1]把实践性教学放在非常重要的位置，旨在以工程实际为背景，以工程技术为主线，着力提升学生的工程素养，培养学生的工程实践能力和创新能力。同时，强调在实践环节中努力尝试“基于问题、基于项目、基于案例”的研究型学习方式，把合适的知识单元和实践单元有机结合起来，逐渐构建适合各校实际的创新训练模式。
土木工程材料、混凝土结构设计原理和钢结构设计原理等理论教学课程，是土木工程类专业学生必修的主干专业基础课。其中，土木工程材料课程又是后续结构设计原理课程的基础。这类课程具有实践性强的特点，使得实验教学是整个教学过程的重要组成部分。实践证明，土木工程中任何结构设计方面的创新都必须通过实验手段来证明，这也对土木工程材料和结构实验教学提出越来越高的要求[2]。目前，大部分高校针对上述课程均开设了土木工程材料和结构实验课程，其教学目标是为了使学生掌握材料与结构实验方面的基础技能，培养学生具备理论基础与专业实践并重的综合素质及创新能力。因此，在现有实验教学课程设置的基础上，进一步优化整合实验教学资源，构建土木工程材料与结构创新型实验教学体系，具有十分重要的意义。
一、土木工程材料与结构实验教学的要求及现状
《高等学校土木工程本科指导性专业规范》规定的实验领域包括基础实验、专业基础实验和专业实验及研究性实验四个环节。其中，专业基础实验包括材料力学实验、流体力学实验、土木工程材料实验、混凝土基本构件实验、土力学实验、土木工程测试技术等;专业实验包括按专业方向安排的相关土木工程专业实验单元;研究性实验可作为拓展能力来培养，不做统一要求，由各校自己掌握。土木工程材料实验、混凝土基本构件实验和土木工程测试技术的学时、实验项目及要求见下页表1。
对应表1所列的实验课程及项目，我校土木工程专业分别于第四学期、第五学期和第七学期开设了土木工程材料实验、沥青与沥青混合料实验和结构实验，每门实验课均为16学时，共48学时。实驗项目主要包括：水泥、砂石、普通混凝土、钢筋和沥青与沥青混合料的性能测试;应变测试技术、钢筋混凝土梁正截面受弯破坏及钢桁架弹性阶段的受力性能实验。多年来，我校的这三门实验课程完全由实验中心的教师负责讲授，主讲相应理论课程的教师不参与实验教学环节，理论和实验课程的授课相互独立，缺少有效的衔接贯通。
我校开设的土木工程材料实验和沥青与沥青混合料实验课程，完全覆盖表1所列的土木工程材料实验项目。其中，沥青与沥青混合料实验除了沥青针入度、延度和软化点三大技术性质的测定以外，还涉及粗集料与混合料的筛分实验、沥青与粗集料的粘附性实验。可见，沥青与沥青混合料实验课程中的粗集料筛分实验项目与土木工程材料实验重复，有必要在今后的教学过程中进行调整。我校开设的结构实验课程共16学时，与表1中混凝土基本构件实验和土木工程测试技术所涉及的实验项目相比，多出4学时。然而，开课时间和实验项目方面却存在以下不足：混凝土结构设计原理、钢结构设计原理课程分别在第五学期和第六学期已讲授完毕，但结构实验课程却安排在第七学期，不利于学生学习理论知识的过程中及时了解实验现象。钢筋混凝土梁斜截面受剪性能方面的实验项目完全空缺，正截面受弯性能试验也未涉及超筋梁和少筋梁，钢桁架节点完全采用刚性连接且仅局限在弹性受力阶段的性能测试。此外，受实验室条件和教师授课水平的限制，实验过程中注重强调仪器设备的操作并要求学生按时完成实验，而忽略实验前材料力学性能测试及实验后的数据处理、结果评定等环节，导致实验教学效率较低，效果不佳。其中，由于钢筋混凝土梁正截面受弯承载力破坏实验和钢桁架静载实验过程中未预留同条件的混凝土、钢筋和钢板试样，导致混凝土棱柱体抗压强度、钢筋和钢板的屈服强度实测值未知，无法对实验结果进行综合评定。
二、土木工程材料与结构实验创新型教学体系的构建
根据表1所列的实验项目内容及要求，有必要将沥青与沥青混合料实验并入土木工程材料实验课程，全面修订我校土木工程材料实验、沥青与沥青混合料实验和结构实验的教学大纲，使实验教学课时及项目内容等指标完全满足《高等学校土木工程本科指导性专业规范》的要求。同时，遵循“以学生为主体、教师为主导”的原则，构建土木工程材料与结构实验创新型教学体系，如图1所示。
该体系涉及专业基础实验、专业实验和研究性实验三个方面，克服以往单一的实验教学模式。在专业基础实验阶段，要求学生掌握基本的实验方法及测试技术;在专业实验阶段，学生可自主设计制作并完成实验。此外，鼓励学生积极参与结构模型竞赛、创新性实验及虚拟仿真等实验项目，并开展研究性实验。结合我校土木工程实验中心实际情况，本文提出如下改革措施。
（一）实验室管理模式改革及实验专技教师管理
实验中心主任根据学院的教学科研工作总目标，配合各专业、学科负责人制订实验室的长期和近期建设规划，从宏观层面把握实验室建设、仪器设备采购与实验教学的发展方向，努力将实验室建设与学科、专业和课程建设有机融合起来。同时，结合课程教学、科学研究和学科建设等情况优化实验室布局，做好各实验室内部的统筹和协调工作，努力实现对各实验室的规范、科学和高效监管。
根据学科或专业需求设置实验室并隶属相应的教学系，鼓励各教学系中具有高水平实验技术的专任教师参与实验室管理、实验教学和仪器设备研制工作，积极探索实验室开放运作和管理新模式。面向本科生开放相关实验室，鼓励参与研究性实验的学生利用课余时间进入实验室开展实验。建立理论课程与相应的实验课程教学队伍互通机制，通过组织安排实验教师和理论课教师交叉听课，促进教学、科研和实验技术兼容，逐步过渡至由高学历的专任教师主讲实验课，实验专技教师做好实验室日常管理、仪器设备维护及实验准备等工作，确保理论课与实验课同步开课。此外，有必要引进精通机械设备维修的工人充实实验专技队伍。 （二）改革实验教学方式，提高学生的参与度
通过土木工程材料实验和土木工程测试技术的学习，学生基本上掌握了拌制混凝土、混凝土及钢筋力学性能测试、应变片粘贴及应变测试等技术，为专业实验的顺利开展打下坚实基础。结合钢筋混凝土结构设计原理、钢结构设计原理的相关知识，学生可自行完成钢筋混凝土梁、钢桁架的设计。其中，用于正截面受弯承载力破坏实验的钢筋混凝土简支梁可考虑适筋和超筋两种类型;用于斜截面受剪承载力破坏实验的钢筋混凝土简支梁应包括无腹筋和有腹筋两类。考虑到计算钢桁架承载力及变形的理论值时，本科生通常将桁架结构的节点简化成铰接，因此有必要将钢桁架模型的节点设计成螺栓连接，这便于学生在实验室进行拼装与拆分。在实验专技教师或工人的指导和配合下，学生可利用课余时间全过程参与梁模板和钢筋笼的加工、混凝土浇筑、钢桁架的制作等，并在合適的位置粘贴钢筋和混凝土应变片，让学生自主设计并制作实验构件，完成实验加载、实验现象观察及结果处理，很好地提高实验教学效率及学生的动手能力。需要指出的是，实验课应安排在相应的理论内容讲授后立即实施，同时在构件制作过程中预留同条件的试件用于测试材料力学性能。
下面以四点弯曲的钢筋混凝土适筋梁正截面承载力破坏实验为例，对实验结果处理环节的讲授方法进行说明。
一方面，学生在实验过程中已测试出梁跨中截面的混凝土应变分布服从平截面假定，同时观察了裂缝的发展过程，并得到构件的极限承载力实验值。根据跨中截面处纵向钢筋及受压区混凝土应变的测试结果，学生可总结出适筋梁破坏的基本特征是：纵向受拉钢筋达到屈服后，受压混凝土达到极限压应变。另一方面，教师可指导学生进一步开展实验值与理论计算值的对比分析，以评估基于平衡条件、平截面假定和混凝土应力—应变关系而建立的钢筋混凝土梁正截面承载力计算公式的精度。分析时，可直接将混凝土和钢筋的材料力学性能实测值代入我国《混凝土结构设计规范》[3]（GB 50010-2010）的相关公式进行计算。由于教学过程中实验构件数量有限，教师可进一步指导学生统计分析文献[4]中的矩形截面钢筋混凝土梁受弯承载力实验数据。分析可发现，文献[4]中配置HRB335级钢筋的34根梁正截面受弯实验结果与规范公式计算值之比的平均值为1.04，变异系数为0.038。结合实验及统计分析结果，学生能深刻地认识到采用规范公式计算钢筋混凝土梁正截面受弯承载力具有非常高的精度。
三、结语
本文通过对比中南林业科技大学土木工程材料与结构实验教学效果和《高等学校土木工程本科指导性专业规范》规定之间的差距，剖析了实验教学过程中存在的问题，并提出“以学生为主体、教师为主导”的创新型教学体系及改革措施，可为加强实验室管理、提高实验教学质量提供参考。
参考文献：
[1]高等学校土木工程学科专业指导委员会.高等学校土木工程本科指导性专业规范[M].中国建筑工业出版社，2011：1-25.
[2]王军文，刘志勇.土木工程专业结构实验教学体系的构建与实践[J].石家庄铁道学院学报（社会科学版），2008，2（3）：97-100.
[3]中华人民共和国住房和城乡建设部.GB 50010-2010混凝土结构设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2010：39-41，286.
[4]中国建筑科学研究院.钢筋混凝土构件试验数据集—85年设计规范背景资料续编[M].北京：中国建筑工业出版社，1985：25-34.
转载注明来源:https://www.xzbu.com/9/view-15142762.htm
