面向卓越工程师的土木工程专业实验教学方法研究

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  • 更新时间2018-08-16
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  摘要:教育部为培养高等院校学生的工程素养、创新能力和人文素养,提出了“卓越工程师教育培养计划”。对于研究型大学,如何利用学校的强势学科和工程研究资源,突破和创新教学内容和方法,是一个重要的课题。分析了卓越工程师计划需要解决的具体问题,并以土木工程专业为例,提出了几种适合土木工程专业实验教学的教学方法。


  关键词:卓越工程师;土木工程专业;实验教学方法;


  作者简介:张婷婷(1983—),女,山东平度,博士,讲师,研究方向为低碳建筑材料,作者简介:王宝民(1972—),男,山东,博士,教授,博士生导师,研究方向为混凝土材料及其耐久性等.


  1研究型大学与卓越工程师教育培养计划


  “卓越工程师教育培养计划”(简称“卓越计划”)是教育部贯彻落实《国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010—2020年)》实施的高等教育重大计划,旨在培养造就一大批卓越工程师后备人才,为建设创新型国家,实现工业化和现代化奠定坚实的人力资源基础。根据教育部《关于实施卓越工程师教育培养计划的若干意见》(教高[2011]1号),“卓越计划”的实施是为了树立全面发展和多样化的人才观念,树立主动服务国家战略要求、主动服务行业企业需求的观念,改革和创新工程教育人才培养模式,创立高校与行业企业联合培养人才的新机制,着力提高学生服务国家和人民的社会责任感、勇于探索的创新精神和善于解决问题的实践能力[1]。


  “卓越计划”是一项教育教学改革工程,在实施“卓越计划”过程中需要找到一个行之有效的载体、切入点和最终落脚点。与“卓越计划”相适应和匹配的培养体系最终要落实到具体的课程建设和教学活动上,对应的教学效果对卓越工程师人才培养目标的实现起着举足轻重的作用。


  目前我国高校有研究型、研究教学型、教学研究型和本科教学型等类型,不同类型高校的人才培养层次也不相同,在实施卓越工程师教育教学改革中的特点因之有所不同。


  作为研究型大学,如何利用其优势学科和大型工程科研资源,以“卓越计划”为引导,在理论教学和实践教学上进行合理的知识体系构建和教学内容、教学方法的改革并有所突破,对提高学生的工程应用能力、创新能力和人文素养有重要意义[2]。


  2“卓越计划”重点需要解决的问题


  在“卓越计划”的实施中,培养计划应实行“工程教育不断线、创新实践不断线、企业合作不断线”的课程配置体系,改革传统的专业知识结构,加大实践环节和企业学习的内容,注重工程系统的思维训练[3-4]。培养方案将继承工程教育的优良传统,以行业企业需求为导向,以工程实际为背景,以工程技术为主线,凝练人才培养目标,调整现有课程体系,深化校企合作人才培养模式改革,加强实践性教学环节建设,做到目标明确、措施得当、保障有力。


  在实施过程中,需要重点解决以下问题:


  (1)教学内容和知识体系与卓越工程师人才培养脱节的问题。


  (2)课堂与实践教学方法和手段与卓越工程师人才培养不匹配的问题。


  (3)教师缺乏工程师背景的问题。


  (4)企业在卓越工程师人才培养中,尤其在课程教学中的参与度及作用薄弱问题。


  (5)土木工程专业教材建设机制与卓越工程师教育不匹配的问题。


  3土木工程专业主干课程实验特点及社会需求


  根据《高等学校土木工程本科指导性专业规范》(2011年),“钢筋混凝土”、“建筑材料”(或“土木工程材料”)、“土力学与地基基础”等主干课是土木工程专业重要核心课程,其实验主要分验证性、设计性和研究性3种类型。验证性实验需要学生通过基本实验操作来验证性质、现象、特征等;设计性实验需要学生通过设计、计算及多次实验操作、修改,最终得出成果;研究性实验可以培养学生进行科学研究的能力。这些专业实验多具有实践性、综合性和应用性强的特点,对培养学生理论联系实际能力、动手能力、工程应用和创新能力有着非常大的促进作用和效果,是土木卓越工程师人才培养中的重要内容之一。


  在科技进步的背景下,工程技术得到了拓展和创新,社会对土木工程专业毕业生的要求也趋向重动手能力、重技术、重创新能力。为了适应多样化、现代化和科技化的行业发展特点[5-6],研究型大学充分开展工程实验和实践教学也是大势所趋。


  4研究型大学土木工程专业实验教学方法设计


  大连理工大学作为“985工程”大学,目标是建设成为国际知名的研究型大学,也是首批实施“卓越计划”的高校,并在2012年研究完成基于卓越工程师计划的新一轮培养方案。大连理工大学土木工程专业是国家首批卓越工程师教育培养计划专业,已经研究并完成大连理工大学教学改革基金课题重大项目“土建类卓越工程师教育培养体系研究与国家级工程实践教育中心建设”,完善了土木工程专业培养方案和具有国际视野的土木工程国际班培养方案,批准建立了2个国家级工程实践教育中心。


  4.1开发工程虚拟实验


  这种实验教学模式适用于一些验证性的实验。验证性实验可以深化对专业理论知识的理解,多数简单易懂,为学生创新思维与能力的培养奠定基础。但这部分只是有一定的独立性,逻辑联系不紧密,实验过程中留给学生发挥的空间不足,实验结果雷同,不易激发学生的学习兴趣[7]。同时,土木工程专业的基础验证性实验类型比较多,而实验课的课时又有限,为了解决节省时间和空间的问题,在计算机技术和网络技术高度发展的情况下,由教师开发出相应的虚拟实验软件和平台供学生使用,将实验过程虚拟化、图形化,并借助多媒体技术来充分展示,既可以使实验更直观,也可以弥补学生实际操作时可能有实验现象未被观察到的问题。


  工科课程虚拟实验既增加了课程的趣味性,也灵活地解决了在重视综合性实验而不得不适当压缩验证性实验数量的问题。比如建筑材料课程中的水泥、砂石性质实验,土力学与地基基础中的土的物理性质实验、钢筋混凝土课程中的钢筋混凝土简支梁受弯性能实验,都可以设计成虚拟实验。


  4.2开发综合设计性实验


  综合设计性实验要求学生根据课程资料,完成实验的构想、设计、验证、撰写报告的过程,教师可以给出实验的整体框架和思路,在实验实施过程中给予引导和指导,使学生真正处于教学的中心位置,培养学生的创新思想和创新能力。这种实验一般是分小组进行,还可以培养学生的团队协作精神[8]。


  4.3结合多课程的综合性和设计性实验


  土木工程专业主干课程具有相关性,为了加强各课程之间的联系,将知识“由点到线,由线到面”有机地组合,可以将多门课程的重点实验内容进行整合设计,增加实验的设计性、综合性和先进性,这样做既有利于学生对各课程内容的全面理解,增加学生对整个学科的认识,同时也可以更好地培养学生的观察能力、综合分析能力和创新能力。这种想法已在一些院校得到了实现,比如中原工程学院已完成了“钢筋混凝土梁综合性实验”、“岩土工程勘察综合性实验”等综合性实验,“混凝土配合比与拉压弹性模量测试”等设计性实验的设计[9]。“结构试验”中的“简支梁在静载作用下的试验”综合了“混凝土配合比设计”、“钢筋配置”和“静载试验”的内容[10]。


  4.4鼓励学生参与教师科研项目


  教师可根据教学内容将自己的科研课题转化为科研项目提供给学生,使教学与科研相互促进。教师吸收学生参与实际科研课题,充当科研助手,让学生有机会了解科研过程,学会数据采集方法和实验技术,懂得利用网络电子资源收集文献资料,培养学生初步的探索性研究能力[11],训练学生初步的科研能力[12]。


  4.5鼓励学生参与实际工程实习并撰写小论文


  培养学生的工程素养是“卓越计划”中重点要解决的问题之一。研究型大学还应鼓励并组织学生参与到实际工程中实习,并给出一些课题供学生选择,通过工程实际中的问题来深刻理解和运用所学知识,且能够接触到最新的工程技术、规范规程及行业标准等,有利于学生毕业后更快进入工作角色。


  4.6开展科技创新项目和科技竞赛


  科技创新项目或科技竞赛活动作为课程实验教学活动的延伸,所涉及的领域不仅包括课程内的知识领域,还可包括学科前沿[13]。学生参与到项目完成的整个过程中,完成文献调研、制定研究方案和方法、进行实践操作、数据整理和分析、得出实验结果等环节。混凝土结构设计大赛、混凝土配合比设计大赛等竞赛已在我校开展多年,得到学生的广泛欢迎和认可。


  4.7充分利用校内外实验基地开展实验教学活动


  依托重点学科和实验室建立的校内实验中心和与企业合作的校外实践基地展开实验教学活动,培养具有工程素养、实践能力、创新能力的土建类卓越工程师。


  5结束语


  研究型大学作为“卓越工程师计划”的重要实施者之一,需要加大对学生实践能力、工程素养、科学研究能力等方面的培养。对于土木工程专业,对专业主干课实验内容的丰富、改良及整合,设计新的实验教学方法是十分必要的。