工学论文：土木工程结构实验室实验教学改革探讨

    摘要:通过对土木工程结构试验课程的实验教学改革,提出了一个土木工程类多课程共享的创新性实验教学平台,构建了以综合、设计性实验为主验证、演示、虚拟实验为辅的多层次实验教学模式,同时介绍了该平台建设和实施所取得的成效。
　　关键词:土木工程结构试验;创新性;实验教学平台
    1　引　言我校土木工程结构实验室是于2002年由原华中理工大学建筑结构实验室与原武汉城市建设学院建筑结构实验室、桥梁结构实验室组建而成。实验室的本科实验教学任务是为建筑结构试验、桥梁结构检测与加固、桥梁工程三门课程开设实验。长期以来三门课程的实验教学各自为阵,实验内容陈旧,实验方法单一,多以验证性为主且重复内容多。随着科学技术的迅速发展,学科之间相互渗透,工程技术日益系统化复杂化,当今土木工程中任何结构和设计方面的创新都必须通过实验手段来证明,对土木工程结构试验的手段提出了越来越高的要求。土木工程结构实验室是培养学生工程实践能力和创新实践能力的重要基地,因此,如何建设好一个与我国经济发展相匹配,能培养学生综合能力、动手能力,体现先进试验手段的实验教学平台已成当务之急,刻不容缓。
　　本文通过对土木工程结构试验课程的教学改革,提出了一个土木工程结构专业的共享实验平台,对实验课程体系、内容体系进行了大胆的改革,重新整合和充实了实验教学资源,优选实验项目和实验内容,构建了以综合、设计性实验为主,演示、验证、虚拟实验为辅的多层次实验教学模式,同时覆盖土木工程结构类各主要专业课程的实验内容,并融学科建设的成果于教学实验中,拓宽了学生的视野,极大增强了学生的实践能力与创新
　　2　实验教学平台的建设思路在实验教学中,我们发现土木工程结构室为几门课单独开设实验的现状,很不利与培养学生的综合能力,也不利与实验室设备的管理和利用。近几年我们对实验课程体系、内容体系进行了一系列的改革与探索,将建筑结构试验、桥梁结构检测与加固合为土木工程结构试验一门课程,取消桥梁工程课程开设的实验,将其内容归纳到土木工程结构试验课程中;借助迎接2007年本科评估的契机,投入资金搭建一个土木工程多课程共享的创新性实验平台;增加实验学时,着力培养学生能力,从根本上改变了当前人才培养的被动局面。
　　2·1　新编实验课程教材,建立共享实验平台新编写的《土木工程结构试验》实验课程教材,包括建筑结构试验、桥梁结构检测与加固内容。它是土木工程专业的一门专业技术课程,也是唯一的一门独立试验课程,它的任务是综合运用本学科知识,通过各种实验技术手段,测试与结构有关的各种参数,从而对结构的工作性能、承载力作出正确评价与估计,并为验证和发展结构的计算理论提供可靠的依据。该课程的特点是涉及知识面广,综合性、实践性强。课程以结构力学、混凝土结构、钢结构、桥梁结构工程等为先修课程,被安排在大四上授课。新编写土木工程结构试验教材力求涵盖土木工程各学科领域,以加强基础,拓宽专业口径,加强素质教育,加强创新能力和实践能力培养为目标,增加了土木工程结构试验的设计,桥梁现场荷载试验等内容,力求反映国内外土木工程结构试验的新理论、新技术。根据教材内容,我们精心构建一个土木工程多课程共享的实验平台,包括五个小实验平台(如图1所示),十多项实验内容,涵盖土木工程结构类各主要专业课程内容,学生可根据兴趣选择必修的实验项目,避免了传统实验课程模式,将建筑结构专业与道路桥梁专业分开,单独设置实验项目,造成重复投资,接触面过窄的弊病。
　　2·2　更新实验项目和内容在重新组合优选实验项目和内容中坚持把握以下五大原则:
　　(1)实验教学要注重培养创新意识;(2)实验教学内容要与工程实际相结合,涵盖土木工程主要课程,同时兼顾建筑、桥梁的特色;实验教学平台框架图(3)保持实验教学手段的先进性、现代性和方向性;(4)实验教学一定要与科研水平的提高相结合;(5)实验教学平台的建设要与产学研基地的建设相结合。
　　2·3　调整实验教学大纲,增加实验学时为了加强科研训练和工程实际训练,必须增加学生实验工作量。由于新的实验教学课程体系面向土木工程专业的建筑工程及道桥工程两个方向,分别覆盖四门课程,如图2所示。因此,将土木工程结构试验课程理论学时由32学时改成40学时,其中实验由8学时改成16学时。增加的学时从涵盖的四门课程中各调剂2学时过来。
　　3　实验平台的内容设计实验教学内容的改革重点是将单一的验证性实术验向综合的创造性的实验转变,为此我们开发了贴近工程实际的综合性、设计性实验;引进反映学科前沿及最新发展成果的实验项目引用先进仪器设备提升、丰富经典验证性实验;引入现代化的虚拟实验手段;构建了以综合、设计型实验为主,演示、验证、虚拟实验为辅的多层次的实验教学模式,促进了实验教学的全面改革。
　　3·1　静载实验平台首先,推出了土木工程中的最经典的梁、柱实验。我们通过改变实验教学方式,在保留部分精华内容的基础上,将其开发成综合、设计性实验。内容的认识。通过实验进一步巩固和加深对钢筋混凝土设计原理课程的知识的理解。其次,考虑建筑结构的特点设计了网架结构静载实验,该空间钢桁架是在原平面桁架结构静载试验的基础上,综合、设计性强,可拼装成多种不同形式的空间杆系结构,便于实现试验对象构造的多样性,便于培养学生实际动手能力和创新能力。兼顾道桥的特色还开发了涉及桥梁工程课程内容的简支梁桥荷载横向分布受力实验。
　　3·2　动载实验平台钢框架动载实验,主要测试结构的动力特性;在此基础上还设计了一项高层次的钢框架抗震减振振动台实验,首次将振动台试验技术、电液伺服控制系统技术和先进的消能减振技术的研究成果引入本科实验教学之中,在结构上安装了阻尼器。该实验的目的主要是拓展学生的学术视野,因而以演示性实验面向学生开放。
　　考虑到桥的专业特色,以工程为背景,设计一缩尺斜拉桥模型,要求学生按照实际工程中的检测方法,完成静、动载试验,动力特性试验、索力测试,通过对试验数据的分析与评定,加强对学生的工程训练,从而培养解决工程实际问题的能力。
　　3·3　无损检测实验平台结合工程实际需要,通过无损检测实验平台这个窗口,发挥实验室的设备优势,让学生接触一些常用的无损检测设备,提高学生实际动手的能力。检测对象正好利用我们的梁,柱试件。
　　3·4　结构模型设计制作平台由于受各种条件的限制,绝大多数结构试验的试验对象(试件)采用的是结构模型,对学生进行这方面训练是非常有必要的。为此我们专门设计了一个高层建筑结构模型试验项目和桥梁结构模型设计制作的试验项目。该项试验从模型的设计到制作,最后进行加载试验全部由学生自己完成,为学生提供了一个展现新思维、新设计的大舞台。是开展大学生课外科技活动的创新平台。
　　3·5　网络虚拟实验室平台通过虚拟实验室可让学生通过电脑网络来做实验,模拟大型精密仪器设备的操作过程,尝试解决工程上遇到的各种问题。将实验室带入课堂和学生宿舍,解决课堂一张嘴,课后一本书的理论课教学模式。
　　4结构模型设计制作与实验高层建筑模型设计与制作1个月综合性设计性课外桥梁模型设计与制作1个月综合性设计性课外5网络虚拟实验建设中/虚拟课外学生任选16学时必修(含两项综合性设计性实验)4　平台建设与实施效果我校教学改革后开设的实验项目如表1所示。
　　(1)通过对土木工程结构试验课程的实验教学改革实验课学时比原来增加25%,实验学时比原来增加100%,综合性、设计性实验占实验时数的37·5%。实验设备资源得到充分利用。
　　(2)静载实验平台中的网架静载试验在全国高校的本科教学实验中规模最大,结构体系最复杂,测试手段最先进。该实验已应用于土木工程专业1999~2003级四届本科生,取得满意的教学效果。
　　(3)动载实验平台中的钢框架抗震减振振动台试验充分利用实验室现有的仪器设备条件(1·5×1·5振动台)和技术,发挥学科建设的优势,在原有钢框架实验模型的基础上重新设计与开发了该套抗震、减振控制研究的实验系统,属国内高校首创。
　　(4)梁、柱实验是土木工程中的最经典的实验。我们通过改变实验教学方式,在保留部分精华内容的基础上,将其开发成综合、设计性实验,进一步加深对钢筋混凝土结构课程内容的认识。首先为学生提供不同配筋的梁、柱构件,由他们自己确定实验方案和内容,同时引用先进仪器设备,增设结构非破损检测内容,从整体上提升、丰富了原验证性实验的内容和档次,深受学生欢迎。
　　5　结束语只有高度重视实验教学研究,教学质量才能得到发展。本文提出的创新性实验教学平台,体现了实验教学的特点,遵循了实验教学规律,有利于学生全面巩固和掌握所学知识,调动了主动研究的探索精神。新的实验教学平台对实验教师的教学、科研、实验操作等方面提出了新的挑战,实验教师必须积极参加科研、工程实践,不断提高科研能力与学术水平,才能将新成果和新技术及时、准确、生动地融合在自己的实验教学中。只有不断提高教学水平和教学质量,才能应对高等教育培养创新人才的要求。
　　参考文献[1]杨叔子·创新源于实践[ J]·实验室研究与探索,2004, (7): 1-3·[2]刘蜀知,郑家武,董海英,等·深化实践教学改革强化学生实践动手能力[J]·实验科学与技术, 2006,4(3): 39-41·[3]