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土木工程材料实验课程教学方法探索

发布时间:2020/11/20 9:37:12   阅读:

[摘要]实验教学是工程教育认证重点关注的方向之一,土木工程材料实验课程是土木工程专业的一门核心课程。文章在分析土木工程材料实验课程教学现状及存在问题的基础上,基于工程教育认证理念,结合互联网+技术,从教学大纲、教学内容、教学方法与教学考核评价体系四方面提出土木工程材料实验课程教学方法的改革与创新方向,即基于工程认证理念完善教学大纲;考虑课程特点,优化实验项目,丰富实验内容;结合互联网+技术,对教学内容及方法进行改革创新;建立以学生为主体的过程考核评价体系。

[关键词]工程教育认证;教学改革;互联网+;土木工程材料

一、引言

工程教育在我国高等教育体系中占30%以上。工程教育认证理念认为,工程人才的培养不能只有技术教育,其要求毕业生在掌握基本工程知识的基础上,具备对具体的工程问题进行分析与解决的能力,还要求学生具有其他知识与能力,如了解土木工程材料的可持续、绿色低碳、环保、经济等性能,并可根据工程的特点对材料进行设计与选择。如何在校园内、课堂上培养出同时具备工程实践能力与科研创新能力的复合型工程人才,如何根据工程教育认证理念对传统教学过程进行改革与创新,是当前高等工程教育面临的重大挑战[1]。土木工程材料实验课程通过方案设计、实验操作、结果处理、现象分析、实验结论等一系列过程,锻炼和提升学生的综合能力。但现阶段土木工程材料实验课程教学过程中存在实验内容与实际工程联系不够紧密、教学方法缺乏创新等一系列问题,不能满足工程教育认证理念的相关要求。为让土木工程专业更好地适应新时期的科技变革与产业升级,需结合工程教育认证理念,对其教学过程、教学方法及教学模式进行进一步的改革与创新,将教学培养模式从培养专业理论知识较强的专业型人才向培养沟通交流能力佳、创新与实践能力较强等综合素质较高的复合型专业人才转变。另一方面,人们已进入信息时代,“互联网+”在各行各业得到了广泛的应用[2]。教育发展规划中也强调将互联网技术与高等教育进行深度融合,对人才培养模式进行创新与改革[3-4]。互联网技术的蓬勃发展,给高等工程教育带来新机遇的同时,也带来了新的挑战。如何抓住“互联网+”给高等教育行业带来的新机遇,是高等教育面临的一个重要而且紧迫的课题。将互联网技术应用到实验教学过程中,可扩展学生的知识面,培养学生的自主学习能力,提高学生学习的积极性,以更好地践行“以学生为主体,以教师为主导”这一工程教育认证理念[5-9]。综上,在分析现有土木工程材料实验课程教学问题的基础上,文章针对现有土木工程材料实验课程存在的不足,基于工程教育认证理念,结合互联网+技术,探讨土木工程类实验课程在“工程教育理念”背景下的人才培养模式,提出土木工程材料实验课程相应的改革措施,以获得更好的教学效果,提升学生的综合素质,为本门课程乃至同类课程上课效率及课堂效果的提升奠定一定的基础。

二、土木工程材料实验教学存在的问题

目前,国内高校针对土木工程专业人才培养已经进行了一定的探索与改革,并提出了一些改革方法[10-11]。但是随着工程教育认证理念的提出,以及互联网行业在高等教育中的快速发展,土木工程专业实验类教学仍存在各种各样的问题。下面就以土木工程材料实验课程为例,对其存在的问题进行总结分析。

(一)实验设计不合理。土木工程材料实验课程共包括7个实验项目,其中6个为操作型实验项目,1个为设计加操作型实验项目,设计加操作型实验项目学时占总学时数的25%,占比较低。上述教学内容在一定程度上可使学生尽快熟悉并掌握土木工程材料的性能及测试方法。但实验过程中我们发现,大部分学生主要依靠教材上的实验步骤,“复制、粘贴”完成实验,实验过程中缺少自主性和主动性,这不利于培养学生的创新思维和工程思维,不符合工程教育认证理念。

(二)实验内容单一。实验内容单一,缺乏实际工程问题近年来,我国基础设施建设飞速发展,新的设计方法、新型施工方式及检测设备快速发展,如3D打印混凝土、陶瓷混凝土、绿色机制砂高性能混凝土、装配式工程、智慧生产线等新型材料及技术,对应的土木工程材料性能、设计方法和施工检测方式也逐渐更新。而现有的实验内容主要为传统土木工程材料性能检测试验(水泥细度、安定性、强度,骨料密度、混凝土配合比等),所采用的实验设备及检测手段较为老旧。总之,现有实验内容与实际工程的联系不够紧密,缺乏创新,很难激发学生的实验兴趣与积极性,导致学生解决工程实际问题的能力较为欠缺,教学效果达不到工程教育认证的要求。

(三)教学考核机制较为单一。现有的实验教学考核方式较为单一,主要由平时成绩(出勤)和最终的实验报告两部分组成。上述考核机制与工程教育认证理念中强调的“过程评定”“以学生为中心”“个性化评定”的理念不符。而且现有的评价考核机制无法反映学生的工程实践能力,无法准确判断学生的工程能力是否得到锻炼、学习成效是否满足要求。这种评价考核机制缺少了“评价-反馈-改进”中的后两步,无法实现工程教育理念中“持续改进”的要求[9]。

(四)教师的教学理念与工程素养欠缺。在土木工程材料实验指导教师队伍中,青年教师所占比例较大,超过50%。任课教师均具有研究生学历,部分教师具有海外留学经历,专业知识较为深厚,而且具备扎实的理论基础,科研能力较强,但是部分教师缺少实际工程经历,很难指导学生解决工程实际难题,且鲜有教师将科研融入实际实验教学过程中。另一方面,大部分教师对工程教育认证理念不够了解,教学观念尚未转变,在教学过程仍是单向灌输,充当讲授者、主导者的角色,出现“教师讲,学生听,实验照书做”的现象。出现这种现象的原因与学校、学院对教师工程教育认证主题培训、工程实践培训不到位有一定的关系。

三、土木工程材料实验教学改革措施

(一)完善教学大纲。一方面,可以结合土木工程材料课堂特点、毕业要求指标点(见表1)与工程教育认证理念,制定课程教学目标,完善教学大纲,以符合工程教育认证理念。另一方面,争取教学经费,在更新补充原有实验仪器台套数的基础上,购买新型设备,如混凝土3D打印设备、霍普金森杆、多功能环境实验箱、多功能疲劳实验机等高端实验设备。常规实验项目保证每组实验学生数在3—5人,避免1人做实验其他人“围观”的现象,锻炼学生的动手能力;新型、大型实验以小组形式开展,锻炼并提升学生团队合作与沟通表达的能力。

(二)更新教学内容。是否能解决实际的复杂工程问题是判断当代工程师是否合格的重要标准,也是工程教育认证标准中判断学生是否具备工程实践能力的重要考查点。为提高学生运用所学理论与专业知识解决工程实际问题的能力,在保证总实验学时不变的情况下,压缩操作型实验的学时,增设与实际工程相关的实验内容,或结合任课教师实际研究课题开展实验教学,让学生更好地了解土木工程材料行业的科技前沿技术,紧跟行业潮流。如建筑垃圾再生利用、3D打印混凝土、轻质混凝土,机制砂混凝土、钢结构等相关试验,以锻炼学生的设计、研究及创新能力。在实验教学的基础上,鼓励科研项目较多的教师为本科生设立开放创新课题,以传帮带的形式,让部分学生在充实大学生活的同时,了解更多专业前沿科技课题,为行业储备科技人才奠定一定的基础。通过该类实验,学生可从原材料的选择、材料设计、性能检验方法、材料的经济性、环保性等方面加深对土木工程材料理论知识的认识,认识到土木工程材料及组成对工程结构经济及使用性能的影响,培养学生解决实际工程问题的能力。此外,还可以在实验过程中鼓励学生自主设计开放实验项目,让学生在教学过程中占据主导地位,以提高其积极性与主动性,激发其创新思维。

(三)创新教学方法。工程教育认证体系中要求学生毕业时具备工程基础知识、问题分析、设计/开发、解决方案、研究、沟通等能力[10]。传统的实验教学无法完全满足上述毕业要求,下一步可开展“实验教学项目化”,实验前任课教师列出几个与工程实际相关的问题,引入工程项目概念,让学生针对具体工程问题开展实验,以获得较为真实的工程体验。如项目名称:根据西北寒旱区实际气候环境及水文条件,设计“西北寒旱区桥梁用C40混凝土”。研究内容:在实验前查阅相关资料,了解西北寒旱区实际气候环境特点、混凝土常见病害及设计时应重点考虑的因素及配合比设计重点。要求:1.自行组建团队,以小组为单位,分工解决实验开展过程中遇到的问题;2.实验过程中考虑土木工程材料的经济效益、社会效益和环境效益,将可持续发展、绿色低碳、循环再利用等理念引入实验过程中。通过上述教学方法的改革,可锻炼学生分析问题、研究问题与解决问题的能力,同时培养学生的团队合作精神,提高其沟通交流能力,实现培养能力与传授知识相结合的工程教学目标。近年来,互联网+技术在我国高等教育行业得到广泛应用。传统的教学方式已不能满足互联网时代下高等教育的改革要求[11]。下一步应结合工程教育认证理念,将互联网+技术引入土木工程材料实验教学过程中,探索互联网+模式下的混合式教学方法。如对于部分难度较大、实验条件、实验设备不允许的实验内容,可以结合互联网技术,采用虚拟仿真技术让学生学习该部分知识,例如国防抗爆混凝土性能研究、混凝土结构振动台实验等实验仪器设备较少、难度系数较大的实验,此类实验可结合网络资源让学生了解并学习。将互联网+技术应用于土木工程材料实验课程中,可充分利用网络资源,让学生合理安排时间,以提高教师的教学效率与教学质量,开拓学生眼界。丰富的网络资源可激发学生对专业知识的学习兴趣,培养学生的综合思维能力与创新思维。上述教学方法对任课教师的执教水平与工程素养提出了较高的要求,这就要求院系要定期有针对性地选派教师到工程一线,丰富教师的工程实践经历,提高教师的工程素养。为改变教师在原有教学中的主导地位,应加强教师关于工程教育认证理念的培训,将教师转变为“验收者”,指出学生在实验开展过程中遇到的问题,并提出改善的解决方法。

(四)改进考核评价体系。教学考核体系是教学过程中非常重要的组成部分,其对于调动学生的积极性、判断学生的综合能力具有重要意义。工程教育认证体系强调,教师在教学过程中要坚持“过程评价”指导思想,要以学生为中心,即在教学过程中,对每位学生在实验过程中的表现、解决实际工程问题的能力、在团队中的表现等方面,进行跟踪与评价,引导学生进行反思并解决工程实际问题,并结合实验报告与成绩给出综合性评价。鉴于此,基于工程教育认证理念,笔者在土木工程材料实验教学考核评价体系中增加过程评价,本门课程的最终考核评价体系为:平时成绩(出勤10%)+过程评价(针对具体工程问题的思维扩散情况+小组配合情况+考虑问题是否全面+根据具体工程是否考虑经济、绿色、环保以及网络学习情况等方面,共40%)+实验报告(是否根据实验结果对具体问题具体分析,写作是否规范认真等方面,共50%)。

四、结论

在总结分析土木工程实验教学过程中存在的问题的基础上,结合工程教育认证理念与互联网+技术,提出土木工程材料实验课程的教学改革方向:1.结合土木工程材料课堂特点与工程教育认证理念,制定课程教学目标,完善教学大纲;2.将实际工程问题引入实验教学过程中,鼓励学生自主设计开放实验项目,锻炼学生解决实际工程问题的能力;3.将互联网+技术应用于土木工程材料实验教学过程中,实现“教”与“学”的有效结合,提高实验类课程的教学效率与教学质量,培养学生的创新能力;4.将过程评价纳入教学评价机制中,以对学生的综合素质进行评价,充分调动学生自主学习的积极性。

作者:薛翠真 冯琼 乔宏霞 曹辉 李琼 单位:兰州理工大学

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