摘要：針對傳統實驗教學忽視培養學生科研創新能力的現狀，探討將教師科研課題引入實驗教學，並結合實際案例，探索本科生參與創新實驗項目的思路和途徑，在時間安排、建立激勵機制和考覈評價等方面提出了相關建議。實踐證明，依託科研課題進行創新實驗教學，將充分發揮科研對教學的促進作用，形成兩者的良性互動。
關鍵詞：土木工程；實驗教學；科研課題
中圖分類號：G642423；TU3-4 文獻標誌碼：A 文章編號：1005-2909（2017）04-0104-04
土木工程實驗是學生深入理解和把握力學原理、結構造型和材料性能的重要途徑之一，它在培養學生的科學探索精神，幫助學生掌握基本實驗方法和技能，提高學生動手能力與創新能力等方面有着舉足輕重的作用[1-2]。目前，高校土木工程專業普遍開設了結構實驗和土力學實驗等課程，例如結構靜載實驗、鋼筋混凝土受彎構件的裂縫寬度實驗、 （巖）土體力學參數測試等。然而，受教學課時和經費的限制，實驗教學內容以驗證性基礎實驗爲主，創新性的自主探索內容較少。此外，實驗教學多采用演示性的教學方法，也影響了學生參與實驗的積極性[3-4]。一方面，有許多大學畢業生，理論知識與實際脫節，進入企業後不能迅速適應工作環境，缺乏獨立解決工程實際問題的能力[5]；另一方面，有志於讀研、出國留學的學生，則希望在本科階段提前掌握一些從事科研的基本方法，爲今後繼續求學深造打下基礎。實驗教學中設定與科研課題相對應的綜合性、探索性實驗項目，實現科研與教學的統一和良性互動，是解決上述問題的途徑之一[6-7]。鑑於此，本文依託國家自然科學基金項目“地震波作用下非飽和土中PHC管樁水平振動機理研究”，將科研成果引入實驗教學，透過吸引本科生參與模型實驗研究，探討土木工程專業本科生參與科研項目的途徑和步驟，並就教學方式和實驗管理提出相關建議。
一、 傳統實驗教學存在的問題
第一， 實驗課程設定通常與理論課程教學相配套，不能自成獨立的實驗教學體系，驗證性、單科性的實驗較多，實驗內容也較陳舊[8]。實驗項目的設定與工程實踐結合不夠緊密，難以適應土木工程行業的高速發展。此外，授課方式大多采用“老師講、學生聽”的演示型實驗教學方法，學生完全處於被動狀態，對實驗方案設計、試件製作、測點佈置、儀器調試，甚至實驗數據的收集等都不太瞭解，難以培養學生的實踐動手能力、綜合分析和解決問題的能力[9]。
第二，土木工程實驗具有其他學科實驗不同的特點：一是材料消耗量大，且大多具有時效性。如建築材料課程中的水泥、混凝土實驗，水泥用量大，不易保管，且超過一定時間就無法使用；土力學實驗中使用的原狀土，其用量也比較大，放置時間過長，土的性狀將發生改變，導致實驗無法反映現場土體的真實狀態，設計計算也將失真。二是實驗費用相對較高。如土力學中的三軸剪切實驗、建築材料中的混凝土實驗、混凝土強度測試實驗等，僅材料費、設備的磨損維修費用就很大，實驗教學中爲節省開支只能限制試件製作數量和尺度，每個實驗增加學生人數，這樣一來，教學質量和效果自然無法保證。三是很多實驗項目週期長，用幾個課時遠遠不能滿足教學需要。四是實驗室對本科生基本封閉，開放度不高。學生只能在教師指定的時間內進入實驗室，完成規定的任務，從而影響學生對實驗的興趣，抑制了學生主動參與實驗的'積極性[10]。
第三，實驗設備的使用效率不均衡。一方面，有些儀器設備在一定時間內長時間、超負荷運轉，雖然管理人員傾盡全力但仍無法正常養護，導致這部分設備老化快，故障多，性能降低，沒多久就得重新購買；另一方面，有些設備由於多方面原因而被閒置，如教學計劃修改，相關實驗項目被取消等原因導致有的儀器設備很少被使用，造成資源的浪費[11]。
第四，青年教師大多有主持國家或省部級科研課題。一方面，在研究生資源不平衡的情況下，青年教師的科研項目缺少學生的參與，極大地制約了課題相關實驗的順利完成；另一方面，筆者在與本科生交流中瞭解到，許多學生對參加科研創新活動興趣濃厚，但不知從何入手，也缺乏必要的經費和條件支援。透過吸收一部分優秀本科生參與具體的科研課題研究，既可以在客觀上彌補青年教師研究生資源短缺的問題，又可以爲學生提供早期科研實踐訓練機會，尤其爲希望繼續深造的學生做好必要的從本科教育到研究生教育的銜接和過渡準備。
二、本科生參與科研創新實驗的實踐
（一）實驗選題
近年來，筆者所在學院教師在液化砂土地基加固、PHC管樁抗震性能和土—結構動態相互作用等領域進行潛心研究，在開展振動臺實驗和動力測試方面積累了豐富的經驗。爲此，以教師爲主導，學生參與討論，擬定“PHC管樁抗震性能的小型振動臺實驗研究”作爲實驗項目的選題。該選題旨在研究PHC管樁地震響應特徵和破壞模式，探討管樁動應變、加速度，以及不同部位土體動土壓力和孔隙水壓力的時程變化規律，揭示管樁尺寸、擾動區範圍、地震頻率和振幅等因素對管樁水平動力響應的影響。振動臺選用DC-2200-26小型電動振動臺，實驗模型較小，填土工作量不大，可操作性強，便於學生進行多組實驗。該選題保留了學院的科研特色，具有一定的代表性和學術前沿性，且與工程實際緊密相關。
（二）學生的選拔與動員
透過課堂宣講，學生自願報名，選拔了4名有科研興趣、成績較爲優秀的高年級本科生組成實驗小組，並安排2位研究生配合開展實驗工作。實驗開始前，根據科研項目的技術要點和關鍵工作，對目標任務進行了分解。同時，對學生進行了兩場有針對性的專題報告，一場報告重點講解模型實驗中相似比、實驗測試系統、模型箱及構件製作、工況設計、測點佈置、數據採集等具體內容，並提供單樁循環荷載實驗和羣樁水平靜載實驗的方案和報告作爲參考。另一場報告則就學術論文和發明專利的內容、書寫規範、寫作技巧和投稿（申請）等進行了介紹，並向學生講解研究背景、實驗目的、要求、預期成果、進度安排、輔導方式等相關事項。endprint
（三）實踐過程
1.文獻綜述
要求每位學生就樁土動力相互作用和振動臺實驗進行文獻查閱，撰寫研究進度安排，並進一步完善實驗設計方案。同時安排一位學生使用仿真軟件，嘗試PHC管樁水平抗震性能的數值模擬分析，並與實驗結果進行對比。考慮到本科生掌握的有限元知識有限，指導教師還提供類似的應用實例和程序，以便學習和借鑑。
2. 材料製作加工
根據實驗方案、設備負荷和邊界效應確定模型箱尺寸，繪製設計圖，聯繫廠家進行加工製作；購買有機玻璃管（模擬管樁）和所需傳感器，在玻璃管內壁粘貼應變片和固定加速度計；將模型土裝入模型箱分層填築、夯實，並測定土體密度、剪切強度和動剪切模量等物理力學指標；按照測點佈置方案埋設微型動土壓力盒、孔隙水壓力計以及樁頂傳感器。整個製作加工過程，由學生全程自己動手完成。
3.實驗加載和測試
先熟悉地震波加載方法，以及動態信號的採集和分析，掌握正確的操作流程和方法，做好加載前的觀測準備工作。實驗開始前，透過螺栓將模型箱固定於振動檯面，標定傳感器，調試振動臺系統和測試裝置能否正常工作。根據預定的加載工況，開展不同頻率和加速度峯值下PHC管樁水平地震響應實驗，記錄各種測試數據。對實驗中出現的異常數據進行重新測試，在實驗過程中如有新的發現，可重新調整實驗方案。
4. 實驗結果分析
從位移分佈、加速度反應、樁身應變和樁土接觸壓力等方面，對PHC管樁動力特性和抗震性能進行分析，歸納總結地層擾動程度和地震激勵參數的影響規律，探討樁頂位移的地震放大效應。透過與實驗結果對比，驗證數值計算模型的正確性，分析結果產生差異的原因。對方案設計、傳感器安裝、測點佈置、加載步驟等各實驗環節進行總結，查找實驗中的不足，並提出改進措施。整理分析結果，撰寫實驗報告或學術論文。
三、教學體會與效果
（一）教學體會
1.科學安排時間
學生一般是利用業餘時間參與科研創新實驗，但由於課餘時間較爲鬆散和隨機，加之課業繁重，學生能利用的課餘時間十分有限，很難有完整連續的時間參與實驗。因此，在時間安排上需要統籌兼顧，既要考慮學生實驗之前必要的專業理論課程學習，又要避免與學生就業、考研、實習相沖突。可選擇時間較爲集中的暑假開展實驗。對適合作爲畢業設計（論文）的選題，也可安排在大四下學期進行實驗。
2.與學校已有創新項目的融合
爲培養學生的創新實踐能力，學校開展“大學生創新創業訓練項目”和“建造節活動”，旨在資助在校本科生開展科研活動和創業訓練。學生可將教師科研項目的成果作爲工作基礎，或直接依託科研創新實驗進行相關課題的申報，以獲得學校立項的支援。因此，指導教師在選題時，應緊扣項目申請指南，對自己的科研課題進行分解、提煉和優化，篩選出能反映學科前沿動態、探索創新空間大、在有限時間內可取得一定進展的部分作爲實驗創新項目，爲學生提供良好的實踐訓練機會。
3. 做好學生的指導和導向工作
本科生由於缺乏專業的科研訓練，知識體系也不完整，思維方式往往侷限於結構設計上，獨立從事科研實驗具有一定的難度，需要指導教師耐心啓發並做好輔導工作[12-13]。具體而言，要做好以下幾方面工作：一是講解科學研究的基本技能和文獻查閱方法，提供開展研究所需要的資源，引導學生自主學習和自主鑽研。二是關注實驗的動態進展，對關鍵環節提供現場指導和幫助。可採用小組例會的形式，就項目進展、所遇問題、結果現象等進行互動，師生共同探討，完善實驗方案的細節，啓發學生提出自己的新見解和新觀點。三是對在實驗過程中遭遇挫折和失敗的學生，給予精神上的鼓勵和支援，培養他們百折不撓、堅韌不拔的精神。
4.制定管理和激勵政策
完善制度保障機制，充分調動學生參與科研實驗的積極性。除了給予一定的學分認定或替代任選課學分外，對成績優秀或科研能力突出的學生可進行獎勵，並在推薦免試研究生時優先考慮；而對消極怠工，或始終無法進入學習狀態的學生，也應建立相應的退出機制[14]。另外，還應從職稱評聘、津貼補助等方面制定激勵機制，鼓勵教師將科研成果轉化爲優質實驗教學資源，並建立科學合理的教學質量評價指標體系[15]。
5.改進考覈體系，注重實踐能力的評價
課程考覈可由實踐能力評價和成果評價兩部分組成，比重各佔50%。實踐能力評價作爲實驗考覈的重要方面，可以學生答辯、PPT彙報的方式進行，並加大平時成績所佔的比重。根據學生對課題和實踐操作的熟知程度、平時表現、學習態度和活動參與度進行成績評定，並着重考察學生獨立思考和創新思維能力。成果評價由指導教師根據學生提交的成果質量進行評定，包括數據分析、文字表達、格式規範等。可透過實驗報告、學術論文、專利或學科競賽成績等形式展示學生實驗成果，達到學生之間相互學習借鑑的目的。
（二）教學效果
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