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虚实结合的土木工程专业实践教学体系构建研究
2018-09-10 09:45  

白泉 边晶梅 于贺 盛国华

 

土木工程专业实践性极强。实践性教学环节,包括各类实验、实习(认识、生产和毕业实习等)、课程设计及毕业设计等,在土木工程专业人才培养中占有重要地位。强化土木工程专业实践教学,构建适合土木工程专业发展的实践教学体系,对于培养满足社会需求、具有可持续发展潜力的高级应用型专业技术人才具有重要意义。本文结合省级教改项目研究内容,从实践教学培养目标、多层次实践教学内容体系、实践教学管理评价体系、实践教学支撑体系四个方面全面进行土木工程专业实践教学改革,利用多媒体计算机技术、计算机仿真技术,将虚拟实践与现实实践相互补充,建立一套完整的虚实相结合的实践教学体系,将培养具有较高工程素质和实践创新能力的高级专门人才的目标落到实处。

一、土木工程实践教学问题剖析

1.国内外实践教学现状分析。

国外,土木工程专业实践教育起步较早,尤其是欧美发达国家,发展较好。如,在英国的180所大专院校中,其中57所设立土木工程专业均以职业为目标,强调培养应用型人才。在教学计划中,注重工程实践能力的培养,大多采用“三明治”式培养方式,即第一、第二、第四学年在校学习,第三学年进行工程实践。本科教育完成后,还需经过两年的公司培训或工作实践方可参加执业注册资格考试,通过以后才能取得签字权。大学四年中,除了用一年时间进行工程实践外,另三年在校学习期间还要完成实验、设计和实习等实践环节。

在美国,高校亦十分重视实践,如加州大学伯克利分校3学分的结构设计课程,每周讲课2学时,实验或设计3学时,由此可见其实践课程比例。另外,高校与企业的合作也十分密切,如:内华达大学土木工程系与州交通局、美国建商联合总会联合办学,后两个机构对该系进行经济资助,资助的具体形式是该系学生每年夏季可以被这两个机构雇佣实习。承建商联合总会内华达分会还为内华达大学土木工程系提供少量客座教授职位,帮助该系开设施工课程。此外,高校对工程训练的要求也比较广泛,除了专业知识的应用训练还有表达能力、合作精神和自信心等非专业方面训练。

麻省理工学院提出了高等工科教育要“回归工程实践”的教育理念,突出能力培养。德国、法国等国家,更加强调校企联合培养,强调学生到企业生产第一线实习,企业参与学生培养的程度较高。

国内,同济大学借鉴国外实践教育的成果,较早开始加强实践能力培养。一方面削减课堂教学时间,优化和减少通识教育课程,同时,加大实践内容比例,课程内容向综合化方向发展,学生实践能力和综合素质得到了社会的广泛认可。浙江工业大学、武汉理工大学、东北林业大学等高校也开展了不同程度、不同层次的实践教学改革,积累了有益的经验。存在的主要问题。

于国内大多数高校,尤其是地方高校而言,在实践教学方面依然存在着诸多问题,主要有:没有建立起一个独立、完整的实践教学体系,实践教学只是作为理论教学的一种依附而存在;土木工程实践教育重视和投入不足,导致专业理论化现象越来越严重,与理论教学相比,实践教学改革严重滞后;面向实际的工程训练不足导致实践教学理论化;实践教学缺少自主性和创新性;实践教学内容陈旧、形式单一,教学方法和教学手段较为落后等。虽然许多高校迫于形势要求加大了土木工程专业教学改革的力度,但实践教学改革的突破并不大,并没有真正解决实质性问题。

二、改革实践教学培养目标

实践教学体系是以人才培养目标为核心构建的完整体系,是人才培养方案中实践教学环节具体实施过程的体系化。一般分为实践教学目标体系、实践教学内容体系、实践教学管理评价体系和实践教学支撑体系。本项目将多媒体仿真技术引入土木工程专业实践教学各个环节,在实践教学中利用多媒体和虚拟现实技术,把工程现场、实验等搬进课堂,与实践相结合,建立一套完整的虚实结合实践教学体系。

针对土木工程领域对人才的要求,在国家“卓越工程师教育培养计划”通用标准的指导下,参照“高等学校土木工程本科指导性专业规范”,结合学校的办学定位及人才培养要求,执业能力培养目标为主体,提炼出虚拟仿真与具体实践相结合的实践教学目标体系(其流程图如图1所示)。

三、构建虚实结合的多层次实践教学体系

土木工程专业实践性教学环节包含三大方面,即实验、实习和设计。其中,实验可促进学生深化理解理论知识,掌握基本实验技能和方法,并为实习打下基础。实习则是在生产、施工现场中使学生体验真正的工程环境。在实习过程中,学生不仅可了解生产施工的整个过程,而且可体验工作现场的合作关系和人际关系等。设计是以专题的形式对学生的基本技术应用能力和解决实际问题的综合能力进行专门性训练,使学生对所学理论知识达到感性认识与理性认识的有机结合,提高解决实际工程问题的动手能力和创新精神。

图1实践教学目标体系

1.基于现代信息技术构建虚实结合实践教学体系。

每个专业都有其固有的教学规律和发展过程,学生学习专业知识在不同阶段亦有其认识发展规律。根据土木工程专业特点,实践教学可划分为三个层次,即基本技能培养、专业技能培养、技术应用与创新技能培养。基本技能培养包括实验环节、计算机应用等;专业技能培养包括实习环节、设计环节;技能应用与创新技能培养包括科技训练、技术创新等。在各层次的教学内容中,均按照教学目标定位要求,将虚拟仿真技术与现实实践结合应用,构建出虚实结合的实践教学内容体系(如图2所示)。

图2 土木工程专业实践教学内容体系

在实践教学内容中,实验、实习、设计及科技创新各环节的虚拟与现实内容设置如表1所示。

表1 实践教学环节的虚拟与现实内容设置

与之相适应,编制相应的实验、实习、设计教学大纲,实验指导书、设计指导书、实习指导书等。

虚拟技术与现实教学手段相结合的土木工程专业实践教学体系教学改革实践情况如下:

(1)实验环节。比如大型结构试验、结构抗震试验等,不便进行真实实验的情况,采用有限元软件ANSYS、ABQUS等进行虚拟仿真模拟实验,观察荷载及各种外部作用下结构的受力反应及破坏情况。

(2)实习环节。课题组将多媒体计算机技术、计算机仿真技术引入实践教学环节,创建“土木工程虚拟仿真与现场实践相结合的实践教学模式”:在实践环节教学中利用动画、视频、BIM仿真模拟等多媒体和虚拟现实技术,将许多施工操作程序在模拟环境中演练,再现和虚拟工程的作业过程,把工程现场、实验等搬进课堂,让学生通过室内“实习”去认识工程、开阔视野、获取经验、提高专业素养。通过现场拍照、录像,网络收集,整理了施工过程图片、图纸及录像等,并通过购买的方式,采购了一套完整的施工现场技能人员培训视频,教学效果非常好。另外,我校还与北博数字信息技术有限公司合作,共同开发了桥梁工程施工、道路工程施工等三维多媒体课件及视频,并在教学中投入使用,效果较好。土木工程施工过程资料库中的图片、录像、图纸等资料在土木工程概论、土木工程制图与CAD、土木工程施工、道桥施工技术、桥梁工程、路基与路面等课程中均得到了采用;与北博数字信息技术有限公司合作开发的桥梁工程施工、道路工程施工三维多媒体课件与视频,在土木工程施工、道桥施工技术等相关课程中得到了采用。受益学生每届约200人,已实施3届。另外,合作制作的三维数字化课件已经发布在北博数字网站上,可供广大学生与工程技术人员学习参考,受益面较广。

(3)设计环节。包括课程设计和毕业设计。

目前,本专业学生毕业设计绝大多数采用实际工程设计参数,并按实际工程要求完成设计任务,真题真做,可使学生的设计最大限度地接近工程实际,便于与未来工作顺利接轨。课程设计一般常用虚拟参数进行设计计算,即可达到训练目的。

(4)科技训练与技术创新环节。这是学生综合素质及实践能力培养不可或缺的重要环节。同样,在建模、计算及分析过程中采用了虚拟仿真技术或软件辅助等。如结构模型分析与制作课设,分析部分用虚拟仿真技术(软件辅助计算),制作部分采用实际操作;结构设计大赛建模和计算部分也事先进行计算机模拟建模和受力计算分析,对于实际建模参赛大有裨益。我校年年参赛并取得了非常丰硕的成果,获得二等奖、三等奖、优秀奖多项。

近二年来,以辽宁省结构设计竞赛、创业大赛、科技创新大赛等为契机,每年均动员全系力量组织学生积极参与。通过比赛,学生的协调沟通能力、团队协作精神、实际动手能力得到了全面提高。例如,以辽宁省结构设计竞赛为契机,每年在校内举办大规模的选拔赛(海选),配备专业教师对所有学生进行指导,每年约30组学生参赛,每组3人,直接受益学生约90人。此外,还积极组织学生参加辽宁省测绘之星测量大赛、创业大赛、科技创新大赛等,每年受益学生约50人。这些科技训练与技术创新环节的强化大大提高了学生的综合能力。

2.完善工程实验、土木工程施工虚拟仿真教学平台。

本项目的前期研究,已经初步建立了工程背景资源库,并完成了部分土木工程施工虚拟仿真课件及动画的制作(道路桥梁施工部分)。本项目将在前期项目研究的基础上,进一步扩充工程背景资源库,开发、完善工程实验、土木工程施工虚拟仿真课件及动画(房建施工、地下工程施工);利用三维动画,演示大型结构试验,模拟土木工程施工的关键过程和技术要点,使学生充分了解技术方案的核心内容,达到了展示施工工艺、质量要求、安全目标的目的。

四、改革实践教学考核评价方式

关于实践教学考核评价方式,以往的实践教学环节考核管理方式比较单一化、简单化,容易流于形式、欠缺公平。针对这种现象,我校改革了实践教学考核方法,建立了多元化考核方式。在考察学生对基本知识掌握情况的同时,更注重考核学生对知识的理解和运用能力;不仅关注实践结束时的考核结果,更注重对实践过程的管理、考核,并把多次考核与多种考核的结果相结合作为最终成绩。在考察学生工程技能的同时,高度重视对学生工程意识、企业精神、工程作风等工程素养的考察。实际上,无论国际工程教育通用标准,还是中国本科层次卓越工程师培养通用标准,学生的基本素养要求都被放在首要位置,要求具有良好的工程职业道德、较强的社会责任感和较好的人文科学素养;其次对现代工程意识要求较高,需要具有良好的质量、环境、职业健康、安全和服务意识。所以沈阳工业大学改革实践教学考核评价方式的重要内容之一就是在实践过程中注意观察学生基本素质、道德风尚方面的表现及存在的问题,及时加以指导并促其改正。

总之,针对不同的实践内容,采用笔试、口试、答辩、机考、操作、报告等多种形式,对学生的基本理论、基本知识、基本技能以及分析解决问题能力等进行综合考核。

五、完善实践教学支撑体系

实践教学支撑体系通常由师资、设备和学习环境等组成,对于实践教学的效果在很大程度上起着决定性的制约作用。

针对土木工程专业发展需要,适应工程人才培养要求,围绕实践教学环节,以土木工程专业骨干教师为核心、合作实践教学基地企业专业为辅助,构筑一支基础理论扎实、实践背景深厚、工程能力强、具有创新意识的教学团队。按照“专职教师工程化、兼职教师专业化”的目标,加强专、兼职实践教学团队建设。一方面,积极创造条件鼓励专职教师尤其是青年教师“走出去”,到企业中挂职锻炼、学习,提高专职教师工程实践能力;另一方面,将合作企业中专业知识丰富、业务素质高、职业道德好、工作能力强的业务骨干“引进来”,聘为校外兼职教师,参与实习、设计等实践环节的指导。

设备等实践教学设施方面,一是创造条件加大校内实践教学设备的购置力度,购置的实验设备不仅要满足教学、科研需要,更应注重工程应用性;二是充分利用合作企业的实验设施、生产设备。建立资源共享、优势互补,双方共赢、稳定持久的合作模式。

学习环境方面,一是加强完善校内实验室、设计室建设,二是加大校企合作平台建设,拓宽合作方式和途径,加强与设计、生产、施工、监理等单位的协作,建立校外实践基地,并促进“产学研”相结合,开展横向协作。把企事业单位作为培养实践能力的重要教学场所,作为学校教育的有力补充,可以为实践教学的开展创造有利条件。改进之后较为完善的实践教学支撑体系如图3所示。

图3 改进后的实践教学支撑体系框图

六、结语

虚拟仿真教学具有高效率、低成本、内容丰富、性能有效和安全等优势,将虚拟仿真教学与现实教学相结合有助于提高实践教学效果,可以使学生克服场地与设备的限制,掌握更多实践技能,对于提高土木工程专业学生实践能力具有重要作、工业大学土木工程专业以现代信息技术为基础,将多媒体仿真技术引入土木工程专业实践教学各个环节,构建了虚实结合的多层次实践教学体系,改进和完善了实践教学。实践证明,改革取得了丰硕成果,主要体现为:第一,师程实践能力培养认知水平和工程实践能力均得到显著提高;第二,实践创新平台的建立和逐步完善,使实践教学体系更加完善,便于实施;第三,收集整理的大量影像资料,丰富了理论和实践教学内容,工程施工、工程测量等相关课程教学效果有明显改进;第四,大部分学生毕业设计选题为具有真实工程背景的真题,完成质量达到工程要求并有所创新;第五,学生较强的工程实践能力优势在就业市场上得到明显体现,一次签约率有明显上升。

本文阐述的改革经验与结论可供相关研究参考。

(来源:2018年04期《高等工程教育研究》)

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