线上实验教学对提升土木工程实验教学质量的探讨

作者: 武科 陈榕 郝冬雪 李景龙

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[摘 要] 随着“互联网+”时代的到来,高校与学生利用线上资源来教学或学习的例子不胜枚举,也成为线下课程重要的辅助。土木工程专业作为实践性较强的专业之一,其很多专业课程在教授过程中都会有室内试验和现场试验的相关知识掌握和实际操作。利用线上实验教学方法,不仅可以弥补线下实验教学中的不足之处,并与线下教学共同作用,还可以提升学生认识水平,也为学生对专业实验课程考核提供了多元方式。

[关键词] 线上教学;实验教学;土木工程;考核方式

[基金项目] 2022年度山东大学教育教学改革研究项目“疫情防控背景下工科实验实践类教学改革——以土木工程专业为例”(2022Y179)

[作者简介] 武 科(1978—),男,河北枣强人,博士,山东大学土建与水利学院教授,主要从事大型地下空间结构灾变机理与稳定性评价、能源地下结构与智慧工程研究。

[中图分类号] G642.0 [文献标识码] A [文章编号] 1674-9324(2024)36-0139-04 [收稿日期] 2023-08-18

高校基于“互联网+教育”教学模式开展线上教学,已成为线下教学与实践的重要组成部分和有效方法。在线上教学模式如火如荼的开展过程中,实验实践教学是一个极其重要又特殊的教学环节。实验实践教学更注重培养学生在实际环境下动手操作或实践的能力,尤其针对工科专业的学生来讲,培养应用型人才是各工科学科的首要培养目标。刘洪南等[1]开发了实验课程的网络教学平台,对提高教学效率、提升教学效果发挥了重要作用。张春晓等[2]研究了实验实践课程线上教学改革方案,将其应用于“企业实训”课程在线教学,并取得了良好的教学效果。黎雨等[3]针对新工科背景下“工程材料学”课程线上实验教学模式困难等问题,提出了基于线上课程授课和虚拟实验平台的搭建与共享的方案,以应对新工科线下教学模式与方法的优化以及虚拟实验教学模式的探索。陈逸菲等[4]提出了实现过程等效和体验等效的教学设计及实施方法。张变莲等[5]在教学中引入以Multisim为主要仿真软件的在线实验教学模式,进行了在线仿真实验教学以及多样化考核验收。张宏勋等[6]探索建立了科学性与趣味性兼具、外在激励与内在激励并重、硬约束与软约束结合的线上资源库。综上所述,随着“互联网+”时代的到来,高校与学生利用线上资源来教学或学习的例子不胜枚举,也成为线下课程重要的辅助手段。

土木工程专业是一个实践性较强的专业类别,专业课程教授过程中都会有室内试验和现场试验的相关知识掌握和实际操作的环节。然而,有些现场试验实际操作过程需要一定的时间和特有设备,无法满足大学教学学时和场地安排,往往采用课上视频和PPT讲解,学生无法真正理解和掌握相关知识。例如,“地基基础”课程中桩基承载力试验,采用传统的静载试验分析方法,绘制相关曲线得到桩基承载力值,其理论讲解过程不难,但在现场实际试验和操作过程中需要花费一定的时间和设备,往往学校无法提供,学生无法亲身操作。为提升土木工程实验教学质量,“地基基础”课程中桩基承载力试验采用线上虚拟实验教学,探讨虚拟实验学习对于补充课程理论学习不足之处的作用。

一、线上实验教学的优势

土木工程专业具有的共同特点为应用性和实践性强。在专业知识理论学习的基础之上,培育学生的动手实操能力对于理解和掌握相关专业知识至关重要。实验教学就是培育学生实操能力的重要方式。对于很多受到时间、场地和设备等因素影响,无法开展的实操实验,线上实验教学与虚拟实验能够弥补线下实验教学的不足,有效解决影响因素所带来的问题,从而达到预定的教学效果。

(一)利用线上实验教学,学生可以做好预习与复习工作

1.利用腾讯会议、雨课堂、学习通等软件,搭建了符合信息技术时代特点的自主学习环境——线上教学平台,通过发送相关电子实验指导书、实验大纲、课件、视频及预习任务要求等教学资料,让学生随时便捷地学习桩基承载力实验内容和要求、实验步骤和方法等相关内容,培养学生的自觉主动学习能力。同时,学生课后可以实时查阅线上实验教学资料,通过整理、分析与撰写实验报告,加深了对实验实操过程中涉及的理论知识和操作步骤的理解,教师通过审核学生提交的实验报告,可以充分了解学生对实验的掌握程度,与传统文字背诵相比,效果显著。

2.利用腾讯会议、雨课堂、学习通等软件,搭建了符合信息技术时代特点的自主学习环境——线上教学平台,能够将课程的理论和实验教学内容做到有机融合和相互促进,这对于专业教学质量提升是十分重要的。基础知识在线学习和反馈,重点,难点知识和实现高阶教学目标的理论线下教学,实验基本理论和实验操作流程线上预习及反馈,线下实践操作环节作为四个基础环节,在理论和实验交叉出现的过程中进行基础环节的组合,充分利用线上教学手段,实现理论和实验、线上和线下的充分融合和提升[7]。

(二)线下与线上实验教学协同作用,提升学生认识水平

基于线上实验教学预习,学生已初步对实验内容、步骤及仪器等有了了解,并可能会有暂时无法理解的问题。通过线下实验教学,学生可以带着疑问认真听取教师的讲解,全面和深入理解与掌握实验内容,完成实验过程,实现实验目标。利用线下与线上实验教学相互补充共同作用,可以为学生提供多方位的专业知识和实验实操步骤的指导与解析,从而提升了学生对专业知识的认知水平和动手能力。由此可见,线上与线下实验教学协同作用,能够实现课前—课堂—课后的教学任务发布、学习效果反馈、课堂互动和课后反馈等功能,为多样化教学手段的实施提供了有力的工具。同时,能够充分发挥引导学生自己动手动脑向专业知识深度认知和运用学习发展,提升了学生学习的积极自主性、主观能动性和实践创造性。

(三)丰富考核方式,体现学生综合素质能力

传统实验教学考核以提交实验报告为最终评定成绩的方式,较为单一,比较明显的弊端在于以小组形式完成的实验报告无法区分个体差异,也无法全面评价学生对实验实操的掌握水平。将线上实验实操过程评价作为线下实验教学考核的重要组成部分,注重每个阶段的评价,包括线上教学和线下教学的各个环节,可以全面评估学生对专业理论知识的理解和实验实操过程的掌握,能够充分体现学生综合素质能力。

线上与线下实验教学协同作用,可以让学生预先了解实验目标,在线下实验教学前后,线下实验平台可为学生提供直观、形象和实际的操作平台,有助于提高学生对土木工程专业实验课程的全面掌握和实操。

二、线上实验教学在土木工程专业教学中的应用案例

以“地基基础”中桩基承载力试验教学为例,利用已研发的“桩基静载试验模拟系统”,开展了“地基基础”课程中桩基承载力试验网络教学,使学生可以随时随地学习和开展桩基承载力网上试验。通过学生不断实践和应用,完善桩基承载力试验网络教学的各项功能。

(一)桩基静载试验基本概念

桩基静载测试技术是随着桩基础在建筑设计中的使用越来越广泛而发展起来的。桩基静载试验是运用在工程上对桩基承载力进行检测的一项技术,如图1所示。在确定单桩极限承载力方面,它是最为准确、可靠的检验方法,作为判定某种动载检验方法是否成熟,均以静载试验成果的对比误差大小为依据。因此,每种地基基础设计处理规范都把单桩静载试验列入首要位置。在桩基静载试验中,作用于桩上的荷载一般由反力装置提供。反力装置的易用程度直接影响着试验的过程和结果,常用的有堆载反力装置,即在桩顶使用钢梁设置一个承重平台,上堆重物,依靠放在桩头上的千斤顶将平台逐步顶起,从而将力施加到桩身。反力装置的主梁可以选用型钢,也可用自行加工的箱梁,平台形状可以根据需要设置为方形或矩形,堆载用的重物可以选用沙袋、混凝土预制块等。

(二)桩基静载试验线上平台教学

基于计算机语言,编写桩基静载试验程序,研发桩基承载力试验线上实验教学程序,实现学生线上学习桩基静载试验步骤、数据采集与分析过程,如图2所示。该教学平台具有以下特点:同课程的专题教学和多学科交叉的综合教学;抓住典型工程桩基静载试验,激发学生对工程质量检测工作的兴趣;重视强化现场试验与检测技术的练习,培养学生动手和独立工作的能力;引导学生利用实验教学线上平台,考虑不同的工程地质和设计要求,开展桩基承载力设计。

(三)桩基静载试验虚拟实践学习

学生利用课上和课下时间,进入桩基静载试验虚拟平台,按照线上或线下课程教学内容,自己实操桩基静载试验过程,以此分析和计算桩基承载力值,实现对桩基承载力试验内容、操作与分析全过程的熟练理解和实操。桩基静载试验虚拟实践学习展示了桩基工程原位试验,逼真模拟地质工程原位试验的野外场景、仪器设备、测试步骤和成果处理等过程,在了解试验原理的基础上熟悉试验仪器设备,首先,通过模拟仿真系统的操作演示熟悉试验技术要求(如试件或试坑的尺寸及要求、承压板的尺寸、位移测量系统的安装、加载方式及加荷等级、沉降观测和稳定标准、试验终止条件等)和试验步骤。其次,学生在线上实验系统中进行模拟试验操作,引导学生利用已有专业基础理论知识,学会对试验获得的原始数据进行处理。最后,该系统设置了不同土层(黏性土、粉土、砂类土和含有少量碎石的土层)的选择,使学生“真实感受”不同岩土体对试验结果的影响,提高学生的专业理论知识与实际工程相结合的能力,培养学生的专业技能和兴趣,如图3所示。

(四)桩基静载试验学习考核

指定典型桩基工程案例和地质参数,通过布置线上桩基静载试验内容思考题与试验操作扩展性任务,让学生自己熟练掌握专业试验知识和试验数据分析过程。通过理论与实践相结合的方式,考核学生对专业知识的掌握能力。

(五)教学效果评价

“地基基础”课程中桩基承载力试验教学采取上述教学改革措施后取得了显著的成效。首先,授课教师工程能力显著提高,丰富了课程教学模式,使抽象的概念更加具体化,有效激发了学生学习热情及专业兴趣。其次,学生能力培养目标更加明确,进一步开阔了学生的专业视野,提高了学生的自主学习能力、动手操作能力和创新能力,充分发挥了学生在教学中的主体作用,真正体现了成果导向、学生中心、持续改进的理念。最后,通过对该试验教学满意度进行问卷调查分析可知,持续改进的教学方法得到了学生的认可[8]。

结语

线上实验教学作为一种新型的实验教学手段,在提升土木工程专业实验教学质量方面得到了广大师生的认可。它可以弥补线下实验教学中的不足之处,并与线下教学共同作用,提升学生认识水平,也为学生应对专业实验课程考核提供了多元方式。通过线上与线下实验教学协同教学,激发了学生实验自学能力和实操兴趣,提高了对学生全方面掌握土木工程专业实验的教学质量,也为创新应用型人才的培养提供了新的教学方法。

参考文献

[1]刘洪南,王东爱,刘美华,等.远程线上参与性实验教学模式的设计与实践[J].实验室科学,2023,26(3):80-83.

[2]张春晓,彭必雨,程海明.工科实验实践课程线上教学改革研究与实践[J].皮革科学与工程,2023,33(3):104-108.

[3]黎雨,徐春.新工科下《工程材料学》线上教学改革与虚拟实验方案的探索[J].产业与科技论坛,2023,22(2):147-149.

[4]陈逸菲,宋莹,孙宁.线上实验教学的实质等效设计与实现[J].计算机教育,2022(12):253-258.

[5]张变莲,杨森林,张运良,等.新工科背景下“电路分析基础”线上仿真实验探究[J].科技与创新,2022(15):4-6+9.

[6]张宏勋,杨君,谢玲玲,等.高校实验教学线上资源的有效利用研究[J].洛阳师范学院学报,2022,41(8):78-83.

[7]姚小俊.土木工程“理论+实验”类课程混合教学改革研究[J].科技视界,2022,12(19):72-74.

[8]曹兵,吴桢,黄博,等.基于工程教育的土木工程专业混凝土结构设计原理课程“线上+线下”教学改革与实践[J].安阳工学院学报,2021,20(6):71-74.

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