虛實(shí)結(jié)合的土木工程專業(yè)實(shí)踐教學(xué)體系構(gòu)建研究

虛實(shí)結(jié)合的土木工程專業(yè)實(shí)踐教學(xué)體系構(gòu)建研究土木工程專業(yè)實(shí)踐性極強(qiáng)。實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)，包括各類實(shí)驗(yàn)、實(shí)習(xí)（認(rèn)識(shí)、生產(chǎn)和畢業(yè)實(shí)習(xí)等）、課程設(shè)計(jì)及畢業(yè)設(shè)計(jì)等，在土木工程專業(yè)人才培養(yǎng)中占有重要地位。強(qiáng)化土木工程專業(yè)實(shí)踐教學(xué)，構(gòu)建適合土木工程專業(yè)發(fā)展的實(shí)踐教學(xué)體系，對(duì)于培養(yǎng)滿足社會(huì)需求、具有可持續(xù)發(fā)展?jié)摿Φ母呒?jí)應(yīng)用型專業(yè)技術(shù)人才具有重要意義。本文結(jié)合省級(jí)教改項(xiàng)目研究內(nèi)容，從實(shí)踐教學(xué)培養(yǎng)目標(biāo)、多層次實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容體系、實(shí)踐教學(xué)管理評(píng)價(jià)體系、實(shí)踐教學(xué)支撐體系四個(gè)方面全面進(jìn)行土木工程專業(yè)實(shí)踐教學(xué)改革，利用多媒體計(jì)算機(jī)技術(shù)、計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，將虛擬實(shí)踐與現(xiàn)實(shí)實(shí)踐相互補(bǔ)充，建立一套完整的虛實(shí)相結(jié)合的實(shí)踐教學(xué)體系，將培養(yǎng)具有較高工程素質(zhì)和實(shí)踐創(chuàng)新能力的高級(jí)專門人才的目標(biāo)落到實(shí)處。一、土木工程實(shí)踐教學(xué)問題剖析１．國內(nèi)外實(shí)踐教學(xué)現(xiàn)狀分析。國外，土木工程專業(yè)實(shí)踐教育起步較早，尤其是歐美發(fā)達(dá)國家，發(fā)展較好。如，在英國的１８０所大專院校中，其中５７所設(shè)立土木工程專業(yè)均以職業(yè)為目標(biāo)，強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)應(yīng)用型人才。在教學(xué)計(jì)劃中，注重工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)，大多采用“三明治”式培養(yǎng)方式，即第一、第二、第四學(xué)年在校學(xué)習(xí)，第三學(xué)年進(jìn)行工程實(shí)踐。本科教育完成后，還需經(jīng)過兩年的公司培訓(xùn)或工作實(shí)踐方可參加執(zhí)業(yè)注冊(cè)資格考試，通過以后才能取得簽字權(quán)。大學(xué)四年中，除了用一年時(shí)間進(jìn)行工程實(shí)踐外，另三年在校學(xué)習(xí)期間還要完成實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)和實(shí)習(xí)等實(shí)踐環(huán)節(jié)。在美國，高校亦十分重視實(shí)踐，如加州大學(xué)伯克利分校３學(xué)分的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)課程，每周講課２學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)或設(shè)計(jì)３學(xué)時(shí)，由此可見其實(shí)踐課程比例。另外，高校與企業(yè)的合作也十分密切，如：內(nèi)華達(dá)大學(xué)土木工程系與州交通局、美國建商聯(lián)合總會(huì)聯(lián)合辦學(xué)，后兩個(gè)機(jī)構(gòu)對(duì)該系進(jìn)行經(jīng)濟(jì)資助，資助的具體形式是該系學(xué)生每年夏季可以被這兩個(gè)機(jī)構(gòu)雇傭?qū)嵙?xí)。承建商聯(lián)合總會(huì)內(nèi)華達(dá)分會(huì)還為內(nèi)華達(dá)大學(xué)土木工程系提供少量客座教授職位，幫助該系開設(shè)施工課程。此外，高校對(duì)工程訓(xùn)練的要求也比較廣泛，除了專業(yè)知識(shí)的應(yīng)用訓(xùn)練還有表達(dá)能力、合作精神和自信心等非專業(yè)方面訓(xùn)練。麻省理工學(xué)院提出了高等工科教育要“回歸工程實(shí)踐”的教育理念，突出能力培養(yǎng)。德國、法國等國家，更加強(qiáng)調(diào)校企聯(lián)合培養(yǎng)，強(qiáng)調(diào)學(xué)生到企業(yè)生產(chǎn)第一線實(shí)習(xí)，企業(yè)參與學(xué)生培養(yǎng)的程度較高。國內(nèi)，同濟(jì)大學(xué)借鑒國外實(shí)踐教育的成果，較早開始加強(qiáng)實(shí)踐能力培養(yǎng)。一方面削減課堂教學(xué)時(shí)間，優(yōu)化和減少通識(shí)教育課程，同時(shí)，加大實(shí)踐內(nèi)容比例，課程內(nèi)容向綜合化方向發(fā)展，學(xué)生實(shí)踐能力和綜合素質(zhì)得到了社會(huì)的廣泛認(rèn)可。浙江工業(yè)大學(xué)、武漢理工大學(xué)、東北林業(yè)大學(xué)等高校也開展了不同程度、不同層次的實(shí)踐教學(xué)改革，積累了有益的經(jīng)驗(yàn)。存在的主要問題。于國內(nèi)大多數(shù)高校，尤其是地方高校而言，在實(shí)踐教學(xué)方面依然存在著諸多問題，主要有：沒有建立起一個(gè)獨(dú)立、完整的實(shí)踐教學(xué)體系，實(shí)踐教學(xué)只是作為理論教學(xué)的一種依附而存在；土木工程實(shí)踐教育重視和投入不足，導(dǎo)致專業(yè)理論化現(xiàn)象越來越嚴(yán)重，與理論教學(xué)相比，實(shí)踐教學(xué)改革嚴(yán)重滯后；面向?qū)嶋H的工程訓(xùn)練不足導(dǎo)致實(shí)踐教學(xué)理論化；實(shí)踐教學(xué)缺少自主性和創(chuàng)新性；實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容陳舊、形式單一，教學(xué)方法和教學(xué)手段較為落后等。雖然許多高校迫于形勢(shì)要求加大了土木工程專業(yè)教學(xué)改革的力度，但實(shí)踐教學(xué)改革的突破并不大，并沒有真正解決實(shí)質(zhì)性問題。二、改革實(shí)踐教學(xué)培養(yǎng)目標(biāo)實(shí)踐教學(xué)體系是以人才培養(yǎng)目標(biāo)為核心構(gòu)建的完整體系，是人才培養(yǎng)方案中實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)具體實(shí)施過程的體系化。一般分為實(shí)踐教學(xué)目標(biāo)體系、實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容體系、實(shí)踐教學(xué)管理評(píng)價(jià)體系和實(shí)踐教學(xué)支撐體系。本項(xiàng)目將多媒體仿真技術(shù)引入土木工程專業(yè)實(shí)踐教學(xué)各個(gè)環(huán)節(jié)，在實(shí)踐教學(xué)中利用多媒體和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，把工程現(xiàn)場(chǎng)、實(shí)驗(yàn)等搬進(jìn)課堂，與實(shí)踐相結(jié)合，建立一套完整的虛實(shí)結(jié)合實(shí)踐教學(xué)體系。針對(duì)土木工程領(lǐng)域?qū)θ瞬诺囊?，在國家“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”通用標(biāo)準(zhǔn)的指導(dǎo)下，參照“高等學(xué)校土木工程本科指導(dǎo)性專業(yè)規(guī)范”，結(jié)合學(xué)校的辦學(xué)定位及人才培養(yǎng)要求，執(zhí)業(yè)能力培養(yǎng)目標(biāo)為主體，提煉出虛擬仿真與具體實(shí)踐相結(jié)合的實(shí)踐教學(xué)目標(biāo)體系（其流程圖如圖１所示）。三、構(gòu)建虛實(shí)結(jié)合的多層次實(shí)踐教學(xué)體系土木工程專業(yè)實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)包含三大方面，即實(shí)驗(yàn)、實(shí)習(xí)和設(shè)計(jì)。其中，實(shí)驗(yàn)可促進(jìn)學(xué)生深化理解理論知識(shí)，掌握基本實(shí)驗(yàn)技能和方法，并為實(shí)習(xí)打下基礎(chǔ)。實(shí)習(xí)則是在生產(chǎn)、施工現(xiàn)場(chǎng)中使學(xué)生體驗(yàn)真正的工程環(huán)境。在實(shí)習(xí)過程中，學(xué)生不僅可了解生產(chǎn)施工的整個(gè)過程，而且可體驗(yàn)工作現(xiàn)場(chǎng)的合作關(guān)系和人際關(guān)系等。設(shè)計(jì)是以專題的形式對(duì)學(xué)生的基本技術(shù)應(yīng)用能力和解決實(shí)際問題的綜合能力進(jìn)行專門性訓(xùn)練，使學(xué)生對(duì)所學(xué)理論知識(shí)達(dá)到感性認(rèn)識(shí)與理性認(rèn)識(shí)的有機(jī)結(jié)合，提高解決實(shí)際工程問題的動(dòng)手能力和創(chuàng)新精神。圖１實(shí)踐教學(xué)目標(biāo)體系１．基于現(xiàn)代信息技術(shù)構(gòu)建虛實(shí)結(jié)合實(shí)踐教學(xué)體系。每個(gè)專業(yè)都有其固有的教學(xué)規(guī)律和發(fā)展過程，學(xué)生學(xué)習(xí)專業(yè)知識(shí)在不同階段亦有其認(rèn)識(shí)發(fā)展規(guī)律。根據(jù)土木工程專業(yè)特點(diǎn)，實(shí)踐教學(xué)可劃分為三個(gè)層次，即基本技能培養(yǎng)、專業(yè)技能培養(yǎng)、技術(shù)應(yīng)用與創(chuàng)新技能培養(yǎng)?；炯寄芘囵B(yǎng)包括實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)、計(jì)算機(jī)應(yīng)用等；專業(yè)技能培養(yǎng)包括實(shí)習(xí)環(huán)節(jié)、設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)；技能應(yīng)用與創(chuàng)新技能培養(yǎng)包括科技訓(xùn)練、技術(shù)創(chuàng)新等。在各層次的教學(xué)內(nèi)容中，均按照教學(xué)目標(biāo)定位要求，將虛擬仿真技術(shù)與現(xiàn)實(shí)實(shí)踐結(jié)合應(yīng)用，構(gòu)建出虛實(shí)結(jié)合的實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容體系（如圖２所示）。圖２土木工程專業(yè)實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容體系在實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容中，實(shí)驗(yàn)、實(shí)習(xí)、設(shè)計(jì)及科技創(chuàng)新各環(huán)節(jié)的虛擬與現(xiàn)實(shí)內(nèi)容設(shè)置如表１所示。表１實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的虛擬與現(xiàn)實(shí)內(nèi)容設(shè)置與之相適應(yīng)，編制相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)、實(shí)習(xí)、設(shè)計(jì)教學(xué)大綱，實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書、設(shè)計(jì)指導(dǎo)書、實(shí)習(xí)指導(dǎo)書等。虛擬技術(shù)與現(xiàn)實(shí)教學(xué)手段相結(jié)合的土木工程專業(yè)實(shí)踐教學(xué)體系教學(xué)改革實(shí)踐情況如下：（1）實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)。比如大型結(jié)構(gòu)試驗(yàn)、結(jié)構(gòu)抗震試驗(yàn)等，不便進(jìn)行真實(shí)實(shí)驗(yàn)的情況，采用有限元軟件ＡＮＳＹＳ、ＡＢＱＵＳ等進(jìn)行虛擬仿真模擬實(shí)驗(yàn)，觀察荷載及各種外部作用下結(jié)構(gòu)的受力反應(yīng)及破壞情況。（2）實(shí)習(xí)環(huán)節(jié)。課題組將多媒體計(jì)算機(jī)技術(shù)、計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)引入實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，創(chuàng)建“土木工程虛擬仿真與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐相結(jié)合的實(shí)踐教學(xué)模式”：在實(shí)踐環(huán)節(jié)教學(xué)中利用動(dòng)畫、視頻、ＢＩＭ仿真模擬等多媒體和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，將許多施工操作程序在模擬環(huán)境中演練，再現(xiàn)和虛擬工程的作業(yè)過程，把工程現(xiàn)場(chǎng)、實(shí)驗(yàn)等搬進(jìn)課堂，讓學(xué)生通過室內(nèi)“實(shí)習(xí)”去認(rèn)識(shí)工程、開闊視野、獲取經(jīng)驗(yàn)、提高專業(yè)素養(yǎng)。通過現(xiàn)場(chǎng)拍照、錄像，網(wǎng)絡(luò)收集，整理了施工過程圖片、圖紙及錄像等，并通過購買的方式，采購了一套完整的施工現(xiàn)場(chǎng)技能人員培訓(xùn)視頻，教學(xué)效果非常好。另外，我校還與北博數(shù)字信息技術(shù)有限公司合作，共同開發(fā)了橋梁工程施工、道路工程施工等三維多媒體課件及視頻，并在教學(xué)中投入使用，效果較好。土木工程施工過程資料庫中的圖片、錄像、圖紙等資料在土木工程概論、土木工程制圖與ＣＡＤ、土木工程施工、道橋施工技術(shù)、橋梁工程、路基與路面等課程中均得到了采用；與北博數(shù)字信息技術(shù)有限公司合作開發(fā)的橋梁工程施工、道路工程施工三維多媒體課件與視頻，在土木工程施工、道橋施工技術(shù)等相關(guān)課程中得到了采用。受益學(xué)生每屆約２００人，已實(shí)施３屆。另外，合作制作的三維數(shù)字化課件已經(jīng)發(fā)布在北博數(shù)字網(wǎng)站上，可供廣大學(xué)生與工程技術(shù)人員學(xué)習(xí)參考，受益面較廣。（3）設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)。包括課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)。目前，本專業(yè)學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)絕大多數(shù)采用實(shí)際工程設(shè)計(jì)參數(shù)，并按實(shí)際工程要求完成設(shè)計(jì)任務(wù)，真題真做，可使學(xué)生的設(shè)計(jì)最大限度地接近工程實(shí)際，便于與未來工作順利接軌。課程設(shè)計(jì)一般常用虛擬參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，即可達(dá)到訓(xùn)練目的。（4）科技訓(xùn)練與技術(shù)創(chuàng)新環(huán)節(jié)。這是學(xué)生綜合素質(zhì)及實(shí)踐能力培養(yǎng)不可或缺的重要環(huán)節(jié)。同樣，在建模、計(jì)算及分析過程中采用了虛擬仿真技術(shù)或軟件輔助等。如結(jié)構(gòu)模型分析與制作課設(shè)，分析部分用虛擬仿真技術(shù)（軟件輔助計(jì)算），制作部分采用實(shí)際操作；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽建模和計(jì)算部分也事先進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬建模和受力計(jì)算分析，對(duì)于實(shí)際建模參賽大有裨益。我校年年參賽并取得了非常豐碩的成果，獲得二等獎(jiǎng)、三等獎(jiǎng)、優(yōu)秀獎(jiǎng)多項(xiàng)。近二年來，以遼寧省結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽、創(chuàng)業(yè)大賽、科技創(chuàng)新大賽等為契機(jī)，每年均動(dòng)員全系力量組織學(xué)生積極參與。通過比賽，學(xué)生的協(xié)調(diào)溝通能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神、實(shí)際動(dòng)手能力得到了全面提高。例如，以遼寧省結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽為契機(jī)，每年在校內(nèi)舉辦大規(guī)模的選拔賽（海選），配備專業(yè)教師對(duì)所有學(xué)生進(jìn)行指導(dǎo)，每年約30組學(xué)生參賽，每組3人，直接受益學(xué)生約90人。此外，還積極組織學(xué)生參加遼寧省測(cè)繪之星測(cè)量大賽、創(chuàng)業(yè)大賽、科技創(chuàng)新大賽等，每年受益學(xué)生約50人。這些科技訓(xùn)練與技術(shù)創(chuàng)新環(huán)節(jié)的強(qiáng)化大大提高了學(xué)生的綜合能力。２．完善工程實(shí)驗(yàn)、土木工程施工虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)。本項(xiàng)目的前期研究，已經(jīng)初步建立了工程背景資源庫，并完成了部分土木工程施工虛擬仿真課件及動(dòng)畫的制作（道路橋梁施工部分）。本項(xiàng)目將在前期項(xiàng)目研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步擴(kuò)充工程背景資源庫，開發(fā)、完善工程實(shí)驗(yàn)、土木工程施工虛擬仿真課件及動(dòng)畫（房建施工、地下工程施工）；利用三維動(dòng)畫，演示大型結(jié)構(gòu)試驗(yàn)，模擬土木工程施工的關(guān)鍵過程和技術(shù)要點(diǎn)，使學(xué)生充分了解技術(shù)方案的核心內(nèi)容，達(dá)到了展示施工工藝、質(zhì)量要求、安全目標(biāo)的目的。四、改革實(shí)踐教學(xué)考核評(píng)價(jià)方式關(guān)于實(shí)踐教學(xué)考核評(píng)價(jià)方式，以往的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)考核管理方式比較單一化、簡單化，容易流于形式、欠缺公平。針對(duì)這種現(xiàn)象，我校改革了實(shí)踐教學(xué)考核方法，建立了多元化考核方式。在考察學(xué)生對(duì)基本知識(shí)掌握情況的同時(shí)，更注重考核學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解和運(yùn)用能力；不僅關(guān)注實(shí)踐結(jié)束時(shí)的考核結(jié)果，更注重對(duì)實(shí)踐過程的管理、考核，并把多次考核與多種考核的結(jié)果相結(jié)合作為最終成績。在考察學(xué)生工程技能的同時(shí)，高度重視對(duì)學(xué)生工程意識(shí)、企業(yè)精神、工程作風(fēng)等工程素養(yǎng)的考察。實(shí)際上，無論國際工程教育通用標(biāo)準(zhǔn)，還是中國本科層次卓越工程師培養(yǎng)通用標(biāo)準(zhǔn)，學(xué)生的基本素養(yǎng)要求都被放在首要位置，要求具有良好的工程職業(yè)道德、較強(qiáng)的社會(huì)責(zé)任感和較好的人文科學(xué)素養(yǎng)；其次對(duì)現(xiàn)代工程意識(shí)要求較高，需要具有良好的質(zhì)量、環(huán)境、職業(yè)健康、安全和服務(wù)意識(shí)。所以沈陽工業(yè)大學(xué)改革實(shí)踐教學(xué)考核評(píng)價(jià)方式的重要內(nèi)容之一就是在實(shí)踐過程中注意觀察學(xué)生基本素質(zhì)、道德風(fēng)尚方面的表現(xiàn)及存在的問題，及時(shí)加以指導(dǎo)并促其改正?？傊?，針對(duì)不同的實(shí)踐內(nèi)容，采用筆試、口試、答辯、機(jī)考、操作、報(bào)告等多種形式，對(duì)學(xué)生的基本理論、基本知識(shí)、基本技能以及分析解決問題能力等進(jìn)行綜合考核。五、完善實(shí)踐教學(xué)支撐體系實(shí)踐教學(xué)支撐體系通常由師資、設(shè)備和學(xué)習(xí)環(huán)境等組成，對(duì)于實(shí)踐教學(xué)的效果在很大程度上起著決定性的制約作用。針對(duì)土木工程專業(yè)發(fā)展需要，適應(yīng)工程人才培養(yǎng)要求，圍繞實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，以土木工程專業(yè)骨干教師為核心、合作實(shí)踐教學(xué)基地企業(yè)專業(yè)為輔助，構(gòu)筑一支基礎(chǔ)理論扎實(shí)、實(shí)踐背景深厚、工程能力強(qiáng)、具有創(chuàng)新意識(shí)的教學(xué)團(tuán)隊(duì)。按照“專職教師工程化、兼職教師專業(yè)化”的目標(biāo)，加強(qiáng)專、兼職實(shí)踐教學(xué)團(tuán)隊(duì)建設(shè)。一方面，積極創(chuàng)造條件鼓勵(lì)專職教師尤其是青年教師“走出去”，到企業(yè)中掛職鍛煉、學(xué)習(xí)，提高專職教師工程實(shí)踐能力；另一方面，將合作企業(yè)中專業(yè)知識(shí)豐富、業(yè)務(wù)素質(zhì)高、職業(yè)道德好、工作能力強(qiáng)的業(yè)務(wù)骨干“引進(jìn)來”，聘為校外兼職教師，參與實(shí)習(xí)、設(shè)計(jì)等實(shí)踐環(huán)節(jié)的指導(dǎo)。設(shè)備等實(shí)踐教學(xué)設(shè)施方面，一是創(chuàng)造條件加大校內(nèi)實(shí)踐教學(xué)設(shè)備的購置力度，購置的實(shí)驗(yàn)設(shè)備不僅要滿足教學(xué)、科研需要，更應(yīng)注重工程應(yīng)用性；二是充分利用合作企業(yè)的實(shí)驗(yàn)設(shè)施、生產(chǎn)設(shè)備。建立資源共享、優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，雙方共贏、穩(wěn)定持久的合作模式。學(xué)習(xí)環(huán)境方面，一是加強(qiáng)完善校內(nèi)實(shí)驗(yàn)室、設(shè)計(jì)室建設(shè)，二是加大校企合作平臺(tái)建設(shè)，拓寬合作方式和途徑，加強(qiáng)與設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、施工、監(jiān)理等單位的協(xié)作，建立校外實(shí)踐基地，并促進(jìn)“產(chǎn)學(xué)研”相結(jié)合，開展橫向協(xié)作。把企事業(yè)單位作為培養(yǎng)實(shí)踐能力的重要教學(xué)場(chǎng)所，作為學(xué)校教育的有力補(bǔ)充，可以為實(shí)踐教學(xué)的開展創(chuàng)造有利條件。改進(jìn)之后較為完善的實(shí)踐教學(xué)支撐體系如圖３所示。圖3改進(jìn)后的實(shí)踐教學(xué)支撐體系框圖六、結(jié)語虛擬仿真教學(xué)具有高效率、低成本、內(nèi)容豐富、性能有效和安全等優(yōu)勢(shì)，將虛擬仿真教學(xué)與現(xiàn)實(shí)教學(xué)相結(jié)合有助于提高實(shí)踐教學(xué)效果，可以使學(xué)生克服場(chǎng)地與設(shè)備的限制，掌握更多實(shí)踐技能，對(duì)于提高土木工程專業(yè)學(xué)生實(shí)踐能力具有重要作、工業(yè)大學(xué)土木工程專業(yè)以現(xiàn)代信息技術(shù)為基礎(chǔ)，將多媒體仿真技術(shù)引入土