互动启发与开放自主并重的分层式实验教学

互动启发与开放自主并重的分层式实验教学——“钢筋混凝土实验”课程

余世策　蒋建群　刘承斌　赏星云　冀晓华　胡志华
　土木水利实验教学中心

一、课程简介

1.课程类别

专业课程

2.学科类别

工学—土木工程

3.课程目标和教学内容

（1）课程目标:钢筋混凝土实验是土木工程专业学生掌握钢筋混凝土结构设计原理、学习结构工程测试方法的主干实验课程。本课程通过对钢筋混凝土构件性能测试基本方法、测试装置的工作原理等知识的讲授，应变片和位移计等测试仪器的安装操作，实验现象的观察，挠度、力、裂缝等实验数据的测试和整理等环节，要求学生了解钢筋混凝土梁正截面抗弯、斜截面抗剪等破坏的全过程，掌握钢筋混凝土构件的力学机理和几种不同的破坏形式，熟悉混凝土构件试验研究的方法，并得到试验基本技能的训练。

（2）教学内容:钢筋混凝土实验感性教学（观看教学片、参观实验室）、应变片的粘贴与应变仪的使用、应变引伸计的安装与百（千）分表的读数、计算机模拟实验、钢筋混凝土构件互动演示实验（含混凝土裂缝的观测）、钢筋混凝土构件自主加载实验和钢筋混凝土构件（结构）创新设计实验（全过程开放式）。

4.教学对象

本科三年级土木工程专业、水资源和海洋工程专业学生；每年开设5个教学班，每班人数在44人左右，学生共计220余名。

5.课程学时与教学场景

（1）课程学时:16学时。

（2）教学场景:观看教学片在多媒体教室开展，互动演示教学、自主及创新实验教学在结构工程实验室开展。

二、课程教学重点解决的问题

钢筋混凝土实验作为土木工程专业的必修核心实验课程，一方面需要引导学生通过实验理解钢筋混凝土结构设计的原理，另一方面需要传授学生必要的工程结构测试方法，提高学生的动手能力。学有所得，本课程教学需要重点解决以下几个问题:

（1）钢筋混凝土实验的对象是钢筋混凝土构件，实验内容以破坏性实验为主，因此实验教学的人力物力消耗十分巨大，如何让有限的资源投入发挥更好的教学效益，是本课程需要解决的关键问题。

（2）完成钢筋混凝土实验需要讲究团队协作，而成功的协作又离不开每个个体对实验技能的娴熟掌握，如何使每个学生个体真正掌握各项实验技能，提高学生的动手能力，同时又能培养学生的团队合作精神，是本课程需要解决的重点问题。

（3）通过钢筋混凝土实验能加深学生对钢筋混凝土结构设计原理的深层次理解，但必须通过对包括应变、挠度等实验数据的实时观测以及构件变形、裂缝开展现象的实时观察，结合理论知识进行探讨。这个过程需要学生带着问题学习、需要有老师引导，如何在课堂中营造出这样的氛围，提高学生学习的积极性，是本课程需要解决的核心问题。

三、教学方法改革

1.教学实施策略与方法

针对课程教学的目标和实验教学需要重点解决的问题，进行课程改革。目前采用的教学实施策略和方法主要有:集约分层式的教学策略、实验技能的个体化教学方法、基于虚拟仪器的情境启发式教学方法、问题式互动演示实验教学方法、团队合作式自主实验教学方法、开放式创新设计实验教学方法等。

（1）集约分层式教学策略。集约分层式教学策略针对的是像钢筋混凝土实验这样的学生多、消耗大的实验课程，所指的是将完成以传授基本原理和方法的教学目标层次与体现自主协作特性的高层次教学目标层次相分离，形成基本型－提高型－创新设计型三层次教学模式，让每位学生实实在在地掌握大纲的要求，而让水平高有兴趣的学生体验自主协作创新设计实验的教学策略，真正做到教学资源的优化配置。

（2）实验技能的个体化教学。钢筋混凝土实验的技能训练包括应变片的粘贴与应变仪的使用、应变引伸仪的安装与百（千）分表的读数、钢筋混凝土构件裂缝的观测这三个主要部分。在本课程的基本型教学层次中，引入以个体化教学为特征的教学方法，有效监督每位学生都能得到全部基本技能的训练，接受指导老师的一对一现场指导与考核，从而避免学生只接触其中一项技能训练的弊端，让每位学生都能得到训练，提高动手能力。

（3）基于虚拟仪器的情境启发式教学。钢筋混凝土构件在加载时随着荷载增大会出现裂缝，梁的挠度增大，同时受拉主筋的应变增大，受压混凝土的应变也随之增大等，挠度和应变数据直接与梁的开裂情况相关，因此通过将梁的开裂现象与实验数据相联系，从而启发学生准确把握梁受弯、剪破坏的三个阶段，对于引导学生深入理解钢筋混凝土结构设计原理是大有裨益的。在本课程的基本型实验教学中采用自主研发的基于虚拟仪器的实验教学系统，形象地将实验数据以曲线的形式实时显示出来，将学生完全置身于钢筋混凝土构件破坏试验的情境中去，启发学生有目的有方向地开展加载试验，充分理解弹性受力阶段、带裂缝工作阶段和破坏阶段三个阶段的钢筋和混凝土的受力特性，从实验现象中理解平截面假定的适用性等，从而大大提升了教学效果。

（4）问题式互动实验演示教学。在基本型实验演示教学中，结合启发式实验教学系统，通过奖励措施鼓励学生参与实验过程，开展师生互动和生生互动，从而达到活跃课堂气氛，在互相交流中教学相长的效果。对于基本实验现象的原理解释，可采取教师提问，学生独立抢答的方式，而对于深层次理论问题，可采取学生讨论，教师总结解惑的方式，这样既满足了学生提高自我形象的需求，又使问题得到很好的暴露和解答，从而很好地调动了学生的学习积极性。这种方法的目的在于引导学生能主动地融入试验的整个过程，科学地分析问题和解决问题，充分锻炼学生思维能力、口头表达能力以及临场应变和沟通能力等。

（5）团队合作式自主实验教学方法。通过对全体学生进行个体化的教学，已掌握实验方法和实验技能的部分学生有兴趣开展团队合作式自主加载实验。在本课程的提高型实验教学中，课程组为学生提供了具有多种不同类型的钢筋混凝土构件包括少筋梁、超筋梁、少箍梁、多箍梁、大偏压柱、小偏压柱、受扭梁等，学生自由选修并自由组队，自主完成实验构件的安装、测试仪表的安装与调试、实验数据的测试与记录等工作。在这个过程中学生需要自主完成整个实验进程，需要精诚合作、互相协调，不仅将所学的实验技能充分应用，还培养了团队合作精神，学生会充分感觉到学以致用的满足感，而在这一过程中，指导老师只是从旁协助。

（6）开放式创新设计实验教学方法。开放式创新设计实验教学只针对少部分高水平的学生，这样的学生有能力开展研究式实验，实践表明这部分学生占比不高，可以采取更为灵活开放的课堂组织形式。在创新设计型教学中指导老师将开展实验的主动权全部交由学生，以学生为主体自主设计实验方案，进行实验构件的准备、混凝土的浇筑、实验装置的制作、设备的安装、实验加载、实验数据的采集与分析等，经历了整个试验全过程开放式实验的锻炼，会大大提高学生的自主创新能力和团队协作能力。

2.具体实施方法举例

【例1】　个体化实验技能教学

个体化实验技能训练是钢筋混凝土实验技能教学的新特点，结合现场一对一个体化考核真正让每位学生接触并掌握仪器的操作，得到动手能力的提高。如应变片的粘贴和应变仪的使用这一环节，首先由指导老师讲解应变片粘贴的知识，并进行现场演示，然后每两名学生为一小组在一根钢筋上各粘贴一只应变片，将两只应变片由电线引出，以半桥接法接入电阻应变仪，并进行调零，通过用力弯钢筋查看应变的变化情况，最后由指导老师检查应变片的粘贴质量和应变数据的合理性并进行评分；又比如混凝土裂缝的观测和描绘这一环节，该环节渗透于互动演示实验的过程中，首先由指导老师讲解裂缝观测仪的使用，以及裂缝宽度的测量及裂缝的描绘方法，然后在加载过程中轮流抽取两名学生来观测裂缝，观测完毕后由指导老师检查学生的裂缝观测成果，根据裂缝是否漏测以及裂缝描绘的质量进行评分。

【例2】　互动启发式演示实验教学

开展钢筋混凝土实验互动启发式教学在国内尚属首创，实施互动启发式实验教学必须集中优势师资力量和教学资源，实行小班化教学，其本质是将指导老师与学生捆绑在一起，共同完成完整的加载实验，在这一过程中相互交流、共同提高。比如开展钢筋混凝土适筋梁受弯的互动启发式演示实验教学中，首先由指导老师介绍实验的基本流程及荷载分级，以及实验教学演示系统的界面，明确指出适筋梁受弯破坏的过程分为弹性阶段、带裂缝工作阶段和破坏阶段，启发学生通过实验数据和实验现象来分析各个阶段钢筋和混凝土的受力状态，加载实验开始后分别随机抽取两名学生负责观测裂缝，而其余学生固定在观众席上观摩实验现象，而指导老师负责启发学生从实验现象中寻找开裂荷载、极限荷载等，同时与学生进行交流互动，包括引导学生提出问题、回答问题，并对学生提出的问题进行总结解惑。从图1可以看出学生在互动启发式实验演示教学中的表现，显然学生思考的主动性得到了充分调动。

图1　互动启发式实验演示教学场景

【例3】　开放式创新设计实验教学

开放式创新设计实验不限时间，完全由学生与老师商量安排，选题可由老师提出，也可由学生提出，通过多次商讨后确定实验方案，设计配筋方案、安排实验构件的制作，并由学生安装实验构件和测试仪表，自主完成全部测试工作，最后进行数据分析与处理。由于实验技能在必修课环节中已全部得到训练，因此创新设计型实验注重创新思维的训练，这对于少部分高水平的学生是非常有价值的。以预应力钢筋混凝土梁受弯实验为例，目前国内很少有学校开展该实验项目的教学，原因在于实验构件制作困难，然而以学生为主体的创新设计实验环节中，让预应力钢筋混凝土梁受弯实验得以成功实施。学生自主设计了采用钢筋套管的办法，将一根预应力钢筋埋入钢筋混凝土梁中，以螺母配替代张拉锚具采用后张法成功实施了预应力的施加。学生自主开展针对预应力钢筋混凝土梁受弯创新设计型实验，不仅充分发挥了创新思维，动手能力和团队合作能力也得到了充分发展。

3.教学方法特点分析

本课程经多年教改，逐步形成一整套完整的教学思路，归纳起来本课程所运用的教学方法主要包括以下几点:

（1）资源优化配置与差异式实验教学相配合。对于钢筋混凝土实验这种学生多、消耗大的实验课程，根据学生的个体差异实施差异教学，将有限的教学资源进行优化配置，从而使整体的教学效果得到提升。

（2）个体化学习与合作式学习相结合。本课程将实验技能的学习独立出来，让每位学生接受一对一的实验指导与考核，将基本技能的学习落到实处，同时推出团队合作式实验让学生充分运用所学技能，又体验了团队合作带来的成功喜悦。

（3）情境启发与互动问答式学习同步推进。采用自主研发的实验教学系统将钢筋混凝土构件加载试验的数据直观显示出来，配合构件裂缝开展过程，为学生创设了思考的情境，同时采取了问答式学习，为学生营造了良好的互动交流环境，促使学生学习积极性空前高涨。

（4）注重开放式全过程学习与形成性评价。本课程高层次创新设计型实验教学注重开放式全过程学习，对学生的考核也贯穿于试验方案设计、构件制作、加载试验、数据分析和报告撰写的全过程，有效地提高了学生的综合能力。

四、课程考核方法和支撑手段

1.课程考核方法

本课程采取全方位课程考核方式，将所有教学环节纳入其中，不仅有实验报告考核，更有对实践动手环节和互动环节的考核。在实际操作中，将出勤率、动手环节、模拟实验、理论计算、互动环节等全部计入平时成绩中，具体做法如下:

成绩构成:平时成绩70%＋实验报告成绩30%＋提高实验（加分）

平时成绩构成:课堂出勤占20%，应变片粘贴与应变仪的使用占10%，应变引伸仪的安装和百（千）分表的读数占8%，裂缝的观测占8%，模拟实验作业占6%，理论计算作业占10%，加载试验互动环节考核占8%。

2.支撑手段

本课程教学方法的改革必须有相应的软硬件平台支撑，包括多功能实验教学加载平台和基于虚拟仪器的实验教学软件，以保证本课程最具特色的教学方法得以实施。

（1）多功能实验教学加载平台建设。多功能实验教学加载平台采用自平衡四立柱空间结构体系，涵盖了钢筋混凝土构件受弯、剪、压、扭等加载功能，同时具备强大的可扩展功能，为创新设计型实验的开展提供了良好的平台，如图2（a）所示。

（2）基于虚拟仪器的实验教学软件系统研制。基于虚拟仪器的实验教学系统采用3只NI 9237同步电桥模块组成便携式数据采集系统，将需要采集的信号如位移信号、力信号和应变信号，以半桥或全桥电路接入，结合课程教学目的，将实验测到的数据以图表的形式直观地显示出来，定制为最适合实验启发式教学的软件系统，其界面如图2（b）所示。

图2　自主研发的钢筋混凝土实验软硬件平台

五、教学效果和推广性分析

1.教学效果

本课程教学方法的改革从2007年已提出初步构想，经过多年实践，逐步推进，到目前已形成完整的教学体系，5届学生逾千名学生受益。以目前的教学情况来看，效果非常理想。

关于实验课考核方法，谢晓光同学（3090104786）在心得体会中写道:沈域同学（3090102936）:“考核方法十分新颖，又很合理。与以往实验课只以实验报告进行考核不同，又加入了实验操作技巧的考核。让我们更加注重了实验技能的训练，提高了我们的实验操作水平。”焦正治同学（3080101573）:“本实验课的考核方法是全过程、全方位的，制度十分透明、公平、客观。从出勤率、参与度及教学效果等多个角度对学生进行了考核。”

对于基于虚拟仪器的互动启发式教学，学生评价也很高。王申昊同学（3100103227）:“本实验课的互动式上课，就是将观察、思考与操作三合一，从而更好地掌握知识……”张婉越同学（3100101151）:“互动式上课模式可以活跃上课的气氛，激发我们的思考，同学之间的提问更是一个互帮互助的教学相长的过程……”

对于钢筋混凝土创新设计实验，参加钢筋混凝土梁抗扭试验的刘建锋同学（3051211051）是这样描述的:“在整个试验过程中，我们通过亲自设计方案，自己动手试验的一系列过程，更加清楚地认识了钢筋混凝土构件的受力机理、破坏形态以及钢筋在构件抗扭中所起到的作用；同时也锻炼了我们分析解决问题和试验研究的能力，为我们日后的研究工作提供了很多经验和教训。”裘慧岚同学（3061211128）:“……通过此次试验，对于培养自己的研究兴趣是一个极大的促进，同时也培养了自己团结合作的能力，独立思考、善于创新的能力。”

2.推广性分析

本课程教学方法的改革既具有钢筋混凝土实验本身的特色，对于全国钢筋混凝土结构试验课程的建设具有很好的借鉴价值，同时其中的思想在工程类实验教学改革中又具有一定的普适性，值得在同类实验课程中推广应用。自2007年以来，针对本课程的教学改革已发表教改论文6篇，获授权国家发明专利1项，出版教材1部，在同行中已引起关注。本课程的推广实施需要有以下条件支撑:

（1）需要有配套的软硬件实验教学系统。开展互动启发式教学和自主创新设计型实验教学需要有配套的软硬件实验教学系统，包括多功能实验教学装置和配套的实验教学系统。

（2）互动启发式课堂需要小班化教学（班级规模在20人以内）。在开展互动启发式课堂教学过程中，需要运用启发、问答、讨论等形式的教学方法，人数过多势必无法让每位学生有充分的参与时间，达不到应有的效果。

（3）自主创新型实验教学需要灵活的组织形式。参加自主创新型实验，学生需要主动去查阅相关文献和资料，与指导老师面对面地探讨，亲身动手参与整个实验过程，因此需要有相对开放灵活的课堂组织形式，必要时可以利用课余时间完成实验。

六、课程教材及实验参考书

［1］余世策，刘承斌.土木工程结构实验——理论、方法与实践.杭州:浙江大学出版社，2009

［2］舒士霖.钢筋混凝土结构.杭州:浙江大学出版社，2002

［3］蔡中民.混凝土结构试验与检测技术.北京:机械工业出版社，2005