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新工科背景下智能建造专业实验教学改革与探讨

2024-10-05 135 上传者：管理员

摘要：智能建造专业是新工科典型专业之一，而实践能力对于新型工科专业来说至关重要，因此，实验教学对于智能建造专业来说是不可或缺的。而大多高校在智能建造专业实验教学时存在实验内容“墨守成规”“不求进取”、实验教学手段“陈陈相因”、实验教学评价“亟待完善”等主要弊端。本文通过打破传统教学结构，构建多层次教学模式、虚实结合，构建智能化实验教学体系、多元分析，构建综合评价体系三个方面对上述弊端进行革新与探讨。本文可为我国高等学校培养智能建造专业拔尖创新复合型人才和行业领军提供参考。

关键词：
创新复合型人才
实验教学改革
新工科
智能建造
理论教学
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随着科技的发展和社会的进步，我国高校的教育质量也应并驾齐驱，这就要求高校培养学生的实践能力、动手能力、动脑能力，进而培养学生的创新意识和攻坚克难的能力与信心，使学生成为全能型新兴拔尖人才。实验课程是高等学校实践教学的“主力军”,智能建造专业作为典型的新工科专业，实验课程的重要性不言而喻。而当前高校教育却大多过度注重“看不见，摸不着”的理论知识，对实践教学的相关内容安排较少，占比不足三分之一，因此，如何体现实践教学的重要性，如何将理论教学与实践教学相融合，如何通过实践教学培养创新复合型人才是燃眉之急，是刻不容缓的“大革命”。

目前，实验室是高校智能建造专业实验教学的主要“阵地”,是新工科背景下培养高素质人才、出高水平成果、服务经济建设的主要场所[1],并且对于提高教学质量、培养学生独立探索及科学研究能力、强化实践能力、实现应用型人才培养目标均具有重要意义[2]。可见在高校的教学、科研以及服务中，实验室具有举足轻重的作用，因此，如何强化实验室的建设和深化实验室的管理是高等学校至关重要、迫在眉睫的使命。

本文以智能建造实验课程为例，从实验教学内容、实验教学手段、实验教学评价等三个主要的角度对现阶段教学主要弊端进行剖析，进而通过构建多层次教学模式、构建智能化实验教学体系、构建综合评价体系三个方面对上述弊端进行研讨并维新。

1、实验教学存在的主要弊端

1.1 实验教学内容“墨守成规”“不求进取”

目前，大多高校实验教学为传统的“填鸭式”教学，即教师首先将实验流程和注意事项传授给学生，随后学生开始“照葫芦画瓢”,可能部分学生并未完全掌握实验原理，并不完全理解实验与理论的关系，单凭“照猫画虎”也可以达到实验课程的合格线，并且由于学生基数过大，实验室开放时间有限等问题，可能某些学生并未实际操作，导致某些实验成为“演示性”实验，使学生在实验教学过程中毫无存在感，长此以往，部分学生可能对于实验课程毫无期待。

此外，大多数高校将实验课程视为理论课程的附属课程，实验还“兵马未动”,结果早已“了然于心”,这种验证性实验对学生创新思维和探索精神的培养“微乎其微”。并且很多高校在实验课程中设置的实验项目较少，大多为基础性、重复性实验，同时很多项目深度挖掘不够，如在教授材料性能实验时，一般是通过钢材的轴向拉伸实验获得其屈服强度、极限拉应力等参数，而忽略了地震力是往复的，理应深挖往复拉伸钢材实验的数据是否更加精确，两者的误差大小及原因。

显然，大多高校目前的实验教学内容是“墨守成规”“不求进取”,这不是实验教学长远科学发展的“光明道路”,因此，对实验教学内容进行改革是刻不容缓的“大事”。

1.2 实验教学手段“陈陈相因”

传统的实验课程教学方式大多是在线下实验室教师演示、学生模仿。因此，实验室场地、仪器设备、实验时间以及学生自身性格等原因可能会导致部分能力强的学生学有余力而无条件深入研究，可能还会导致部分能力较弱的学生“害羞”,对于不理解的实验理论“不敢”向指导教师请教，甚至部分学生对待实验课程都不知如何融入和参与，并且这种现象普遍存在，致使实验课程教学的成效低下。因此，如何更新实验教学手段，进而提升学生的课程参与感和学习积极性，为社会培养综合型创新人才是当务之急。

1.3 实验教学评价“亟待完善”

目前，大多高校通过传统的手段对实验教学结果进行评价，传统实验教学评价手段是指导教师通过实验报告、实验实际操作情况、学生出勤次数以及实验课程学生的表现和反馈等来评判实验教学的结果，可见这种做法具有一定的主观性，甚至会给学生造成一种错误的引导，认为在不缺勤的前提下，实验操作时“照搬照抄”,实验课程的成绩就不会太差，这样一来，对于实验理论，实验操作等核心内容则不受重视，这是目前的实验教学结果评价的通病，可见大多高校缺乏一个完善的实验教学评价体系。

2、针对实验教学弊端改革的措施

针对上述实验教学过程中存在的弊端，可以从三个角度着手革新，分别为打破传统教学结构，构建多层次教学模式、虚实结合，构建智能化实验教学体系、多元分析，构建综合评价体系，进而探索和践行智能建造实验教学内容的措施。

2.1 打破传统教学结构，构建多层次教学模式

传统实验教学课程构造大致如下：第一步，学生对照教材预习实验内容；第二步，教师准备设备仪器并按照教材进行示范实验；第三步，学生依样画葫芦，教师针对性指导；第四步，学生基于实验结果处理实验报告。这种实验教学方式会导致学生的思维只能被动地困在教师所建立框架之中，学生的创新能力及主观能动性会被抑制。这显然与智能建造专业所需培养的拔尖创新新兴人才和行业领军的道路是偏离的。因此，我们需要打破传统教学结构，建立多层次实验教学模式。

第一个层次：基础性实验。在教材的学习中，在实验教师的指导下，学生按照操作步骤逐步完成实验，能够训练学生的基本专业技能，掌握基本实验方法以及实验理论。如混凝土抗压强度实验、钢材轴向拉伸实验、岩石标本认识实验、材料基本性质实验、石灰有效钙含量实验等。

第二个层次：综合性实验。综合性实验是以掌握的专业知识为基础，以确定的研究内容为对象，按照研究目的学生提出实验的设计方案，在实验指导教师的协助下完成实验。综合性实验可培养学生的自主研究能力、分析问题的能力和解决困难的能力。如预制节段拼装钢管混凝土桥墩拟静力实验、地震模拟振动台实验、钢筋混凝土简支梁实验、标准钢梁静载实验、简支钢桁架实验、回弹法评定混凝土强度实验、土的击实实验等。

第三个层次：创新型实验。“一千个人心中有一千个哈姆雷特”,学生的思想是新颖的，有生机的，勇敢的，因此，学生可以利用实验室及设备、教材等运用多种方法来实现自己的想法，铺平自己的科研道路。高校的实验室甚至可以成为学生专业思维变成实际工程的平台。这对于培养学生的科研创新能力和学习的积极性起到了“推波助澜”的作用。如上文提及的钢材往复拉伸实验、新型复合混凝土材料抗压强度与裂缝开展实验、多节段预制拼装高墩抗震性能实验、外置拱形耗能装置的节段拼装CFST桥墩实验、拼装幕墙振动台实验等。

多层次实验教学模式是一种层层递进的新模式，它成功地将教师为“主角”输出，学生为“配角”吸收的传统模式扭转为“学生为主，教师为辅”的新模式，成功地将实验教学内容的“墨守成规”和“不求进取”改变为“推陈出新”和“奋勇争先”。对于高校培养学生的实践能力、综合能力、创新能力和培养学生勇于挑战、敢于担当的精神以及职业认同感和家国情怀等均有一定的贡献。

2.2 虚实结合，构建智能化实验教学体系

智能建造专业作为典型的新工科专业，实验教学是不可或缺的，而当前大多高校关于智能建造专业在真实实验教学中困难重重，如混凝土养护时间较长、养护条件较高、结构抗震实验安全隐患较大、实验设备投入费用较高、实验过程不可逆等。因此，可引入虚拟仿真技术，建立虚拟仿真实验教学平台，形成了“仿真实验”拓展“真实实验”的“绿色实验”教学特色，形成虚拟与现实相结合的教学形式，形成“交互式、体验式、自主性、探究性”的实验教学方法，进而改善实验教学的效果。虚拟仿真实验教学平台不仅能够给予学有余力的学生一个“创新”“探索”“试错”的平台，同时也给“笨鸟未飞”的学生一个“学习”“研究”“修正”的机会。

新时代，高校学生早已和互联网“打成一片”,云课堂是一种高效、便捷、能够实时互动、能够打破时间和空间限制的远程线上教学课堂，将云课堂引入高校实验教学课程是改革的重大战略决策，学生可以提前通过云课堂对实验理论、教学内容、材料设备以及实验操作及注意事项等知识进行学习掌握，部分学习能力较弱的学生可以提前借助云课堂反复学习观摩，将未理解的理论或操作等难题给指导教师留言，当正式线下实验课程时，指导教师可根据学生问题针对性讲解，也更容易让学生将理论与实践结合，这毋庸置疑地推进了整体的实验教学效果。将云课堂引进实验教学课程，不仅调动了学生的主观能动性，激发了学生掌握实验课程的信心，而且给部分现实中“羞于启齿”的学生虚心请教的平台。

在实验教学过程中，引入虚拟仿真实验教学平台和云课堂是一次“大革命”,虽然两者都是线上教学，但可以解决实验室场地、仪器设备、实验时间等线下教学带来的问题。此外，学生可先通过云课堂将实验课程内容消化，再利用虚拟仿真实验平台，学生可初步独立实验，成为实验的“主角”,而疑难问题若可通过线上实验教师指导，甚至可实现“不出户，知天下。不窥牖，见天道”。虚拟仿真实验平台与云课堂协同工作，对实验教学起到了举足轻重的作用。实际上，这不仅仅是虚拟仿真平台和云课堂的引入，而是一种虚拟思想的引入。在实验教学过程中，除上述线上平台外，还可以引入VR可视化系统、空间分析软件、数字化教学等。

2.3 多元分析，构建综合评价体系

实验教学课程在学生心中的地位对实验课程和实验室的发展影响深远，而拔高实验教学在学生心中的地位，实验课程成绩的判定是至关重要的。传统的实验课程评价是片面的，并不能完全地反映出学生是否有“真材实料”,因此，一种多元化综合评价体系应运而生，如下图所示。从四个角度对实验课程成绩进行评判，分别为实验核心内容、实验基本要求、实验感悟与深度以及实验整体评价。

多元化综合评价体系图

实验核心内容的考查与传统实验内容考查“形似神不似”,它在传统考查的基础上更加严格细致，增设了对应的考查手段，如在实验前，对学生进行理论测试，测试通过后方可自己拟订实验方案并与指导教师讨论确定实验的可行性，实验方案被指导教师认可后方可参与实验操作。采集数据并完成实验报告，是层层递进的，并且实验原理分值、实验方案认可度、实验操作熟练度、实验报告完整度均会参与实验课程评价，占比40%。实验基本要求包含实验态度和考勤打卡两个方面的评价，实验态度主要是通过指导教师的观察和学生的反馈，考勤打卡可通过学习通(云课堂)等签到实现，占比10%。实验感悟包含两个方面，实验安全与环保意识以及实验后的思政感悟，这可通过教师与学生单独面谈实现，实验层次代表着学生设计实验的“档次”,这可从学生的实验设计方案和完成情况来判定，占比25%。实验整体评价主要有学生互评、教师评价、平台监督等方式，学生互评可通过问卷调查法来实现。教师评价可通过观察法来实现，平台监督主要是通过大数据、智能技术等高新技术对云课堂学习时长、学习数量以及学生与指导教师或学生与学生之间的讨论交流等情况。虚拟仿真实验教学平台的使用频次、使用熟练度、实验还原性等情况进行后台检测，智能转化为实验课程的成绩，占比25%。

在多元化实验教学评价体系下，部分学生因数据不理想在后续补做实验，甚至有的学生重新拟订实验方案，提高实验的层次。由此可见，多元化考查且考查细致化等一系列做法不得不使学生“处处小心”“一视同仁”,这样也调动了学生的积极性，也推进了实验教学的发展。

3、结语

智能建造专业是典型的新型工科专业之一，而实践能力是实现智能建造的“必要前提”,由此可见，出类拔萃的实验教学方法与新兴产业的赓续发展是“密不可分”的。本文以智能建造实验课程为例，从实验教学内容“墨守成规”“不求进取”、实验教学手段“陈陈相因”、实验教学评价“亟待完善”等三个主要的角度对现阶段教学主要弊端进行剖析，进而通过打破传统教学结构，构建多层次教学模式、虚实结合，构建智能化实验教学体系、多元分析，构建综合评价体系三个方面对上述弊端进行鼎新与研讨。通过鼎新，进而调动学生的主观能动性，激发学生的实验积极性，培养学生的实践能力、综合能力、创新能力，培养学生勇于挑战、敢于担当的精神以及职业认同感和家国情怀，进而为社会培养了智能建造专业拔尖创新复合型人才和行业领军。

参考文献:

[1]赵玉兰.民办高校建筑环境与设备工程实验室管理与实验教学的改革与完善[J].价值工程,2012,31(01):236-237.

[2]褚怡春,高翔,杨永华.对我国高校国家重点实验室建设的分析与思考——以南京大学为例[J].科技管理研究,2015,35(12):80-84.

基金资助:浙江省自然科学基金资助项目(LTGG23E08 0001);工程学院七期教改培育项目;

文章来源:王城泉,宗延威,范晓真,等.新工科背景下智能建造专业实验教学改革与探讨[J].科技风,2024,(28):34-36.