1、DOI:1019392/jcnki1671-7341202308042面向“新工科”的“土木工程结构试验”课程体系建设与改革郑纬奇1，2朱志辉1，2刘晓春1，21中南大学土木工程学院湖南长沙410075;2高速铁路建造技术国家工程研究中心湖南长沙410075摘要:“新工科”是基于国家战略发展新需求、国际竞争新形势、创新人才培养新要求提出的工程教育改革方向，土木工程专业课程体系需面向“新工科”的建设要求。为满足培养土木工程专业学生工程实践能力和创新意识，面向创新人才培养需求的“结构试验”课程体系建设和改革具有重要意义。依托中南大学面向“新工科”的“土木工程结构试验”课程体系建设与改革措施，立足于
2、土木工程专业基础课程理论体系，将“结构试验”课堂教学与试验实操紧密结合，探索多场景、多主题、多层次开展项目式教学的模式，以任务为驱动，探讨了适应新形势人才培养理念的“土木工程结构试验”建设思路，结合行业特色建设一流专业课程，助力培养具有创新创业能力的学科交叉复合型高素质卓越工程科技人才。关键词:新工科;土木工程;结构试验;课程体系建设;课程改革中图分类号:G642文献标识码:AAbstract:Emerging Engineering Education is the direction of engineering education reform based on the new dema
3、nd ofnational strategic development，the new situation of international competition，and the new requirements for innovative personneltrainingThe curriculum system of civil engineering specialty needs to meet the construction requirements of the Emerging Engi-neering EducationIn order to cultivate the
4、 engineering practice ability and innovation consciousness of civil engineering majorstudents，the construction and reform of structural test curriculum system oriented to the cultivation of innovative talents is of greatsignificanceBased on the curriculum system construction and reform measures of t
5、he civil engineering structural test in CentralSouth University for emerging engineering education and the basic curriculum system of civil engineering major，this paper closelycombines the classroom teaching of structural test with the experimental practice，explores the multi-scene，multi-theme and m
6、ulti-level project teaching mode，and takes the task as the drivingThis paper probes into the idea of civil engineering structural testconstruction to adapt to the talent cultivation concept in the new situation，constructs the first-class professional courses in combina-tion with the industry charact
7、eristics，and helps to cultivate interdisciplinary，compound，high-quality and outstanding engineeringscience and technology talents with the ability of innovation and entrepreneurshipKeywords:Emerging engineering education;Civil engineering;Structural test;Construction of curriculum system;eform ofcur
8、riculum system1 概述“新工科”针对新兴专业，以工业智能化为核心，开展适应未来产业发展的工程教育教学改革，培养满足未来新产业需要、具有创新创业能力、动态适应能力、高素质的交叉复合型卓越工程科技人才1-2。“新工科”是基于国家战略发展新需求、国际竞争新形势、创新人才培养新要求提出的工程教育改革方向，“新工科”的建设为我国高等工程教育改革带来了重大机遇3-4。土木工程专业作为传统工科之一，结合“新工科”的建设要求，为满足行业和产业发展培养新型人才是最重要、最核心的任务5-6。其中，人才培养的专业体系建设至关重要。“结构试验”作为土木工程专业基础课之一，目标是提升学生分析和解决问题的能
9、力，助力培养学科交叉复合型卓越工程科技人才。目前，人工智能、大数据、信息技术等产业蓬勃发展，相关技术的发展带来了土木工程结构试验技术的更新换代，为土木工程结构试验注入新的发展活力7。由此，紧密结合新兴技术和行业需求，面向“新工科”建设要求，从“土木工程结构试验”课程体系建设入手，结合学生应具备的工程能力，探索适应新形势人才培养理念的“土木工程结构试验”课程体系，建设特色一流专业课程，培养高素质专业人才。2 面向“新工科”的“土木工程结构试验”课程体系建设本节以中南大学土木工程专业课程“结构试验”为依621创新教学科技风 2023 年 3 月托，总结其多层次、多场景的课程体系建设经验，及以任务式
10、为主线的试验课程模式，为“土木工程结构试验”课程面向“新工科”建设提供参考。21 课堂教学课堂教学的任务是试验基础理论教育，主要针对“结构试验”的基础理论和关键技术8，包括结构试验的发展概述、加载测试技术及仪器设备、结构静载试验、结构动载试验、结构无损检测技术、结构试验数据处理等。通过课堂展示结构试验的组织流程，将材料力学、结构力学、结构设计原理等内容与结构试验深度融合，使各专业课基础知识融会贯通，培养学生的宏观思考能力和知识迁移能力，并为试验实操奠定良好的理论基础。22 试验实操试验实操分多场景、多主题、多层次开展，按培养目标循序渐进，逐步深入。试验实操主要包括基本实验技能、经典试验重现、试
11、验结合行业特色以及无损检测技术应用等。221 基本试验技能培养熟练掌握基本实验技能是开展“土木工程结构试验”的基本要求之一。本课程在理论基础知识教学的基础上，进一步对学生的基本试验实操技能进行培养。本课程中基本实验技能培养环节主要包括电阻应变片的粘贴实操和静态应变仪接桥练习。电阻应变片的粘贴实操要求学生了解电阻应变片的工作原理，掌握电阻应变片粘贴的标准流程，提炼试验实操过程的关键注意事项，并动手完成电阻应变片的粘贴和测试;静态应变仪接桥练习要求学生了解电阻应变仪的构造和各类电桥的测试原理，掌握各类电桥桥路的接桥方式，理解温度补偿片的布置方式和作用，并结合等强度梁结构，在电阻应变仪上进行不同接桥
12、方式的结构应变测试，并与理论计算结果进行对比，体验试验测试的过程，培养试验实操技能和兴趣。222 经典结构试验重现在学生掌握基本试验技能的基础上，结合课堂教学中试验组织等相关内容，对“土木工程结构试验”中的经典案例进行试验重现，并对比分析试验结果与理论值，以培养学生提出问题、分析问题和解决问题的能力。在本课程中，考虑到试验场地、加载条件和学生知识储备等，以简支梁静载试验为典型案例，分为钢桁简支梁静载力学性能试验和混凝土简支梁静载破坏试验，如图 1 所示。(a)钢桁梁(b)混凝土梁图 1 简支梁静载试验在钢桁简支梁静载试验中，主要关注钢桁梁在弹性工作阶段分级加载过程中关键断面的应变和变形值，并根
13、据荷载传感器记录的实际加载值，计算出其相应的理论解，整理结果并绘制关键杆件截面的荷载应变曲线、测点的荷载挠度曲线以及各级荷载作用下钢桁梁的整体挠度曲线。对于混凝土简支梁静载破坏试验不仅要关注其荷载应变曲线、测点的荷载挠度曲线以及各级荷载作用下整体挠度曲线，而且要重点关注跨中截面应变及梁体裂缝分布，并可依据混凝土结构工程施工质量验收规范(GB502042015)对混凝土梁的性能做出合理评定。由此，加深学生对经典结构试验的相关认识，分析各类试验现象的产生原因，学习试验结果的修正方法，培养学生举一反三、知识迁移能力。223 试验结合行业特色模式动力特性测试是“土木工程结构试验”的重要内容之一。众所周
14、知，引起工程结构动力响应的输入荷载丰富多样，包括活载、风、地震等。紧密结合中南大学土木工程专业铁路行业特色，本课程中设计制作了轨道交通试验测试梁和轨道小车，如图 2 所示。基于此，可开展多工况动力性能测试试验，要求学生学习编制结构动载试验计划，熟悉动态测试仪器系统，熟练掌握结构动力系数的测定方法及结构动力特性的测试方法，理解典型试验现象及其产生机制，并完成动载试验数据整理和报告编写。图 2 试验测试梁(mm)依托上述试验测试梁和轨道小车，在轨道小车上配置偏心质量块，可实现多车速、多激振荷载级下的车致桥梁结构振动试验研究。此外，可采用多种测试方法，如自由振动法、共振法等，测试桥梁结构的动力特性参
15、数，典型试721科技风 2023 年 3 月创新教学验场景如图 3 所示。结构动力特性试验结合铁路行业特色，可加深学生对于相关专业知识的认知，并激发学生学习和探索兴趣，提升其对于本专业的认同感。图 3 结构动力特性测试试验224 无损检测技术无损检测技术广泛应用于土木工程结构试验与检测中，是结构试验的重要补充，涉及多学科交叉应用，不同于传统测试传感器等单点测试设备，无损检测往往可通过某专业测试装备独立完成检测，并进行结构评估。本课程中无损检测技术主要包括回弹法、超声法等技术手段，要求学生掌握混凝土超声仪、回弹仪、钢筋位置测定仪的使用方法，了解超声回弹综合法检测混凝土强度的要求;掌握回弹法及超声
16、回弹综合法检测混凝土强度的基本原理，熟悉钢筋位置和保护层厚度的测定方法;理解超声法测混凝土结构缺陷的基本原理和测试方法，并开展各类无损检测设备的实操应用;熟悉相关国家规范和技术规程，掌握工程结构试验检测流程，编写试验分析报告，培养并提升学生的专业素养。3 面向“新工科”的“土木工程结构试验”课程改革31 结合虚拟仿真，增进课程体验虚拟仿真是“土木工程结构试验”模拟分析的重要技术手段之一，数值模拟等虚拟仿真方法可有效重现土木工程结构试验的整个过程，并可对关键试验现象进行反演，提升相关试验现象的展示度和学生的试验参与感9。虚拟试验仿真平台可作为学生进行试验实操的学习资料，指导学生试验预习和课后复习，能够快捷有效地传达结构试验的关键信息，增进试验课程体验，巩固试验学习效果。以混凝土简支梁静载破坏试验为例，对虚拟仿真技术的应用进行介绍。混凝土简支梁静载试验中，随着试验加载荷载的增大，混凝土梁逐步由弹性状态到塑性状态直至破坏，各个试验阶段表现出显著不同的试验现象。目前，学生在本科阶段学习中“混凝土结构设计原理”等相关课程重点关注结构的设计计算，往往对混凝土结构的塑性损伤行为不做过多讲解，导致学生