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關鍵詞:畢業設計;創新思維;巖土工程;畢業選題
現代社會發展、特別是信息技術的發展對教育提出了新的、更高的要求。要構建適應信息社會發展的高等教育體系,必須在教育體制、教育方式、教學方法等諸多方面有創新性發展,培養創新性人才,為“大眾創業,萬眾創新”的戰略提供人才和知識支持。本科畢業階段的實踐環節,即畢業設計(論文)是教學過程的最后階段,通過該階段訓練能使學生綜合應用所學的各種理論知識和技能,進行全面、系統、嚴格的技術及基本能力的練習,對培養學生創新思維,提高綜合素質有重要作用,也是高等工程教育教學改革的重點和難點之一。近年來,許多高校進行了畢業設計階段的改革與探索,從畢業設計教學創新體系建設、立題和過程管理、畢業設計全過程考核評價體系建設、創新能力培養等方面取得了豐富成果[1-3]。
一、對大學生創新能力的認識
創新思維不同于常規的模仿思維,具有跳躍性、發散性、獨創性等特征。它主要利用已有認識和知識為基本素材,采用非常規思維來認識未知世界。新的科學原理的發現、市場歡迎的產品的研發、優秀藝術作品的創作、有效的企業管理模式都是創新思維的結果。所以,從學校教學教育入手,培養學生創新思維,對學生走向社會后的發展會產生重要影響[4]。創新的關鍵在一個“新”字,從工程學科角度看,所謂新,既包括基本原理和基本理論的創新,也包括工程方法、手段的創新。所以,應該針對學生學習成績、興趣等,有不同的要求,更要允許學生大膽突破傳統,在已有基本概念基礎上開拓思維、發展新理論,創新新方法。而對于絕大部分學生來說,他們未來主要從事實際工程問題,應以解決工程問題為目的,在解決問題的過程中從工藝、設備等角度進行改進、創新,這樣日積月累,也可以產生大的理論創新。以巖土工程為例,由于巖土體的特性,雖然主要理論體系已形成,但其中許多理論和工程實踐仍帶有很大的經驗性,在工程實踐中需要綜合判斷。這種現狀為該學科理論創新提供了很大空間,比如非飽和土的有效應力及有效應力原理、土的本構理論等,遠沒有達到理論完善,工程應用中往往將計算結果做為參考,而經驗判斷仍然十分重要。在目前巖土工程中常見的基坑支護及基坑穩定性、高填方工程工后沉降及穩定性等方面,不管是理論基礎還是工程方法都有許多問題需要解決。這些說明,創新的空間存在于學科任何知識點,關鍵是在平時課堂教學和實踐教學中如何提高學生對學科和未知世界的興趣,繼而培養學生創新意識和創新能力。
二、畢業設計方式創新
畢業設計是本科教學最后一個環節,也是對整個教學效果的檢驗和綜合應用。畢業方式創新包括選題環節、設計過程環節、評價環節等的創新。從選題環節看,目前工科專業本科畢業設計大都采用指導教師指定設計題目、學生按照畢業設計指導書進行設計、指導教師定期或不定期進行輔導或檢查,最后進行畢業答辯的過程。目前存在的主要問題是,沒有注重啟發學生發現問題這個環節,而是直接給學生某一問題讓他去解決,而這個問題本身可能并沒有多少科學價值,畢業設計方式也顯得單一[5]。要創新,首先要能發現問題,不能發現問題也就不可能有發明創造。目前,學生選題都流于形式,由指導教師直接指定,這是由于目前大學教育評價方式決定的。重科研輕教學,老師沒有時間、也不愿意在這方面耗費精力。畢業設計階段應留有一定時間讓學生自己通過調研、查閱資料、和老師交流等方式,發現需要解決的科學問題,形成解決問題的科學思路和方法。這個時間段甚至可以更早些,可提前數周就讓學生準備。當然,這個過程需要教師細心指導,多溝通,最終也不是每個學生都能通過這個方式進行選題的,但這個過程毫無疑問對學生是個鍛煉和培養。有些雖形不成科學問題或沒有形成解決的具體方法,但可能成為以后發現或解決科學問題的基礎。創新的基礎是思維創新,需要輕松的環境,也需要有一定的壓力。所謂環境輕松,主要是要給學生思考的自由,敢于挑戰現有理論和權威,要有和老師進行自由討論、辯論的環境,而這是我們的教育最缺乏的。對于敢于提出問題的學生要給予鼓勵和獎勵,對通過自己思考發現了重要科學問題并選擇畢業設計題目或方向的學生,其結果不一定是圓滿的,或者有可能在有限的時間中沒有得到預期的結果。對于這種情況,應該在教學規定上給予指導教師一定靈活度,比如延長畢業設計時間,或者達到某一程度也可認為達到畢業要求等。給學生壓力也是必要的,由于社會大環境的影響,部分學生學習興趣不大,不專注于畢業設計。因此,指導教師應嚴要求、勤檢查,對學生和社會負責,沒達到畢業要求的學生嚴格按照規定處理。在畢業設計過程中培養創新。創新首先是思維創新,要從基本概念上下功夫。在某一學科的創新是一個逐漸形成、完善的過程。在畢業設計階段,學生可以在具體、細節的某一點進行改進、創新,如計算方法、應用原理、設備或工藝、程序方法等的改進。為此,指導教師要讓學生首先理解畢業設計中遇到的現有規范、手冊、教材中各種規定或方法的原理、機理。在此基礎上,鼓勵學生發現其中不完善、甚至錯誤的東西,通過小組討論提高對問題的認識,把年輕人的活躍思維充分調動起來,讓學生敢于思考、敢于提出問題和解決問題的辦法。對學生的不同觀點和認識,老師要以科學的態度對待,通過分析、討論達到共識,若達不到統一認識,可留待以后繼續研究。此外,我們強調培養學生創新思維,并不是要求每個學生在畢業生設計中一定要有創新性成果。每個學生基礎知識水平不同、長期形成的思維模式不同、個性不同,畢業設計水平自然不同。對大部分學生,首先是培養一種創新意識,對以后工作和人生起到良好作用。畢業設計中能滿足正常任務要求,達到工程設計等目的就是合格的。
三、畢業設計選題創新
除了前述讓學生參與或自主選題的要求外,畢業設計題目本身對畢業設計的效果十分重要[6]。畢業設計所包含內容可以覆蓋較多知識體系,也可以集中在某一點。在巖土工程專業或方向畢業設計中,可以完成建筑工程的結構設計,包括上部結構和巖土工程部分,后者可以是地基基礎、基坑支護、邊坡支護等;也可以全部進行巖土工程的內容。具體選擇可根據學生興趣、特長,對已確定工作單位的學生,還可以依據可能的工作性質等確定。從畢業設計內容上看,我們在近幾年實踐中,巖土工程方向畢業設計主要包括以下內容:1.巖土工程勘察。巖土工程勘察是巖土工程的基礎,通過該內容畢業設計,可使學生具體掌握巖土工程勘察的方法、步驟、內容,增強對巖土體的認識,讓學生充分理解土的物理性質和力學性質指標的獲取方法、用途和相互關系,學會從勘察的角度對建筑場地和地基進行評價,認識工程勘察與工程設計、施工之間的關系。進行巖土工程勘察畢業設計對學生以后工作和學生在巖土工程學科進行創新有非常重要的作用。由于巖土體性質的不確定性非常突出,因此,對其認識方法、手段和評價顯得非常重要,而目前的工程和科研實際存在許多不足之處。正確認識這些問題,有利于學科創新。巖土工程勘察是一個系統的過程,但由于條件和時間限制,完成整個過程的勘察是不現實的。為此,我們將畢業實習和畢業設計相結合,比如,現場描述和土類命名主要通過正在進行的工程的實習完成,由現場技術人員講解。畢業設計任務中提供的現場描述和室內試驗、原位測試數據都是實際工程原始數據。學生根據原現場描述和土工試驗對土進行分層,然后進行各分層土性指標的統計和評價等工作。2.地基基礎設計。根據我校地處西部特點,主要進行黃土場地地基基礎設計,包括濕陷性黃土地基處理、CFG地基處理、樁基礎等。上部結構的結構形式、傳至基礎頂面的荷載等都是由設計院提供的實際工程案例。學生根據自己完成的巖土工程勘察數據或者指導教師提供的土層工程特性指標和相應的規范進行相關設計。進行地基基礎設計時,地基基礎選型是很重要一環,既要滿足安全要求,還要經濟可行。比如高層建筑的CFG樁復合地基、樁基礎和與筏板基礎之間的選擇,要通過承載力、變形和經濟指標的比較才能確定,既涉及到巖土工程特性指標的合理選擇、地基基礎基本概念的正確理解,也與工程實踐中施工、造價等有關。通過多環節分析、設計,既可提高學生對本專業的興趣和認識水平,也有利于學生發現問題,為學科提高和創新發展創造條件。3.基坑工程設計。在巖土工程方向課程設計中已進行過基坑支護設計,但其基坑深度較淺,通過土釘墻或單排錨索+排樁即可達到支護目的。畢業設計中完成的基坑工程深度較深,設計計算明顯復雜。學生可完成基坑支護或基坑降水設計。前者通常為3~4排錨索+排樁支護,后者為井點降水。4.邊坡治理。設計任務書中,建筑場地位于邊坡底或頂部,要求學生完成邊坡的安全性評價和加固處理設計。以上幾部分內容之間可組合為一個完整的畢業設計。而以下內容可分別單獨為一個畢業設計。5.地下結構設計。一般為地下車庫、商場、地鐵車站等,因為此部分設計包括功能要求,所以需配備建筑學專業的指導教師。該設計內容包括了建筑學、結構工程和巖土工程。6.動力機器基礎設計。對于大型機器設備,如發電機組等,其不同于一般建筑物地基基礎,基礎設計有其特殊性。設計題目取自于設計院的實際工程,通常設計內容包括動力荷載計算、動力基礎框架結構設計和樁基礎設計等。7.隧道設計。對取自實際隧道工程的題目,讓學生完成隧道圍巖分級、圍巖壓力、圍巖支護設計與施工等。8.其他。除了以上內容外,根據實際情況,我們還有學生依托老師的科研或生產項目進行試驗、計算、理論分析等,完成畢業論文。結語在畢業設計中培養創新思維,是一項需要長期探索的系統工程。通過這些年的實踐,我們初步建立了一套既能滿足正常專業培養要求,又能在一定程度上有所提高、有所創新的畢業設計模式,以針對具體情況,適應不同學生的要求。但為了適應未來形勢的要求,還必須與時俱進,繼續探索,以使工科學生畢業設計不斷創新,使學生創新能力不斷提高。
參考文獻:
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關鍵詞:沉井墊木,刃腳,流砂,觸變泥漿,井點降水
市政管網工程常常需要穿越各類障礙物,如道路、河流、建筑物和構筑物等,對此我們常使用地下頂管的方式以避免大開挖,
地下頂管工程由工作井、接收井、管道頂進三部分組成。工作井和接收井主要有以鋼筋砼為主體的沉井、以水泥攪拌樁內插H型鋼為結構的SMW工法井、鋼板樁或拉森鋼板樁井等,但對于深度比較大的頂管工程,常采用沉井,因為它結構穩定堅固。
2009年12月28日,隨著挖掘機有力地挖下第一鏟土,昆山市第二飲用水源(長江引水)工程順利開工了,總投資19.8億元,是昆山市歷史上單項投資額最大的一項基礎設施建設工程,其中頂管工程約20KM,,工作井主要為沉井。目前頂管工程已結束。沉井施工中常常會遇到以下問題:
一:沉井制作
1.井壁裂縫
原因分析:
1)沉井墊木設置不當或布置不均勻或間距過大,導致沉井早期受力不均,產生彎曲應力。
2)沉井墊木未對稱拔除,導致井壁內部產生拉應力而出現裂紋。畢業論文,流砂。
3)模板拆除過早,混凝土強度不滿足拔除墊木條件而出現裂紋。
4)沉井支設在軟弱不均勻土層上或其它不良地基,混凝土澆筑后地基不均勻沉降而產生裂縫。
5)沉井井壁與內隔墻荷載相差太大,沉降不均,產生了較大的附加彎矩和剪應力造成裂縫,而洞口處截面削弱,強度較低,內力相對集中,所以洞口附近易出現裂紋。
預防措施:
1)刃腳處墊木設置應當合適,使地基受力均勻。墊木間距應計算求得,跨中與支點的拉應力應當相等。
2)沉井墊木應分區、分組、對稱、同步拔除,模板拆除時沉井井壁強度應達到設計強度的80%以上。
3)遇到軟弱不均勻土層應做砂墊層或采取其它措施保證受力均勻,荷載應在承載力范圍之內。
4)沉井井壁與內隔墻支模應使地基受力基本均勻,沉井洞口四周要布置加強筋。
處理措施:
1)較細的表面裂縫可通過涂抹幾遍環氧膠泥或人工抹水泥砂漿的方法來修補。
2)大于0.5mm的裂縫應根據可灌程度采取灌水泥漿或化學漿液的方法修補,或者采用灌漿和表面封閉相結合的方法。
3)如果裂縫很大,可能影響沉井結構帶來安全隱患,則應該采取其它結構增強措施,或者直接返工。
2.井身歪斜
原因分析:
1)沉井一次下沉的高度太大,重心太高,容易產生傾斜。
2)沉井地基軟弱或不均勻,制作前未處理地基,沉井下沉時產生了不均勻沉降。
3)沉井制作時刃腳與井壁不垂直,致使刃腳失去正確的導向功能。
預防措施:
1)沉井一次下沉高度控制在12米以內,以保持重心穩定。
2)沉井制作前先平整場地,遇到不良土質及時處理。畢業論文,流砂。
3)嚴格控制鋼筋綁扎、模板安裝、混凝土澆筑的質量,保證井壁光滑垂直,各環節偏差控制在規范范圍內。
處理措施:
1)對刃腳高的地方多挖土以加快下沉,刃腳低的地方少挖或不挖土以減緩下沉速度,等井壁垂直后均勻挖土。畢業論文,流砂。
二:沉井下沉
1.下沉太慢
原因分析:
1)井壁表面過于粗糙,井壁與土之間的摩擦力太大。
2)沉井自重不夠,不能很好地克服井壁與土體之間的摩擦力以及刃腳的迎面阻力。
3)下沉過程中遇到大的障礙物,致使下沉受阻。
4)正常下沉中因故停止時間過長,側壓力加大致使沉井無法正常下沉。
預防措施:
1)嚴格控制支模和混凝土澆筑質量,保證沉井井壁光滑度。
2)嚴格按圖施工,井的實際尺寸,配筋,混凝土的用量當與設計圖紙相符,嚴禁偷工減料。
3)對于下沉系數不大的沉井,應連續開挖、連續下沉,中間間歇時間不應過長。
4)在井壁上預埋射水管,下沉緩慢時向管水以減少井壁和土層之間的摩擦力。
5)向井壁周圍空隙中填充觸變泥漿,并采取防止泥漿流失的措施,以減小井壁與土層之間的摩擦力。
處理措施:
1)采用高壓水槍向井壁四周射水以幫助下沉。
2)如條件允許,適當降水,減小沉井自身浮力,借以加重下沉。
3)檢查刃腳四周,看是否有堅硬物在刃腳下,若有,則及時清除。
4)在沉井頂部安放大型鐵塊或其它重物,加大沉井下沉重力。
2.下沉太快
原因分析:
1)長時間抽水使得井壁與土層間摩擦力減弱,沉井下沉速度加快。
2)遇到軟弱土層,地基承載力很弱,使沉井下沉速度大于挖土速度。畢業論文,流砂。
3)沉井外部土體出現液化,削弱沉井與土體的摩擦力。畢業論文,流砂。
預防措施:
1)停止降水,加大沉井自身浮力,以減緩沉井下沉速度。
2)改變挖土方式,刃腳一米范圍內不要挖土,以加大土體對刃腳的阻力。
3)向井壁和土體空隙處填充粗糙材料或將空隙處夯實,以加大下沉阻力。
處理措施:
1)立刻用堅硬粗糙物填充井壁與土體之間的空隙,并馬上夯實。
2)若井外側出現土體液化,及時用沙填充夯實。
3)向井內回填干土,加大沉井下沉阻力。
3.下沉遇流砂
原因分析:
1)井內挖土過深,井壁外側土從刃腳下方涌入井內。
2)井內排水后,外側水壓差加大,外側土在水壓作用下進入井內。
3)挖土深度超過地下水位0.5米以上。
預防措施:
1)采用排水法下沉,水頭宜控制在1.5-2米。
2)避免掏挖刃腳處土方,防止外面流砂涌入井內。
3)穿越流砂層前做好充分準備,加快穿越速度,必要時在井體上部加荷載下沉。
處理措施:
1)遇到流砂時,向刃腳處填充石子,削弱水壓力同時增加土壓力。
2)改用深井降水或噴射井點降水,避免井內流淤,深井降水應布置在井外。
3)采用不排水法下沉,保持井內水位,阻止外側流砂涌入井內。畢業論文,流砂。
4.鄰近建筑物傾斜或出現裂縫
原因分析:
1)沉井距離建筑物太近,未采取加固或隔離措施。
2)降水下沉時建筑物基礎下土體因水份流失而結構發生變化,使建筑基礎遭到破化。
3)下沉過程中刃腳處掏空太多,外側大量土方或流砂進入井內,外側土體出現空洞,建筑物出現裂縫或傾斜。
預防措施:
1)在沉井和建筑物之間打灌注樁或攪拌樁或壓密注漿,以加固土體并隔離沉井與建筑物。
2)在沉井和建筑物之間設回灌井,以減少土體水份流失。
3)遇到粉砂層采用井點降水,控制水頭差,避免出現流砂。
4)避免掏空刃腳處土方,盡量切土下沉,防止外側土體結構破化。
5)向井壁外側空隙處及時灌沙,并加水密實,使土體不被擾動。
處理措施:
及時妥善處理相關事宜,盡量不要停止沉井下沉。
如因外面流砂涌入井內,則改排水下沉為不排水下沉。
參考文獻:1)《給水排水管道工程施工及驗收規范》GB50268-2008
2)《巖土工程勘察規范》GB50021-2001
3)《建筑地基基礎設計規范》GB50007-2002
[關鍵詞]城市地下空間工程 實踐教學體系 構建 創新
[作者簡介]李富榮(1982- ),男,江蘇鹽城人,鹽城工學院土木工程學院,講師,碩士,主要從事巖土與城市地下工程等領域的教學與科研工作。(江蘇 鹽城 224051)
[基金項目]本文系江蘇省教育科學“十二五”規劃課題“地方本科院校土木工程專業應用型人才培養研究”(項目編號:C-c/2013/01/002)和2013年鹽城工學院教改研究項目“城市地下空間工程專業實踐教學體系的創新性研究”(項目編號:2013-52)的研究成果。
[中圖分類號]G642 [文獻標識碼]A [文章編號]1004-3985(2014)05-0158-03
一、引言
2002年,中南大學首先開設城市地下空間工程專業,該專業是教育部為適應新時期城市建設人才特殊需求而設置的新興專業,簡稱特設專業,目前已有30余所高校開設了城市地下空間工程專業。然而,由于高校背景不一,涉及礦業、核能、交通、建筑、水利、鐵道等不同行業,辦學特色鮮明,雖然課程理論教學基本都可以滿足要求,但作為培養和提高學生綜合素質能力的實踐教學環節卻給高校帶來了難題,同時該專業尚未成立教學指導委員會,專業建設缺乏統一指導,使得城市地下空間工程專業建設與發展難度較大,這點在實踐教學環節尤為明顯。目前,城市地下空間工程專業大多是依托巖土工程專業,但該專業已經超出巖土工程專業的范疇,要建設好城市地下空間工程專業尚需城市規劃、結構工程等專業的支撐。鹽城工學院(以下簡稱“我院”)在新辦城市地下空間工程專業過程中,以培養卓越地下工程師為目標,對城市地下空間工程專業實踐教學體系進行了有益的探索與創新。
二、城市地下空間工程專業實踐教學體系的構建
1.構建原則。目前,在開設城市地下空間工程專業的高校中,該專業招生人數較少,大多每屆招生1個班,30人左右,專業開設較好的中南大學、山東大學、南京工業大學等,每屆也僅招生2個班,60人左右。在大力提倡改革與創新高校教學體系的背景下,城市地下空間工程專業實踐教學體系的構建要求、方法、原則可以表現出與土木工程等專業不盡相同的特點,使之具有自身特色。構建城市地下空間工程專業實踐教學體系的原則是綜合性、整體性、獨立性、科學性。其中,綜合性指城市地下空間工程綜合了城市規劃、結構工程和巖土工程等專業內容;整體性原則要體現教學上實踐與理論相結合的整體功能;由于班級規模較小,學生可以獨立完成大多實踐教學環節,即學生具有較多的獨立實踐機會,體現了較好的獨立性;科學性是要求實踐教學環節的構建與實施要循序漸進,科學合理。
2.構建方案。城市地下空間工程專業實踐教學體系是由實踐教學活動各個要素構成的有機聯系整體,作為特設專業,城市地下空間工程專業實踐教學體系要具有前瞻性和系統性,創新實踐教學內容,緊密聯系城市規劃與建設,積極創新工程設計與施工技術,培養符合專業要求且滿足社會需求的卓越地下工程師。為此,根據城市地下空間工程專業的培養方案,我們構建了城市地下空間工程專業實踐教學體系(見圖1),給學生創造各種獨立的實踐機會,使知識、能力、素質融為一體,增強了學生獨立完成工作的能力。
三、城市地下空間工程專業實踐教學體系的創新
1.實驗教學。城市地下空間工程專業實驗教學環節由基礎實驗、專業實驗、創新實驗等多種實驗構成(見圖2),體現了人才培養多層次、模塊化、系統化和科學性的統一。其中,由學科基礎實驗和力學實驗構成的基礎實驗平臺,不僅訓練了學生的基本技能和素質,還為開展專業實驗、培養學生系統設計和綜合實踐能力打下了基礎。以“土力學與基礎工程”課程為例,該課程是土木工程專業的主干課程、城市地下空間工程專業的核心主干課程,包括土力學和基礎工程兩部分,設有土力學實驗和基礎工程課程設計兩個實踐環節,兼具理論性、專業性和實踐性等特點,是培養卓越地下工程師基本專業素質的基礎。為此,在課程實驗中,將土力學實驗學時調整為16學時,增設土體滲透、擊實、孔隙水壓力及土壓力測試等實驗項目,確保學生充分掌握土地工程地質性質、物理力學性質等土力學基本理論,提高學生的實踐能力,同時對開展后續專業實驗也有很大的益處。專業實驗是更高層次和系統地訓練學生的實驗技術和技能,包括大綱中專業課程實驗和設計性、綜合性實驗。為此,對相關實驗內容進行有機整合和改進,設置了土體與巖石力學對比實驗,實驗內容為采用幾種常規實驗(如壓縮、直剪、三軸)方法,對比分析土體和巖石在物理指標、力學性質、工程應用等方面的異同,由學生自主設計實驗方案(包括實驗目的、方法、步驟、儀器、要求),并向實驗室教師申請實驗時間,經批準后在實驗教師指導下,獨立完成實驗報告。最后,結合學生實驗能力,根據實驗過程、實驗結果綜合評定實驗成績。在設計性、綜合性實驗環節中,根據教學大綱設置了原位測試技術訓練、工程結構測試技術訓練、地下工程設計軟件訓練,以進一步訓練學生的實驗能力,使學生學會從實驗數據中分析實驗現象、得出實驗結論,培養學生發現問題、分析問題和解決問題的能力。創新實驗是為了充分開發學生的潛能,激發學生對專業知識的興趣而設置的,可以通過教師的縱橫向課題、學生自主申報大學生實踐創新訓練項目以及參加學科競賽等方式開展。
2.實習環節。城市地下空間工程專業的實習環節可分為課程實習(測量實習、工程地質實習)和專業綜合實習(認識實習、生產實習、畢業實習)兩個層次。其中,課程實習由指導教師統一安排、指導,與土木工程專業基本相同。在專業綜合實習環節中,實行全周期雙導師制,將5~6個學生分為一組,從大二到大四由同一指導教師負責指導,并配有企業兼職指導教師,原則上在校期間不再更換指導教師或企業教師。學生在實習期間,專業指導教師和企業兼職教師共同指導和管理學生,實習結束時,采用校企共同組織的公開答辯方式綜合評定實習成績,形成雙導師指導下的“學生自主實習實踐、教師有效監控指導”的實踐特色。全周期指導是指學生從大二認識實習開始即可與學校專業指導教師和企業兼職教師不間斷交流,除實習時間外,學生還可以有針對性地參與縱橫向課題、工程項目等,使大學實習間而不斷,貫穿始終,最大限度地培養了學生的實踐能力。
3.設計環節。一是課程設計。城市地下空間工程專業設計環節包括課程設計和畢業設計(論文)兩個環節。其中,課程設計除鋼筋混凝土結構和基礎工程課程設計外,還包括城市地下空間規劃與設計,地下建筑結構、隧道工程和地下工程施工組織設計等課程設計。從教學內容和教學體系上講,課程之間存在緊密的依存、制約關系,但傳統的課程設計均安排在課程理論教學完成后進行,且由該課程理論教學教師獨立設計課題、獨立編寫課程設計任務書和指導書、設定獨立的設計參數,各門專業課課程設計內容相對獨立。為此,在城市地下空間工程專業課程設計中,實施綜合性課程設計方案,編寫綜合性課程設計任務書和指導書,具體做法是,本著“真題習做,一題到底”的原則,每2~3個學生設置一個工程實例專題,每個工程實例專業均來源于典型實際工程,緊密結合實際應用。各課程內容及設計是相互關聯的,建立綜合性課程設計的基本思路,最終為畢業設計服務。在綜合性課程設計過程中,學生可以深刻體會到地下空間工程各個部分之間的因果關系和制約條件,初步認識工程的復雜性,鍛煉邏輯思維能力,加強對地下工程整體性概念認識,有助于學生完成畢業設計。在綜合性課程設計環節中,指導教師非常關鍵,要清楚綜合性課程設計的內容、要求、可能出現的問題以及前后課程設計之間的關聯要求,對學生給予正確合理的指導。二是畢業設計(論文)。城市地下空間工程專業學生數較少,便于采用校企合作的團隊指導畢業設計模式,聘請經驗豐富的企業導師參與畢業設計指導工作,有利于畢業設計的質量優化。采用團隊模式指導畢業設計,團隊有總指導教師,每位學生有各自的指導教師,由3~5個學生共同完成一個總項目課題,內容可以涉及城市地下空間規劃設計、地鐵車站設計、地鐵隧道設計、地鐵施工組織設計等,各子課題任務分工明確,研究內容有機聯系,設計選題整體性強,內在聯系緊密,在畢業設計過程中,團隊成員相互交流,團結協作,充分利用專業規范,掌握整個地下工程設計的內容、流程及方法,確保厚基礎、寬口徑走向社會。除了畢業設計外,也有部分學生選擇畢業論文,一般基于省部級以上科研課題項目,由項目主持人擔任課題組長,中級職稱以上教師擔任各子課題導師,也可由科研興趣或科研方向相近、不同專業背景的教師組成指導團隊,由科研素質高的教師擔任組長,其他教師有側重地負責子課題,做到教學與科研相統一。
4.大學生實踐和創新能力訓練。目前,教育部、教育廳及高校都十分注重學生實踐創新能力的培養,設立了各級大學生實踐創新項目,學生可以根據自己的興趣選題,自主選擇導師并申報各級大學生實踐創新項目,這些項目以學生為主體,在導師的指導下,培養了學生的創新意識,加強了學生自主創新的能力。同時,大學生實踐創新能力的培養還可以與教師科研及社會服務相結合,更加貼近工程實踐,從中發現問題、分析問題、解決問題,有利于學生創新思維的培養。為此,可與地方人防辦、城市規劃設計等部門、企業合作,設計一系列開放性、設計性課題,由指導教師負責將創新性實驗與社會服務結合起來,取得良好的社會效益。另外,積極鼓勵和協助學生參加學科競賽(如結構創新大賽、交通科技大賽等),培養學生的創新意識、合作精神和工程實踐能力。
四、結語
城市地下空間工程專業作為新興專業,實踐教學特別需要創新,以適應城市建設、社會發展、學科建設的新要求。通過城市地下空間工程專業實踐教學體系的構建與創新,優化了各實踐教學環節的教學內容、教學方式,提高了學生的獨立工作和科技創新能力。因此,必須以創新為主線,以培養卓越地下工程師為目標,充分利用校內外資源,調動社會、學校、教師、學生等的主動性、積極性,不斷改進、創新、實踐,全面提高學生的綜合實踐能力。
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關鍵詞:實驗室建設;實驗教學管理改革;促進教學科研
土力學、土力學與地基基礎、土質學與土力學、工程地質與土力學是土木工程、水利水電工程、交通工程等專業的重要技術基礎課程。這些課程主要是研究地表及一定深度范圍內巖石和土的物理化學指標、工程力學特性的,工程建成以后對作為地基巖石和土的應力、應變、強度、穩定性、滲透性的影響變化及力學性能,為各類構筑物、建筑物的規劃設計、建設施工提供力學理論計算依據,確保各類構筑物、建筑物不發生傾斜、開裂、基礎斷裂、地基滑動、不均勻沉陷、地基液化失效、坡面滑動等各種地基基礎工程事故,使其在設計年限內安全可靠地正常使用。土工實驗是上述幾門課程的重要組成部分,它是通過儀器設備按規范測試確定巖石和土的物理和力學指標。實踐性教學環節與課程理論教學并重對于教學是重要的,對于生產和科研更是關鍵技術環節。
我校水利土木學院已有58年的辦學歷史,辦學初期就設置了水利水電工程專業、土木工程專業、道路與橋梁專業,并建立了土工實驗室。50多年來為山東省乃至全國培養了數萬名水利土木類專業技術人才,為國家和社會做出了應有的貢獻。近10年來,隨著國民經濟持續發展和GDP穩步增長,土木、水利、交通等工程也伴隨社會發展呈現迅猛發展的態勢。全國大部分高等院校設置了土木類專業,以滿足社會對土木類專業人才的需求。這對土工類高等教育發展既是機遇也是挑戰,也對土工實驗室擴建及儀器設備更新和實驗室教學管理改革提出了新的要求。
1 加強實驗室建設
1.1 實驗室原有狀況
我校原有土工實驗室面積小、儀器設備種類少、同類型儀器設備臺件數也少,儀器設備僅有69臺套,實驗室面積僅有100平方米,可擺放的儀器設備有限,教師備課只能擠在一個角落里。因此學生沒有同時動手做實驗的機會,基本是學生輪流做或部分學生做、部分學生看。一些必須開設的實驗項目經常是用1~2臺儀器做演示,大部分學生圍著看。簡陋的條件很難培養學生對土力學的興趣,更談不上對土力學理論的深刻理解和操作技能的訓練,也就適應不了社會對應用型人才需求和學術型人才培養的要求。
1.2 擴面積和增設備
為適應社會發展需求,學校進行了以理論聯系實際、強化學生操作技能訓練、促進科研水平提高為目標的實驗教學改革。十幾年來學校投入1 000余萬元,首先擴大實驗室面積,1998~1999年由原來100平方米擴大到200平方米;淘汰了陳舊落后的儀器設備,更新增添了新的實驗設備種類和數量共130余臺套,同種類儀器設備由原來的3~4臺增加到15~20臺。每班學生人數約30人,最多35人,這樣一個班全體學生在做實驗時可2人合用1臺儀器,2人1組既可商量討論互相配合又有動手操作的機會。
2007~2012年實驗室面積又從200平方米擴大到600平方米,新購置了土工實驗土工微機數據采集處理系統30臺套,MC-3型核子密度濕度儀3臺,SDT-10型微機控制電液伺服土動三軸實驗機2套,USD-10微機控制非飽和土三軸實驗機2套,有力地促進了土力學理論及實驗教學適應社會需求,支撐了教師科研和研究生的培養以及對土力學學科發展的跟蹤。
2 實驗教學及管理改革措施
我校土木、水利和交通3個專業的學生實驗課只有6~10個學時(總學時一般為36~54個),周末及節假日實驗室儀器設備處于閑置狀態。為此實驗室報請學校領導同意,在確保教學大綱規定的實驗教學學時不變前提下實驗室對外開放,承擔設計院所送檢勘探土樣的測試。同時要求學生以土力學課程實習的形式參與其中的實驗測試工作,規定每個學生累積參與時間不少于20小時,參與實驗工作的業績計入土工實驗課成績。
實驗室鼓勵有熱情有興趣的學生和有勤工儉學需求的學生申請參與對外承擔的土樣測試工作。參與形式多樣化:可以寒暑假參與,可以在學期間的周日和晚上參與,也可以課余零星時間參與。從參與的學生中選出責任心強的作為組長和副組長,負責參與學生的考勤、工作分派、津貼發放和向責任教師溝通匯報等。
所有土力學教師除在教研室備課、上課外,平時均在實驗室工作。身兼數職:課堂及實驗室教學、科研實驗測試、對外技術服務等。
實驗室設備數量及完好情況、水電及門窗等安全責任人為實驗中心主任,直接負責人為專職實驗教師。實驗室內及門口均裝有視頻監控,記錄保存每天實驗室監控畫面,硬盤容量可存半年圖像數據資料。教師都有實驗室鑰匙,學生僅組長和副組長有鑰匙,以方便進出和加班,實驗室實行24小時開放。
3 促進了教學科研提高
3.1 教學效果突出
實驗室物質條件的改善和管理上的對外開放,使學生感受到原來普通泥巴砂礫石塊蘊含那么多的知識學問,從而提高了學習興趣,強化了動手能力,使學生由原來枯燥的被動學習變為積極主動地學習,對土力學理論普遍掌握得扎實,學習成績也大幅提高,同時對土力學及土工實驗的重要性認識更加深刻;對外承擔一定量的土工實驗,開創了學生課程實習條件,提供了勤工儉學和興趣學習崗位,增加了學校師生與外部同行業的聯系機會,也了解到行業需求和學科發展的趨勢。
據統計,10年來有30余名學生因在土工實驗室參與過實驗工作,認識了土力學學科意義,培養了興趣,先后考取“211”院校巖土方向的碩士及博士研究生;還有幾十名有土工實驗室工作經歷的本科畢業生就業于地質勘探和土建施工單位,很快適應工作并成為業務骨干。
3.2 科研成績顯著
3.2.1 構建新的土工實驗教學內容體系
從土工實驗的工程應用性入手,減少驗證性實驗,增加設計性、綜合性實驗。如在做土的液限和塑限實驗時,如果液限較高,就要考慮它有可能是膨脹土。《巖土工程基本術語標準》(CB/T 50279-98)對膨脹土定義為:富含親水礦物并具有顯著的吸水膨脹和失水收縮特性的高液限黏土。一般情況下,膨脹土的承載力較高,但浸水承載力衰減較大,具有吸水膨脹、失水收縮和反復脹縮變形、干縮裂隙發育等特性,性質極不穩定,對工程安全影響特別大。對膨脹土就要增加脹縮性指標的測定,包括自由膨脹率實驗、膨脹率實驗、膨脹力實驗、收縮實驗等。實習學生特別是研究生參與該項測試工作意義很大,有的研究生在教師指導下,深入查閱膨脹土文獻資料,增加實驗內容和實驗次數,較好地完成了碩士畢業論文。
3.2.2 積極利用新型綜合性儀器設備開展教學與科研工作
如新添置的土工實驗微機數據采集處理系統,集數據采集和處理于一體,可進行常規實驗、部分綜合性實驗和設計性實驗,只需通過計算機操作就能完成實驗測試、圖表曲線繪制、實驗報告編制等。
新進的MC-3型核子密度濕度儀,可快速準確地測量各種土、瀝青混凝土等建筑材料的密度和含水量。還可測瀝青混凝土空隙率,儀器內設有微處理器,一般情況下只需輸入測量計數時間(或測量要求的精度)和被測材料室內實驗的最大密度,按啟動鍵即可很快測量讀出測量深度、日期、計數時間和測量結果:濕容重、水分重、干密度、百分含水率、百分壓實率、百分孔隙率等。
新進的SDT-10型微機控制電液伺服土動三軸實驗機,主要用于巖石、砂土、巖漿的軸向壓力和側向壓力的強度實驗、土動力學實驗,還可用于測定細粒土和砂土的總抗剪強度和有效抗剪強度參數的實驗。還可根據排水條件的不同完成不固結不排水剪實驗、固結不排水剪實驗、固結排水剪實驗。內置實驗軟件在WindowsXP/2000中文環境下工作,具有強大的數據處理功能,實驗條件和實驗數據結果自動存盤,顯示并打印符合國家相關標準規范的實驗曲線、表格和報告等。USD-10微機控制非飽和土三軸實驗機,是通過3~4個圓柱形試樣分別在不同的恒定周圍壓力(即小主應力 3)下,施加軸向壓力〔即主應力差( 1- 3)〕,進行剪切直至破壞,測定土的抗剪強度,然后根據摩爾-庫侖理論,求得抗剪強度參數,對細粒土和砂土求得總抗剪強度和有效抗剪強度參數等。
這些新儀器設備的投入使用,為教師承擔橫向課題和申報縱向課題搭建了較高的科研技術平臺,如承接的國家電網泰山蓄能電站地基勘探土樣測試、京滬高速公路泰安段路基勘探土樣測試和濟南許多高層建筑地基勘探土樣測試等,委托方正是看到學校教師嚴謹求實的工作作風和先進綜合的儀器設備才來委托的。教師通過這些實驗項目再加上一些自己的研究思路,可很好地指導研究生做課題論文和進行科學研究,使本科和研究生教學、科學研究和對外技術服務互相促進、相得益彰。
近10年來筆者積極參與工作,獲益匪淺,先后與其他教師20余篇,編寫土力學及土工實驗指導教材2部,申請科研經費120余萬元??蒲谐晒@山東省科技進步二等獎2次,三等獎1次。
4 結束語
十余年來,學校在土工實驗室的持續投入,搭建了較高的科研技術平臺,又進行了有效的實驗室教學管理改革,極大促進了學生興趣培養和技能訓練,提高了應用型人才和學術型人才的教學培養水平;同時也極大促進了教師技術服務能力和科研創新水平的提高,通過努力也取得了一些成績。實踐啟示我們,伴隨社會經濟的不斷發展,教學儀器設備的硬件和教學管理改革的軟件也要同步發展。
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關鍵詞:采礦工程;人才培養;卓越工程師;教學體系
作者簡介:郭惟嘉(1957-),男,山東濟南人,山東科技大學資源與環境工程學院院長,教授;劉音(1973-),女,陜西楊凌人,山東科技大學資源與環境工程學院博士研究生。(山東 青島 266590)
中圖分類號:G642?????文獻標識碼:A?????文章編號:1007-0079(2012)36-0045-01
山東科技大學采礦專業已有60余年的辦學歷史,通過近年來對采礦工程專業人才需求的調研和煤礦企業對畢業生質量的反饋,近年來山東科技大學(以下簡稱“我校”)采礦工程專業畢業生在實踐能力和創新能力方面有明顯弱化的現象,由此反映出目前傳統的教學環節已不能滿足卓越采礦工程師人才培養的需要。結合教育部實施“卓越工程師計劃”,探索如何通過改革采礦工程專業教學體系,提高學生教學效果,培養出具有創新精神和實踐能力相結合的卓越工程師,是采礦卓越工程師人才培養教學體系研究重點。
一、采礦工程專業教學體系目前存在的主要問題
采礦工程專業教學體系目前存在的主要問題包括:人才培養模式單一,適應性不足;培養目標不清楚,學術化傾向嚴重;課程體系與產業結構調整不適應;工程性缺失和實踐環節薄弱;教師隊伍缺乏工程經歷;產學研合作教育不到位。
二、卓越采礦工程師教學體系的要求與設計
我校卓越采礦工程師的培養計劃依據“卓越工程師教育培養計劃”,旨在培養工程實踐能力強、具備創新精神、適應經濟社會發展需要的高素質煤礦行業工程技術人才。針對目前采礦工程專業教學體系存在的問題,卓越采礦工程師培養體系重點放在三個方面:一是要求煤礦行業企業深度參與培養過程;二是學校按照煤礦行業標準培養工程人才;三是強化采礦工程專業學生的創新能力和工程實踐能力。由此看出,采礦卓越工程師培養教學體系的關鍵不僅在于校內實踐,更在于在煤礦企業綜合實踐的實施效果。
為滿足以上要求,我校采礦工程專業將卓越工程師人才培養方案與以前的“3+1”定單式人才培養方案相結合,實施校企對接,實行“3+1”培養模式,讓企業納入整個人才培養過程。學生三年在校重點學習數理基礎、人文管理和專業知識,第四年到簽約單位進行工程實踐、畢業實習與畢業設計。這一培養模式既為煤礦企業培養了急需的人才,又可有效解決就業問題,突出了對學生的工程實踐和創新能力培養。
三、卓越工程師教學體系改革研究
構建突出特色、強實踐、重創新的人才培養體系。采礦工程專業依托專業豐富優質的教學科研資源,并將工程實踐能力與創新能力培養貫穿整個四年的教學過程中,構建了橫向上相互關聯、縱向上相互貫通的人才培養體系。該人才培養體系主要包括系統的教學體系和強有力的保障體系,其中教學體系是核心,主要包含理論教學體系、實踐教學體系以及創新能力培養體系(見圖1)。
理論體系改革中根據培養目標的要求,注意整體優化,突出特色,主要從三個方面做起:
第一,確定能充分體現采礦工程專業的主干課程。主要有以下7門課程組成:“巖石力學”、“煤礦開采學”、“井巷工程”、“礦井設計”、“礦井通風與安全”、“礦山壓力與巖層控制”、“礦井特殊開采”。通過主干課程體系和課程內容的改革使采礦專業課程體系趨于合理,教學內容和教材選用也將進一步優化。
第二,精煉教學內容,實現七個“結合”:著眼于專業的拓展,實現煤礦開采與非煤固體礦床開采相結合、地下開采與露天開采相結合;滿足采礦技術發展的需要,實現采礦與機電相結合、采礦與信息技術結合;體現多學科的相互滲透,實現采礦與巖土工程相結合;滿足企業發展需要,實現采礦與計算機應用相結合、采礦與環境工程相結合。
第三,加強精品課程和特色教材建設。我校采礦工程專業在礦山壓力與控制、礦井特殊開采等方向具有優勢和特色,科研成果突出。將優秀科研成果引入教學全過程,教學成果突出,建設了“開采損害與環境保護”、“礦井通風與安全”國家精品課程2門、“礦山壓力與控制”校精品課程1門;出版特色教材5本,其中《礦山壓力與控制》獲省優秀教材一等獎,《開采損害與環境保護》、《礦井通風與安全》獲省優秀教材二等獎,實現了科研與教學有機融合。
實踐教學體系改革。根據“卓越計劃”培養目標,進一步加強實驗室和實習基地建設。利用國家級重點實驗室和省級實驗示范中心平臺,擴大實驗室開放力度,提高實驗室綜合利用率;與煤礦企業加強合作,建立穩定的校內外實習基地,為學生的實習、設計、科研實踐等創造良好的實踐環境;引進煤礦企業的資源和設備,模擬現場工程環境,建立實習模擬礦井,既可節約實習經費也可讓學生對礦井有全面的了解。
創建完善的創新能力培養體系。人才培養方案強調課程教學、工程實踐與創新能力培養的有機融合,使創新能力培養貫穿整個教學環節,通過多環節訓練使學生逐步樹立工程意識,學會工程思維方法,不斷提高綜合素質。通過主干課程教學方式方法的改革、學生參與教師科研項目、開放國家重點實驗室、鼓勵學生參加各級各類科技競賽等,學生的創新能力得到極大提高。
加強“雙師型”師資隊伍建設。首先完善校內專任教師到礦山企業、科研部門學習交流及礦山企業、科研部門高技能人才到校兼職授課的制度和機制。山東科技大學已與山東能源集團簽訂了全面合作培養采礦專業人才的協議,為教師的現場實踐提供了可靠的基地;本專業每年將安排1~2名青年教師到煤礦企業工程崗位工作,或通過實際工程項目設計、科學研究等積累工程實踐經驗。其次,從煤礦企業、科研部門聘請工程實踐經驗豐富的工程技術人員擔任兼職教師,承擔部分專業課程的教學任務,或擔任本科生的現場指導老師,承擔指導畢業設計等任務。
改革傳統的課堂和實踐教學方法、考核方式,以適應采礦卓越工程師培養的需要。由于卓越工程師型的學生依據其培養方案有半年的畢業實習是在煤礦現場進行,學生的畢業實習成績也將由現場實習指導教師和學校指導教師共同評定。學生的畢業論文由學校和煤礦企業的技術人員共同審核。審核合格可參加答辯;審核不合格須重做,來年進行答辯。畢業答辯委員會則由學校專業教師和簽約單位的技術人員共同組成,共同參加學生的畢業答辯。認識實習、生產實習和課程設計的考核也可改變傳統單一的筆試考核方式,通過筆試、現場答辯以及設計作業等方式綜合考核學生的知識應用能力和創造性思維能力。