郑纬奇 朱志辉 刘晓春
1.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
1 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”为依托，总结其多层次、多场景的课程体系建设经验，及以任务式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。
2.1 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。
2.2 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、试验结合行业特色以及无损检测技术应用等。
2.2.1 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。
2.2.2 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》(GB50204—2015)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。
2.2.3 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数，典型试验场景如图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
2.2.4 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
3.1 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着不同的试验现象。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，导致学生对混凝土梁加载试验中的塑性开裂仅仅停留在表观现象的观察，缺乏机理行为和力学特征的深刻认识，而对关键试验现象不够敏感。采用有限元数值模拟手段，借助通用有限元软件(如ABAQUS、ANSYS等)可实现对混凝土简支梁加载破坏过程的精细化模拟，对比试验加载过程中观测到的试验现象和数值模拟的可视化结果，如图4所示，可增强学生的试验体验感和参与度，提升课程试验教学效果。
(a)混凝土梁开裂试验测试
(b)混凝土梁开裂数值模拟[10]
3.2 基于工程实际，探索“产、学、用”模式
“结构试验”属于土木工程专业本科阶段的应用型教育课程，在培养学生掌握课程基本原理和试验实操技能的基础上，应结合实际工程，加强工程教育与工程实践的结合，让学生深入工程一线，在实际工程中掌握结构试验技术的应用技巧，结合专业实践或实习培养环节，使学生建立工程概念，开展“产、学、用”模式探索，以满足社会需求为原点，多学科交叉，实现工程教育与行业发展的耦合，培养复合型卓越工程科技人才。
以混凝土简支梁静载试验为例，结合实际工程需求，在实际工程应用中进一步提升专业知识认知。简支梁成桥检测可认为是混凝土简支梁静载试验的现场应用拓展场景，建立工程实际和课程试验的联系，让学生实现从书本、课堂到工程一线的跨越，树立其工程理念，为培养卓越工程师助力。
3.3 依托科研平台，探索前沿科技
科学与工程协同发展，是“新工科”建设的要求之一。依托高校的优势科研平台，在传统“土木工程结构试验”中引入新兴技术，新兴试验技术往往涉及多学科交叉，跨专业知识交叉融合是结构试验发展的关键，可开拓学生的专业视野，激发学生的专业兴趣和探索精神，树立学生的终身学习观。
以混凝土简支梁静载破坏试验为例，依托高速铁路建造技术国家工程研究中心科研平台，在采用传统测试手段开展相关试验的基础上，引入光学散斑测试技术(DIC)，如图5所示，对比传统试验测试手段和光学散斑先进测试技术的应用效果。基于光学散斑测试技术可得到混凝土梁静载破坏过程的全场应变及演化过程，相比传统手段，试验测试效率和精度更有所保障，深刻阐释了科学技术是第一生产力。由此，拓宽学生专业视野，提升其接受新技术的能力，培养其终身学习的理念，激发其探索前沿科技的驱动力，进而造就一批具有创新创业能力和跨专业整合能力的高素质专业技术人才。
(a)混凝土梁破坏光学散斑测试技术
(b)混凝土梁开裂全程位移场测试图5 混凝土简支梁静载破坏试验及散斑测试技术
4 总结
“结构试验”是土木工程专业的基础课程之一，结合“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，“结构试验”课程体系建设和改革具有重要意义。本文立足于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，拓宽科学眼界、科研引入教学、突出行业特点，多场景、多主题、多层次开展项目式教学，理论联系实际，探索面向“新工科”的“土木工程结构试验”课程体系建设与改革措施，建设特色一流土木工程专业课程，助力培养高素质的学科交叉复合型卓越工程科技人才。
