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摘要：实验既是学科发展的一个重要手段，在教学中又能激发学生的学习兴趣，培养学生的综合素质和创新能力。主要介绍在研究型开放实验项目教学中的一些尝试，包括项目的设计、指导、成果总结和质量控制等。实践表明，以实验为手段，以指导教师和学生共同感兴趣的学科问题的探索为目标的研究型开放实验项目可以大大调动学生强烈的求知欲，培养学生科研创新能力和吃苦耐劳、团队合作的精神，同时还能取得良好的实践教学效果。
关键词：开放实验；研究型项目；科学探索；岩土力学
作者简介：郑清洁（1974-），女，河南新野人，河南理工大学现代教育技术中心，实验师；邹正盛（1963-），男，江西抚州人，河南理工大学土木工程学院，教授。（河南焦作454003）
中图分类号：G642.423 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2012）08-0099-02
众所周知，实验既能在自然科学的发展中起着举足轻重的作用，又能激发学生学习兴趣，培养学生综合素质和创新能力。[1-3]因此，它得到了各类学校的高度重视，不少教育工作者都在为实验教学出谋划策。在实验教学中，开放实验因框框少潜在作用最大，[2-3]吸引着不少学者进行尝试与探索。[4-6]
同样，近些年来，河南理工大学每年都要求各实验室将部分具备开放条件的实验项目面向全校学生开放，但同时又明文禁止教师强制要求学生进行开放实验。由于这一规定，尽管各学院设立了很多开放实验项目，但不少项目鲜有人问津。今年，笔者将开放实验项目设立成研究型项目，即以科学探索为目标、以实验为工具与手段的项目，进行了教学尝试。实践表明，学生在愉快的科研工作中掌握了实验技能，取得了创新性成果，科研创新能力得到提高，同时也培养了学生吃苦耐劳、团队合作的精神。
一、研究型开放实验项目的设立
每年，学校要求各实验室设立一些开放实验项目，并汇总在校最新公告与教务处网页上公布，让学生自愿选择参加。对于这种自愿性的活动，学生的主动性与积极性不高。调查发现，之所以对开放性实验的兴趣不高，原因有两个：其一是部分项目属于验证性或基础性实验，对这类试验，学生的兴趣一般不大；其二是对研究型（包括设计型、创新型）实验项目的宣传不够。
事实上，在课堂教学中有时设问和同学们讨论，学生积极性很高，爱思考，有的还在课外查资料找证据，可见学生对科学探求感兴趣。那么让学生通过实验来寻求解答呢？为此，我们尝试设立科研小课题，把实验作为科学探索的工具与手段，确定研究型开放实验项目。
鉴于大三、大四学生的知识结构与水平，不宜选择高深的科研课题作为开放实验项目。因为太难了，或者耗费时间太长，只会适得其反。近些年，笔者几乎每学年都与大三、大四学生打交道，承担教学工作。在课堂教学中也经常提出一些具有深化性或应用方面的问题，向学生简介其现状，有时也会提出一些可能的技术思路，鼓励同学们去探索。仅土力学这门课，小问题足有30多个。经和同学们讨论，最终从中选出4个小课题作为开放实验项目：“前期固结压力确定方法探讨”、“快速固结实验与常规固结实验对比分析”、“焦作土抗剪强度各向异性研究”、“不同节理性状对岩体抗剪强度影响的研究”。这4项小课题所涉及的室内试验有“高压固结实验”、“快速固结实验”、“固结试验”、“计算机控制的直剪实验”、“岩土材料破坏过程RFPA试验”，此外，还涉及到“直剪实验计算机控制软件的操作学习”、“含水率对土抗剪强度的影响”、“电镜扫描实验”以及其他多项土工实验。由此可见，研究型开放实验项目的实施除了能提高学生研究创新能力，还可以让学生学到新的实验知识，复习已学过的实验内容，从而较全面地掌握这一专业领域的实验方法与技能。
当研究课题和相应的实验一确定，很快就有100多人次的大三大四学生自愿报名参加。
二、实验项目的开展
1.明确分工与要求
岩土工程问题具有明显的不确定性和不确知性，因此要做好这几个小题目需要大量的实验资料做基础，以便采用统计的办法探寻其规律性。我们把每个学生的实验成果作为一个子样对待，这正好让同学们有充足的实验机会，人多人少都可以。
科研工作来不得半点马虎。以科学探索为目标的实验，要求在实验过程中自始至终要认真细致、一丝不苟。为了让每个同学做到这一点，让他们感到自已的责任与重担，我们对每个小题目，任命组长，并根据参加研究的同学人数进行分工。“前期固结压力确定方法探讨”以高压固结实验为主，因只有6台仪器，一批只能安排6个人做。“焦作土抗剪强度各向异性研究”是以“计算机控制的直剪实验”为主，设立了22个不同的剪切方向，可安排1人1～2个剪切方向。“快速固结实验与常规固结实验对比分析”可用的实验仪器比较多，要求1人1个快速固结实验和1个常规固结实验。“不同节理性状对岩体抗剪强度影响的研究”是以RFPA软件为工具，基本上要求1人做1个节理形状和1个节理充填厚度情况的数值试验。
实验前，向学生强调：每个同学的实验是小课题不可缺少的内容，每个同学的实验成果是小课题成果的重要组成部分，缺了就不完整，甚至影响到课题成果的分析与总结。
2.指导教师全程指导和质量控制
在以往的课程实验中，有的同学如蜻蜓点水，只在心中留下一点儿痕迹，实验没能起到它应有的作用。但是要达到科学探索的目的，对实验的要求自然就高了，严格了。为此，在实验中，笔者全程关注与指导，并进行了全方位的质量控制，确保得出合格实验数据。
现场土样采集是本次实验的一个重要工作。为了便于对比，要求试验的土样的一致性非常好。考虑到目前焦作市基坑与地基多数在4m左右的位置，因此，本次试验主要采集此深度的样品。由于试验土样需求量大，能满足此条件的采集点以基坑为佳。我们的做法是先向学生提出采样点要求，由他们在学校附近的工地寻找采样点，再去确认。为了保证土样的质量，在土样采集过程中，笔者现场示范、指导、控制，并和同学们一块采取土样。这样，在工作过程中学生学到了采样方法，知道什么是合格的土样，如何采集既快又好，同时感到采样的严格性以及在本次试验中的重要作用。
实验过程是一个漫长的过程，在学生实验过程中笔者经常到实验室去检查、询问，了解实验进展和存在的问题，了解实验成果。对于一些现象和同学们一块进行分析，有效控制实验质量。
3.发扬团结合作精神，共同完成实验
本次设立的开放实验多数需要连续读数记录，比如固结试验和高压固结试验，前者一个实验需要3天左右的时间，后者一个实验需要7天左右。对于同学们来说，没有完整的实验时间段来做这样的实验。他们一边要完成正常的学习任务，一边要做实验。所以，发扬团结合作的精神尤为重要。考虑到实验的这种情况，在安排实验批次时我们将大三、大四男女同学组成年级性别混合组，以保证实验工作的顺利与质量，同时也便于大三同学有机会和高年级同学交流。同学们在这次长时间的开放实验中发扬团结互助、精诚合作精神，相互帮助，有效地安排值班（包括值夜班），共同完成了这次实验任务。
4.提出问题，调动学生探索的能动性
书本上的知识多是经过概化的理论知识，实验过程可能有一些特殊的现象，与书本不完全一致。适时地提出问题可以引导同学们积极探索。
在进行直剪实验时，计算机自动记录的剪应力-位移曲线出现毛刺现象。这种现象是否应该存在？联想到人工操作的直剪实验，剪切时应变环读数表的指针也是不断摆动的。如果表示成剪应力-位移曲线，也有很明显的毛刺现象。人工直剪实验由于剪切速率一致性的控制难度较大，这种毛刺现象不难理解。但是，计算机控制剪切速率非常好，所得到的剪应力-位移曲线似乎应该没有毛刺现象或者不明显。基于此，同学们检查仪器，对仪器仪表的接触采润滑措施，结果毛刺消失了。
在直剪试验过程中，由于上下两剪切盒不断错动，剪切面积不断变小，实际的剪应力就不是通过读数得到的值，两者存在误差。这种误差有多大？对抗剪强度指标的确定会带来多大的误差？这种误差对工程应用影响有多大？有没有办法消除或减小这种影响？同学们放开思路，大胆设想，还真有一些奇思妙想，说明同学们的思维很活跃，只要有效激发，思路无穷无尽。
在对土体内聚力和内摩擦角的实质、含水率对抗剪强度影响的机理等等问题上，也是同学们颇感兴趣的问题。经过讨论，同学们获得一定的新认识。
三、研究成果的总结
在实验结束后，每人需完成自己的实验报告。同时，在完成同一课题下的全部试样实验后，还要求课题组长负责组织同课题的同学，在指导教师的指导下对全部实验结果进行分析总结与提升，编写科研小课题的研究论文。在实施过程中，以大四同学为主，要求全员参与。由于同学没有撰写研究论文的经验，研究成果的总结或研究论文的编写能力还比较弱，指导教师需要不断给予指导。经过多次修改，最终都撰写出了具有一定创新性的小成果。
在对“焦作土抗剪强度各向异性研究”成果总结过程中，发现很多有趣的现象，比如在22个剪切方向上的剪应力-位移曲线类型的方向性差异、抗剪强度指标的方向性、实际剪切位移总量随着法向应力的增大而略有减小等等。为了更好地分析这些问题，笔者又带领相关同学做了扫描电镜实验，从细观和微观上去寻求答案，进一步深化了该课题的研究成果，提升了学生的兴趣。
四、心得体会
在此次开放实验项目中，学生踊跃参加，并取得了良好的效果。实验结束后有不少未参加此次实验的学生提出希望今后能参加这类实验研究工作，可见此次实验教学的有效性。通过开放实验的教学实践，我们深深体会到：指导教师应以其人格魅力和师生双方共同感兴趣的研究型课题来吸引学生；以精心设计、安排、指导和把好实验质量关来全方位锻炼学生的能力；以不断针对实验提出新问题、积极引导学生思考来使学生对实验研究保持持久的兴趣；以指导教师参与成果总结来提高学生的创新能力和增强学生实验的成就感。只有这样，开放实验才能取得良好的成效。
五、结束语
研究型开放实验项目教学在今年土木学院的开放实验工作中取得了良好的成效，主要是因为它是以实验来做科研探索，这种实验工作有意思，能吸引学生，不会枯燥乏味。同时，研究题目又是指导老师感兴趣的，老师在指导上也会下较大功夫。指导老师在实验全程中控制、指导与引导，言传身教，可以加深学生对专业知识的理解与应用，拓宽学生的知识面，又能培养学生的科研创新能力和团队合作的科研精神。
参考文献：
[1]荣昶,赵向阳,蔡惠萍.实验教学与创新能力培养探析[J].实验室研究与探索,2004,23(1).
[2]杜月林,李飞.开放实验项目的实施与低年级本科生创新能力的培养[J].中国科教创新导刊,2011,(13).
[3]时连君,万殿茂,王芳,等.实验室开放与创新型人才培养的探索[J].实验室研究与探索,2009,28(5).
[4]李玲,闫毅志.电气工程及自动化专业的开放式实验教学体系探索[J].中国电力教育,2011,(24).
[5]郑春龙,邵红艳,钟振余,等.创新性开放实验项目建设的探索与实践[J].实验技术与管理,2009,26(10).
[6]程朝霞.土木工程材料实验室开放实验项目的改革与探讨[J].实验室科学,2009,(4).
（责任编辑：王祝萍）
关键词：开放实验；研究型项目；科学探索；岩土力学
作者简介：郑清洁（1974-），女，河南新野人，河南理工大学现代教育技术中心，实验师；邹正盛（1963-），男，江西抚州人，河南理工大学土木工程学院，教授。（河南焦作454003）
中图分类号：G642.423 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2012）08-0099-02
众所周知，实验既能在自然科学的发展中起着举足轻重的作用，又能激发学生学习兴趣，培养学生综合素质和创新能力。[1-3]因此，它得到了各类学校的高度重视，不少教育工作者都在为实验教学出谋划策。在实验教学中，开放实验因框框少潜在作用最大，[2-3]吸引着不少学者进行尝试与探索。[4-6]
同样，近些年来，河南理工大学每年都要求各实验室将部分具备开放条件的实验项目面向全校学生开放，但同时又明文禁止教师强制要求学生进行开放实验。由于这一规定，尽管各学院设立了很多开放实验项目，但不少项目鲜有人问津。今年，笔者将开放实验项目设立成研究型项目，即以科学探索为目标、以实验为工具与手段的项目，进行了教学尝试。实践表明，学生在愉快的科研工作中掌握了实验技能，取得了创新性成果，科研创新能力得到提高，同时也培养了学生吃苦耐劳、团队合作的精神。
一、研究型开放实验项目的设立
每年，学校要求各实验室设立一些开放实验项目，并汇总在校最新公告与教务处网页上公布，让学生自愿选择参加。对于这种自愿性的活动，学生的主动性与积极性不高。调查发现，之所以对开放性实验的兴趣不高，原因有两个：其一是部分项目属于验证性或基础性实验，对这类试验，学生的兴趣一般不大；其二是对研究型（包括设计型、创新型）实验项目的宣传不够。
事实上，在课堂教学中有时设问和同学们讨论，学生积极性很高，爱思考，有的还在课外查资料找证据，可见学生对科学探求感兴趣。那么让学生通过实验来寻求解答呢？为此，我们尝试设立科研小课题，把实验作为科学探索的工具与手段，确定研究型开放实验项目。
鉴于大三、大四学生的知识结构与水平，不宜选择高深的科研课题作为开放实验项目。因为太难了，或者耗费时间太长，只会适得其反。近些年，笔者几乎每学年都与大三、大四学生打交道，承担教学工作。在课堂教学中也经常提出一些具有深化性或应用方面的问题，向学生简介其现状，有时也会提出一些可能的技术思路，鼓励同学们去探索。仅土力学这门课，小问题足有30多个。经和同学们讨论，最终从中选出4个小课题作为开放实验项目：“前期固结压力确定方法探讨”、“快速固结实验与常规固结实验对比分析”、“焦作土抗剪强度各向异性研究”、“不同节理性状对岩体抗剪强度影响的研究”。这4项小课题所涉及的室内试验有“高压固结实验”、“快速固结实验”、“固结试验”、“计算机控制的直剪实验”、“岩土材料破坏过程RFPA试验”，此外，还涉及到“直剪实验计算机控制软件的操作学习”、“含水率对土抗剪强度的影响”、“电镜扫描实验”以及其他多项土工实验。由此可见，研究型开放实验项目的实施除了能提高学生研究创新能力，还可以让学生学到新的实验知识，复习已学过的实验内容，从而较全面地掌握这一专业领域的实验方法与技能。
当研究课题和相应的实验一确定，很快就有100多人次的大三大四学生自愿报名参加。
二、实验项目的开展
1.明确分工与要求
岩土工程问题具有明显的不确定性和不确知性，因此要做好这几个小题目需要大量的实验资料做基础，以便采用统计的办法探寻其规律性。我们把每个学生的实验成果作为一个子样对待，这正好让同学们有充足的实验机会，人多人少都可以。
科研工作来不得半点马虎。以科学探索为目标的实验，要求在实验过程中自始至终要认真细致、一丝不苟。为了让每个同学做到这一点，让他们感到自已的责任与重担，我们对每个小题目，任命组长，并根据参加研究的同学人数进行分工。“前期固结压力确定方法探讨”以高压固结实验为主，因只有6台仪器，一批只能安排6个人做。“焦作土抗剪强度各向异性研究”是以“计算机控制的直剪实验”为主，设立了22个不同的剪切方向，可安排1人1～2个剪切方向。“快速固结实验与常规固结实验对比分析”可用的实验仪器比较多，要求1人1个快速固结实验和1个常规固结实验。“不同节理性状对岩体抗剪强度影响的研究”是以RFPA软件为工具，基本上要求1人做1个节理形状和1个节理充填厚度情况的数值试验。
实验前，向学生强调：每个同学的实验是小课题不可缺少的内容，每个同学的实验成果是小课题成果的重要组成部分，缺了就不完整，甚至影响到课题成果的分析与总结。
2.指导教师全程指导和质量控制
在以往的课程实验中，有的同学如蜻蜓点水，只在心中留下一点儿痕迹，实验没能起到它应有的作用。但是要达到科学探索的目的，对实验的要求自然就高了，严格了。为此，在实验中，笔者全程关注与指导，并进行了全方位的质量控制，确保得出合格实验数据。
现场土样采集是本次实验的一个重要工作。为了便于对比，要求试验的土样的一致性非常好。考虑到目前焦作市基坑与地基多数在4m左右的位置，因此，本次试验主要采集此深度的样品。由于试验土样需求量大，能满足此条件的采集点以基坑为佳。我们的做法是先向学生提出采样点要求，由他们在学校附近的工地寻找采样点，再去确认。为了保证土样的质量，在土样采集过程中，笔者现场示范、指导、控制，并和同学们一块采取土样。这样，在工作过程中学生学到了采样方法，知道什么是合格的土样，如何采集既快又好，同时感到采样的严格性以及在本次试验中的重要作用。
实验过程是一个漫长的过程，在学生实验过程中笔者经常到实验室去检查、询问，了解实验进展和存在的问题，了解实验成果。对于一些现象和同学们一块进行分析，有效控制实验质量。
3.发扬团结合作精神，共同完成实验
本次设立的开放实验多数需要连续读数记录，比如固结试验和高压固结试验，前者一个实验需要3天左右的时间，后者一个实验需要7天左右。对于同学们来说，没有完整的实验时间段来做这样的实验。他们一边要完成正常的学习任务，一边要做实验。所以，发扬团结合作的精神尤为重要。考虑到实验的这种情况，在安排实验批次时我们将大三、大四男女同学组成年级性别混合组，以保证实验工作的顺利与质量，同时也便于大三同学有机会和高年级同学交流。同学们在这次长时间的开放实验中发扬团结互助、精诚合作精神，相互帮助，有效地安排值班（包括值夜班），共同完成了这次实验任务。
4.提出问题，调动学生探索的能动性
书本上的知识多是经过概化的理论知识，实验过程可能有一些特殊的现象，与书本不完全一致。适时地提出问题可以引导同学们积极探索。
在进行直剪实验时，计算机自动记录的剪应力-位移曲线出现毛刺现象。这种现象是否应该存在？联想到人工操作的直剪实验，剪切时应变环读数表的指针也是不断摆动的。如果表示成剪应力-位移曲线，也有很明显的毛刺现象。人工直剪实验由于剪切速率一致性的控制难度较大，这种毛刺现象不难理解。但是，计算机控制剪切速率非常好，所得到的剪应力-位移曲线似乎应该没有毛刺现象或者不明显。基于此，同学们检查仪器，对仪器仪表的接触采润滑措施，结果毛刺消失了。
在直剪试验过程中，由于上下两剪切盒不断错动，剪切面积不断变小，实际的剪应力就不是通过读数得到的值，两者存在误差。这种误差有多大？对抗剪强度指标的确定会带来多大的误差？这种误差对工程应用影响有多大？有没有办法消除或减小这种影响？同学们放开思路，大胆设想，还真有一些奇思妙想，说明同学们的思维很活跃，只要有效激发，思路无穷无尽。
在对土体内聚力和内摩擦角的实质、含水率对抗剪强度影响的机理等等问题上，也是同学们颇感兴趣的问题。经过讨论，同学们获得一定的新认识。
三、研究成果的总结
在实验结束后，每人需完成自己的实验报告。同时，在完成同一课题下的全部试样实验后，还要求课题组长负责组织同课题的同学，在指导教师的指导下对全部实验结果进行分析总结与提升，编写科研小课题的研究论文。在实施过程中，以大四同学为主，要求全员参与。由于同学没有撰写研究论文的经验，研究成果的总结或研究论文的编写能力还比较弱，指导教师需要不断给予指导。经过多次修改，最终都撰写出了具有一定创新性的小成果。
在对“焦作土抗剪强度各向异性研究”成果总结过程中，发现很多有趣的现象，比如在22个剪切方向上的剪应力-位移曲线类型的方向性差异、抗剪强度指标的方向性、实际剪切位移总量随着法向应力的增大而略有减小等等。为了更好地分析这些问题，笔者又带领相关同学做了扫描电镜实验，从细观和微观上去寻求答案，进一步深化了该课题的研究成果，提升了学生的兴趣。
四、心得体会
在此次开放实验项目中，学生踊跃参加，并取得了良好的效果。实验结束后有不少未参加此次实验的学生提出希望今后能参加这类实验研究工作，可见此次实验教学的有效性。通过开放实验的教学实践，我们深深体会到：指导教师应以其人格魅力和师生双方共同感兴趣的研究型课题来吸引学生；以精心设计、安排、指导和把好实验质量关来全方位锻炼学生的能力；以不断针对实验提出新问题、积极引导学生思考来使学生对实验研究保持持久的兴趣；以指导教师参与成果总结来提高学生的创新能力和增强学生实验的成就感。只有这样，开放实验才能取得良好的成效。
五、结束语
研究型开放实验项目教学在今年土木学院的开放实验工作中取得了良好的成效，主要是因为它是以实验来做科研探索，这种实验工作有意思，能吸引学生，不会枯燥乏味。同时，研究题目又是指导老师感兴趣的，老师在指导上也会下较大功夫。指导老师在实验全程中控制、指导与引导，言传身教，可以加深学生对专业知识的理解与应用，拓宽学生的知识面，又能培养学生的科研创新能力和团队合作的科研精神。
参考文献：
[1]荣昶,赵向阳,蔡惠萍.实验教学与创新能力培养探析[J].实验室研究与探索,2004,23(1).
[2]杜月林,李飞.开放实验项目的实施与低年级本科生创新能力的培养[J].中国科教创新导刊,2011,(13).
[3]时连君,万殿茂,王芳,等.实验室开放与创新型人才培养的探索[J].实验室研究与探索,2009,28(5).
[4]李玲,闫毅志.电气工程及自动化专业的开放式实验教学体系探索[J].中国电力教育,2011,(24).
[5]郑春龙,邵红艳,钟振余,等.创新性开放实验项目建设的探索与实践[J].实验技术与管理,2009,26(10).
[6]程朝霞.土木工程材料实验室开放实验项目的改革与探讨[J].实验室科学,2009,(4).
（责任编辑：王祝萍）