基于研究性教學(xué)方法的土木工程專業(yè)探索性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

葛折圣

摘 要：研究性教學(xué)是教育部“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”大力提倡和著力推廣的教學(xué)方法。該文針對(duì)華南理工大學(xué)土木工程專業(yè)“卓越全英班”實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求，采用研究性教學(xué)方法開展探索性實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)。結(jié)果表明，采用研究性教學(xué)方法，與教師的研究課題相結(jié)合，進(jìn)行探索性實(shí)驗(yàn)教學(xué)是培養(yǎng)和提高學(xué)生創(chuàng)新能力的重要舉措；有利于調(diào)動(dòng)學(xué)生參與教師研究課題的積極性和主動(dòng)性；也對(duì)教師的理論水平和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)提出了更高的要求。

關(guān)鍵詞：研究性教學(xué) 探索性實(shí)驗(yàn) 土木工程 創(chuàng)新能力

中圖分類號(hào)：G642.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）09（b）-0150-02

“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”是促進(jìn)我國由工程教育大國邁向工程教育強(qiáng)國的重大舉措。該計(jì)劃的實(shí)施目標(biāo)是培養(yǎng)造就一大批創(chuàng)新能力強(qiáng)、適應(yīng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需要的高質(zhì)量各類型工程技術(shù)人才，為國家走新型工業(yè)化發(fā)展道路、建設(shè)創(chuàng)新型國家和人才強(qiáng)國戰(zhàn)略服務(wù)。“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”具有三個(gè)特點(diǎn)：一是行業(yè)企業(yè)深度參與培養(yǎng)過程；二是學(xué)校按通用標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)培養(yǎng)工程人才；三是強(qiáng)化培養(yǎng)學(xué)生的工程能力和創(chuàng)新能力。教育部將在五個(gè)方面采取措施推進(jìn)該計(jì)劃的實(shí)施：一是創(chuàng)立高校與行業(yè)企業(yè)聯(lián)合培養(yǎng)人才的新機(jī)制；二是以強(qiáng)化工程能力與創(chuàng)新能力為重點(diǎn)改革人才培養(yǎng)模式；三是改革完善工程教師職務(wù)聘任、考核制度；四是擴(kuò)大工程教育的對(duì)外開放；五是教育界與工業(yè)界聯(lián)合制訂人才培養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)。

2010年7月，華南理工大學(xué)成為全國第一批“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”實(shí)施高校。土木工程“卓越全英班”是該計(jì)劃的重要組成部分，是為探索個(gè)性化創(chuàng)新型人才培養(yǎng)模式而開辦的。注重培養(yǎng)學(xué)生掌握力學(xué)、結(jié)構(gòu)基本理論和設(shè)計(jì)方法、先進(jìn)施工技術(shù)及工程管理知識(shí)，突出外語、計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力。大部分課程采用全英教學(xué)，注重和加強(qiáng)實(shí)踐和創(chuàng)新教學(xué)環(huán)節(jié)，配備高水平教師擔(dān)任導(dǎo)師進(jìn)行專業(yè)學(xué)習(xí)和科研實(shí)踐指導(dǎo)。開設(shè)科技前沿專題講座，參與國際工程實(shí)踐。培養(yǎng)具有良好的人文、科學(xué)與工程的綜合素質(zhì)，具有國際視野和國際交往能力的土木工程優(yōu)秀創(chuàng)新人才，力爭與國際土木工程領(lǐng)域的培養(yǎng)模式接軌。

研究性教學(xué)是一種符合工程能力培養(yǎng)規(guī)律和綜合素質(zhì)形成邏輯的教學(xué)組織形式和教學(xué)方式，得到“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”的大力提倡和著力推廣。該文著重介紹采用研究性教學(xué)方法進(jìn)行土木工程專業(yè)道路工程方向的一項(xiàng)探索性試驗(yàn)設(shè)計(jì)過程及其效果。

1 典型的研究性教學(xué)方法

研究性教學(xué)是以探究為基礎(chǔ)的教學(xué)，它以學(xué)生的發(fā)展為本，把學(xué)習(xí)與研究相統(tǒng)一，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、思考問題和解決問題，使學(xué)生成為教學(xué)活動(dòng)的中心，成為自我反思和自我發(fā)展的主體[1]。作為一種教學(xué)方法體系，研究性教學(xué)主要有案例教學(xué)、基于問題解決的學(xué)習(xí)和基于問題的學(xué)習(xí)等三種典型的教學(xué)方法。

1.1 案例教學(xué)法

案例教學(xué)法是一種使得學(xué)生處在面臨問題的決策者角色的教學(xué)方法。在案例教學(xué)法課堂，無論是教師和學(xué)生必須以不同的方式被激活。教師和學(xué)生相互依賴、互相學(xué)習(xí)。教師一般都是專家，但他們很少直接告知學(xué)生專業(yè)知識(shí)。

案例教學(xué)法主要是用在商業(yè)學(xué)院和公共政策學(xué)院教學(xué)活動(dòng)中。例如，1908年已被用于在哈佛商學(xué)院和公共政策學(xué)院。教學(xué)案例研究是全球頂尖的商學(xué)院進(jìn)行核心功能。他們常常組織比賽確定最佳的新的教學(xué)案例。商業(yè)案例是模仿或模擬真實(shí)情況下的文檔。案例陳述的現(xiàn)實(shí)讓讀者參與其中。案件往往說明企業(yè)或政策形勢需要解決問題，還包括課堂討論和研究的其他信息。在沒有明顯的解決方案的情況下，提供了充分的事實(shí)基礎(chǔ)上激發(fā)學(xué)生獲得一切可能的結(jié)果。作為現(xiàn)實(shí)的模擬，案例必須具有三個(gè)特征：一個(gè)重要的業(yè)務(wù)問題或問題。沒有問題的情況下，沒有教育價(jià)值；充分的信息基礎(chǔ)；沒有明確的結(jié)論。

在案例教學(xué)過程中，教師的作用是選擇和組織案例，這也是實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)的關(guān)鍵。

1.2 基于問題解決的學(xué)習(xí)

基于問題解決的學(xué)習(xí)方法是1980年美國數(shù)學(xué)教師協(xié)會(huì)正式提出來的[2]。它將學(xué)習(xí)內(nèi)容設(shè)計(jì)成問題，或由學(xué)生提出問題，讓學(xué)習(xí)者通過解決問題來獲得相應(yīng)的知識(shí)和能力。

讓學(xué)生提出高質(zhì)量的問題是這種教學(xué)方法的關(guān)鍵。要求學(xué)生將問題具體化和形象化，構(gòu)造成模擬實(shí)際生活的故事情節(jié)。學(xué)生在原有知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過分析解決問題，發(fā)現(xiàn)更加復(fù)雜和深入的問題。

因此，學(xué)生提出問題的多少、思考問題的廣度和深度等是基于問題解決的學(xué)習(xí)方法的重要的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

1.3 基于問題的學(xué)習(xí)

基于問題的學(xué)習(xí)是一種以學(xué)生為中心的教學(xué)方法。學(xué)習(xí)的目的是獲得解決問題的經(jīng)驗(yàn)、思考策略和該領(lǐng)域的知識(shí)[3]。基于問題的學(xué)習(xí)的目標(biāo)是幫助學(xué)生形成靈活的知識(shí)、有效解決問題的能力、自主學(xué)習(xí)、有效的協(xié)作能力和內(nèi)在動(dòng)機(jī)。

基于問題的學(xué)習(xí)是一個(gè)主動(dòng)的學(xué)習(xí)方式[4]。在工作過程中，學(xué)生發(fā)現(xiàn)他們已有的知識(shí)，需要知道什么，以及如何和在哪里獲得新的信息，可能會(huì)有益于該問題的解決。教師的作用是為了促進(jìn)學(xué)生的學(xué)習(xí)、支持、指導(dǎo)和監(jiān)控學(xué)習(xí)過程。導(dǎo)師必須建立學(xué)生對(duì)解決問題的信心，并鼓勵(lì)學(xué)生，同時(shí)也拓展他們的理解。

Barrows定義了基于問題的學(xué)習(xí)模型為[5]：

（1）以學(xué)生為中心的學(xué)習(xí)。

（2）學(xué)習(xí)是學(xué)生小團(tuán)體做的，理想的6～10人。

（3）教師指導(dǎo)學(xué)生而不是教學(xué)。

（4）以問題為基礎(chǔ)組織和激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)。

（5）問題是設(shè)置是提高學(xué)生解決問題能力的基礎(chǔ)，是刺激的認(rèn)知過程。

（6）學(xué)生通過自我導(dǎo)向?qū)W習(xí)獲得新的知識(shí)。

基于問題的學(xué)習(xí)要求教師的教學(xué)風(fēng)格達(dá)到幾個(gè)主要標(biāo)準(zhǔn)：首先，要有一個(gè)與教師科研相關(guān)的“學(xué)習(xí)中心”，所有的學(xué)生都需要圍繞該中心。第二個(gè)標(biāo)準(zhǔn)是必須有一個(gè)驅(qū)動(dòng)問題，學(xué)生通過完成項(xiàng)目獲得問題的答案。這個(gè)問題也不能有一個(gè)預(yù)定的結(jié)果，它應(yīng)該要求學(xué)生使用的先驗(yàn)知識(shí)來所有可能的結(jié)果。其他標(biāo)準(zhǔn)包括建設(shè)性的調(diào)查研究、學(xué)生的自主權(quán)等。endprint

基于問題的學(xué)習(xí)的主要教學(xué)過程包括提出問題、分析問題、形成假設(shè)、驗(yàn)證假設(shè)、修正假設(shè)。

2 土木工程探索性試驗(yàn)設(shè)計(jì)

近年來華南理工大學(xué)開展了“探索性實(shí)驗(yàn)”教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)工作，引導(dǎo)教師將科研項(xiàng)目成果轉(zhuǎn)化為計(jì)劃內(nèi)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，從而深化實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容和體系改革，推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室開放共享；通過科研與教學(xué)融合，切實(shí)促進(jìn)學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

下面介紹用研究性教學(xué)方法設(shè)計(jì)所申報(bào)的“探索性實(shí)驗(yàn)”教學(xué)項(xiàng)目“瀝青混合料多軸加載試驗(yàn)”。

2.1 提出問題

最新版的《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20-2011）中瀝青混合料的試驗(yàn)方法主要包括：單軸壓縮、單軸拉伸、小梁彎曲和劈裂試驗(yàn)等。試驗(yàn)過程中，瀝青混合料試件處于單軸或雙軸應(yīng)力狀態(tài)。而實(shí)際瀝青路面中，瀝青混合料處于多軸受力狀態(tài)，承受壓縮、拉伸、剪切的交互作用。因此，現(xiàn)有瀝青混合料的試驗(yàn)裝置與方法無法模擬實(shí)際瀝青路面材料的多軸受力狀態(tài)。

2.2 分析問題

為了模擬實(shí)際瀝青路面材料的多軸受力狀態(tài)，采用如圖1所示的試驗(yàn)裝置。通過轉(zhuǎn)動(dòng)的橡膠輪胎帶動(dòng)圓柱體試件轉(zhuǎn)動(dòng)，試件受到橡膠輪胎的表面摩擦力F和鉛垂方向的壓力P作用。同時(shí)，在試件水平方向施加壓力Q。從而模擬實(shí)際路面材料多軸受力狀態(tài)，使得試件承受壓縮、拉伸、剪切的交互作用。

2.3 試驗(yàn)步驟

（1）試件制作。采用擊實(shí)法、靜壓法或旋轉(zhuǎn)壓實(shí)法制作的圓柱體試件；或在輪碾法制作的板塊狀試件中鉆取的圓柱體試件；或在路面中鉆取圓柱體的芯樣。

（2）安裝試件。將試驗(yàn)室的環(huán)境溫度控制在試驗(yàn)溫度±0.1 ℃范圍內(nèi)。加載前，保溫時(shí)間為90～120 min。

（3）水平方向加載。通過水平加載油缸對(duì)試件施加水平方向拉伸或壓縮荷載。

（4）鉛垂方向加載。通過鉛垂方向加載裝置在橡膠輪上施加荷載，從而在試件中部上方施加鉛垂方向荷載。

（5）啟動(dòng)橡膠輪驅(qū)動(dòng)馬達(dá)，使得橡膠輪單向旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速為1～100 r/s。

2.4 試驗(yàn)結(jié)果的分析與討論

試件轉(zhuǎn)動(dòng)一定次數(shù)后，量測試件中部加載位置的直徑，計(jì)算直徑變化率。加載后試件中部直徑的變化百分率計(jì)算公式為：100%×加載一定次數(shù)后加載位置試件直徑/加載前試件直徑。

同時(shí)，量測試件長度，計(jì)算加載后試件長度的變化率。加載后試件長度變化百分率計(jì)算公式為：100%×加載一定次數(shù)后試件長度/加載前試件長度。

教學(xué)過程中，共15位同學(xué)參與該項(xiàng)試驗(yàn)，分為3組，每組5人（表1）。

3 教學(xué)效果

采用研究性教學(xué)方法，有助于把學(xué)生納入教師的科研項(xiàng)目，驅(qū)使學(xué)生調(diào)查研究，組織討論會(huì)，分析問題，解決問題，完成工作任務(wù)。

授課教師與同學(xué)們一起通過該試驗(yàn)項(xiàng)目掌握了實(shí)際路面材料的受力狀態(tài)，并創(chuàng)新性的設(shè)計(jì)了“瀝青混合料多軸加載試驗(yàn)”方法。依托研究成果申報(bào)了2項(xiàng)實(shí)用新型專利和2項(xiàng)發(fā)明專利。在國外SCI源刊投稿論文2篇。

4 結(jié)語

研究性教學(xué)是一種符合工程能力培養(yǎng)規(guī)律和綜合素質(zhì)形成邏輯的教學(xué)組織形式和教學(xué)方式，得到“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”的大力提倡和著力推廣。本文著重介紹采用研究性教學(xué)方法進(jìn)行土木工程專業(yè)道路工程方向的一項(xiàng)探索性試驗(yàn)設(shè)計(jì)過程及其效果。主要結(jié)論如下。

（1）采用研究性教學(xué)方法，與教師的研究課題相結(jié)合，將土木工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中部分傳統(tǒng)的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)改革為探索性實(shí)驗(yàn)是培養(yǎng)和提高學(xué)生創(chuàng)新能力的重要舉措。

（2）開展探索性實(shí)驗(yàn)有利于調(diào)動(dòng)學(xué)生參與教師研究課題的積極性和主動(dòng)性，對(duì)他們今后開展研究工作具有重要幫助。

（3）開展探索性實(shí)驗(yàn)活動(dòng)過程中，為了引導(dǎo)學(xué)生提出問題、分析問題和解決問題，也對(duì)教師的理論水平和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)提出了更高的要求。

參考文獻(xiàn)

[1] Ellet，William.The Case Study Handbook[M].Boston：Harvard Business School Press，2007.

[2] 趙洪.研究性教學(xué)與大學(xué)教學(xué)方法改革[J].高等教育研究，2006，27（2）：71-75.

[3] Hmelo-Silver，Cindy E."Problem-Based Learning：What and How Do Students Learn？[J].Educational Psychology Review，2004，16（3）：235.

[4] Schmidt，Henk G，Rotgans，Jerome I，Yew，Elaine HJ.The process of problem-based learning：What works and why[J].Medical Education，2011，45（8）：792-806.

[5] Hung，Woei.Theory to reality：A few issues in implementing problem-based learning[J].Educational Technology Research and Development，2011，59（4）：529.endprint

基于問題的學(xué)習(xí)的主要教學(xué)過程包括提出問題、分析問題、形成假設(shè)、驗(yàn)證假設(shè)、修正假設(shè)。

2 土木工程探索性試驗(yàn)設(shè)計(jì)

近年來華南理工大學(xué)開展了“探索性實(shí)驗(yàn)”教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)工作，引導(dǎo)教師將科研項(xiàng)目成果轉(zhuǎn)化為計(jì)劃內(nèi)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，從而深化實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容和體系改革，推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室開放共享；通過科研與教學(xué)融合，切實(shí)促進(jìn)學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

下面介紹用研究性教學(xué)方法設(shè)計(jì)所申報(bào)的“探索性實(shí)驗(yàn)”教學(xué)項(xiàng)目“瀝青混合料多軸加載試驗(yàn)”。

2.1 提出問題

最新版的《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20-2011）中瀝青混合料的試驗(yàn)方法主要包括：單軸壓縮、單軸拉伸、小梁彎曲和劈裂試驗(yàn)等。試驗(yàn)過程中，瀝青混合料試件處于單軸或雙軸應(yīng)力狀態(tài)。而實(shí)際瀝青路面中，瀝青混合料處于多軸受力狀態(tài)，承受壓縮、拉伸、剪切的交互作用。因此，現(xiàn)有瀝青混合料的試驗(yàn)裝置與方法無法模擬實(shí)際瀝青路面材料的多軸受力狀態(tài)。

2.2 分析問題

為了模擬實(shí)際瀝青路面材料的多軸受力狀態(tài)，采用如圖1所示的試驗(yàn)裝置。通過轉(zhuǎn)動(dòng)的橡膠輪胎帶動(dòng)圓柱體試件轉(zhuǎn)動(dòng)，試件受到橡膠輪胎的表面摩擦力F和鉛垂方向的壓力P作用。同時(shí)，在試件水平方向施加壓力Q。從而模擬實(shí)際路面材料多軸受力狀態(tài)，使得試件承受壓縮、拉伸、剪切的交互作用。

2.3 試驗(yàn)步驟

（1）試件制作。采用擊實(shí)法、靜壓法或旋轉(zhuǎn)壓實(shí)法制作的圓柱體試件；或在輪碾法制作的板塊狀試件中鉆取的圓柱體試件；或在路面中鉆取圓柱體的芯樣。

（2）安裝試件。將試驗(yàn)室的環(huán)境溫度控制在試驗(yàn)溫度±0.1 ℃范圍內(nèi)。加載前，保溫時(shí)間為90～120 min。

（3）水平方向加載。通過水平加載油缸對(duì)試件施加水平方向拉伸或壓縮荷載。

（4）鉛垂方向加載。通過鉛垂方向加載裝置在橡膠輪上施加荷載，從而在試件中部上方施加鉛垂方向荷載。

（5）啟動(dòng)橡膠輪驅(qū)動(dòng)馬達(dá)，使得橡膠輪單向旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速為1～100 r/s。

2.4 試驗(yàn)結(jié)果的分析與討論

試件轉(zhuǎn)動(dòng)一定次數(shù)后，量測試件中部加載位置的直徑，計(jì)算直徑變化率。加載后試件中部直徑的變化百分率計(jì)算公式為：100%×加載一定次數(shù)后加載位置試件直徑/加載前試件直徑。

同時(shí)，量測試件長度，計(jì)算加載后試件長度的變化率。加載后試件長度變化百分率計(jì)算公式為：100%×加載一定次數(shù)后試件長度/加載前試件長度。

教學(xué)過程中，共15位同學(xué)參與該項(xiàng)試驗(yàn)，分為3組，每組5人（表1）。

3 教學(xué)效果

采用研究性教學(xué)方法，有助于把學(xué)生納入教師的科研項(xiàng)目，驅(qū)使學(xué)生調(diào)查研究，組織討論會(huì)，分析問題，解決問題，完成工作任務(wù)。

授課教師與同學(xué)們一起通過該試驗(yàn)項(xiàng)目掌握了實(shí)際路面材料的受力狀態(tài)，并創(chuàng)新性的設(shè)計(jì)了“瀝青混合料多軸加載試驗(yàn)”方法。依托研究成果申報(bào)了2項(xiàng)實(shí)用新型專利和2項(xiàng)發(fā)明專利。在國外SCI源刊投稿論文2篇。

4 結(jié)語

研究性教學(xué)是一種符合工程能力培養(yǎng)規(guī)律和綜合素質(zhì)形成邏輯的教學(xué)組織形式和教學(xué)方式，得到“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”的大力提倡和著力推廣。本文著重介紹采用研究性教學(xué)方法進(jìn)行土木工程專業(yè)道路工程方向的一項(xiàng)探索性試驗(yàn)設(shè)計(jì)過程及其效果。主要結(jié)論如下。

（1）采用研究性教學(xué)方法，與教師的研究課題相結(jié)合，將土木工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中部分傳統(tǒng)的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)改革為探索性實(shí)驗(yàn)是培養(yǎng)和提高學(xué)生創(chuàng)新能力的重要舉措。

（2）開展探索性實(shí)驗(yàn)有利于調(diào)動(dòng)學(xué)生參與教師研究課題的積極性和主動(dòng)性，對(duì)他們今后開展研究工作具有重要幫助。

（3）開展探索性實(shí)驗(yàn)活動(dòng)過程中，為了引導(dǎo)學(xué)生提出問題、分析問題和解決問題，也對(duì)教師的理論水平和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)提出了更高的要求。

參考文獻(xiàn)

[1] Ellet，William.The Case Study Handbook[M].Boston：Harvard Business School Press，2007.

[2] 趙洪.研究性教學(xué)與大學(xué)教學(xué)方法改革[J].高等教育研究，2006，27（2）：71-75.

[3] Hmelo-Silver，Cindy E."Problem-Based Learning：What and How Do Students Learn？[J].Educational Psychology Review，2004，16（3）：235.

[4] Schmidt，Henk G，Rotgans，Jerome I，Yew，Elaine HJ.The process of problem-based learning：What works and why[J].Medical Education，2011，45（8）：792-806.

[5] Hung，Woei.Theory to reality：A few issues in implementing problem-based learning[J].Educational Technology Research and Development，2011，59（4）：529.endprint

基于問題的學(xué)習(xí)的主要教學(xué)過程包括提出問題、分析問題、形成假設(shè)、驗(yàn)證假設(shè)、修正假設(shè)。

2 土木工程探索性試驗(yàn)設(shè)計(jì)

近年來華南理工大學(xué)開展了“探索性實(shí)驗(yàn)”教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)工作，引導(dǎo)教師將科研項(xiàng)目成果轉(zhuǎn)化為計(jì)劃內(nèi)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，從而深化實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容和體系改革，推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室開放共享；通過科研與教學(xué)融合，切實(shí)促進(jìn)學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

下面介紹用研究性教學(xué)方法設(shè)計(jì)所申報(bào)的“探索性實(shí)驗(yàn)”教學(xué)項(xiàng)目“瀝青混合料多軸加載試驗(yàn)”。

2.1 提出問題

最新版的《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20-2011）中瀝青混合料的試驗(yàn)方法主要包括：單軸壓縮、單軸拉伸、小梁彎曲和劈裂試驗(yàn)等。試驗(yàn)過程中，瀝青混合料試件處于單軸或雙軸應(yīng)力狀態(tài)。而實(shí)際瀝青路面中，瀝青混合料處于多軸受力狀態(tài)，承受壓縮、拉伸、剪切的交互作用。因此，現(xiàn)有瀝青混合料的試驗(yàn)裝置與方法無法模擬實(shí)際瀝青路面材料的多軸受力狀態(tài)。

2.2 分析問題

為了模擬實(shí)際瀝青路面材料的多軸受力狀態(tài)，采用如圖1所示的試驗(yàn)裝置。通過轉(zhuǎn)動(dòng)的橡膠輪胎帶動(dòng)圓柱體試件轉(zhuǎn)動(dòng)，試件受到橡膠輪胎的表面摩擦力F和鉛垂方向的壓力P作用。同時(shí)，在試件水平方向施加壓力Q。從而模擬實(shí)際路面材料多軸受力狀態(tài)，使得試件承受壓縮、拉伸、剪切的交互作用。

2.3 試驗(yàn)步驟

（1）試件制作。采用擊實(shí)法、靜壓法或旋轉(zhuǎn)壓實(shí)法制作的圓柱體試件；或在輪碾法制作的板塊狀試件中鉆取的圓柱體試件；或在路面中鉆取圓柱體的芯樣。

（2）安裝試件。將試驗(yàn)室的環(huán)境溫度控制在試驗(yàn)溫度±0.1 ℃范圍內(nèi)。加載前，保溫時(shí)間為90～120 min。

（3）水平方向加載。通過水平加載油缸對(duì)試件施加水平方向拉伸或壓縮荷載。

（4）鉛垂方向加載。通過鉛垂方向加載裝置在橡膠輪上施加荷載，從而在試件中部上方施加鉛垂方向荷載。

（5）啟動(dòng)橡膠輪驅(qū)動(dòng)馬達(dá)，使得橡膠輪單向旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速為1～100 r/s。

2.4 試驗(yàn)結(jié)果的分析與討論

試件轉(zhuǎn)動(dòng)一定次數(shù)后，量測試件中部加載位置的直徑，計(jì)算直徑變化率。加載后試件中部直徑的變化百分率計(jì)算公式為：100%×加載一定次數(shù)后加載位置試件直徑/加載前試件直徑。

同時(shí)，量測試件長度，計(jì)算加載后試件長度的變化率。加載后試件長度變化百分率計(jì)算公式為：100%×加載一定次數(shù)后試件長度/加載前試件長度。

教學(xué)過程中，共15位同學(xué)參與該項(xiàng)試驗(yàn)，分為3組，每組5人（表1）。

3 教學(xué)效果

采用研究性教學(xué)方法，有助于把學(xué)生納入教師的科研項(xiàng)目，驅(qū)使學(xué)生調(diào)查研究，組織討論會(huì)，分析問題，解決問題，完成工作任務(wù)。

授課教師與同學(xué)們一起通過該試驗(yàn)項(xiàng)目掌握了實(shí)際路面材料的受力狀態(tài)，并創(chuàng)新性的設(shè)計(jì)了“瀝青混合料多軸加載試驗(yàn)”方法。依托研究成果申報(bào)了2項(xiàng)實(shí)用新型專利和2項(xiàng)發(fā)明專利。在國外SCI源刊投稿論文2篇。

4 結(jié)語

研究性教學(xué)是一種符合工程能力培養(yǎng)規(guī)律和綜合素質(zhì)形成邏輯的教學(xué)組織形式和教學(xué)方式，得到“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”的大力提倡和著力推廣。本文著重介紹采用研究性教學(xué)方法進(jìn)行土木工程專業(yè)道路工程方向的一項(xiàng)探索性試驗(yàn)設(shè)計(jì)過程及其效果。主要結(jié)論如下。

（1）采用研究性教學(xué)方法，與教師的研究課題相結(jié)合，將土木工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中部分傳統(tǒng)的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)改革為探索性實(shí)驗(yàn)是培養(yǎng)和提高學(xué)生創(chuàng)新能力的重要舉措。

（2）開展探索性實(shí)驗(yàn)有利于調(diào)動(dòng)學(xué)生參與教師研究課題的積極性和主動(dòng)性，對(duì)他們今后開展研究工作具有重要幫助。

（3）開展探索性實(shí)驗(yàn)活動(dòng)過程中，為了引導(dǎo)學(xué)生提出問題、分析問題和解決問題，也對(duì)教師的理論水平和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)提出了更高的要求。

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