多尺度分析方法在土木工程材料教學(xué)中的探索與實(shí)踐

蔣金洋+劉志勇+佘偉

摘要：土木工程材料課程是一門(mén)重要的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，其內(nèi)容龐雜、知識(shí)體系更新速度快、知識(shí)點(diǎn)相互聯(lián)系緊密且每章節(jié)獨(dú)立性較強(qiáng)，學(xué)生對(duì)學(xué)科的感性認(rèn)識(shí)差，理論與實(shí)踐差異大。探索了一種基于多尺度理論的教學(xué)方法，從改革理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)出發(fā)，力求使土木工程材料課程教學(xué)更加形象具體化，使學(xué)生從科學(xué)思維的角度去理解眾多土木工程材料的內(nèi)在聯(lián)系。

關(guān)鍵詞：土木工程材料；專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)；理論；實(shí)驗(yàn)；多尺度教學(xué)

中圖分類(lèi)號(hào)：G6420；TU50-4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：10052909（2017）02004403

土木工程材料科學(xué)是土建類(lèi)專(zhuān)業(yè)開(kāi)設(shè)的一門(mén)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，其教學(xué)目標(biāo)一方面體現(xiàn)在為后續(xù)專(zhuān)業(yè)課的學(xué)習(xí)提供相關(guān)的基礎(chǔ)知識(shí)，使學(xué)生掌握從事實(shí)際工作所必須的基本知識(shí)和技能；另一方面還要為培養(yǎng)具有將新材料應(yīng)用到土木工程中的工程創(chuàng)新型人才奠定基礎(chǔ)[1]。但在土木工程材料課程教學(xué)實(shí)踐中，學(xué)生普遍反映課程知識(shí)點(diǎn)龐雜，學(xué)習(xí)吃力。

文章從課程教學(xué)出發(fā)，以改善教學(xué)方法，提高教學(xué)效率為目的，探索出一種多尺度教學(xué)方法，嘗試用多尺度分析方法論從一個(gè)全新的角度去分析課程，優(yōu)化教堂教學(xué)內(nèi)容，使整個(gè)教學(xué)內(nèi)容更加具有層次性和條理性。

一、多尺度理論

多尺度科學(xué)是一門(mén)研究不同長(zhǎng)度尺度或時(shí)間尺度相互耦合現(xiàn)象的跨學(xué)科科學(xué)，是復(fù)雜系統(tǒng)重要分支之一，具有豐富的科學(xué)內(nèi)涵和研究?jī)r(jià)值[2]。多尺度現(xiàn)象是存在于客觀世界所固有的普遍現(xiàn)象，受助于數(shù)學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、材料科學(xué)等各領(lǐng)域科學(xué)家的共同努力，多尺度現(xiàn)象越來(lái)越多地受到關(guān)注與重視，

已涵蓋介觀、微觀和宏觀等多個(gè)物理、力學(xué)及其耦合領(lǐng)域，其具體的研究方法是考慮空間和時(shí)間跨尺度和跨層次特征，將相關(guān)尺度耦合，過(guò)濾出有用的微觀信息。多尺度研究方法也是理解各種復(fù)雜的材料科學(xué)和工程問(wèn)題的重要方法和技術(shù)。

在自然界和工程實(shí)踐中，許多現(xiàn)象和過(guò)程都具有多尺度特征或多尺度效應(yīng)。目前多尺度理論及研究方法主要應(yīng)用于數(shù)學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)等理

工科研究領(lǐng)域，為認(rèn)識(shí)事物本質(zhì)提供了良好的方法。比如鄭曉霞等人運(yùn)用多尺度方法研究了纖維在增強(qiáng)復(fù)合材料彈性、黏彈性、 塑性、 失效退化、熱力學(xué)等力學(xué)性能中的進(jìn)展[3]。對(duì)比在自然科學(xué)方面的成熟運(yùn)用，多尺度理論在教學(xué)方面鮮有研究。

二、土木工程材料課程中的多尺度理論

土木工程材料屬于材料課程。材料按照尺度從小到大依次為量子尺度，原子和分子尺度，微米尺度和毫米尺度。每個(gè)尺度所需要的知識(shí)組成體系不相同，如量子尺度需要用到量子力學(xué)的知識(shí)，原子和分子尺度需要分子動(dòng)力學(xué)的知識(shí)，微米尺度的材料結(jié)構(gòu)需要涉及缺陷動(dòng)力學(xué)和結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)的知識(shí)，毫米尺度的宏觀性能尺度需要連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的知識(shí)。由此可見(jiàn)，整個(gè)材料課程的體系是非常復(fù)雜的，從小到大包含不同的學(xué)科，它們依次為量子化學(xué)，固體物理，材料科學(xué)和材料工程（圖1）。

土木工程材料課程內(nèi)容多以敘述為主，課程涵蓋的材料種類(lèi)繁雜。課程中教材內(nèi)容涉及的概念多，專(zhuān)業(yè)術(shù)語(yǔ)多，各章節(jié)介紹的不同材料之間邏輯性較差，對(duì)學(xué)生的機(jī)械記憶能力要求較高[4]，多數(shù)學(xué)生會(huì)感到土木工程材料課程具有無(wú)條理、無(wú)重點(diǎn)、不系統(tǒng)的特點(diǎn)。在教學(xué)過(guò)程中，如何使學(xué)生理清理順課程中相關(guān)內(nèi)容之間的聯(lián)系，使其能夠準(zhǔn)確把握課程中的重點(diǎn)難點(diǎn)，是教師在教學(xué)中工作的重點(diǎn)，也是決定教學(xué)質(zhì)量的關(guān)鍵因素。

在認(rèn)識(shí)到土木工程材料課程所具有的特點(diǎn)后，基于多尺度理論的觀點(diǎn)分析土木工程材料課程。首先，應(yīng)該認(rèn)識(shí)到所有材料的物理、化學(xué)及力學(xué)性能，都是由組成其整體的各材料性能的綜合表現(xiàn)，而各種組成成分的物理、化學(xué)及力學(xué)性能又是由其內(nèi)部微觀性能所決定的。其次，作為一門(mén)基礎(chǔ)專(zhuān)業(yè)課，土木工程材料課程關(guān)系到后續(xù)課程的學(xué)習(xí)，因此在教學(xué)過(guò)程中須注意與其它學(xué)科的關(guān)聯(lián)。最后，教師在課程授課時(shí)，建立完整的多尺度授課內(nèi)容，形成“小步子”教學(xué)，循循善誘，將多尺度分析方法的思維傳授給學(xué)生，使其能夠在以后的學(xué)習(xí)生活中運(yùn)用多尺度分析方法思考科學(xué)難題，解決工程實(shí)際問(wèn)題。

三、多尺度分析方法在教學(xué)中的應(yīng)用

土木工程材料課程的學(xué)習(xí)分為以課堂學(xué)習(xí)為主的理論知識(shí)學(xué)習(xí)和以培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力為主的實(shí)踐能力訓(xùn)練。做好理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)是提高土木工程材料課程教學(xué)的主要任務(wù)。依據(jù)多尺度理論，從改革理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)兩方面出發(fā)，力求使土木工程材料課程教學(xué)更加形象具體化，使學(xué)生更容易理解。

（一）多尺度方法在理論教學(xué)中的應(yīng)用

土木工程材料課程概念和經(jīng)驗(yàn)性內(nèi)容多，傳統(tǒng)的授課方式偏重于課程內(nèi)容的敘述，多數(shù)從宏觀的角度灌輸給學(xué)生，并未從介觀、縱觀、微觀等多個(gè)角度去認(rèn)識(shí)材料，導(dǎo)致學(xué)生只是模糊地掌握了一些概念，對(duì)材料的認(rèn)識(shí)只停留在淺顯的表面，不能真正由表及里，探其究竟，更無(wú)法激起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

人類(lèi)對(duì)新事物的認(rèn)識(shí)要經(jīng)歷從點(diǎn)到面、由小到大的多尺度過(guò)程。對(duì)于新材料的認(rèn)知我們應(yīng)該從多尺度出發(fā)，多角度、多方面、多層次研究各種材料的性能及影響因素，架構(gòu)新的教學(xué)理念與方式，使這門(mén)學(xué)科更加具有探究性，知識(shí)體系更具層次性和條理性，因此在學(xué)習(xí)該課程時(shí)不能只從宏觀角度去感知，還應(yīng)從材料內(nèi)部入手，逐漸拓展至宏觀結(jié)構(gòu)。

如：在進(jìn)行水泥基材料相關(guān)章節(jié)的授課時(shí)，要從材料各組分內(nèi)部微結(jié)構(gòu)出發(fā)，按照多尺度研究方法，將水泥基復(fù)合材料劃分為四種尺度水平（圖2），在此基礎(chǔ)之上，分別在各個(gè)尺度上分析其所具有的物理化學(xué)及力學(xué)性能，最后演繹至水泥基材料的性能研究。在講課過(guò)程中可以從宏觀角度介紹工程實(shí)例，給學(xué)生形象直觀的認(rèn)識(shí)，引發(fā)學(xué)生思考，再?gòu)奈⒂^角度剖析講解其本質(zhì)。認(rèn)識(shí)宏觀結(jié)構(gòu)之后，再?gòu)钠鋵?shí)體上取微觀單元研究，可以從實(shí)際環(huán)境因素和外部荷載等因素共同作用下細(xì)化材料的微結(jié)構(gòu)及多尺度，建立每一尺度下的理想模型，

圖2將混凝土劃分為4個(gè)尺度：（1）由集料、水泥漿體和鋼筋組成的鋼筋混凝土微單元；（2）由未水化水泥顆粒、水化產(chǎn)物以及ITZ組成的水泥漿體微單元；（3）由CSH凝膠、CH晶體、孔等組成的水化產(chǎn)物單元；（4）CSH凝膠晶粒和凝膠孔。讓學(xué)生思考材料的微觀狀態(tài)與宏觀狀態(tài)的關(guān)系，混凝土細(xì)觀上的組成是如何影響其結(jié)構(gòu)性能的，這樣也更能激發(fā)學(xué)生的興趣和創(chuàng)新性思維，有利于培養(yǎng)學(xué)生良好的學(xué)習(xí)習(xí)慣。

從多尺度研究角度可以發(fā)現(xiàn)，水泥基材料是由多相組成的，是一種相當(dāng)復(fù)雜的復(fù)合材料，為了讓學(xué)生更好地從微觀角度理解材料的宏觀性能，可以采用多尺度方法研究材料性能，利用這些方法從微觀角度講解水泥漿體中毛細(xì)孔和凝膠孔在飽和和非飽和狀態(tài)下的傳輸性能，介紹C-S-H在微觀尺度上的幾何形態(tài)以及具有的各種性能，在此基礎(chǔ)上推斷水泥凈漿材料應(yīng)該具有的性能，然后對(duì)比材料性能找出差距，分析其實(shí)際性能與推斷結(jié)果的差異。以此類(lèi)推，逐漸擴(kuò)展至混凝土材料，層層遞進(jìn)，最后演繹為水泥基材料的性能探討。

（二）多尺度教學(xué)方法在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)用

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)按指導(dǎo)書(shū)照本宣科，學(xué)生被動(dòng)接受，扼殺了學(xué)習(xí)積極性，同時(shí)受課時(shí)的影響，實(shí)驗(yàn)課只做到了解基本實(shí)驗(yàn)過(guò)程和操作方法，無(wú)法

深入探究材料具有的性能，進(jìn)行探究創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)。運(yùn)用多尺度教學(xué)分析理論，在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)要注意優(yōu)化實(shí)驗(yàn)課內(nèi)容，在大綱要求的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)之上

可適當(dāng)展開(kāi)拓展性實(shí)驗(yàn)，還可以基于多尺度的教學(xué)方法進(jìn)行自主設(shè)計(jì)創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)，使用各種先進(jìn)設(shè)備，對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改革和創(chuàng)新。探索創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)是結(jié)合土木工程材料教材內(nèi)容和大學(xué)生的學(xué)習(xí)能力，精心進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)，營(yíng)造出特定的實(shí)驗(yàn)條件和環(huán)境，供大學(xué)生學(xué)習(xí)的一種實(shí)際操作。將多尺度教學(xué)方法融入到探索性實(shí)驗(yàn)教學(xué)中有助于培養(yǎng)學(xué)生深刻思考問(wèn)題的能力及創(chuàng)新意識(shí)。大學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中觀察材料形態(tài)、理解概念，有效開(kāi)發(fā)了智力，培養(yǎng)了學(xué)生探索、分析、歸納的綜合能力。

例如：工程中混凝土強(qiáng)度的設(shè)計(jì)以其抗彎強(qiáng)度為依據(jù)，讓學(xué)生觀察已測(cè)得抗彎強(qiáng)度的失效混凝土試件，尋找試件失效位置，引導(dǎo)學(xué)生從微觀角度考慮水泥石強(qiáng)度、集料性質(zhì)，以及水泥石與集料接觸層的粘結(jié)力是如何影響混凝土的抗彎強(qiáng)度。水泥石是水泥加水后水化的產(chǎn)物，它與水泥本身的強(qiáng)度、水灰比有關(guān)，而水灰比影響凈漿試件的內(nèi)部微結(jié)構(gòu)，在實(shí)驗(yàn)保持其他條件不變的情況下，用不同水灰比來(lái)比較其內(nèi)部密度和孔隙率的變化，從而觀察混凝土強(qiáng)度的變化?；炷恋膹?qiáng)度和耐久性與集料的種類(lèi)、形狀、大小和性質(zhì)有關(guān)，在實(shí)驗(yàn)時(shí)確保其他條件不變，觀察不同的集料對(duì)混凝土抗彎強(qiáng)度的影響，通過(guò)讓學(xué)生添加不同的添加物來(lái)改變骨料顆粒的大小，進(jìn)而觀察強(qiáng)度的變化。水泥石與集料周?chē)恼辰Y(jié)力是混凝土中強(qiáng)度最薄弱區(qū)域，這與水泥水化后凝膠濃度、粘度以及結(jié)晶后粒徑大小、形狀和晶體的排列有關(guān)，可以通過(guò)觀察這些晶體和凝膠層包裹集料的厚度對(duì)裂縫的影響來(lái)觀察裂縫內(nèi)部的變化。

四、結(jié)語(yǔ)

針對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)在土木工程材料課程授課時(shí)存在的弊端，結(jié)合多尺度理論及方法，利用多尺度研究方法在材料和實(shí)驗(yàn)方面已經(jīng)取得的研究成果，建立了一種多尺度教學(xué)方法，旨在加強(qiáng)大學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的學(xué)習(xí)，強(qiáng)化該課程的重點(diǎn)，同時(shí)兼顧教學(xué)的深度和廣度，力求使學(xué)生從本質(zhì)上了解材料的性能，培養(yǎng)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的習(xí)慣及創(chuàng)新意識(shí)，養(yǎng)成獨(dú)立解決問(wèn)題的能力，從而提高教學(xué)質(zhì)量，為社會(huì)建設(shè)培養(yǎng)高素質(zhì)工程技術(shù)人才。鑒于土木材料課程改革的難度，考慮相關(guān)教學(xué)軟硬件的不斷更新，文章提出的多尺度教學(xué)方法為其提供了一種新的改革思路，拓展了土木工程材料課程的教學(xué)體系。

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Abstract： The course of civil engineering materials is an important professional basic course and has the content of complex as well as fast update of knowledge system. The knowledge points are closely linked and the independent of each chapter is strong. However， the perceptual knowledge of students is poor， theory and practice have a big difference. This paper explores a teaching method based on multiscale theory. From the aspects of reforming theory teaching and experiment teaching， we try to make the teaching for civil engineering materials more visualization， so that students can understand the internal relations of many civil engineering materials from the view of scientific thinking.

Keywords： civil engineering materials； professional basis； theory； experiment； multiscale teaching

（編輯 梁遠(yuǎn)華）