水 泥 基 材 料 開 發(fā) 性 實 驗 課 程 設(shè) 計

朱 洪 波

(同濟(jì)大學(xué) 先進(jìn)土木工程材料教育部重點實驗室，上海 201804)

0 引 言

水泥的“細(xì)度和密度”“標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時間和安定性”“水泥膠砂、混凝土工作性及強(qiáng)度”等項目是土木工程材料及其相關(guān)專業(yè)的必修實驗課程內(nèi)容，目前對其傳統(tǒng)驗證性實驗?zāi)Ｊ竭M(jìn)行改革的討論相當(dāng)熱烈，其中提出較多的有開放性[1-3]、設(shè)計性[4-7]、綜合性[8-10]、研究創(chuàng)新性[11-12]等實驗設(shè)計，以及多方式結(jié)合[13]、問題導(dǎo)向式[14]、多方案[15-16]、塔式[17]或多層次[18-19]等改革方案，分別通過增加相關(guān)實驗材料、開放實驗室、結(jié)合工程案例與科研項目、針對不同實驗安排差異化內(nèi)容等方式實現(xiàn)改革目標(biāo)。事實上，現(xiàn)代土木工程中已經(jīng)很少單獨使用水泥，而是普遍將其與粉煤灰、礦粉、外加劑等材料一起用于制備混凝土，如果將這些材料的主要性能也通過上述實驗項目來檢驗和評價，并以此作為實驗?zāi)康闹?，則不僅可在完成傳統(tǒng)課程目標(biāo)的同時擴(kuò)展相關(guān)知識，還能提高學(xué)生參與實驗的興趣。作者曾就此設(shè)計出綜合性實驗方案[20]，試用效果良好，在實踐中又總結(jié)出開發(fā)性實驗設(shè)計，對吸引學(xué)生的參與積極性和豐富課程內(nèi)容作用明顯。

1 開發(fā)性實驗設(shè)計的作用及內(nèi)容

1.1 作用

傳統(tǒng)驗證性實驗存在的缺陷已有共識，包括過程機(jī)械、印象不深、啟發(fā)性不足、收獲有限及參與實驗的積極性和主動性不高等，并且還不利于教師對實驗課成績的評價。開發(fā)性實驗設(shè)計的技術(shù)思路是將實驗課程變成一次科研活動，最終使學(xué)生獲得一些科研結(jié)果，而教學(xué)大綱規(guī)定的實驗?zāi)康?、目?biāo)和要求則包含在這些科研活動中，學(xué)生為達(dá)目的自然要熟悉相關(guān)操作規(guī)程并嚴(yán)格執(zhí)行，其結(jié)果明顯克服了驗證性實驗的缺陷。

1.2 內(nèi)容

1.2.1課時與內(nèi)容安排

實驗項目與課時安排如表1所示。

表1 實驗項目及課時安排

由于強(qiáng)度測試一般在試樣養(yǎng)護(hù)28 d后進(jìn)行，所以，通常將表1中編號1的“水泥膠砂及混凝土成型”項目安排在實驗課周期內(nèi)的較早時段，尤其混凝土成型還涉及大量的配比設(shè)計知識，所以宜將其分別安排2個課時進(jìn)行。其他項目時間則可自由安排，但因安定性測試要在成型第二天進(jìn)行，所以項目2與3的課程宜安排為連日進(jìn)行。

1.2.2實驗材料和儀器

(1) 實驗材料。除了傳統(tǒng)實驗所需的水泥、標(biāo)準(zhǔn)砂、混凝土粗細(xì)集料等原材料以及測試勃氏比表面積用的標(biāo)準(zhǔn)粉和測試真密度用的煤油輔助材料外，同時準(zhǔn)備減水劑和2種摻合料，包括粉煤灰和礦渣粉，另外自制安定性不合格水泥，可以用過燒CaO與合格水泥配制，將市售的化學(xué)試劑CaCO3放在高溫爐內(nèi)，以1 300 ℃以上的溫度連續(xù)燒2～3 h，可得到過燒的CaO，密閉保存后可多次使用。

引入不同實驗材料也是一些研究者提出的改革方法[21-22]，上述增加的粉煤灰和礦渣粉是目前工程中普遍應(yīng)用的材料，而增加安定性不合格水泥顯然能夠加深學(xué)生對實驗結(jié)果的認(rèn)識[22]。

(2) 實驗儀器。與傳統(tǒng)實驗課程要求一致，包括勃氏比表面積測定儀，水泥細(xì)度負(fù)壓篩，水泥凈漿，膠砂和混凝土攪拌機(jī)及其成型振動臺，膠砂流動度跳桌，沸煮箱，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱，烘箱等儀器，以及電子秤、比重瓶、標(biāo)準(zhǔn)法維卡儀及其配套的初、終凝凝結(jié)時間測試針、凈漿流動度試模、玻璃板、雷氏夾、三聯(lián)砂漿試模、混凝土試模和小刀、鋼直尺、坍落度桶、搗棒等器具和量具。

所不同的是，因為要對比多種材料的性能，所以要增加一些簡單實驗裝置，如比重瓶和凝結(jié)時間、安定性、三聯(lián)砂漿、混凝土等試樣的成型模具。如果課時或器具有限，也可在不增加課時及器具條件下安排不同小組進(jìn)行不同材料的實驗，互相對比，也能獲得同樣效果。

1.2.3實驗項目

(1) 細(xì)度和密度。該測試采用3種材料：水泥60 g，粉煤灰40 g，礦渣粉50 g。不同材料進(jìn)行密度測試時所稱量的質(zhì)量不同，這是因為其密度不同，要適應(yīng)為水泥密度測試而設(shè)計的比重瓶及其容量，必須采用相應(yīng)的測試樣質(zhì)量。

(2) 標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量(以代用法中“固定用水量”方法為例)、凝結(jié)時間和安定性。按照表2分別采用5種材料進(jìn)行實驗，其中粉煤灰和礦粉替代水泥的比例分別為30%和50%，這是為了滿足不同摻合料活性指數(shù)測試方法的要求，通過該配合比表的設(shè)計不僅驗證了水泥的標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量，也能看到粉煤灰、礦粉和減水劑對稠度的影響。凝結(jié)時間和安定性根據(jù)實驗獲得的標(biāo)準(zhǔn)稠度來進(jìn)行，同樣能了解粉煤灰、礦粉和減水劑對凝結(jié)時間的影響。將安定性合格與不合格水泥匿名編號，讓學(xué)生通過實驗檢測出來，從而可將驗證性實驗變?yōu)檠芯宽椖俊?/p>

表2 標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量實驗配合比 g

表中：“*”表示安定性不合格水泥

(3) 水泥膠砂流動度及混凝土坍落度，膠砂、混凝土成型及強(qiáng)度。分別按照表3、表4進(jìn)行4種材料的實驗，可檢驗出摻合料和外加劑對膠砂、混凝土工作性和強(qiáng)度的影響。通過表4的混凝土配合比設(shè)計，不僅可以通過減水之后要相應(yīng)改變砂石摻量來適應(yīng)材料總量2 400 kg/m3的配合比設(shè)計原則，還能看到減水后混凝土強(qiáng)度的大幅度提高，可加深學(xué)生對減水劑作用的直觀理解。表2～4中，減水劑按照其摻膠凝材料1%條件下達(dá)到20%減水率的產(chǎn)品設(shè)計摻量，也可以在有減水劑的膠砂流動度和混凝土坍落度實驗組中不固定用水量，而是要求學(xué)生通過實驗求得該減水劑在1%摻量下的減水率，即可將驗證性實驗轉(zhuǎn)化為開發(fā)性實驗。

表3 膠砂實驗配合比 g

表4 混凝土實驗配合比 kg/m3

1.2.4實驗結(jié)果與討論

實驗結(jié)束后，讓各組把結(jié)果統(tǒng)一展示并進(jìn)行簡評與討論。通過展示首先可發(fā)現(xiàn)特別異常的結(jié)果，可就此討論影響實驗結(jié)果的可能因素，包括稱量或操作誤差、原材料波動、儀器異常等；然后教師可針對一些學(xué)生感興趣或?qū)W(xué)生具有啟發(fā)性的話題展開深入討論，各實驗可選擇的討論內(nèi)容見表5。

表5 實驗討論內(nèi)容

由表5可見，開發(fā)性實驗課程關(guān)注討論與實驗相關(guān)的擴(kuò)展知識內(nèi)容，引導(dǎo)學(xué)生將所學(xué)或即將學(xué)習(xí)的知識與所開展的實驗相結(jié)合并產(chǎn)生聯(lián)想，從中領(lǐng)悟出更深刻的水泥基材料科學(xué)內(nèi)涵，不僅加深了對實驗本身重要性的認(rèn)識，而且可將相關(guān)知識融會貫通，其有益作用顯然會高于簡單重復(fù)規(guī)范操作的驗證性實驗。

另外，建議在每個實驗報告的最后增加一項“實驗心得”內(nèi)容，可讓學(xué)生在此總結(jié)從實驗中得到的收獲和感想，對進(jìn)一步加深學(xué)生掌握各實驗要領(lǐng)很有幫助。

2 效果評價

上述開發(fā)性實驗設(shè)計分別應(yīng)用于土木工程和材料科學(xué)與工程(建材方向)專業(yè)的水泥材料實驗課程，由于這2個專業(yè)的課時安排不同，前者共5次10學(xué)時，按照表1的課時安排；后者共7次21學(xué)時，根據(jù)表1增加1次膠砂流動性實驗并將項目4的膠砂與混凝土強(qiáng)度測試分開進(jìn)行，所以分別采取了不同組做不同材料以及每組均完成不同材料的兩種實驗安排，對比以前采用的驗證性實驗，均獲得了顯著的教學(xué)改進(jìn)效果，主要體現(xiàn)在：

(1) 參與實驗的積極性明顯提高，實驗過程中氣氛更加活躍，學(xué)生的提問內(nèi)容涉及更廣泛的領(lǐng)域，通過實驗啟發(fā)學(xué)生思考的作用凸顯。

(2) 討論更加熱烈，相應(yīng)地實驗報告內(nèi)容也更加充實。過去驗證性實驗報告千篇一律，除了少數(shù)實驗數(shù)據(jù)以外大多抄錄標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，開發(fā)性實驗激發(fā)學(xué)生產(chǎn)生更多的聯(lián)想，在報告中所呈現(xiàn)的內(nèi)容更加豐富且各具特色。

(3) 基本教學(xué)目標(biāo)得到保證。雖然實驗?zāi)繕?biāo)和討論主題不像過去驗證性實驗?zāi)Ｊ较聫?qiáng)調(diào)對方法、流程等基本實驗知識的了解和掌握，但由于開發(fā)性實驗?zāi)繕?biāo)中已經(jīng)涵蓋了嚴(yán)格執(zhí)行操作規(guī)程的內(nèi)容，否則無法獲得正確結(jié)果，因此學(xué)生在預(yù)習(xí)中更加仔細(xì)地學(xué)習(xí)了實驗操作要領(lǐng)并認(rèn)真執(zhí)行，原有教學(xué)目標(biāo)得到保障。

3 結(jié) 論

(1) 通過增加粉煤灰、礦粉、減水劑和安定性不合格水泥等材料并提出研究性的實驗?zāi)繕?biāo)，設(shè)計出開發(fā)性水泥基材料實驗課程。分別測試水泥、粉煤灰和礦渣粉的細(xì)度及密度；進(jìn)行純水泥、內(nèi)摻30%粉煤灰及內(nèi)摻50%礦渣粉的標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時間、安定性、膠砂及混凝土的強(qiáng)度測試等實驗；在安定性實驗中，通過對比安定性合格與不合格水泥，加深學(xué)生對該實驗操作和對結(jié)果評價的認(rèn)識。

(2) 開發(fā)性實驗顯著提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和參與實驗的積極性，實驗與討論內(nèi)容更加豐富，激發(fā)學(xué)生產(chǎn)生更多的聯(lián)想，并且原有教學(xué)目標(biāo)得到保障。

參考文獻(xiàn)(References)：

[1] 宗 翔. 《土木工程材料》開放性實驗教學(xué)的探討[J]. 淮南職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2011，11(4)：60-62.

[2] 陳古庭，陸志炳，周建萍，等. 基于提升學(xué)生技能和創(chuàng)新能力的《建筑材料》課程實驗教學(xué)改革探索與實踐[J]. 城市建筑， 2012(11)：79-81.

[3] 陳德鵬，劉純林，武 萍，等. 土建類專業(yè)土木工程材料課程教學(xué)改革與實踐[J]. 安徽工業(yè)大學(xué)學(xué)報(社會科學(xué)版)，2011，28(5)：112-114.

[4] 呂恒林,周淑春,吳元周. 土木工程材料課程實驗教學(xué)改革探討與實踐[J]. 高等建筑教育，2006，15(4)：90-93.

[5] 劉 穎，趙江倩. 土木工程材料實驗教學(xué)改革與創(chuàng)新—以南昌工程學(xué)院為例[J]. 南昌工程學(xué)院學(xué)報，2011，31(5)：97-99.

[6] 楊 楓，羅才松. 《土木工程材料》實驗教學(xué)的思考與改革實踐[J]. 長沙鐵道學(xué)院學(xué)報(社會科學(xué)版)，2010，11(3)：108-109.

[7] 王恒昌，楊醫(yī)博，郭文瑛. 土木工程材料砂漿設(shè)計性實驗教學(xué)改革研究[J]. 高等建筑教育，2014，23(1)：139-141.

[8] 佟乃霞. 水泥與混凝土工藝實驗教學(xué)改革探索[J]. 科技信息，2012(33)：760.

[9] 胡偉勛. 土木工程材料課程實驗教學(xué)改革[J]. 高等函授學(xué)報(自然科學(xué)版)，2008，21(5)：29-31.

[10] 郭樹榮. 土木工程材料混凝土實驗教學(xué)改革與實踐[J]. 教書育人(高教論壇)，2015(30)：108-109.

[11] 解國梁，薛 輝，解恒燕. 研究性實踐教學(xué)在《土木工程材料》課程實驗教學(xué)中的應(yīng)用—以混凝土配合比設(shè)計實驗為例[J]. 大慶師范學(xué)院學(xué)報，2016，36(3)：122-124.

[12] 高俊麗. 國外土木工程材料實驗課教學(xué)特點及其對我國的啟示[J]. 高等建筑教育，2014，23(6)：50-53.

[13] 溫小棟，車金如，殷順湖，等. 卓越計劃背景下土木工程材料實驗教學(xué)改革[J]. 寧波工程學(xué)院學(xué)報，2014，26(4)：92-96.

[14] 王志林，牛分中，黨長青.“以問題為基礎(chǔ)”的學(xué)習(xí)模式在水泥工藝實驗教學(xué)中的應(yīng)用[J]. 教育與職業(yè)， 2006，11(32)：136-138.

[15] 張長清,金康寧. 土木工程材料創(chuàng)新實驗教學(xué)改革的探討與實踐[J]. 高等建筑教育，2003，12(4)：73-75.

[16] 朱朝艷，劉紅艷，董錦坤，等. 土木工程材料實驗教學(xué)改革研究與實踐[J]. 遼寧工業(yè)大學(xué)學(xué)報(社會科學(xué)版)，2016，18(5)：132-135.

[17] 崔釗瑋，胡 吉，陳 林. 土木工程材料實驗“塔式”教學(xué)模式探索與實踐[J]. 山西建筑，2015，41(6)：253-254.

[18] 彭艷周，劉冬梅，朱喬森，等. 土木工程材料實驗的層次化教學(xué)模式[J]. 高等建筑教育，2013，22(6)：117-121.

[19] 李瑞敏. 土木工程材料實驗教學(xué)改革與實踐[J]. 山西建筑，2016，42(34)：227-229.

[20] 朱洪波，李 晨，閆美珠. 水泥材料綜合性實驗課程設(shè)計探討[J]. 高等建筑教育，2013，107(22)：114-116.

[21] 龐超明，秦鴻根，張亞梅，等. 材料專業(yè)本科實驗教學(xué)課程設(shè)置的思考. 實驗技術(shù)與管理，2011，28(6)：271-275.

[22] 林堅欽，殷素紅，鄭潔如，等. 水泥與凝土工藝實驗教學(xué)改革探索[J]. 高等建筑教育，2010，19(2)：128-130.