基于設(shè)計(jì)性試驗(yàn)提升本科生自主創(chuàng)新能力

張武滿 張迎晨

摘要：實(shí)驗(yàn)教學(xué)是土木工程材料課程的重要環(huán)節(jié)，對(duì)學(xué)生掌握課程的理論知識(shí)、深刻理解材料性能具有極其重要的作用。根據(jù)課程特點(diǎn)，基于設(shè)計(jì)性試驗(yàn)，以設(shè)計(jì)性、綜合性及創(chuàng)新性試驗(yàn)為主，驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為輔，建立試驗(yàn)與實(shí)際工程相結(jié)合、試驗(yàn)與專業(yè)設(shè)計(jì)大賽相結(jié)合的多元化人才培養(yǎng)體系。通過(guò)實(shí)施開放與彈性的實(shí)驗(yàn)室管理制度，逐步提高學(xué)生的自主創(chuàng)新能力，以及分析和解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力。

關(guān)鍵詞：土木工程材料;設(shè)計(jì)性試驗(yàn);自主創(chuàng)新能力;實(shí)驗(yàn)教學(xué)

中圖分類號(hào)：G642423;TU5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1005-2909（2019）01-0106-04

土木工程材料課程是土木工程相關(guān)專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，具有較強(qiáng)的理論性、綜合性與實(shí)踐性，以及多學(xué)科交叉滲透的特點(diǎn)。通過(guò)對(duì)該課程的學(xué)習(xí)，要求本科生掌握主要土木工程材料的用途、性質(zhì)、制備方式和使用方法，以及檢測(cè)并控制材料質(zhì)量的方法[1-2]。該課程還可以為本科生后期的專業(yè)課程學(xué)習(xí)提供理論及相關(guān)的專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)，并為其今后從事專業(yè)技術(shù)工作提供必要的基礎(chǔ)理論和技能訓(xùn)練，以在實(shí)際工作中做到合理、正確地選擇材料，從而保證工程的質(zhì)量。

一、實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問(wèn)題

實(shí)驗(yàn)教學(xué)作為土木工程材料課程的關(guān)鍵教學(xué)環(huán)節(jié)，具有極其重要的作用。在以往的教學(xué)過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)形式較為單一，內(nèi)容多為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)是教師預(yù)先設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)方案，并安排好所需的設(shè)備和材料，然后學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識(shí)按照規(guī)范化的步驟，或指導(dǎo)教師給出的實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行操作，對(duì)一些現(xiàn)象進(jìn)行驗(yàn)證的過(guò)程。一般而言驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的結(jié)果在實(shí)驗(yàn)前就已知或可預(yù)知其基本規(guī)律[3]。如混凝土配合比實(shí)驗(yàn)，學(xué)生按混凝土配合比計(jì)算步驟獲得初始配合比，然后在實(shí)驗(yàn)室稱取相應(yīng)物料，放入攪拌機(jī)攪拌后驗(yàn)證混凝土的和易性，成型立方體試件標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)28天后驗(yàn)證混凝土強(qiáng)度等級(jí)。驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)教學(xué)中學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的積極性不高，不利于培養(yǎng)學(xué)生的自主創(chuàng)新能力，以及分析和解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力[4-5]。

此外，驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容未能與實(shí)際工程和教師科研項(xiàng)目有機(jī)結(jié)合[6-7]，實(shí)踐性不夠。隨著土木工程新技術(shù)和新材料的不斷涌現(xiàn)，土木工程材料的性能有了本質(zhì)的提高，如高強(qiáng)混凝土、高性能混凝土、泵送混凝土等。但目前實(shí)驗(yàn)教學(xué)還只停留在普通混凝土的配合比設(shè)計(jì)上，與實(shí)際應(yīng)用的混凝土已嚴(yán)重脫節(jié)，急需緊密結(jié)合實(shí)際工程與科研熱點(diǎn)完善實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

針對(duì)這一問(wèn)題，經(jīng)過(guò)多年的實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索，目前已形成了基于設(shè)計(jì)性試驗(yàn)，以設(shè)計(jì)性、綜合性及創(chuàng)新性試驗(yàn)為主，驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為輔，將試驗(yàn)與實(shí)際工程相結(jié)合、試驗(yàn)與專業(yè)設(shè)計(jì)大賽相結(jié)合的多元化培養(yǎng)體系。設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)是預(yù)先給定實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，在一定?shí)驗(yàn)條件和范圍內(nèi)，學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，最終完成實(shí)際操作，并不斷根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方案，經(jīng)過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)操作，直至達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康腫8]。設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的結(jié)果在實(shí)驗(yàn)前可預(yù)知基本規(guī)律或不可預(yù)知。

二、基于設(shè)計(jì)性試驗(yàn)構(gòu)建實(shí)驗(yàn)教學(xué)的多元化培養(yǎng)體系

（一）教學(xué)內(nèi)容與實(shí)際工程、科研項(xiàng)目相結(jié)合，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣

一是聘請(qǐng)具有豐富工程經(jīng)驗(yàn)的專家為學(xué)生授課，使學(xué)生對(duì)該領(lǐng)域目前的研究熱點(diǎn)、未來(lái)發(fā)展方向以及實(shí)際工程問(wèn)題有較清楚的認(rèn)識(shí)。加強(qiáng)對(duì)校內(nèi)外實(shí)習(xí)、實(shí)訓(xùn)基地的建設(shè)，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)發(fā)現(xiàn)和分析實(shí)際工程中可能面臨的問(wèn)題，并尋求解決的途徑。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)組織學(xué)生到施工工地，認(rèn)識(shí)并了解各種土木工程材料，增強(qiáng)課程內(nèi)容的趣味性，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

二是在教學(xué)過(guò)程中及時(shí)將相關(guān)領(lǐng)域的最新發(fā)展信息介紹給學(xué)生，同時(shí)引導(dǎo)學(xué)生積極參與相關(guān)科研工作，激發(fā)他們探索專業(yè)理論知識(shí)的興趣?？蓪⑾嚓P(guān)教師在土木工程材料領(lǐng)域的科研課題介紹給學(xué)生，鼓勵(lì)學(xué)生加入課題組，利用課余時(shí)間參加實(shí)驗(yàn)室的科研項(xiàng)目，幫助學(xué)生加深對(duì)土木工程材料理論的理解。

（二）自主設(shè)計(jì)性與綜合性試驗(yàn)相結(jié)合，增強(qiáng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力

土木工程材料課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的根本目的是培養(yǎng)學(xué)生自主創(chuàng)新能力與工程實(shí)踐能力[9]。以往的實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要以驗(yàn)證性和演示性實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證理論，這種模式往往導(dǎo)致學(xué)生對(duì)理論生搬硬套，而且影響學(xué)生自主學(xué)習(xí)的興趣。將實(shí)驗(yàn)教學(xué)調(diào)整為設(shè)計(jì)性與綜合性相結(jié)合的試驗(yàn)，并加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)室的開放程度[10]，讓學(xué)生可以在

有創(chuàng)新想法時(shí)，能及時(shí)走進(jìn)實(shí)驗(yàn)室開展研究，這樣既能提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量，又能增強(qiáng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力[11]。

（1）積極研究并改進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)容和方法，使實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目更具創(chuàng)新性、可操作性。增加設(shè)計(jì)性試驗(yàn)與綜合性試驗(yàn)相結(jié)合的教學(xué)內(nèi)容，進(jìn)一步規(guī)范實(shí)驗(yàn)任務(wù)和要求。實(shí)驗(yàn)室為學(xué)生提供試驗(yàn)原材料和實(shí)驗(yàn)設(shè)備，要求學(xué)生根據(jù)所學(xué)的理論知識(shí)，獨(dú)立設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、完成試驗(yàn)操作、分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并加以總結(jié)，最終形成試驗(yàn)報(bào)告，在此過(guò)程中引導(dǎo)學(xué)生深入思考和討論。

（2）土木工程材料具有極強(qiáng)的可塑性和自然樸素之美，教學(xué)中對(duì)當(dāng)前的熱點(diǎn)應(yīng)用以及新型材料如透水混凝土、清水混凝土、透光混凝土等，只明確總體性能要求和試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，充分發(fā)揮學(xué)生自身的想象力，以及信息時(shí)代的優(yōu)勢(shì)，基于現(xiàn)有的材料和試驗(yàn)手段，引導(dǎo)學(xué)生深入討論積極探索，并確定試驗(yàn)方案，弱化指導(dǎo)教師的作用，充分激發(fā)學(xué)生的主觀能動(dòng)性。

（三）相關(guān)試驗(yàn)與專業(yè)設(shè)計(jì)大賽相結(jié)合，增強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)

專業(yè)設(shè)計(jì)大賽是衡量學(xué)生綜合能力的平臺(tái)之一，將土木工程材料課程試驗(yàn)內(nèi)容與專業(yè)設(shè)計(jì)大賽目標(biāo)相結(jié)合，通過(guò)課程試驗(yàn)完成設(shè)計(jì)大賽的任務(wù)和目標(biāo)，并以此為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)綜合性試驗(yàn)，充分發(fā)揮學(xué)生的聰明才智，逐步增強(qiáng)其創(chuàng)新意識(shí)和能力。以實(shí)驗(yàn)教學(xué)為基礎(chǔ)指導(dǎo)學(xué)生參加專業(yè)設(shè)計(jì)大賽，通過(guò)比賽讓學(xué)生將理論與實(shí)踐相互融合，將所學(xué)知識(shí)應(yīng)用到實(shí)際中。

（1）舉辦校內(nèi)混凝土設(shè)計(jì)大賽，推薦并指導(dǎo)在校內(nèi)比賽中脫穎而出的學(xué)生參加北京市大學(xué)生混凝土設(shè)計(jì)大賽，配合課程內(nèi)容將實(shí)驗(yàn)教學(xué)與專業(yè)設(shè)計(jì)大賽相結(jié)合。通過(guò)參加混凝土設(shè)計(jì)大賽，由實(shí)踐帶動(dòng)理論學(xué)習(xí)，進(jìn)一步加強(qiáng)學(xué)生對(duì)混凝土配合比、力學(xué)性能等知識(shí)的研究，再由理論學(xué)習(xí)推進(jìn)實(shí)踐的開展，切實(shí)提高學(xué)生理論和實(shí)踐水平。

（2）鼓勵(lì)學(xué)生組建創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)，申報(bào)與土木工程材料課程相關(guān)的大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目，在教師的指導(dǎo)下主動(dòng)走進(jìn)土木工程材料實(shí)驗(yàn)室，完成課題試驗(yàn)，通過(guò)課題實(shí)踐加深對(duì)課程理論的認(rèn)識(shí)，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)相關(guān)領(lǐng)域知識(shí)的自主學(xué)習(xí)，提高學(xué)生的科研能力，增強(qiáng)學(xué)生的自主創(chuàng)新意識(shí)和能力。

三、案例分析

為了解決城市內(nèi)澇問(wèn)題，避免“城中看海”，并落實(shí)“十三五”規(guī)劃中的綠色理念，國(guó)家提出了海綿城市概念。這一城市建設(shè)工作帶來(lái)對(duì)透水混凝土需求的明顯增加，對(duì)其性能的提升也尤為急迫。針對(duì)這一實(shí)際問(wèn)題，筆者授課過(guò)程中邀請(qǐng)行業(yè)內(nèi)的知名專家介紹國(guó)內(nèi)最大的透水混凝土廣場(chǎng)：奧林匹克國(guó)家森林公園高強(qiáng)透水混凝土工程。該工程是海綿城市建設(shè)的樣板，部分創(chuàng)新理念顛覆了有關(guān)混凝土砂率的傳統(tǒng)概念。因?yàn)檎n程理論一直強(qiáng)調(diào)砂率對(duì)于混凝土的重要性，然而，通過(guò)剔除混凝土中的細(xì)骨料，采用零砂率配制透水混凝土就能滿足特殊工程的需要，這樣一來(lái)學(xué)生對(duì)混凝土的多樣性、砂率的概念就有了更完整的認(rèn)識(shí)。

基于透水混凝土的基本性能，設(shè)定拌合物坍落度10 mm-50 mm、硬化混凝土強(qiáng)度C20、透水性不小于1 mm/s的實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)。學(xué)生通過(guò)查閱資料確定配合比設(shè)計(jì)原則，即不使用細(xì)骨料，1 m3透水混凝土的質(zhì)量應(yīng)為粗骨料的緊密堆積密度和單方水泥用量及水用量之和，大約為1 600 kg—2 100 kg，可初步確定透水混凝土的配合比（表1）。

四、結(jié)語(yǔ)

通過(guò)土木工程材料實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，構(gòu)建基于設(shè)計(jì)性試驗(yàn)，以設(shè)計(jì)性、綜合性及創(chuàng)新性試驗(yàn)為主，驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為輔，將試驗(yàn)與實(shí)際工程相結(jié)合、試驗(yàn)與專業(yè)設(shè)計(jì)大賽相結(jié)合的多元化人才培養(yǎng)體系;通過(guò)實(shí)施開放與彈性的實(shí)驗(yàn)室管理制度，提高學(xué)生對(duì)土木工程材料課程試驗(yàn)的興趣，增強(qiáng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，切實(shí)提高學(xué)生的自主創(chuàng)新能力，以及分析和解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力。

參考文獻(xiàn)：

[1]呂恒林， 周淑春， 吳元周. 土木工程材料課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革探討與實(shí)踐[J]. 高等建筑教育， 2006， 15（4）： 90-92.

[2]高俊麗. 國(guó)外土木工程材料實(shí)驗(yàn)課教學(xué)特點(diǎn)及其對(duì)我國(guó)的啟示[J]. 高等建筑教育， 2014， 23（6）： 50-53.

[3]曾新， 何瓦特. 驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法探討[J]. 實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)， 2018， 16（2）： 134-137.

[4]黃顯彬， 鄒祖銀， 廖曼， 等. 土木工程材料課程試驗(yàn)與創(chuàng)新——以水泥混凝土抗?jié)B試驗(yàn)為例[J]. 高等建筑教育， 2017， 26（2）： 119-123.

[5]覃荷瑛， 邢心魁. 突出工程能力和創(chuàng)新能力培養(yǎng)的土木工程專業(yè)實(shí)踐教學(xué)體系[J]. 高等建筑教育， 2017， 26（3）： 86-90.

[6]徐方， 朱婧， 顧功輝. 《土木工程材料》實(shí)驗(yàn)課程研究型教學(xué)方法分析與實(shí)踐[J]. 教育教學(xué)論壇， 2018（12）： 279-280.

[7]倪振強(qiáng). 普通高校土木工程材料實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索[J]. 高等建筑教育， 2017， 26（2）： 115-118.

[8]張春華. 設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的基本設(shè)計(jì)方法[J]. 滄州師范學(xué)院學(xué)報(bào)， 2018， 34（1）： 92-98.

[9]狄娜. 土木工程材料實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革問(wèn)題[J]. 黑龍江科學(xué)， 2016， 7（19）： 102-103.

[10]門進(jìn)杰， 史慶軒， 鐘煒輝， 等. 土木工程專業(yè)改革與建設(shè)實(shí)踐[J]. 高等建筑教育， 2018， 27（5）： 31-35.

[11]耿飛， 解建光， 桂敬能， 高培偉， 周利睿， 李進(jìn). 菜單式開放性土木工程材料課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)構(gòu)建[J]. 高等建筑教育， 2018， 27（2）：103-105.