土木工程材料研究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)的探索與實(shí)踐

段海娟， 陳 兵

（上海交通大學(xué)土木工程系，上海200240）

0 引 言

土木工程材料是土木工程類各專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，該課程在土木工程類各專業(yè)的教學(xué)體系中起著承上啟下的作用，是學(xué)生由基礎(chǔ)課向?qū)I(yè)課過渡的橋梁［1］。通過學(xué)習(xí)這門課使學(xué)生了解土木工程材料的基本性質(zhì)與應(yīng)用，掌握其基本的檢測(cè)手段和方法。實(shí)驗(yàn)教學(xué)與理論教學(xué)相輔相成，是理工類專業(yè)培養(yǎng)人才的重要組成部分。學(xué)生在理論教學(xué)上學(xué)到的基本概念、基本理論和基本技能要通過實(shí)驗(yàn)去體驗(yàn)和驗(yàn)證［2］。隨著“雙一流”建設(shè)的發(fā)展，實(shí)驗(yàn)教學(xué)面臨著更高的要求和挑戰(zhàn)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力、解決問題能力、激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)、培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度、提高學(xué)術(shù)綜合素質(zhì)的重要途徑，這個(gè)是理論教學(xué)不可替代的［3］。通過實(shí)驗(yàn)教學(xué)，在理解、深化、拓展理論知識(shí)、提高動(dòng)手能力的同時(shí)，訓(xùn)練學(xué)生敏銳的觀察力、豐富的想象力，形成創(chuàng)新思維，逐步培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力［4］。

隨著科技的發(fā)展，新型土木工程材料的種類越來越多，應(yīng)用日益廣泛。新材料的標(biāo)準(zhǔn)不斷頒布。與土木工程材料生產(chǎn)應(yīng)用日新月異相比較，現(xiàn)行土木工程材料實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)容和方法相對(duì)落后。因此為了創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)，提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，創(chuàng)建“雙一流”土木工程學(xué)科，提出了引入研究性實(shí)驗(yàn)的土木工程材料實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。

1 土木工程材料實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)狀

1.1 教學(xué)內(nèi)容陳舊且不系統(tǒng)

目前土木工程材料的教學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要包括土木工程材料的基本物理性質(zhì)、水泥、普通混凝土、砌體材料和瀝青材料等實(shí)驗(yàn)。其中水泥實(shí)驗(yàn)包含水泥細(xì)度、凝結(jié)時(shí)間、安定性、強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)。普通混凝土實(shí)驗(yàn)包含混凝土用骨料、配合比、稠度、強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容多且繁瑣，但實(shí)驗(yàn)課時(shí)卻很少。以我校土木工程專業(yè)的土木工程材料實(shí)驗(yàn)課程為例，該課程的實(shí)驗(yàn)課只有8學(xué)時(shí)，導(dǎo)致一些實(shí)驗(yàn)只能做演示實(shí)驗(yàn)。另外，現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容局限于砂石、水泥等傳統(tǒng)的建筑材料。工程實(shí)踐中應(yīng)用的新材料很少出現(xiàn)在現(xiàn)有的教學(xué)實(shí)驗(yàn)中，一些材料在工程中可能已經(jīng)淘汰，但在教學(xué)中還在使用。一些材料新規(guī)范、新標(biāo)準(zhǔn)在實(shí)驗(yàn)教材中也沒有體現(xiàn)［5-6］。這些教學(xué)內(nèi)容很難引起學(xué)生的興趣，學(xué)生積極性減弱，結(jié)果造成了學(xué)生實(shí)驗(yàn)?zāi)康牟粔蛎鞔_，只是為了完成任務(wù)而做實(shí)驗(yàn)，對(duì)于學(xué)生能力的培養(yǎng)作用不大。

1.2 教學(xué)方法和過程缺乏新意

目前很多院校的教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備臺(tái)套和實(shí)驗(yàn)教師不足，實(shí)驗(yàn)中5或6人1組，無(wú)法實(shí)現(xiàn)單獨(dú)實(shí)驗(yàn)或人數(shù)較少的小組實(shí)驗(yàn)，甚至某些實(shí)驗(yàn)由于設(shè)備有限，無(wú)法向?qū)W生開展而僅做演示。教學(xué)內(nèi)容以常規(guī)性、驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主。

教學(xué)過程一般首先是實(shí)驗(yàn)教師介紹實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)內(nèi)容、儀器設(shè)備、實(shí)驗(yàn)步驟等，然后學(xué)生按照教師或教材所述實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行操作，獲得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果、完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。這種傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，是材料固定、過程規(guī)定、結(jié)果已知的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，只能讓學(xué)生初步了解土木工程材料實(shí)驗(yàn)的過程。在整個(gè)過程中學(xué)生缺乏主動(dòng)性，學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題、獨(dú)立思考、創(chuàng)新探索的能力不能得到充分鍛煉［7-8］。

1.3 考核方式單一

課程任課教師在課程的最終成績(jī)?cè)u(píng)定時(shí)，實(shí)驗(yàn)部分占總成績(jī)的比例很低，一般10%左右。并沒有體現(xiàn)出實(shí)驗(yàn)的重要性，因此學(xué)生也對(duì)實(shí)驗(yàn)并不重視。另外成績(jī)?cè)u(píng)定依據(jù)是實(shí)驗(yàn)報(bào)告和出勤情況，而實(shí)驗(yàn)報(bào)告包括實(shí)驗(yàn)儀器、實(shí)驗(yàn)步驟和實(shí)驗(yàn)結(jié)果等內(nèi)容。由于幾個(gè)同學(xué)一組，因此同一組同學(xué)的實(shí)驗(yàn)報(bào)告幾乎一樣，成績(jī)也很難體現(xiàn)差異。

2 研究性實(shí)驗(yàn)的教學(xué)實(shí)踐

現(xiàn)有土木工程材料實(shí)驗(yàn)的教學(xué)內(nèi)容、方法和考核標(biāo)準(zhǔn)不能滿足當(dāng)前人才培養(yǎng)的需要，為了更好地激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)其主動(dòng)探究、獨(dú)立思考和科研實(shí)踐的能力，有必要對(duì)現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式進(jìn)行改革，以提高教學(xué)質(zhì)量［9-10］?；趯I(yè)培養(yǎng)目標(biāo)和土木工程材料實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)，仔細(xì)梳理了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)容，根據(jù)現(xiàn)有條件提出引入研究性實(shí)驗(yàn)的教學(xué)模式，建立以學(xué)生為主體的教學(xué)模式，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的主動(dòng)性與積極性［11-12］。

研究性實(shí)驗(yàn)是指由老師給定實(shí)驗(yàn)要求和實(shí)驗(yàn)條件，學(xué)生通過文獻(xiàn)查閱、了解相關(guān)材料的性能和作用、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、完成實(shí)驗(yàn)操作、獲得實(shí)驗(yàn)結(jié)果，以及分析實(shí)驗(yàn)過程中現(xiàn)象。研究性實(shí)驗(yàn)是對(duì)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的進(jìn)一步提升，研究性實(shí)驗(yàn)沒有固定的模式和實(shí)驗(yàn)步驟，不能按部就班地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，學(xué)生必須發(fā)揮自己在實(shí)驗(yàn)過程中的主動(dòng)性［13-14］。

研究性實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容一般選自本專業(yè)教師的研究課題拓展的實(shí)驗(yàn)課題，具有新穎、緊密聯(lián)系實(shí)際等特點(diǎn)。至今我校已開展的研究性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目有高性能混凝土、輕質(zhì)混凝土、透水混凝土和墻體保溫材料等。下面以高性能混凝土實(shí)驗(yàn)為例探討研究性實(shí)驗(yàn)在土木工程材料實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的實(shí)踐。

2.1 實(shí)驗(yàn)前資料檢索和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

高性能混凝土是指混凝土的所有性能都達(dá)到較高的水平，具有耐久性好、高強(qiáng)度指標(biāo)、流動(dòng)性好的重要特點(diǎn)。高性能混凝土以耐久性作為設(shè)計(jì)的主要指標(biāo)，耐久性取決于抗?jié)B性、抗凍性、抗侵蝕性、抗碳化性、耐磨性、堿-骨料反應(yīng)以及抗干燥收縮的體積穩(wěn)定性等。而這些性質(zhì)與混凝土的水灰比及某些活性礦物混合料的摻量相關(guān)。另外高性能混凝土在配置上的特點(diǎn)是采用低水膠比，低水膠比將導(dǎo)致流動(dòng)性差。如何解決這些問題，必須添加摻加料（礦物細(xì)等）和高效外加劑，需要對(duì)混凝土的配方進(jìn)行多次優(yōu)化與嘗試，通過調(diào)整配比或添加外加劑來滿足工作性能要求。

為有效指導(dǎo)研究性實(shí)驗(yàn)，編制了高性能混凝土設(shè)計(jì)與制備指導(dǎo)書，實(shí)驗(yàn)前發(fā)給學(xué)生。針對(duì)在高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)中水泥漿與骨料比、用水量、水泥量、減水劑的種類與用量、礦物摻合料的種類與用量、粗細(xì)骨料的比例這些問題，老師對(duì)涉及的基本理論和原理進(jìn)行講解，并給學(xué)生提供一些參考資料。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)前利用課余時(shí)間查閱相關(guān)文獻(xiàn)和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，自行設(shè)計(jì)高性能混凝土的配合比。并通過教材熟悉實(shí)驗(yàn)及儀器操作。在這個(gè)過程中，學(xué)生必須積極搜集資料，主動(dòng)思考，努力尋找解決方案，學(xué)生由被動(dòng)地接受知識(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)地探究，也為培養(yǎng)其科研能力創(chuàng)造了條件。

2.2 研究性實(shí)驗(yàn)的實(shí)施與指導(dǎo)

實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生3～5人1組，自由組合，自選組長(zhǎng)，共同完成實(shí)驗(yàn)。每個(gè)小組在閱讀文獻(xiàn)資料后，提出實(shí)驗(yàn)方法，制定具體的實(shí)驗(yàn)方案，擬定實(shí)驗(yàn)進(jìn)展計(jì)劃，小組成員具體分工。實(shí)驗(yàn)前提交給老師審核。若有不足和需要改進(jìn)的地方，老師提出建議，學(xué)生再次修改方案。實(shí)驗(yàn)方案獲得老師同意后，實(shí)施實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告（除了基本實(shí)驗(yàn)儀器、實(shí)驗(yàn)步驟和實(shí)驗(yàn)結(jié)果等），包括一些思考題的回答，如養(yǎng)護(hù)條件對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響、粉煤灰摻量對(duì)膠砂強(qiáng)度的影響等。

為便于同學(xué)之間、師生間交流，建立相應(yīng)的微信群，在群里發(fā)布實(shí)驗(yàn)的相關(guān)資料和信息。學(xué)生有疑問可以及時(shí)得到解答。在實(shí)驗(yàn)的整個(gè)過程，包括實(shí)驗(yàn)前的方案設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)中的操作、結(jié)果分析，學(xué)生是主體，不再是機(jī)械地完成老師布置的實(shí)驗(yàn)任務(wù)。老師的角色類似顧問，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)實(shí)施過程中遇到的問題，小組成員間共同討論，及與老師交流。通過多交流、多討論，啟發(fā)和引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)思考和解決問題。老師鼓勵(lì)實(shí)驗(yàn)小組內(nèi)部成員之間有實(shí)際的合作，促使每一位學(xué)生真正參與實(shí)驗(yàn)中。教學(xué)實(shí)踐表明，通過研究性實(shí)驗(yàn)的實(shí)施，形成了良好的學(xué)習(xí)氛圍，鍛煉了學(xué)生查閱文獻(xiàn)、解決問題、團(tuán)隊(duì)合作、撰寫小論文等多方面的能力。

2.3 研究性實(shí)驗(yàn)的考核與成績(jī)?cè)u(píng)定

對(duì)研究性實(shí)驗(yàn)的考核與驗(yàn)收是保證特色實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的重要組成部分，實(shí)驗(yàn)通過實(shí)驗(yàn)報(bào)告和小組答辯兩方面進(jìn)行考核。實(shí)驗(yàn)報(bào)告包括實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的思路、實(shí)施過程結(jié)果分析。在此基礎(chǔ)上制作成匯報(bào)的演示文稿。指導(dǎo)教師組織團(tuán)隊(duì)成員進(jìn)行答辯，評(píng)委老師由任課老師、實(shí)驗(yàn)課老師、助教或邀請(qǐng)其他本專業(yè)的老師擔(dān)任。評(píng)委根據(jù)項(xiàng)目?jī)?nèi)容完成情況、解決問題的能力、團(tuán)隊(duì)合作、成員分工等給出成績(jī)。實(shí)驗(yàn)的最終成績(jī)由實(shí)驗(yàn)報(bào)告成績(jī)和答辯成績(jī)組成，兩者各占50%。研究性實(shí)驗(yàn)實(shí)施方案如表1所示。

表1 研究性實(shí)驗(yàn)實(shí)施方案

3 研究性實(shí)驗(yàn)的效果評(píng)價(jià)

研究性實(shí)驗(yàn)從2012年開始實(shí)施，通過幾年的教學(xué)改革實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和教學(xué)效果得到提高，體現(xiàn)在以下幾方面：

（1）拓寬專業(yè)知識(shí)面，提升實(shí)驗(yàn)技能。研究性實(shí)驗(yàn)涉及的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和儀器較為全面，為學(xué)生提供了應(yīng)用多種專業(yè)儀器和鞏固并運(yùn)用所學(xué)知識(shí)的渠道，提高了學(xué)生動(dòng)手能力、觀察能力以及綜合利用所學(xué)知識(shí)解決問題的能力。

（2）提高合理分工和團(tuán)隊(duì)協(xié)作的能力。以前的實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生只要按照教材的實(shí)驗(yàn)步驟完成實(shí)驗(yàn)即可。由于設(shè)備少的原因經(jīng)常一個(gè)小組中只是一兩位同學(xué)在操作，其他同學(xué)在邊上看。實(shí)施研究性實(shí)驗(yàn)后，每位同學(xué)都要參與。比如有的同學(xué)負(fù)責(zé)減水劑的性能和使用方面的資料收集，有的同學(xué)負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)，有同學(xué)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的整理等，在反復(fù)調(diào)整配合比中，大家一起討論。培養(yǎng)了學(xué)生實(shí)事求是、團(tuán)結(jié)協(xié)作、勇于探索、大膽質(zhì)疑的科學(xué)素養(yǎng)。

（3）激發(fā)科研興趣，提升創(chuàng)新能力。研究性實(shí)驗(yàn)的開展，學(xué)生對(duì)土木工程材料課程的學(xué)習(xí)積極性明顯提高。一些優(yōu)秀的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目參加校、市科技競(jìng)賽都取得了較好的成績(jī)。一些同學(xué)利用這些研究性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目申請(qǐng)到全國(guó)大學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。從而貫徹了“教、學(xué)、做、研”四位一體的綜合教學(xué)模式［15］。

4 結(jié) 語(yǔ)

土木工程材料作為一門實(shí)踐性與基礎(chǔ)性并重的課程。在分析土木工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目的和作用及現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)不足的基礎(chǔ)上，提出了研究性實(shí)驗(yàn)的教學(xué)模式，研究性實(shí)驗(yàn)是對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的補(bǔ)充與深化。教學(xué)實(shí)踐表明，研究性實(shí)驗(yàn)取得了較好的教學(xué)效果。引入研究性實(shí)驗(yàn)加強(qiáng)了學(xué)生對(duì)專業(yè)知識(shí)的理解和應(yīng)用能力，開拓了專業(yè)視野，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)和科研的興趣，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新能力。如何融合信息化教學(xué)技術(shù)，開發(fā)更科學(xué)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，優(yōu)化研究性實(shí)驗(yàn)的實(shí)施，培養(yǎng)出“雙一流”建設(shè)背景下的創(chuàng)新人才，是下一步持續(xù)探索的目標(biāo)和方向。