“混凝土設(shè)計—耐久性為目標(biāo)”的土木工程材料創(chuàng)新性實驗教學(xué)實踐

顧亞敏，宋旭艷，郜志海

（蘇州科技大學(xué)土木工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215011）

前言

土木工程材料是我院土木類工科專業(yè)必修課，要求學(xué)生掌握通用硅酸鹽水泥的生產(chǎn)方法、物理化學(xué)性能、水化硬化機理、質(zhì)量控制和工程應(yīng)用?，F(xiàn)有實踐教學(xué)內(nèi)容涵蓋了通用水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時間、體積安定性實驗、砂石骨料篩分、水泥膠砂強度及混凝土強度檢測，這些內(nèi)容側(cè)重于對水泥混凝土原材料及性能檢測能力的培訓(xùn)，缺乏水泥混凝土配合比設(shè)計方面的實踐教學(xué)。

水泥混凝土工業(yè)在國民經(jīng)濟發(fā)展中發(fā)揮重要作用，中國巨大規(guī)模的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)需要大量滿足技術(shù)性能要求的水泥混凝土。而現(xiàn)有實踐教學(xué)集中在檢測水泥混凝土物理力學(xué)性能上，實驗步驟完全按照相關(guān)規(guī)范進行。水泥混凝土設(shè)計與制備實踐教學(xué)環(huán)節(jié)的缺失，使得學(xué)生無法從實踐教學(xué)中學(xué)習(xí)如何設(shè)計混凝土、改性混凝土，無法從實踐教學(xué)中鞏固和加深學(xué)生對混凝土配合比設(shè)計、性能改進、工程應(yīng)用等知識的深入理解。

為進一步鞏固和加深學(xué)生對水泥混凝土等專業(yè)知識的理解，系統(tǒng)培養(yǎng)學(xué)生綜合利用所學(xué)知識分析問題、解決問題及創(chuàng)新思維能力，填補我院土木工程材料方向?qū)嵺`教學(xué)環(huán)節(jié)中混凝土設(shè)計與改性的空白,豐富和完善現(xiàn)有實踐教學(xué)內(nèi)容，土木工程材料課程教學(xué)改革中開展競賽模式的高性能混凝土實踐設(shè)計，利用工業(yè)副產(chǎn)品摻和料適量取代高能耗的傳統(tǒng)膠凝材料水泥，達到節(jié)約水泥及提高混凝土的力學(xué)性能。同時亦使學(xué)生初步了解水泥混凝土工業(yè)的環(huán)境影響、社會影響、國際影響，推動混凝土低碳綠色化發(fā)展進程，理解作為專業(yè)技術(shù)人員應(yīng)肩負的社會責(zé)任以及愛國情操。

1 實驗教學(xué)方案設(shè)計

1.1 以課堂教學(xué)為基礎(chǔ)

根據(jù)土木工程材料“主次分明，主為重點知識必須強化教學(xué)、提升深度，次為輔助性知識內(nèi)容拓寬學(xué)生視野”教學(xué)特點，教學(xué)內(nèi)容組織圍繞核心“水泥基混凝土”逐步擴展，基本涵蓋通用水泥、砂石集料、功能性摻合料、耐久性評價指標(biāo)等建材單元。使學(xué)生系統(tǒng)了解課程的主體知識結(jié)構(gòu)，緩解學(xué)生因普遍的認知不足——知識點煩冗、體系混沌而帶來的焦慮、畏難情緒。

在教學(xué)過程中，將混凝土配合比設(shè)計、原材料準(zhǔn)備、混凝土制備、性能檢測有機結(jié)合起來，使學(xué)生掌握混凝土膠凝組分化學(xué)成分及礦物組成、骨料級配與堆積狀態(tài)、組成與性能之間的關(guān)系。按照課堂教學(xué)計劃及進度，合理穿插相關(guān)實驗課程，適時開展“混凝土配合比設(shè)計—耐久性為目的”為主線的競賽實驗環(huán)節(jié)。整個實驗教學(xué)環(huán)節(jié)中，使學(xué)生明確什么性能的混凝土符合工程實踐需求，即目標(biāo)產(chǎn)品，如何設(shè)計目標(biāo)產(chǎn)品，如何獲得目標(biāo)產(chǎn)品，如何檢測目標(biāo)產(chǎn)品并判定目標(biāo)產(chǎn)品性能是否滿足設(shè)計目標(biāo)。整個實驗環(huán)節(jié)，學(xué)生表現(xiàn)出高昂的學(xué)習(xí)熱情和積極性，既可以鞏固基本理論知識，亦可以加深理論聯(lián)系實際；充分發(fā)揮學(xué)生創(chuàng)新意識，激發(fā)學(xué)生自主創(chuàng)新興趣，培養(yǎng)學(xué)生具備新材料、新工藝、新技術(shù)的初步研究能力和創(chuàng)新能力。具體的實驗安排如表1 所示。

表1 土木工程材料實驗安排

課程實驗內(nèi)容具有系統(tǒng)性和完整性，從原材料的選擇（制備）、物理化學(xué)性能分析、配合比關(guān)鍵參數(shù)計算、混凝土成型、養(yǎng)護、各齡期強度及耐久性性能評價，前一項實驗結(jié)果均是后續(xù)內(nèi)容開展的設(shè)計依據(jù)，對后續(xù)每一項內(nèi)容的正確性有極大的影響。項目的實施需要團隊合作完成，并非個人力量獨立完成。合理有效的組織有利于競賽團隊價值的整體提升，在實驗教學(xué)環(huán)節(jié)引入知識共享激勵機制，激發(fā)廣大學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，調(diào)動學(xué)生的主觀能動性和實踐性，培養(yǎng)學(xué)生的組織協(xié)作精神，強化自主學(xué)習(xí)和終身學(xué)習(xí)意識，以較好地適應(yīng)工作環(huán)境、適應(yīng)社會。因此，在項目建設(shè)中，要求學(xué)生具有較強的組織管理能力、團隊協(xié)作能力，能夠在團隊中承擔(dān)個體、團隊成員以及負責(zé)人的不同角色。根據(jù)課程實驗教學(xué)目標(biāo)，從以下五個方面開展競賽實驗項目。

第一，水泥的相關(guān)性能分析（2 學(xué)時）。選擇有代表性的普通硅酸鹽水泥，應(yīng)用所學(xué)水泥基膠凝材料等相關(guān)知識，分析測試水泥的比表面積、標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量、初終凝時間、體積安定性（雷氏夾和試餅法）等性能。

第二，骨料的級配曲線（2 學(xué)時）。通過砂石篩分實驗，掌握細度模數(shù)計算方法及級配曲線圖繪制技能，并進一步了解級配參數(shù)對細度、顆粒度分布及堆積空隙率的影響，確定經(jīng)濟合理的骨料級配參數(shù)。

第三，水泥砂漿的物理力學(xué)性能測試（2 學(xué)時）。針對不同膠砂比（C/S）、水灰比的砂漿（W/C），測試其工作性能、力學(xué)性能，包括流動度、強度等，明確變量C/S、W/C對砂漿的工作性和抗壓/折的影響并掌握相關(guān)檢測方法。

第四，考慮耐久性—混凝土配合比實驗（3 學(xué)時）。a.普通混凝土配合比：根據(jù)測定的原材料相關(guān)性能以及要求的混凝土強度等級和坍落度進行配合比的理論計算，明確關(guān)鍵參數(shù)用水量、水泥量、砂率、砂石用量。計算施工配合比時，考慮對砂石的實際含水率，試配拌合物工作性是否滿足要求，若不符合要求，現(xiàn)場進行調(diào)整。b.考慮耐久性—混凝土配合比設(shè)計：了解外加劑種類和摻量以及礦物摻和料等對水泥混凝土物理力學(xué)性能的影響，根據(jù)給定的工程環(huán)境參數(shù)確定外加劑及礦物摻和料的種類和最佳摻量，并考慮經(jīng)濟性能。

第五，其他材料實驗（1 學(xué)時）。低碳鋼的拉伸實驗，觀察并正確理解其應(yīng)力—應(yīng)變曲線圖中的彈性、屈服、強化、頸縮階段，并熟悉各階段對應(yīng)的指標(biāo)及選材指導(dǎo)意義；瀝青的三大性能及指標(biāo)實驗（演示），包括針入度、延度、軟化點。

1.2 初步競賽環(huán)節(jié)

競賽主題是以普通水泥為膠凝材料，砂、石為混凝土中骨架結(jié)構(gòu)，摻和料（礦物摻和料及外加劑）作為耐久性獲得的保障。競賽內(nèi)容不僅僅是課程所學(xué)知識的掌握和應(yīng)用，還需要綜合運用材料學(xué)基本原理、水泥制備原理、測試技術(shù)等知識，并進一步通過文獻檢索、資料查詢等基本方法，自主獲取新知識，了解制備綠色高性能混凝土技術(shù)途徑和發(fā)展動態(tài)，在此基礎(chǔ)上進行原材料的選擇和設(shè)計等。同時有助于學(xué)生認識到，為適應(yīng)科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展的形勢，適應(yīng)知識更新頻率加快的要求，僅靠課堂所學(xué)知識是不夠的，必須具有終身學(xué)習(xí)意識。

在土木工程材料課程教學(xué)之初即引入競賽機制的課程實驗，鼓勵學(xué)生積極主動參與競賽性實驗，滲透競賽的激勵思想，同時借助課程教學(xué)實驗的必修性質(zhì)大幅提高參賽面，讓絕大多數(shù)學(xué)生在參與競賽的過程中培養(yǎng)組織協(xié)調(diào)能力以及解決復(fù)雜問題的自主能力。

初賽環(huán)節(jié)，學(xué)生自由組隊（不限性別及班級），每個參賽隊伍3 人，推選隊長1 人，由隊長總體負責(zé)報名和組織參加競賽，任課老師可作為指導(dǎo)老師。初步競賽環(huán)節(jié)落實之后，根據(jù)詳細的評價標(biāo)準(zhǔn)，選出優(yōu)秀的后備隊，進一步參加國內(nèi)相關(guān)賽事。

1.3 評比環(huán)節(jié)

由承擔(dān)土木工程材料課程的系部及任課老師擔(dān)任初步競賽的評委，按照制定的內(nèi)容綜合評價課程實驗中具體表現(xiàn)，給出各參賽組成績：實驗過程及結(jié)果的正確性（35分）；實驗報告的規(guī)范性、完整性（25 分）；混凝土配合比計算的規(guī)范性和準(zhǔn)確性（10 分）；混凝土的設(shè)計指標(biāo)與實測結(jié)果的相關(guān)度（10 分）；實驗過程及結(jié)果誤差分析（10 分）；實驗過程中自主解決問題的能力（5 分）；實驗過程中的團隊協(xié)作能力（5 分）。

根據(jù)各參賽組的綜合成績以及實驗過程中各成員表現(xiàn)，評選優(yōu)秀參賽隊及優(yōu)秀隊員，設(shè)立一、二、三等獎若干隊以及單項獎若干名，頒發(fā)相應(yīng)證書及獎狀。

1.4 引入新知識的課題競賽教學(xué)方法

當(dāng)代00 后大學(xué)的普遍特點是競爭意識強、興趣愛好廣泛、團隊協(xié)作差，對自我感興趣的事物專注度非常高，充分調(diào)動大學(xué)生的競賽意識，利用他們較為熟練的網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)，內(nèi)在驅(qū)動其自主查閱相關(guān)文獻資料。集中利用課程的課堂預(yù)習(xí)復(fù)習(xí)時間，增設(shè)“一課一問”知識問答環(huán)節(jié)，拓展材料新知識、新技術(shù)、新應(yīng)用，豐富課堂教學(xué)內(nèi)容，且課堂探討氛圍濃厚，學(xué)生積極參與。

1.5 基于教學(xué)—研討模式組織團隊

在初賽環(huán)節(jié)中表現(xiàn)優(yōu)秀的團隊以及突出的個人將進一步迎戰(zhàn)無機非金屬材料教學(xué)指導(dǎo)委員會主辦的“全國大學(xué)生混凝土材料設(shè)計大賽”。該比賽每兩年舉辦一次，根據(jù)不同年級學(xué)生的專業(yè)知識強度差異，合理選拔不同年級的學(xué)生參與比賽，高年級的學(xué)生專業(yè)知識基礎(chǔ)扎實且專業(yè)理論知識面廣，低年級學(xué)生亦有自己的獨特優(yōu)勢即學(xué)習(xí)韌性強，且部分學(xué)生的興趣廣泛、創(chuàng)新能力強。通過適當(dāng)?shù)募畲胧┰黾痈吣昙壓偷湍昙壗M員間專業(yè)知識的共享，同時適當(dāng)增加多元化知識的探討，有利于參賽小組整體價值的提升。在團隊訓(xùn)練期間，嘗試本科生教學(xué)—研究生培養(yǎng)模式相融合，加強土木工程材料專業(yè)知識強度的學(xué)習(xí)及理解，培養(yǎng)學(xué)生的科研思維能力。通過比賽的鍛煉及專業(yè)的熏陶，就業(yè)率以及讀研率可以得到一定程度的提高，學(xué)生投身建設(shè)祖國的信念更加堅定。

2 結(jié)語

基于競賽模式的建筑材料課程教學(xué)，大幅提高本科生的專業(yè)學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新實踐技能，強化學(xué)生材料設(shè)計能力、科研能力，了解綠色建材發(fā)展過程并增強其社會責(zé)任感。