土木工程材料實驗教學改革探索*

劉先鋒 黃林青 廖小烽

《土木工程材料》是土建類專業一門重要的技術基礎課,同時也是一門實踐性較強的課程。該課程分為理論課教學和實驗課教學,實驗教學學時通常占總學時的1/4～1/3。實驗教學的目的是使學生掌握常用土木工程材料的實驗方法和質量評定方法,會對常規土木工程材料進行質量合格性判定,同時加深對理論知識的理解,培養嚴謹的科學態度,提高分析問題和解決問題的實際能力[1]。

土木工程材料實驗內容繁多且相對穩定,包括水泥、混凝土、鋼材、石灰、石膏、砂漿、瀝青、瀝青混合料等,而且實驗周期長。目前,土木工程材料實驗以驗證性為主,主要是驗證理論的正確性或達到理論的再現性。由于實驗條件、實驗時間、組織管理的限制,學生在實驗過程中,主要通過操作實驗,掌握一定的實驗技能,了解實驗步驟的規范性,對常見材料形成一定感性認識。

1 土木工程材料實驗教學現狀及存在的問題

1.1 教學現狀

教學內容主要安排水泥、砂、石、混凝土、砂漿、瀝青六個大項的實驗;教學方式是以教師為中心,著重強調教師的“教”,教師先敘述實驗的目的、實驗內容,再詳細解說儀器設備操作方法、實驗步驟、注意事項,然后學生機械地進行操作、記錄數據、填寫實驗報告。學生只需按實驗步驟操作,根本不用獨立思考,更無需發揮其創新能力。學生雖然參與了實驗教學活動,但實質上是處于被動接受的狀態,教師的“教”是教學設計的重點,而學生的“學”往往被忽視,因此學生的主動性、積極性受到一定限制,不利于創新能力的培養。

1.2 存在問題

1)實驗內容陳舊,在反映新材料、新標準上有一定的滯后性。隨著我國建設規模增大和建設速度加快,土木工程專業在原建筑工程專業的基礎上覆蓋了交通土建工程、城市建設(部分)、礦井建設等相關專業。原建筑工程專業所開專業課建筑材料不僅在教材內容上顯得狹窄,且近年來各種材料的標準和規范變動較大,實驗方法也有所改變,但教學內容卻沒跟上形勢的發展,導致學生知識面窄,對新材料、新標準的了解少,認識膚淺,實際應用能力差,畢業后進入建設第一線時的盲目和不知所措狀況較突出。2)偏重于驗證性實驗,缺乏綜合性、設計性實驗及針對不同專業的選作實驗。土木工程材料課程是一門實踐性較強的課程,一般開設5個～10個實驗,實驗內容包括土木工程材料性能的一些基本測試,只開設了驗證性實驗,缺乏綜合性、設計性實驗。實際上像混凝土配合比實驗、砂漿實驗、瀝青混合料實驗都可以開設成綜合性、設計性實驗(讓學生自主選材、設計、操作、評價)。缺乏針對不同專業的選做實驗,目前有土木工程專業、工程管理專業、建筑工程技術專業等開設土木工程材料實驗,不同專業要求開設不同的項目,即使是同一實驗項目也會因專業不同其要求也不同,如同樣是混凝土配合比設計項目,土木工程專業的學生要求選材、設計、操作、評價全部掌握,而工程管理專業的學生可弱化選材、設計、操作,只要求評價,然而在實際教學中因各種原因通常沒有加以區別。3)教學方法單一。目前,土木工程材料實驗主要是以老師講解,學生按實驗步驟操作、記錄、填寫實驗報告為主,老師是“忠實”的“講解員”,學生是“忠實”的執行者。學生只是被動接受,缺乏主動性,更談不上創新能力的培養。每次實驗就是學生當一次實驗操作工人而已,并沒有起到加深對理論知識的理解的作用,更沒有起到提高學生分析問題、解決問題能力的作用。4)課時少,儀器利用率低;實驗室管理落后導致教學組織與實施困難。隨著高校學分制管理的實施,學時總數減少,導致實驗教學時間減少,從而儀器利用率低。如土木工程專業的本門課實驗學時降到10學時,甚至更少。這樣學生課堂上可進行的實驗教學就很少,理論上可以通過課外自主創新實驗、興趣實驗進行彌補,但目前的資產管理模式、實驗室管理體系和實驗課教學體系不利于開放性實驗室教學組織和綜合功能開發。典型的“大爺”式管理,缺乏激勵機制。

2 土木工程材料實驗教學的改進措施及建議

2.1 保證既有實驗項目的基礎上,添加新材料、新技術的實驗項目

除掌握土木工程材料基礎性能外,可適當添加相關新材料、新理念、新技術的實驗。例如目前人們普遍關心混凝土耐久性問題(關系到節能、節約資源等),以及建筑材料生產應用帶來的生態問題(涉及到環保、溫濕效應等),可以考慮設計相關的實驗內容(如加氣混凝土砌塊、空心磚、保溫砂漿、防水卷材、環保涂料等),加入到已有實驗教學中,使土木工程材料教學的內容與時代進步相適應[2]。

2.2 建立實驗室開放制度,開設設計性、綜合性實驗項目

由于正常的教學實驗,人員多、場地小,難以保證每個學生有足夠的時間接觸到實驗,但有部分學生對本課程有濃厚的興趣,因此,應積極鼓勵學生進行教學外的科學研究、設計性實驗,如“挑戰杯”、混凝土配合比實驗(從詢價、選材、設計、操作、評價全過程自主進行)等,并對完成的實驗項目給予一定的學分、獎勵,進行鼓勵和激勵。為了提高實驗室設施的利用率,在時間安排上能夠靈活調整,在教學實驗高峰期之外的時間,鼓勵相關專業的學生利用實驗室的實驗環境和實驗設施,由相關教師指導進行實驗。由于設計性實驗要求學生要有足夠的時間進行實驗,應給學生提供一個較寬松的時間、空間和條件,以便完成從實驗時間到實驗空間,從內容設計、準備、預試到實際操作和實驗結果評價等工作,這就要求實驗室開放。

2.3 改進實驗室管理制度及機制,充分開發實驗室的綜合功能

“開放式”的實驗室管理模式、添加新的實驗項目等改革措施,勢必導致實驗室管理成本的增加和實驗室教師工作量的增加,有時為了滿足學生的上課時間,老師不得不犧牲自己的休息時間。為了實驗教學改革目標的實現,必須建立一套健全的實驗室管理制度與激勵機制。

充分開發實驗室除教學功能外的技能培訓、科研服務、社會技術服務功能,注入實驗室新的活力。高校實驗室設備齊全,技術人員集中,能夠承擔常規工程材料的檢驗,如果能夠結合工程需要,開展技術咨詢和材料檢測服務,實現微利經營,創造完全仿真的生產實訓環境,對提高學生的實踐技能也是有好處的。利用實驗室條件,開展行業的技能培訓和職工的繼續教育,如混凝土技術性能檢測技能大賽、鋼筋綁扎技能大賽等,充分利用實驗儀器服務于教師、學生科研項目。通過一系列服務,一方面,實現微利經營,可以注入資金活力,另一方面,在服務于社會的過程中,可以及時了解社會、行業需求,從而可以及時調整教學內容、有目的的建設改造實驗室。

2.4 開展虛擬仿真實驗,促進實驗教學改革[4]

仿真實驗是利用計算機、網絡創建一個可視化的實驗操作環境,其中的每一個可視化仿真物體代表一種實驗儀器或設備,通過操作這些虛擬的實驗儀器或設備,即可進行各種實驗,達到與真實實驗相一致的教學要求和目的。它是虛擬仿真技術、計算機技術和專業理論知識多方面結合的結晶。

虛擬仿真實驗可以提供開放式實驗環境,真正實現實驗室向學生開放。學生可以打破時間和地域的限制完成相關的教學實驗。由于虛擬儀器系統的支持,學生可以自擬、自選實驗題目,自行組織實驗,變使用現成的儀器為開發自己的儀器進行實驗,改變傳統的灌輸式教學方式,讓學生自主參與到教學中來,最大限度地發揮學生的主動性和創造性。這種學生自主探索的學習活動,可使他們的個性得到發展,創造能力得到提高,最大程度地鍛煉和開發學生的創新能力,極大地激發學生的學習興趣。

筆者結合重慶市建設委員會科研項目《土木工程試驗計算機仿真系統研究》(項目計劃城科字2008第52號),開發包括土木工程材料實驗的一套仿真實驗系統,試圖在教學過程中,實現傳統的驗證性實驗部分或全部通過仿真實驗在課外進行[5]。

3 結語

以上一系列改革措施和思想,已經有不少專家、學者呼吁過,但遲遲得不到落實。因此,關鍵問題是如何實施,有哪些障礙。筆者認為主要是兩方面的工作:一方面,加快虛擬仿真實驗室的建設和實施,利用仿真實驗室完成傳統的驗證性實驗。計算機技術、仿真技術、專業理論知識已經沒有障礙,而且已經有案例可以參考,另一方面,加快實驗室資產制度、考核制度、激勵制度等管理制度改革,保障開放性實驗、設計性實驗、綜合性實驗、創新性實驗的實施。做到這一點,需要改變陳舊的思維模式,特別是領導的思維模式和改革魄力,因為這將觸及到一些人的利益,障礙較大,這也是多少年來,實驗教學改革只停留在“呼吁”階段的根本原因。但隨著高校實驗教學改革的進行,它是勢在必行的,不是某個人或者某些人的利益所能阻擋的,大勢所趨。只有高校實驗室管理制度改革成功了,才能充分發揮它教學、科研服務、技能培訓、技術服務等功能。上面兩點做到了,土木工程材料實驗教學改革才能從根本上取得成功。

[1] 蘇達根.土木工程材料[M].第2版.北京:高等教育出版社,2008:266-323.

[2] 丁 鑄,孫 坤,劉 偉,等.土木工程材料實驗教學組織與實施[J].實驗技術與管理,2008(1):116-119.

[3] 潘永燦,吳發紅.土木工程專業畢業設計教學改革探討[J].山西建筑,2008,34(3):214-215.

[4] 蘇旭霞,劉素楠,管立新.開展虛擬仿真實驗,促進實驗教學改革[J].科技廣場,2008(2):252-254.

[5] 廖小烽,黃林青,劉先鋒.基于開源網絡平臺土木工程仿真實驗室的設計和構建[A].重慶力學學會2009年學術年會論文集[C].重慶:重慶大學出版社,2009:171-174.