土木工程材料砂漿設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革研究

王恒昌+楊醫(yī)博+郭文瑛

doi：10.11835/j.issn.1005-2909.2014.01.036

收稿日期：2013-08-16

基金項(xiàng)目：華南理工大學(xué)2010年度校級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革項(xiàng)目——砂漿設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)；華南理工大學(xué)2009年度本科教育產(chǎn)學(xué)研合作項(xiàng)目——土木工程材料實(shí)踐基地體系建設(shè)；華南理工大學(xué)2010年度校級(jí)教學(xué)改革項(xiàng)目——土木工程材料課程教學(xué)網(wǎng)站建設(shè)

作者簡(jiǎn)介：王恒昌（1984-），男，華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院助理實(shí)驗(yàn)師，碩士，主要從事土木工程材料實(shí)驗(yàn)研究，（E-mail）cthcwang@scut.edu.cn。

摘要：傳統(tǒng)土木工程材料實(shí)驗(yàn)均為演示性和驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生參與主動(dòng)性不高，教學(xué)效果不理想。為適應(yīng)教育部和學(xué)校對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的要求，進(jìn)行了土木工程材料實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，設(shè)立了砂漿設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。通過幾年的教學(xué)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量明顯提高，不僅使學(xué)生加深了對(duì)相關(guān)知識(shí)的掌握，而且鍛煉了學(xué)生的綜合素質(zhì)，提高了其學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和對(duì)專業(yè)的興趣。

關(guān)鍵詞：土木工程材料；砂漿；設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)；教學(xué)改革

中圖分類號(hào)：TU3-4；G642.423 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1005-2909（2014）01-0139-03

實(shí)驗(yàn)是科學(xué)研究的重要手段，實(shí)驗(yàn)教學(xué)就是教育學(xué)生利用實(shí)驗(yàn)手段觀察現(xiàn)象、發(fā)現(xiàn)問題、探索規(guī)律、還問題以本質(zhì)的方法[1]，是培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際及創(chuàng)新能力、增強(qiáng)動(dòng)手能力、提高分析問題、解決問題能力的重要途徑。因此，實(shí)驗(yàn)教學(xué)在本科教學(xué)中的重要性不言而喻。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)以演示性和驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，主要是驗(yàn)證理論的正確性或達(dá)到理論再現(xiàn)性的目的[2]。學(xué)生完全處于被動(dòng)局面，缺乏應(yīng)用的積極性與主動(dòng)性，不利于學(xué)生思維的擴(kuò)展，很難激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新欲望[3]。

國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010-2020年）中指出，“高等教育要堅(jiān)持能力為重，優(yōu)化知識(shí)結(jié)構(gòu)，豐富社會(huì)實(shí)踐，強(qiáng)化能力培養(yǎng)，著力提高學(xué)生的學(xué)習(xí)能力，實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力、教育學(xué)生學(xué)會(huì)知識(shí)技能，學(xué)會(huì)動(dòng)手動(dòng)腦”。因此，為配合國家教育的改革和發(fā)展，創(chuàng)新教育教學(xué)觀念，深化人才培養(yǎng)模式改革，加快教育創(chuàng)新，加速構(gòu)建高水平研究型大學(xué)的本科教學(xué)體系，華南理工大學(xué)設(shè)立了實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革項(xiàng)目，資助在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中開展設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)和綜合性實(shí)驗(yàn)建設(shè)。

土木工程材料作為土木工程等相關(guān)專業(yè)的重要基礎(chǔ)課程，其實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的高低對(duì)學(xué)生相關(guān)知識(shí)的掌握和綜合能力的培養(yǎng)有著重要影響。按照學(xué)校教學(xué)大綱規(guī)定，土木工程材料共48個(gè)學(xué)時(shí)，其中課堂教學(xué)38個(gè)學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)10個(gè)學(xué)時(shí)。 土木工程材料實(shí)驗(yàn)開設(shè)水泥、砂、石、混凝土、砂漿、瀝青、瀝青混合料、鋼筋等實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。從內(nèi)容上看，混凝土、砂漿、瀝青混合料均適合開設(shè)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，但是混凝土和瀝青混合料實(shí)驗(yàn)需要使用的原材料多，且學(xué)時(shí)要求較多，難以在課內(nèi)安排實(shí)驗(yàn)；而砂漿實(shí)驗(yàn)所用材料種類和數(shù)量相對(duì)較少。當(dāng)數(shù)據(jù)不理想時(shí)，砂漿實(shí)驗(yàn)影響因素便于分析，重新調(diào)整所用時(shí)間短，學(xué)時(shí)要求較少。

綜合上述考慮，在現(xiàn)有教學(xué)大綱學(xué)時(shí)不變的前提下，將砂漿實(shí)驗(yàn)改為設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)獲得了學(xué)校的資助。混凝土和瀝青混合料也開設(shè)了設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，但是以土木工程材料設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)選修課的形式進(jìn)行，供學(xué)有余力或者對(duì)土木工程材料實(shí)驗(yàn)有興趣的學(xué)生選修。筆者以砂漿設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的方法和效果為例進(jìn)行詳細(xì)介紹。

一、傳統(tǒng)砂漿實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法

傳統(tǒng)砂漿實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，實(shí)驗(yàn)設(shè)置為2個(gè)學(xué)時(shí)。在教學(xué)形式上，教師按實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書進(jìn)行講解，并提供砂漿配合比及實(shí)驗(yàn)操作方法及步驟，學(xué)生按照教師的講解機(jī)械地模仿實(shí)驗(yàn)過程。在實(shí)驗(yàn)設(shè)置上，所有的實(shí)驗(yàn)都是驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。學(xué)生的動(dòng)手能力及分析問題、解決問題的能力得不到體現(xiàn)。這種教學(xué)的結(jié)果造成了學(xué)生實(shí)驗(yàn)?zāi)康牟粔蛎鞔_，準(zhǔn)備不充分，單純?yōu)樽鰧?shí)驗(yàn)而實(shí)驗(yàn)。也很難將課堂上所學(xué)到的理論知識(shí)與實(shí)驗(yàn)結(jié)合起來。缺乏對(duì)學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，使學(xué)生技術(shù)化，而不是科研型、創(chuàng)新型[4]。因此，必須改變傳統(tǒng)的“實(shí)驗(yàn)員準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)，教師講解，學(xué)生照做”的灌輸式實(shí)驗(yàn)課教學(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。

傳統(tǒng)砂漿成分相對(duì)單一，但隨著科技的發(fā)展及環(huán)保節(jié)能的要求，越來越多的礦物摻合料、外加劑和保水增稠材料將作為功能性組分摻入到砂漿中[7]，賦予砂漿新的性能，新的砂漿品種也應(yīng)運(yùn)而生。砂漿性能朝高性能方向發(fā)展，傳統(tǒng)的測(cè)試方法已經(jīng)不能滿足如今砂漿發(fā)展的要求，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)在近幾年均進(jìn)行了修訂。如《砌筑砂漿配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》（JGJ/T 98—2010）中取消了分層度指標(biāo)，增加了砂漿保水率的要求[5]；《建筑砂漿基本性能實(shí)驗(yàn)方法》（JGJ 70—2009）中增加了砂漿保水性實(shí)驗(yàn)、拉伸粘結(jié)強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，立方體抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)中每組試塊數(shù)量由6塊變成3塊，實(shí)驗(yàn)用底模材質(zhì)也由磚底模變?yōu)殇摰啄；蛩芰系啄５萚6]；《抹灰砂漿技術(shù)規(guī)程》（JGJ/T 220—2010）中也對(duì)各種抹灰砂漿的保水性、拉伸粘結(jié)強(qiáng)度等作了新的規(guī)定[7]。

因此，針對(duì)以前實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的各種不足及砂漿品種和性能檢測(cè)的發(fā)展，在綜合分析的基礎(chǔ)上，對(duì)砂漿設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法進(jìn)行了改革。

二、砂漿設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法

設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的定義是指實(shí)驗(yàn)室給定實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹⒁蠛蛯?shí)驗(yàn)條件，由學(xué)生自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案并加以實(shí)現(xiàn)[8]。一個(gè)完整的實(shí)驗(yàn)過程，應(yīng)能形成與該實(shí)驗(yàn)相關(guān)的知識(shí)體系，包含文獻(xiàn)綜述、熟悉和了解與實(shí)驗(yàn)內(nèi)容相關(guān)的材料性能、整個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原理和方法、實(shí)驗(yàn)過程的影響因素、實(shí)驗(yàn)可能的結(jié)果、實(shí)驗(yàn)過程的操作、結(jié)果計(jì)算，以及對(duì)實(shí)驗(yàn)過程出現(xiàn)的現(xiàn)象進(jìn)行分析總結(jié)等[9]。因此，對(duì)于砂漿設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，在以下方面進(jìn)行了建設(shè)。

首先，在實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)和實(shí)驗(yàn)硬件方面做足功課。在總學(xué)時(shí)不變的基礎(chǔ)上，對(duì)各部分實(shí)驗(yàn)的學(xué)時(shí)進(jìn)行了調(diào)整，適當(dāng)壓縮了水泥、砂、石實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，將砂漿實(shí)驗(yàn)擴(kuò)充為3個(gè)學(xué)時(shí)，保證學(xué)生有足夠時(shí)間進(jìn)行設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。按照3～4個(gè)學(xué)生為一組，將各個(gè)班的學(xué)生分成若干小組，共同完成實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神，并根據(jù)學(xué)生的分組情況補(bǔ)足所用的各種儀器設(shè)備，從硬件上滿足設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的要求。

其次，認(rèn)真做好設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的組織和實(shí)施。在選題上以砌筑砂漿，抹灰砂漿為主，所有參數(shù)根據(jù)各種砂漿的使用要求由學(xué)生自行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)完成后要求學(xué)生在課余時(shí)間自行查閱文獻(xiàn)和新的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，結(jié)合實(shí)驗(yàn)室的原材料，自行設(shè)計(jì)砂漿配合比，并通過教材及教學(xué)錄像，熟悉實(shí)驗(yàn)方法及儀器操作，最大程度地發(fā)揮學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性。

在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)置上包括了砂漿配合比設(shè)計(jì)、稠度、表觀密度、保水性、抗壓強(qiáng)度等基本性能實(shí)驗(yàn)，在設(shè)計(jì)性試驗(yàn)的基礎(chǔ)上同時(shí)包含驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，提高學(xué)生的動(dòng)手能力。實(shí)驗(yàn)中并沒有強(qiáng)制將舊標(biāo)準(zhǔn)中的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行刪除，而是將其作為選做性實(shí)驗(yàn)。如砂漿保水性實(shí)驗(yàn)中，分層度實(shí)驗(yàn)作為選做實(shí)驗(yàn)，用于與保水率實(shí)驗(yàn)進(jìn)行比較；砂漿抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)中，除了采用塑料模具以外，還可以選用紅磚、加氣混凝土砌塊和蒸壓灰砂磚等作為基底，以便學(xué)生對(duì)比研究新舊標(biāo)準(zhǔn)的異同，提高學(xué)生分析問題的能力。

最后，在數(shù)據(jù)分析及實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)方面進(jìn)行改進(jìn)。實(shí)驗(yàn)全部做完后，除對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理外，還要求學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，如強(qiáng)度性能是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求，如果不能達(dá)到要求，還需分析原因，并寫入報(bào)告。改變以實(shí)驗(yàn)報(bào)告冊(cè)的完成情況為評(píng)分依據(jù)的模式，對(duì)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中的動(dòng)手能力及團(tuán)隊(duì)合作能力及時(shí)記錄，并作為一項(xiàng)重要組成部分，在最后實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)中加以體現(xiàn)。這樣更能考察學(xué)生的動(dòng)手能力及分析和解決問題的能力。

三、實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革效果

砂漿設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)從2010年開始，在2009級(jí)土木工程和水利水電工程專業(yè)試點(diǎn)，并根據(jù)實(shí)際教學(xué)效果進(jìn)行了改進(jìn)和完善，在2011年開始正式實(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)積極性和實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果明顯提高，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

（1）教師集中講授的內(nèi)容比以前明顯減少，學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作步驟相對(duì)更加規(guī)范，且在實(shí)驗(yàn)過程中提問的次數(shù)比以往明顯增多，表明學(xué)生在實(shí)驗(yàn)課前作了較好的準(zhǔn)備，發(fā)現(xiàn)問題的能力有所提高。

（2）以往學(xué)生做完實(shí)驗(yàn)就認(rèn)為實(shí)驗(yàn)結(jié)束，基本不會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)過程或結(jié)果進(jìn)行思考。現(xiàn)在，每組學(xué)生都比較看重自己設(shè)計(jì)的砂漿性能，并相互之間進(jìn)行比較。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中經(jīng)常會(huì)碰到學(xué)生在規(guī)定課時(shí)內(nèi)沒有達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)，而要求在課余重新完成實(shí)驗(yàn)的情況。

（3）針對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，學(xué)生會(huì)通過組與組之間數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，或通過組內(nèi)分析的方式，找出實(shí)驗(yàn)中的不足，學(xué)生分析和解決問題的能力得到了鍛煉和提高。

（4）學(xué)生在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方面的能力得到提升，對(duì)參加課外科研的興趣顯著提高，每年均有大量學(xué)生報(bào)名參加材料類的本科生課外科研課題，錄取比例大約25%，并且在參加課外科研的學(xué)生中很多都在材料類專業(yè)的核心期刊中發(fā)表過科研論文[10-12]，并在全國土木工程專業(yè)本科生優(yōu)秀創(chuàng)新實(shí)踐成果獎(jiǎng)等全國性比賽中屢屢獲獎(jiǎng)。

四、結(jié)語

通過幾年的教學(xué)實(shí)踐，表明改革是成功的，不僅僅使學(xué)生加深了對(duì)知識(shí)的掌握，而且鍛煉了學(xué)生的綜合素質(zhì)，提高了其學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和對(duì)專業(yè)的興趣。結(jié)合教學(xué)網(wǎng)站的建設(shè)，考慮將實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源和實(shí)驗(yàn)結(jié)果上網(wǎng)，以方便學(xué)生學(xué)習(xí)，促使學(xué)生更認(rèn)真地對(duì)待實(shí)驗(yàn)，從而進(jìn)一步提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。

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Reform on design experiment teaching of cement mortar of

civil engineering materials

WANG Hengchanga， YANG Yiboa，b， GUO Wenyinga

（a. School of Civil Engineering and Transportation； b. The State Key Laboratory of Subtropical

Architecture Science， South China University of Technology， Guangzhou 510640， P. R. China）

Abstract： Currently， demonstration and validation experiments are dominant in civil engineering materials experiment teaching， which leads to low participation enthusiasm of students and unsatisfactory teaching effect. According to the reform of experiment teaching proposed by Ministry of Education， the experiment teaching reform was carried out on civil engineering materials and the design experiment of cement mortar was set up. Years of teaching practice shows that the teaching quality is improved. It deepened students understanding on related knowledge， strengthened their comprehensive quality， and improved their initiative in study and interest in the specialty.

Keywords： civil engineering materials； cement mortar； design experiment； teaching reform

（編輯 梁遠(yuǎn)華）