基于開放性實驗的《土木工程材料》課程實驗教學(xué)改革實踐

傅博+程臻赟

摘要：傳統(tǒng)土木工程材料課程實驗教學(xué)以演示性、驗證性實驗為主，實驗枯燥乏味，學(xué)生積極性差。通過課程改革研究，嘗試將開放性實驗理論應(yīng)用于土木工程實驗，對實驗內(nèi)容、評價方式和開放性實驗室建設(shè)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，結(jié)果表明開放性實驗教學(xué)可以有效開發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性，拓寬知識面。

關(guān)鍵詞：土木工程材料實驗；開放性實驗；實驗教學(xué)方法

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）33-0105-03

《土木工程材料》作為土木工程專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，在各院校的土木工程、建筑學(xué)、建筑設(shè)計、交通工程、工程管理等土木與建筑類專業(yè)中均有開設(shè)?！锻聊竟こ滩牧稀氛n程主要介紹土木工程中常用的土木工程材料的基本組成、材料性能、質(zhì)量要求、檢測方法，內(nèi)容包括無機(jī)氣硬性膠凝材料、水泥、砂漿、混凝土、砌筑材料和屋面材料、鋼材、合成高分子材料、瀝青材料、木材、絕熱材料、吸聲材料與隔聲材料、裝飾材料、新型防水材料、防火材料等。土木工程材料在土木工程建設(shè)中的地位突出，是目前建筑領(lǐng)域的研究熱點。并且《土木工程材料》課程是土木類專業(yè)學(xué)生本科階段所能接觸到的唯一一門針對工程材料的課程。學(xué)生通過學(xué)習(xí)《土木工程課程》課程，一方面可以學(xué)習(xí)和了解土木工程建設(shè)領(lǐng)域涉及的工程材料基本性能、檢測指標(biāo)及測試方法，為學(xué)生以后的工作奠定學(xué)科基礎(chǔ)；另一方面通過對工程新型材料的學(xué)習(xí)，可奠定從事建筑材料相關(guān)科學(xué)研究的基礎(chǔ)，有利于學(xué)生創(chuàng)新能力的訓(xùn)練。

土木工程材料課程實驗在《土木工程材料》課程中占用課時較多，是課程學(xué)習(xí)的重要輔助手段。其實驗教學(xué)目的主要是使學(xué)生熟悉土木工程材料性能測試的基本方法和相關(guān)的測試設(shè)備，提升學(xué)生實踐實訓(xùn)能力；針對具體材料能夠按照相關(guān)的國家、行業(yè)、地方標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)程進(jìn)行材料質(zhì)量檢測；培養(yǎng)學(xué)生進(jìn)行綜合性、設(shè)計性實驗?zāi)芰退剑岣邔W(xué)生獨立分析和解決問題的能力[1]。由于課程學(xué)時等因素的限制，目前“土木工程材料”實驗教學(xué)大多還是僅針對基本測試儀器的使用方法，學(xué)生單個基本實驗技能訓(xùn)練[2]。一些先進(jìn)材料相關(guān)的實驗內(nèi)容都無法在正常課時內(nèi)安排?；谶@一現(xiàn)狀，筆者申報了北方民族大學(xué)教學(xué)改革研究項目“土木工程材料課程創(chuàng)新性改革與實踐研究”并獲立項支持。項目嘗試開展土木工程材料開放性實驗教學(xué)。引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)課堂所學(xué)結(jié)合個人興趣自擬題目，編寫實驗計劃書，并在老師的指導(dǎo)下利用業(yè)余時間進(jìn)行實驗。這樣既滿足了土木專業(yè)課程教學(xué)的基本需求，又充分利用現(xiàn)有實驗手段和實驗技術(shù)，強(qiáng)化了對新型材料及重要材料的測試技術(shù)的學(xué)習(xí)，豐富了材料實驗教學(xué)體系及內(nèi)容[3]。側(cè)重學(xué)生獨立實踐能力、提出問題并分析解決問題能力的培養(yǎng)，體現(xiàn)了我國高等教學(xué)改革的目標(biāo)要求。

一、傳統(tǒng)土木工程材料課程實驗組成

各高?！锻聊竟こ滩牧稀氛n程實驗占用學(xué)時基本在16學(xué)時左右。主要由8個實驗項目組成，分別是：密度實驗（真實密度、表觀密度、堆積密度）；水泥性能實驗（水泥細(xì)度、水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、初、終凝結(jié)時間、安定性、膠砂強(qiáng)度實驗）；混凝土用砂石實驗（密度、針片狀含量、壓碎指標(biāo)、篩分析實驗）；混凝土和易性及強(qiáng)度實驗；建筑砂漿實驗（砂漿沉入度、分層度、強(qiáng)度實驗）；普通燒結(jié)多孔磚實驗（標(biāo)準(zhǔn)尺寸、強(qiáng)度實驗）；瀝青實驗（針入度、延度、軟化點實驗）；鋼材實驗。重點圍繞土木工程材料相關(guān)的材料性質(zhì)、制樣方法、設(shè)備使用方法和結(jié)果處理等方面的知識普及展開實驗教學(xué)。

二、課程實驗教學(xué)現(xiàn)狀及存在的問題

當(dāng)前各高校使用的《土木工程材料》教材都附錄了土木工程材料實驗或者配套編寫了《土木工程材料實驗指導(dǎo)書》。所開設(shè)的實驗依附于理論教學(xué)，教學(xué)重點圍繞在對理論知識的驗證和實驗技能的訓(xùn)練。具體現(xiàn)狀和問題集中在以下幾個方面：

1.《土木工程材料》課程以理論教學(xué)為主，實驗教學(xué)僅作為輔助手段。理論和實驗教學(xué)銜接不夠，學(xué)生對于實驗過程的理解較為抽象、片面。這樣的教學(xué)很難對學(xué)生以后的工作起到幫助。

2.由于學(xué)時及實驗設(shè)備臺套數(shù)所限，實驗教學(xué)往往都是大班或者大組進(jìn)行，無法保證讓每個學(xué)生都能親自操作設(shè)備?；蛘呤切〗M成員各司其職，每個人只負(fù)責(zé)某個環(huán)節(jié)的實驗工作，難以掌握實驗整個過程。問題更為突出的是老師通常是集中整班對實驗過程進(jìn)行講解，很多學(xué)生對實驗思想不重視，認(rèn)為設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，容易操作，根本不聽老師講解，結(jié)果最后無法正確處理細(xì)節(jié)，導(dǎo)致實驗草草收場。還有部分學(xué)生雖然認(rèn)真聽了老師講解，了解了儀器操作方法和實驗步驟，但實際上并不清楚實驗的具體目的和用途，機(jī)械地照搬實驗任務(wù)指導(dǎo)書上的實驗過程和步驟，按照流程完成既定實驗，缺乏對實驗原理和實驗過程的深入認(rèn)識和思考。

3.雖然我國《土木工程材料》課程已開設(shè)多年，教學(xué)內(nèi)容也在不斷豐富更新。但與快速發(fā)展的材料技術(shù)相比，課程的教學(xué)內(nèi)容仍顯傳統(tǒng)、老套，不符合土木工程材料行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀。例如隨著社會發(fā)展、經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展所帶來的環(huán)境負(fù)荷日益加重，人們對環(huán)境保護(hù)意識不斷加強(qiáng)，提倡綠色環(huán)保建材，類似于粘土磚一類的墻材逐漸被各種新型墻材替代，然而我們的實驗教學(xué)仍然圍繞粘土磚進(jìn)行，沒有進(jìn)行相關(guān)實驗內(nèi)容的更新。再比如隨著建筑技術(shù)的發(fā)展，對建筑質(zhì)量的要求越來越高，要求建筑材料具有良好的使用壽命，特別是建筑材料的耐久性、耐候性方面。所以，現(xiàn)代土木工程材料實驗教學(xué)除了對水泥、混凝土等材料進(jìn)行基本的工作性、強(qiáng)度進(jìn)行檢測以外，還應(yīng)額外增加一些新的實驗內(nèi)容，來適應(yīng)時代的需求和發(fā)展。

4.實驗缺乏創(chuàng)新性。傳統(tǒng)的土木工程材料實驗都是以驗證性實驗為主，按照既有實驗流程展開。缺乏對學(xué)生自主實踐能力、科研能力以及創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

三、基于開放性實驗教學(xué)的改革探索

開放性實驗教學(xué)指的是在時間、空間和教學(xué)內(nèi)容上完全對學(xué)生開放，打破傳統(tǒng)實驗教學(xué)的課堂教學(xué)時空概念，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，促進(jìn)學(xué)生掌握基本知識、基本技能。開放性實驗教學(xué)，有利于培養(yǎng)學(xué)生的良好思維和創(chuàng)新能力。實驗中，學(xué)生不斷創(chuàng)設(shè)新的問題情境，從問題的提出到尋求解決的思路、方法和設(shè)想，都是獨立完成，在設(shè)計實驗的探索中發(fā)現(xiàn)新事物、追求新知識，發(fā)展演繹能力和分析想象能力，由此提高概括能力和歸納推理能力，在實踐中應(yīng)用已學(xué)過的內(nèi)容，有利于夯實基本技能，深化對知識的理解[4]。課題所進(jìn)行土木工程材料開放性實驗教學(xué)探索主要圍繞開放性實驗內(nèi)容、開放性實驗室建設(shè)、課程評價方式三個方面展開。

（一）結(jié)合科研、工程實踐以及學(xué)科競賽的多元化實驗教學(xué)內(nèi)容改革

學(xué)生在完成《土木工程材料》相應(yīng)章節(jié)的理論學(xué)習(xí)并完成原有課程實驗的基礎(chǔ)上，要求并鼓勵學(xué)生參與開放性實驗?？蒲小⒐こ虒嵺`類開放性實驗內(nèi)容是老師根據(jù)工程實際問題及相關(guān)內(nèi)容的科研前沿問題提出實驗題目，假設(shè)情景并提出需要解決的問題?；蛘呤菍W(xué)生根據(jù)自己的個人興趣結(jié)合參與教師的科研項目，自主提出的實驗題目。在老師的指導(dǎo)下完成并細(xì)化實驗方案，按照既定的實驗方案開展實驗。實驗內(nèi)容包括：選擇實驗原材料、確定實驗方法，進(jìn)行實驗，分析實驗數(shù)據(jù)，撰寫實驗報告。這種形式的實驗教學(xué)能夠幫助學(xué)生發(fā)揮主觀能動性，鍛煉學(xué)生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新思維，強(qiáng)化學(xué)生的綜合素養(yǎng)。以參加學(xué)科競賽為目的的開放性實驗主要包括綜合性、設(shè)計性實驗。目前，全國性的土木工程材料類學(xué)科競賽主要有兩個，一是“全國大學(xué)生混凝土材料設(shè)計大賽”，大賽從2010年開始舉辦，每兩年舉辦一次，面向全國各高校大學(xué)生，由教育部無機(jī)非金屬材料專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會、中國混凝土與水泥制品協(xié)會教育與人力資源委員會、全國高等學(xué)校建筑材料學(xué)科研究會共同主辦。大賽期間，大賽通過理論作業(yè)和實踐操作的方式，從混凝土原材料、配合比設(shè)計、混凝土測試方法以及對特殊混凝土特點和配置技術(shù)方面設(shè)置賽題。二是全國混凝土設(shè)計大賽，大賽從2010年開始舉辦，每年舉辦一次，由中國混凝土與水泥制品協(xié)會主辦，邀請各地混凝土生產(chǎn)龍頭企業(yè)、高等院校參加。相關(guān)學(xué)科競賽的舉辦有利于培養(yǎng)學(xué)生對所學(xué)知識的綜合運用能力，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，提高了學(xué)習(xí)興趣，有利于混凝土行業(yè)創(chuàng)新性人才的培養(yǎng)。

（二）開放性實驗考評方式探索

要保證開放性實驗作用效果，單靠學(xué)生個人興趣還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。建立建全科學(xué)合理可操作的配套考評方式，很大程度上能夠有效提升開放性實驗作用。建全考評方式就是要將傳統(tǒng)的終結(jié)性評價改為過程性評價與終結(jié)性評價相結(jié)合?？荚u內(nèi)容涵蓋開放性實驗選題、制定實驗方案、實驗過程實施、實驗結(jié)果分析及實驗報告的撰寫等各環(huán)節(jié)。課題通過系統(tǒng)研究及兩輪開放性實驗教學(xué)探索，逐漸完善和豐富開放性實驗的考評辦法，并制定了如表1所示的北方民族大學(xué)土木工程材料課程開放性實驗評分標(biāo)準(zhǔn)。實踐結(jié)果表明，相應(yīng)評價方式較能全面地考察學(xué)生開放性實驗的綜合能力和水平，并能顯著提高學(xué)生參與開放性實驗的積極性。

（三）開放性實驗室的建設(shè)

為確保開放性實驗及考評的順利開展，課題在實驗室建設(shè)方面也進(jìn)行了初步的探索。內(nèi)容包括實驗室資源的配置、實驗師資隊伍建設(shè)和科學(xué)規(guī)范的管理制度建設(shè)。主要考慮并解決了以下幾個問題。

1.建立開放性實驗室規(guī)章制度。開放性實驗室使用頻率高，使用設(shè)備多，為保證開放性實驗室正常運行，提高安全系數(shù)，制度建設(shè)就顯得非常重要。目前，我校土木工程材料開放性實驗室已制定的規(guī)章制度包括：《開放性實驗室預(yù)約制度》、《開放性實驗室管理辦法》、《開放性實驗室使用登記表》、《開放性實驗室設(shè)備借用辦法》、《開放性實驗室安全管理制度》，同時在學(xué)生參加開放性實驗前組織對相關(guān)的規(guī)章制度進(jìn)行學(xué)習(xí)。這些管理辦法的制定和實施為開放性實驗室的運行奠定了良好的基礎(chǔ)。通過對所建立制度的推廣試用，隨時進(jìn)行修改，在整個實驗體系范圍內(nèi)逐步形成制度化、常規(guī)化的開放性實驗工作模式。

2.靈活調(diào)整開放性實驗室開放時間。鑒于實驗中心實驗教師人員較少的現(xiàn)狀，招聘在讀的碩士研究生進(jìn)行專項培訓(xùn)，讓這些研究生作為助管參與到開放性實驗室的管理和實驗指導(dǎo)工作中，確保開放性實驗室的開放時間，隨時解答學(xué)生疑問，幫助學(xué)生克服實驗過程中遇到的困難，并隨時處理實驗室可能出現(xiàn)的突發(fā)狀況。同時，為保證實驗室有序運行，嚴(yán)格按照《開放性實驗室預(yù)約制度》要求學(xué)生根據(jù)實驗計劃提前預(yù)約，預(yù)約成功后方可按照預(yù)約時間進(jìn)行實驗。

四、開放性實驗教學(xué)改革效果與總結(jié)

《土木工程材料》課程內(nèi)容繁雜，各章節(jié)主要針對不同材料的介紹，學(xué)生學(xué)習(xí)主要了解掌握不同材料的組成及性能參數(shù)，思考、計算的內(nèi)容較少，內(nèi)容相對枯燥，導(dǎo)致以往學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性不高，教學(xué)效果不理想。增設(shè)開放性實驗教學(xué)環(huán)節(jié)，將實驗教學(xué)與科研及工程實際相結(jié)合，經(jīng)過兩輪的教學(xué)實踐，結(jié)果表明開放性實驗對提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、發(fā)揮主觀能動性，具明顯的改善效果。但同時，項目實施過程中也發(fā)現(xiàn)，要保證開放性教學(xué)的順利實施，需要相關(guān)單位在實驗室場地建設(shè)、實驗經(jīng)費方面積極跟進(jìn)。同時，開放性實驗雖然是以學(xué)生為主體，但教師以及實驗室工作人員的工作量仍然很重，如果能將這部分工作量進(jìn)行認(rèn)定，對于提高老師積極性將會起到極大的促進(jìn)作用。

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Experimental Teaching Reform of "Civil Engineering Materials" Course Based on Open Experiment

FU Bo，CHENG Zhen-yun

（School of Civil Engineering，Beifang Univesity of Nationality，Yinchuan，Ningxia 750021，China）

Abstract：The traditional experiment teaching of civil engineering materials is based on demonstration and verification experiment，the experiment is boring and the students' enthusiasm is poor. Through the study of curriculum reform，and try to open application test theory in civil engineering experiment，to adjust and optimize the way and construction of open laboratory experiment contents，evaluation results show that the effective development of students' learning initiative open experimental teaching，broaden their knowledge.

Key words：civil engineering materials experiment；open experiment；experiment teaching method