基于開放性實驗的《土木工程材料》課程實驗教學改革實踐

傅博+程臻赟

摘要：傳統土木工程材料課程實驗教學以演示性、驗證性實驗為主，實驗枯燥乏味，學生積極性差。通過課程改革研究，嘗試將開放性實驗理論應用于土木工程實驗，對實驗內容、評價方式和開放性實驗室建設進行優化調整，結果表明開放性實驗教學可以有效開發學生學習的主動性，拓寬知識面。

關鍵詞：土木工程材料實驗；開放性實驗；實驗教學方法

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

《土木工程材料》作為土木工程專業的專業基礎課，在各院校的土木工程、建筑學、建筑設計、交通工程、工程管理等土木與建筑類專業中均有開設。《土木工程材料》課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、質量要求、檢測方法，內容包括無機氣硬性膠凝材料、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中的地位突出，是目前建筑領域的研究熱點。并且《土木工程材料》課程是土木類專業學生本科階段所能接觸到的唯一一門針對工程材料的課程。學生通過學習《土木工程課程》課程，一方面可以學習和了解土木工程建設領域涉及的工程材料基本性能、檢測指標及測試方法，為學生以后的工作奠定學科基礎；另一方面通過對工程新型材料的學習，可奠定從事建筑材料相關科學研究的基礎，有利于學生創新能力的訓練。

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，是課程學習的重要輔助手段。其實驗教學目的主要是使學生熟悉土木工程材料性能測試的基本方法和相關的測試設備，提升學生實踐實訓能力；針對具體材料能夠按照相關的國家、行業、地方標準和規程進行材料質量檢測；培養學生進行綜合性、設計性實驗能力和水平，提高學生獨立分析和解決問題的能力[1]。由于課程學時等因素的限制，目前“土木工程材料”實驗教學大多還是僅針對基本測試儀器的使用方法，學生單個基本實驗技能訓練[2]。一些先進材料相關的實驗內容都無法在正常課時內安排。基于這一現狀，筆者申報了北方民族大學教學改革研究項目“土木工程材料課程創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。引導學生根據課堂所學結合個人興趣自擬題目，編寫實驗計劃書，并在老師的指導下利用業余時間進行實驗。這樣既滿足了土木專業課程教學的基本需求，又充分利用現有實驗手段和實驗技術，強化了對新型材料及重要材料的測試技術的學習，豐富了材料實驗教學體系及內容[3]。側重學生獨立實踐能力、提出問題并分析解決問題能力的培養，體現了我國高等教學改革的目標要求。

一、傳統土木工程材料課程實驗組成

各高校《土木工程材料》課程實驗占用學時基本在16學時左右。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（水泥細度、水泥標準稠度用水量、初、終凝結時間、安定性、膠砂強度實驗）；混凝土用砂石實驗（密度、針片狀含量、壓碎指標、篩分析實驗）；混凝土和易性及強度實驗；建筑砂漿實驗（砂漿沉入度、分層度、強度實驗）；普通燒結多孔磚實驗（標準尺寸、強度實驗）；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的材料性質、制樣方法、設備使用方法和結果處理等方面的知識普及展開實驗教學。

二、課程實驗教學現狀及存在的問題

當前各高校使用的《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書》。所開設的實驗依附于理論教學，教學重點圍繞在對理論知識的驗證和實驗技能的訓練。具體現狀和問題集中在以下幾個方面：

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

2.由于學時及實驗設備臺套數所限，實驗教學往往都是大班或者大組進行，無法保證讓每個學生都能親自操作設備。或者是小組成員各司其職，每個人只負責某個環節的實驗工作，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行講解，很多學生對實驗思想不重視，認為設備結構簡單，容易操作，根本不聽老師講解，結果最后無法正確處理細節，導致實驗草草收場。還有部分學生雖然認真聽了老師講解，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，機械地照搬實驗任務指導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識和思考。

3.雖然我國《土木工程材料》課程已開設多年，教學內容也在不斷豐富更新。但與快速發展的材料技術相比，課程的教學內容仍顯傳統、老套，不符合土木工程材料行業發展現狀。例如隨著社會發展、經濟快速發展所帶來的環境負荷日益加重，人們對環境保護意識不斷加強，提倡綠色環保建材，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仍然圍繞粘土磚進行，沒有進行相關實驗內容的更新。再比如隨著建筑技術的發展，對建筑質量的要求越來越高，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，現代土木工程材料實驗教學除了對水泥、混凝土等材料進行基本的工作性、強度進行檢測以外，還應額外增加一些新的實驗內容，來適應時代的需求和發展。

4.實驗缺乏創新性。傳統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。缺乏對學生自主實踐能力、科研能力以及創新能力的培養。

三、基于開放性實驗教學的改革探索

開放性實驗教學指的是在時間、空間和教學內容上完全對學生開放，打破傳統實驗教學的課堂教學時空概念，激發學生的學習興趣，促進學生掌握基本知識、基本技能。開放性實驗教學，有利于培養學生的良好思維和創新能力。實驗中，學生不斷創設新的問題情境，從問題的提出到尋求解決的思路、方法和設想，都是獨立完成，在設計實驗的探索中發現新事物、追求新知識，發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，在實踐中應用已學過的內容，有利于夯實基本技能，深化對知識的理解[4]。課題所進行土木工程材料開放性實驗教學探索主要圍繞開放性實驗內容、開放性實驗室建設、課程評價方式三個方面展開。

（一）結合科研、工程實踐以及學科競賽的多元化實驗教學內容改革

學生在完成《土木工程材料》相應章節的理論學習并完成原有課程實驗的基礎上，要求并鼓勵學生參與開放性實驗。科研、工程實踐類開放性實驗內容是老師根據工程實際問題及相關內容的科研前沿問題提出實驗題目，假設情景并提出需要解決的問題。或者是學生根據自己的個人興趣結合參與教師的科研項目，自主提出的實驗題目。在老師的指導下完成并細化實驗方案，按照既定的實驗方案開展實驗。實驗內容包括：選擇實驗原材料、確定實驗方法，進行實驗，分析實驗數據，撰寫實驗報告。這種形式的實驗教學能夠幫助學生發揮主觀能動性，鍛煉學生的創新意識和創新思維，強化學生的綜合素養。以參加學科競賽為目的的開放性實驗主要包括綜合性、設計性實驗。目前，全國性的土木工程材料類學科競賽主要有兩個，一是“全國大學生混凝土材料設計大賽”，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生，由教育部無機非金屬材料專業教學指導委員會、中國混凝土與水泥制品協會教育與人力資源委員會、全國高等學校建筑材料學科研究會共同主辦。大賽期間，大賽通過理論作業和實踐操作的方式，從混凝土原材料、配合比設計、混凝土測試方法以及對特殊混凝土特點和配置技術方面設置賽題。二是全國混凝土設計大賽，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會主辦，邀請各地混凝土生產龍頭企業、高等院校參加。相關學科競賽的舉辦有利于培養學生對所學知識的綜合運用能力，激發了學生學習的積極性，提高了學習興趣，有利于混凝土行業創新性人才的培養。

（二）開放性實驗考評方式探索

要保證開放性實驗作用效果，單靠學生個人興趣還遠遠不夠。建立建全科學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的終結性評價改為過程性評價與終結性評價相結合。考評內容涵蓋開放性實驗選題、制定實驗方案、實驗過程實施、實驗結果分析及實驗報告的撰寫等各環節。課題通過系統研究及兩輪開放性實驗教學探索，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土木工程材料課程開放性實驗評分標準。實踐結果表明，相應評價方式較能全面地考察學生開放性實驗的綜合能力和水平，并能顯著提高學生參與開放性實驗的積極性。

（三）開放性實驗室的建設

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

1.建立開放性實驗室規章制度。開放性實驗室使用頻率高，使用設備多，為保證開放性實驗室正常運行，提高安全系數，制度建設就顯得非常重要。目前，我校土木工程材料開放性實驗室已制定的規章制度包括：《開放性實驗室預約制度》、《開放性實驗室管理辦法》、《開放性實驗室使用登記表》、《開放性實驗室設備借用辦法》、《開放性實驗室安全管理制度》，同時在學生參加開放性實驗前組織對相關的規章制度進行學習。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。通過對所建立制度的推廣試用，隨時進行修改，在整個實驗體系范圍內逐步形成制度化、常規化的開放性實驗工作模式。

2.靈活調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狀，招聘在讀的碩士研究生進行專項培訓，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工作中，確保開放性實驗室的開放時間，隨時解答學生疑問，幫助學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的突發狀況。同時，為保證實驗室有序運行，嚴格按照《開放性實驗室預約制度》要求學生根據實驗計劃提前預約，預約成功后方可按照預約時間進行實驗。

四、開放性實驗教學改革效果與總結

《土木工程材料》課程內容繁雜，各章節主要針對不同材料的介紹，學生學習主要了解掌握不同材料的組成及性能參數，思考、計算的內容較少，內容相對枯燥，導致以往學生的學習積極性不高，教學效果不理想。增設開放性實驗教學環節，將實驗教學與科研及工程實際相結合，經過兩輪的教學實踐，結果表明開放性實驗對提高學生學習興趣、發揮主觀能動性，具明顯的改善效果。但同時，項目實施過程中也發現，要保證開放性教學的順利實施，需要相關單位在實驗室場地建設、實驗經費方面積極跟進。同時，開放性實驗雖然是以學生為主體，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行認定，對于提高老師積極性將會起到極大的促進作用。

參考文獻：

[1]屠萍官，張榮慶，王喜忠.研究型大學實踐教學體系的改革與創新[J].實驗技術與管理，2005，22（1）：1-4.

[2]鄭曉紅，等.基礎化學實驗教學改革與效果分析[J].實驗室研究與探索，2000，（4）：17-24.

[3]劉淑梅，呂平.土木工程材料實驗教學改革與效果分析[J].青島建筑工程學院院報，2002，（1）：16-18.

[4]馮寧.工科院校經濟管理類專業開放性試驗教學探索[J].教育與職業，2011，（18）：151-153.

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