材料研究生通識實踐課程實驗教學設計

朱洪波

摘? 要：采用石膏材料，在通識、完整、緊湊、經濟、便利、趣味以及便于拓展知識等原則基礎上，設計了適應于不同專業材料研究生的通識實驗課程，在3個課時內完成標準稠度用水量、凝結時間、強度試樣成型及力學性能測試和制作石膏藝術品等多個實驗項目，介紹了設置該實踐課程所需的原材料、實驗儀器、裝置和器具以及各實驗項目的內容和實施安排，并重點介紹了課堂分析與討論內容。該實踐課程經過多年建設，內容不斷得到完善，教學效果獲得師生認可，主要內容被借鑒到其他的實踐課程建設中，顯示出較強的普適性。

關鍵詞：材料;研究生;實踐課程;實驗教學

中圖分類號：G642? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2096-000X（2020）10-0088-04

Abstract： Based on the principles of general knowledge， integrity， compactness， economy， convenience， taste， and ease of knowledge development， a general practice curriculum was designed for different materials the graduate student's， using gypsum materials. In this curriculum， water consumption standard consistency， setting time， strength specimen shape and mechanical property test and production of plaster art experiment project can be finished within 3 hours. The raw materials for the practical courses， experimental apparatus， equipment and instruments， and the experiment content and implementation arrangements， especially the content of analysis and discussion， were introduced in this paper. Through years of construction， the content of the practical course has been constantly improved， and the teaching effect has been recognized by teachers and students. The main content has been transplanted and borrowed from other practical course construction， thus showing a strong universality.

Keywords： materials; graduate student; practical course; experiment teaching

引言

材料科學與工程專業分類較細，而不同專業方向的研究方法和技術思路可以相互借鑒和啟發，在當前重視學科交叉的背景下，很多高校為材料研究生開設了通識課程。其中，實踐課程是近年來教改討論中最熱烈的部分，除了對專業課程的各種改革建議[1-6]外，還包括開設“英語寫作”和“實驗測試技術與安全”課程[7]，建立高校+企業的“雙導師制”、建立公共實驗室和校企聯合實踐基地[8-10]、重視兼具有教師和職業資格的“雙師型”師資隊伍建設[11]或完善“雙導師”制[12]、項目式實踐課程[13]和校外實踐課程[14]設計，等等。同濟大學材料科學與工程學院從2010年起對所有專業研究生開設《材料制備與實踐》必修通識課程，主要通過多種專業的材料實驗及其共性實踐知識學習，顯著拓展了學生的視野。本文總結了采用石膏材料進行建材方向實踐教學的方法和心得體會。

一、實踐課程設計

（一）設計原則

研究生通識實踐課程應在有限的課時內涵蓋盡可能多的知識點，并兼顧其系統性、完整性和趣味性，以便其內容能夠讓不同專業方向的研究生留下深刻印象。之所以選擇石膏材料，是考慮了以下幾方面因素：

1. 材料本身具有“通識性”。不同方向的學生對石膏材料都不會陌生，但對其具體技術指標和細節又不甚了解，即便對建材專業的研究生，其在本科階段一般只做與水泥相關的實驗，多數并未涉及石膏材料的實驗操作，所以也不會因“做過”而對其失去興趣。

2. 實踐周期適當且內容豐富。全部實驗內容剛好可以在連續3個課時內完成，具體內容包括了石膏的標準稠度用水量、凝結時間、力學試樣成型及測試等基本性能試驗，同時還包括采用石膏制作裝飾材料的內容，實驗工作量飽滿。

3. 實驗設置便利、經濟。首先，其原材料易得，方便在建材市場采購，一般為便于儲運的10-15kg小包裝，并且價廉;其次，所需實驗裝備簡單，操作安全，除了力學測試需要壓力機外不用其他帶電儀器，只需相應的小型工具和器具;同時，實驗對其他硬件的要求不高，即便在非建材專業實驗室（如普通教室）中也能進行，只要有自來水即可，甚至在沒有專門的水泥抗壓-抗折試驗機情況下，還可以利用壓力傳感器或拉力計來制作力學測試裝置。

4. 擴展空間大，便于授課教師傳遞不同的科學或技術理念。

（二）課程內容

1. 實驗材料

建筑石膏，市售，并不要求其為滿足標準的等級品，可以通過實驗判斷其產品等級，在稍大型的建材市場上通常還能另外購置到高強石膏（石膏裝飾線條用其粘縫），前者用于基本性能測試實驗，后者用于制作石膏擺件。如無高強石膏，也可用建筑石膏做擺件。

按照一般材料專業實驗課程的規律，教師在購得原材料后應預先通過實驗了解其與課程項目相關的基本性能，如標準稠度用水量、凝結時間、強度等，每次購置的石膏性能差異可能較大。

2. 儀器、器具

實驗儀器包括：凝結時間測試儀和抗壓、抗折試驗機。實驗器具包括：電子秤，40×40×160mm三聯成型模具，攪拌器（即打蛋器），稱量容器，攪拌容器，400×400mm的方形玻璃板，內徑50mm×高度100mm的圓柱筒（可用Φ50mm的PVC管截取得到，其內徑略小于50mm，可略增加高度以達到與標準圓柱筒相同的體積，不影響測試結果），300mm長直尺，水杯（一次性塑料杯），滴管，料勺，刮刀等。其中，三聯成型與擺件成型模具以及各種器具如圖1。澆注石膏擺件的橡膠模具，可從網上購得，其形態豐富。

以上均為建材實驗室的常規裝備，即便原來沒有而重新采購其成本也不高，其中最大型的抗壓、抗折試驗機也可用其他壓力機、萬能試驗機等來代替，只需配備相應的抗壓、抗折夾具（網絡有售）即可。

3. 實驗項目與方法

（1）標準稠度用水量及凝結時間，參照《GBT17669.4

-1999建筑石膏凈漿物理性能的測定》進行。其中的流動度測試器具及操作過程如圖2。

（2）力學性能，參照《GBT17669.3-1999建筑石膏力學性能的測定》進行。

（3）制作石膏擺件，根據前述試驗對石膏材料的認識，采用橡膠模具成型。

（4）理論知識，利用各試驗項目之間的間隙，介紹石膏的相關知識。

（5）課時安排，按照連續3課時3×45min+課間休息20min計，總時長155min，按照時間順序分為8段，具體安排如表1。

課前在黑板上畫出實驗數據表格以便各小組當場展示結果和開展相應的討論。

4. 課堂分析與討論內容

一般地，討論分析內容可首先圍繞實驗條件（溫濕度）、操作過程、原材料品質以及儀器測量誤差等對結果的影響程度和規律來展開，實驗結果的波動可從各組展示出來的測試數據直觀地看出。更深入的討論內容還可以包括以下幾個方面：

（1）石膏材料的可再循環利用原理。建筑石膏均為β型半水石膏，其硬化的原理是與水反應并水化生成二水石膏，而建筑石膏的生產原料也是二水石膏，從其生命周期看是一種循環過程，并且由于石膏產品中除了紙面石膏板、加筋石膏板外一般不摻加其他材料，即石膏制品的組成比較單純，便于回收利用（紙、筋板中的紙或筋會在回收加工的煅燒、炒制過程中揮發掉）。所以，石膏是典型的可再生資源。除了天然原料外，目前大量采用脫硫石膏、磷石膏、氟石膏等化學石膏（工業廢石膏）作為建筑石膏的生產原料，最能體現“循環經濟、可持續發展”的材料特征。同時，其生產、煅燒溫度只有120℃左右（其生產工藝稱為“炒制”），相對于另外兩種常用膠凝材料水泥（1450℃）和石灰（1000℃）來說，其生產能耗大幅度降低，相應地對生產設備的耐火、耐熱等要求降低，進而使生產設備的投入也大幅度降低。

（2）石膏的水化、硬化原理。半水石膏與水反應生成二水石膏，結果形成網絡晶體結構并產生強度。

（3）測試標準稠度用水量的意義及多孔結構的形成原理。根據石膏的水化原理，讓學生利用基礎化學知識，通過化學反應式（4CaSO4·1/2H2O+6H2O→4CaSO4·2H2O）計算石膏完全水化所需的理論用水量（約18.62%），再結合前述成型時所用的較大用水量（50%），說明石膏材料必須使用超量的水才能滿足拌合與澆筑密實要求，即滿足工作性，而多余的水分到后期蒸發，在硬化體內部形成致密的微孔，即多孔結構。

（4）石膏制品的調濕“呼吸”原理。石膏制品的多孔結構及其孔特征賦予其“輕質、保溫和可呼吸”等優良特性，以其生產的板材裝飾室內，可調節室內濕度，是“智能型+環境友好型”建材產品。

（5）強度影響因素。材料強度滿足“質量定律”，即同類材料的密實度越高，則強度越高。如果石膏的需水量（標準稠度用水量）較高，則其孔隙率就大，強度相應較低。當然，原料質量也是關鍵因素，雜質較多、或在生產中存在“欠燒（溫度低或煅燒時間太短）”、“過燒（溫度過高或煅燒時間太長）”等都會降低石膏強度。特別地，作為高強石膏的α型半水石膏，其強度之所以較高的主要原因就是其需水量較低，并由此使得水化產物二水石膏顆粒的微觀空間距離更近，所形成的晶體結構更加堅固。

這些討論話題的相關知識與技術對各種材料專業研究生來說都能夠理解，教師可根據學生的學識水平、興趣等從中挑選出若干基本知識點，通過提問來與學生互動，活躍討論氣氛并引導學生集中注意力。

5. 課程總結與考核

一般對實驗課程的總結與考核會通過《實驗報告》來完成，也有研究者創立出新型方法，例如讓學生通過PPT匯報實驗過程、數據處理和收獲，并由學生相互打分[15]，其優點顯而易見，不過只適應于實驗課時較充裕的情況，多數學校還是主要采用《實驗報告》并將其作為留檔和考核的憑據。

二、課程建設體會

經過多年摸索、不斷完善和調整，該實踐課程的實驗內容從早期的單純成型和力學測試逐漸增加了標準稠度用水量、凝結時間以及藝術擺件制備等測試項目，在實驗工作量不斷充實的同時增加了趣味性和探索性;實驗過程則從最初的一次性理論講解后完成全部實驗轉變為分項目進行并逐項講解實驗步驟、方法和討論相關問題，使得整個實驗過程張弛有度，節奏有序，學生的每項實驗操作更加精準;討論內容也從具體操作方法等最直接和現實的表象問題延伸到石膏的低能耗原料生產與制備、水化硬化及多孔結構的形成機理、石膏制品的調濕“呼吸”功能、保溫吸聲功能、可再循環利用的全壽命周期軌跡等許多深層次的材料學基本原理，顯著提升了該實驗課程的科學性和知識傳播范圍。考核方式也從簡單依據《實驗報告》演變為結合學生參與討論和實驗關注度的綜合評價模式，并將原來的普通《實驗報告》模板改進為專門針對本實驗的專業模板。總之，通過不斷改進、完善和優化，最終將其打造成為上海市級精品實驗課程。

經歷多屆研究生的實踐，普遍反映對該課程留下深刻印象。雖然只是一次實驗課，但因其形式新穎、內容豐富、趣味性和知識性齊備，因此，學生投入實驗的積極性高、精力集中，收獲頗豐。所制作的石膏擺件被很多學生放在床頭、書架上直到畢業，于是經常聯想起該課程內容，延長了實驗對學生的影響周期。

除此之外，該課程在多次學院組織的對比聽課（不同材料專業實驗課）活動中獲得好評，其主要內容和方法被包括其他材料專業在內的多位教師引入其開設的其他通識課程，不僅面向本科生、研究生，而且還作為中小學生普及材料科學知識的實驗操作或演示內容，顯示出較強的普適性。

三、結束語

1. 采用建筑石膏材料，在通識性、內容完整豐富、時間緊湊、經濟便利以及便于拓展知識等原則基礎上，設計了適應于不同專業材料研究生的通識實踐課程，可在3個課時內完成標準稠度用水量、凝結時間、強度試樣成型及力學性能測試和制作石膏藝術品等多個實驗項目。

2. 介紹了設置該實踐課程所需的原材料、實驗儀器、裝置和器具以及各實驗項目的內容和實施安排，重點介紹了課堂分析與討論內容，設計了課程總結與考核方法。

3. 通過多年建設，該實踐課程的內容不斷完善，課程效果得到師生認可，主要內容被移植和借鑒到其他的實踐課程建設中，顯示出較強的普適性。

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