土木工程材料研究性實驗教學的探索與實踐

段海娟， 陳 兵

（上海交通大學土木工程系，上海200240）

0 引 言

土木工程材料是土木工程類各專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎課，該課程在土木工程類各專業(yè)的教學體系中起著承上啟下的作用，是學生由基礎課向?qū)I(yè)課過渡的橋梁［1］。通過學習這門課使學生了解土木工程材料的基本性質(zhì)與應用，掌握其基本的檢測手段和方法。實驗教學與理論教學相輔相成，是理工類專業(yè)培養(yǎng)人才的重要組成部分。學生在理論教學上學到的基本概念、基本理論和基本技能要通過實驗去體驗和驗證［2］。隨著“雙一流”建設的發(fā)展，實驗教學面臨著更高的要求和挑戰(zhàn)。實驗教學是培養(yǎng)學生動手能力、解決問題能力、激發(fā)學生創(chuàng)新意識、培養(yǎng)學生嚴謹?shù)目茖W態(tài)度、提高學術(shù)綜合素質(zhì)的重要途徑，這個是理論教學不可替代的［3］。通過實驗教學，在理解、深化、拓展理論知識、提高動手能力的同時，訓練學生敏銳的觀察力、豐富的想象力，形成創(chuàng)新思維，逐步培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力［4］。

隨著科技的發(fā)展，新型土木工程材料的種類越來越多，應用日益廣泛。新材料的標準不斷頒布。與土木工程材料生產(chǎn)應用日新月異相比較，現(xiàn)行土木工程材料實驗教學的內(nèi)容和方法相對落后。因此為了創(chuàng)新實驗教學模式，優(yōu)化實驗教學內(nèi)容設計，提升實驗教學效果，創(chuàng)建“雙一流”土木工程學科，提出了引入研究性實驗的土木工程材料實驗教學模式。

1 土木工程材料實驗教學的現(xiàn)狀

1.1 教學內(nèi)容陳舊且不系統(tǒng)

目前土木工程材料的教學實驗內(nèi)容主要包括土木工程材料的基本物理性質(zhì)、水泥、普通混凝土、砌體材料和瀝青材料等實驗。其中水泥實驗包含水泥細度、凝結(jié)時間、安定性、強度實驗。普通混凝土實驗包含混凝土用骨料、配合比、稠度、強度實驗。實驗內(nèi)容多且繁瑣，但實驗課時卻很少。以我校土木工程專業(yè)的土木工程材料實驗課程為例，該課程的實驗課只有8學時，導致一些實驗只能做演示實驗。另外，現(xiàn)有的實驗內(nèi)容局限于砂石、水泥等傳統(tǒng)的建筑材料。工程實踐中應用的新材料很少出現(xiàn)在現(xiàn)有的教學實驗中，一些材料在工程中可能已經(jīng)淘汰，但在教學中還在使用。一些材料新規(guī)范、新標準在實驗教材中也沒有體現(xiàn)［5-6］。這些教學內(nèi)容很難引起學生的興趣，學生積極性減弱，結(jié)果造成了學生實驗目的不夠明確，只是為了完成任務而做實驗，對于學生能力的培養(yǎng)作用不大。

1.2 教學方法和過程缺乏新意

目前很多院校的教學實驗設備臺套和實驗教師不足，實驗中5或6人1組，無法實現(xiàn)單獨實驗或人數(shù)較少的小組實驗，甚至某些實驗由于設備有限，無法向?qū)W生開展而僅做演示。教學內(nèi)容以常規(guī)性、驗證性實驗為主。

教學過程一般首先是實驗教師介紹實驗目的、實驗內(nèi)容、儀器設備、實驗步驟等，然后學生按照教師或教材所述實驗步驟進行操作，獲得實驗數(shù)據(jù)、得到實驗結(jié)果、完成實驗報告。這種傳統(tǒng)的實驗教學，是材料固定、過程規(guī)定、結(jié)果已知的驗證性實驗，只能讓學生初步了解土木工程材料實驗的過程。在整個過程中學生缺乏主動性，學生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題、獨立思考、創(chuàng)新探索的能力不能得到充分鍛煉［7-8］。

1.3 考核方式單一

課程任課教師在課程的最終成績評定時，實驗部分占總成績的比例很低，一般10%左右。并沒有體現(xiàn)出實驗的重要性，因此學生也對實驗并不重視。另外成績評定依據(jù)是實驗報告和出勤情況，而實驗報告包括實驗儀器、實驗步驟和實驗結(jié)果等內(nèi)容。由于幾個同學一組，因此同一組同學的實驗報告幾乎一樣，成績也很難體現(xiàn)差異。

2 研究性實驗的教學實踐

現(xiàn)有土木工程材料實驗的教學內(nèi)容、方法和考核標準不能滿足當前人才培養(yǎng)的需要，為了更好地激發(fā)學生學習興趣，培養(yǎng)其主動探究、獨立思考和科研實踐的能力，有必要對現(xiàn)有實驗教學模式進行改革，以提高教學質(zhì)量［9-10］?；趯I(yè)培養(yǎng)目標和土木工程材料實驗的特點，仔細梳理了實驗教學的內(nèi)容，根據(jù)現(xiàn)有條件提出引入研究性實驗的教學模式，建立以學生為主體的教學模式，充分調(diào)動學生的主動性與積極性［11-12］。

研究性實驗是指由老師給定實驗要求和實驗條件，學生通過文獻查閱、了解相關材料的性能和作用、設計實驗方案、完成實驗操作、獲得實驗結(jié)果，以及分析實驗過程中現(xiàn)象。研究性實驗是對驗證性實驗的進一步提升，研究性實驗沒有固定的模式和實驗步驟，不能按部就班地進行實驗操作，學生必須發(fā)揮自己在實驗過程中的主動性［13-14］。

研究性實驗的內(nèi)容一般選自本專業(yè)教師的研究課題拓展的實驗課題，具有新穎、緊密聯(lián)系實際等特點。至今我校已開展的研究性實驗項目有高性能混凝土、輕質(zhì)混凝土、透水混凝土和墻體保溫材料等。下面以高性能混凝土實驗為例探討研究性實驗在土木工程材料實驗教學中的實踐。

2.1 實驗前資料檢索和實驗設計

高性能混凝土是指混凝土的所有性能都達到較高的水平，具有耐久性好、高強度指標、流動性好的重要特點。高性能混凝土以耐久性作為設計的主要指標，耐久性取決于抗?jié)B性、抗凍性、抗侵蝕性、抗碳化性、耐磨性、堿-骨料反應以及抗干燥收縮的體積穩(wěn)定性等。而這些性質(zhì)與混凝土的水灰比及某些活性礦物混合料的摻量相關。另外高性能混凝土在配置上的特點是采用低水膠比，低水膠比將導致流動性差。如何解決這些問題，必須添加摻加料（礦物細等）和高效外加劑，需要對混凝土的配方進行多次優(yōu)化與嘗試，通過調(diào)整配比或添加外加劑來滿足工作性能要求。

為有效指導研究性實驗，編制了高性能混凝土設計與制備指導書，實驗前發(fā)給學生。針對在高性能混凝土配合比設計中水泥漿與骨料比、用水量、水泥量、減水劑的種類與用量、礦物摻合料的種類與用量、粗細骨料的比例這些問題，老師對涉及的基本理論和原理進行講解，并給學生提供一些參考資料。學生在實驗前利用課余時間查閱相關文獻和標準規(guī)范，自行設計高性能混凝土的配合比。并通過教材熟悉實驗及儀器操作。在這個過程中，學生必須積極搜集資料，主動思考，努力尋找解決方案，學生由被動地接受知識轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃拥靥骄?，也為培養(yǎng)其科研能力創(chuàng)造了條件。

2.2 研究性實驗的實施與指導

實驗過程中，學生3～5人1組，自由組合，自選組長，共同完成實驗。每個小組在閱讀文獻資料后，提出實驗方法，制定具體的實驗方案，擬定實驗進展計劃，小組成員具體分工。實驗前提交給老師審核。若有不足和需要改進的地方，老師提出建議，學生再次修改方案。實驗方案獲得老師同意后，實施實驗。實驗結(jié)束后撰寫實驗報告（除了基本實驗儀器、實驗步驟和實驗結(jié)果等），包括一些思考題的回答，如養(yǎng)護條件對混凝土強度的影響、粉煤灰摻量對膠砂強度的影響等。

為便于同學之間、師生間交流，建立相應的微信群，在群里發(fā)布實驗的相關資料和信息。學生有疑問可以及時得到解答。在實驗的整個過程，包括實驗前的方案設計、實驗中的操作、結(jié)果分析，學生是主體，不再是機械地完成老師布置的實驗任務。老師的角色類似顧問，學生在實驗的設計和實驗實施過程中遇到的問題，小組成員間共同討論，及與老師交流。通過多交流、多討論，啟發(fā)和引導學生主動思考和解決問題。老師鼓勵實驗小組內(nèi)部成員之間有實際的合作，促使每一位學生真正參與實驗中。教學實踐表明，通過研究性實驗的實施，形成了良好的學習氛圍，鍛煉了學生查閱文獻、解決問題、團隊合作、撰寫小論文等多方面的能力。

2.3 研究性實驗的考核與成績評定

對研究性實驗的考核與驗收是保證特色實驗教學質(zhì)量的重要組成部分，實驗通過實驗報告和小組答辯兩方面進行考核。實驗報告包括實驗設計的思路、實施過程結(jié)果分析。在此基礎上制作成匯報的演示文稿。指導教師組織團隊成員進行答辯，評委老師由任課老師、實驗課老師、助教或邀請其他本專業(yè)的老師擔任。評委根據(jù)項目內(nèi)容完成情況、解決問題的能力、團隊合作、成員分工等給出成績。實驗的最終成績由實驗報告成績和答辯成績組成，兩者各占50%。研究性實驗實施方案如表1所示。

表1 研究性實驗實施方案

3 研究性實驗的效果評價

研究性實驗從2012年開始實施，通過幾年的教學改革實踐發(fā)現(xiàn)，學生的學習熱情和教學效果得到提高，體現(xiàn)在以下幾方面：

（1）拓寬專業(yè)知識面，提升實驗技能。研究性實驗涉及的實驗內(nèi)容和儀器較為全面，為學生提供了應用多種專業(yè)儀器和鞏固并運用所學知識的渠道，提高了學生動手能力、觀察能力以及綜合利用所學知識解決問題的能力。

（2）提高合理分工和團隊協(xié)作的能力。以前的實驗中，學生只要按照教材的實驗步驟完成實驗即可。由于設備少的原因經(jīng)常一個小組中只是一兩位同學在操作，其他同學在邊上看。實施研究性實驗后，每位同學都要參與。比如有的同學負責減水劑的性能和使用方面的資料收集，有的同學負責實驗方案的設計，有同學負責數(shù)據(jù)的整理等，在反復調(diào)整配合比中，大家一起討論。培養(yǎng)了學生實事求是、團結(jié)協(xié)作、勇于探索、大膽質(zhì)疑的科學素養(yǎng)。

（3）激發(fā)科研興趣，提升創(chuàng)新能力。研究性實驗的開展，學生對土木工程材料課程的學習積極性明顯提高。一些優(yōu)秀的實驗項目參加校、市科技競賽都取得了較好的成績。一些同學利用這些研究性實驗項目申請到全國大學生創(chuàng)新性實驗項目。從而貫徹了“教、學、做、研”四位一體的綜合教學模式［15］。

4 結(jié) 語

土木工程材料作為一門實踐性與基礎性并重的課程。在分析土木工程專業(yè)實驗教學的目的和作用及現(xiàn)有實驗不足的基礎上，提出了研究性實驗的教學模式，研究性實驗是對傳統(tǒng)實驗教學的補充與深化。教學實踐表明，研究性實驗取得了較好的教學效果。引入研究性實驗加強了學生對專業(yè)知識的理解和應用能力，開拓了專業(yè)視野，激發(fā)了學生學習和科研的興趣，培養(yǎng)了學生的創(chuàng)新能力。如何融合信息化教學技術(shù)，開發(fā)更科學的實驗教學模式，優(yōu)化研究性實驗的實施，培養(yǎng)出“雙一流”建設背景下的創(chuàng)新人才，是下一步持續(xù)探索的目標和方向。