道路建筑材料課程科研反哺與虛實結合教學研究

孫國強， 祁 越， 張金喜， 丁勇杰， 曹志龍

（北京工業大學交通工程北京市重點實驗室，北京 100124）

0 引言

在高校“雙一流”本科教育與“新工科”教育建設的背景下，如何培養造就一大批引領未來技術與產業發展的卓越工程科技人才，是當今高校教育工作者需深入研究的重要課題［1］。道路建筑材料是道路橋梁與渡河工程、交通工程等本科專業的必修專業基礎課程，同時也是路基路面工程、道路工程養護與管理等課程的基礎前導課，在教學中應積極面向“雙一流”與新工科建設要求，升級教學理念、模式和方法，以夯實學生理論基礎、加強工程技能、激發創新能力。

然而，道路建筑材料課程傳統教學模式難以勝任該目標［2］。教育部《關于深化本科教育教學改革全面提高人才培養質量的意見》指出“探索拔尖創新人才培養模式，促進科研與教學互動，及時把科研成果轉化為教學內容”。韓麗平等［3］將科研成果反哺開放性創新試驗教學，激發了學生的科研熱情和創新精神。可見，將科研反哺教學成為突破道路建筑材料課程傳統教學瓶頸的可靠方案［4］。此外，教育部《關于一流本科課程建設的實施意見》提出將國家虛擬仿真實驗教學項目納入一流本科課程建設，并出臺《教育部關于開展國家虛擬仿真實驗教學項目建設工作的通知》具體指導。孫艷娜等［5］采用Flash 技術開發了瀝青虛擬仿真實驗，變革了實驗教學方式，提升了實驗教學質量。將虛擬仿真實驗與線下實驗相結合，在“能實不虛”的基礎上探索線上線下虛實結合的實驗教學模式成為解決傳統實驗教學弊端的有效途徑［6］。

結合道路建筑材料課程多年理論教學與實驗教學實踐，本文以高性能灌注式半柔性路面材料性能創新試驗為例，分析了科研反哺教學模式的意義、過程和推廣方式，以瀝青及混合料實驗為例開展虛實結合的實驗教學研究。

1 道路建筑材料課程教學現狀

1.1 理論教學

“課前預習—課堂講授—課后作業”是“道路建筑材料”課程傳統的理論教學模式，然而這種課堂模式難以激發學生獨立思考與創新能力［9］。

（1）課前預習指導與重視不夠。道路建筑材料課程知識點雜多，教師通常對學生的課前預習環節不夠重視，學生難以高效預習課前專業內容，無法培養其自學與獨立思考能力。

（2）課程講授內容陳舊滯后。由于道路建筑材料理論研究與工程實踐的逐步深入，課程的知識體系也隨之不斷更新。然而，一些教師教學過程缺乏新理論、新方法與新技術的融入。

（3）課堂教學方法與模式老舊僵化。道路建筑材料課程知識點雜多且較分散，傳統灌輸式講授知識的教學模式難以有效培養學生自主學習和創新的能力。

1.2 實驗教學

“原理講述—教師演示—學生重復”是道路建筑材料課程傳統的實驗教學模式，教師以講授實驗原理步驟或播放視頻為主，并完成實驗準備與演示工作，學生則通過觀看演示、重復操作驗證的方式參與，該模式不利于引導學生進行探索性創新學習［7］。

（1）實驗教學模式單一。傳統機械式實驗教學模式涉及綜合性知識、自主設計性的內容較少，難以激發學生的開放發散思維，難以培養學生系統設計實驗方案的能力。

（2）實驗報告內容簡單。實驗報告是道路建筑材料實驗課程的主要成果，然而大多學生僅簡單羅列實驗步驟與測試結果，鮮有學生能獨立思考實驗過程。加之一些實驗所需設備材料與步驟復雜，而有些實驗耗時長而課時有限，這些客觀因素也影響了實驗報告完成質量。

（3）考核方式不夠準確全面。道路建筑材料實驗課程的考核多從出勤率、實驗報告等方面進行評定，該方式易使學生產生應付考核的想法，對于學生的實踐動手能力和創新能力的培養十分不利。

2 高性能灌注式半柔性路面材料性能科研試驗反哺

2.1 科研反哺教學模式的建設意義

將“某城市快速公交（BRT）車站與大縱坡段鋪裝技術研究與應用示范”中半柔性路面材料試驗研究內容融入“道路建筑材料”本科課堂理論教學，并通過創新試驗小組進行材料設計與性能測試的部分內容，旨在實現科研精神、科研成果、科研方法與教學內容的深入交融。對學生而言，科研反哺教學有利于強化理論知識的理解和應用，增強動手操作能力，激發學生的創新精神和對專業學習的興趣。對教師而言，可豐富教學內容，創新教育理念。

2.2 半柔性路面材料的應用背景及設計成形

2.2.1 應用背景

BRT車道渠化交通明顯、車輛接地壓強高，尤其在站點車輛加減速、剎車啟動頻繁，使路面反復承受較大推移和剪切壓實作用［8］。為解決BRT 車道路面的車轍病害，研制了一種高性能灌注式半柔性路面材料（下稱半柔性路面材料）。采用常規瀝青混合料性能試驗方法（JTG E20-2011 公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程）測試了半柔性路面材料各路用性能，成果可對面向BRT等重載重交通場景的半柔性路面建設提供借鑒。

2.2.2 材料設計成形

選用高性能商用水泥材料為膠凝材料，以0.25 的水灰比制備灌漿料，依據T/CECS G：D51-01-2019 道路灌注式半柔性路面技術規程（下稱半柔性路面規程）測試發現水泥灌漿料的流動度、泌水率及干縮率均滿足要求［9］，灌漿料隨養護齡期不斷水化，強度逐漸提高（見圖1）。一般灌漿料抗壓強度5.0 MPa以上即可開放交通，本研究灌漿料1 d 抗壓強度高達31 MPa，7 d 抗壓強度為60 MPa，遠高于規程要求（≥15 MPa），顯著縮短開放交通時間。

圖1 水泥灌漿料強度變化

采用體積法設計半柔性路面材料的基體大孔隙瀝青混合料（SFP-13），高黏瀝青A 作為膠結料，粗集料選擇單一粒徑9.5 ～13.2 mm，細集料為連續級配，空隙率為25.81%，油石比為2.5%。SMA-13 混合料為對比材料，高黏瀝青B為膠結料，油石比為6.1%。級配曲線見圖2（a），瀝青性能見表1。按半柔性路面規程制作試驗試件，首先制備基體瀝青混合料，待其冷卻至50 ℃以下，將試件底部和周圍密封進行頂面灌漿，在標準條件下［（20 ±2）℃、相對濕度＞95%］養護，成形試件截面見圖2（b）。

表1 高黏改性瀝青主要性能

圖2 半柔性路面材料設計

科研反哺教學的內容：①水泥的性能指標及技術要求；②水泥凈漿的養護方式與強度形成；③瀝青的三大指標、黏度指標及技術要求；④瀝青混合料的組成結構及級配設計方法；⑤瀝青混合料及水泥凈漿的成形方法。

2.3 半柔性路面材料性能評價

2.3.1 馬歇爾試驗性能

由圖3 可見，與灌漿料強度增長規律一致，半柔性路面材料穩定度隨齡期增長而顯著增大。養護3 d后半柔性路面材料穩定度是基體混合料的6 倍，說明半柔性路面材料強度主要取決于灌漿料強度，是SMA-13 混合料的2 倍，7 d后穩定度增長到3 倍，流值也顯著低于SMA-13，展示了半柔性路面材料優異的強度及高溫抗變形能力。此外，水泥灌漿料1 ～3 d 內抗壓強度增長83.5%，3 ～7 d增長3.4%，而半柔性路面材料穩定度1 ～3 d 增長160.4%，3 ～7 d 增長48.5%，說明半柔性路面材料強度形成除與基體混合料及灌漿料強度有關外，還與兩者相互作用有關，如水泥漿-瀝青間的“硬化效應”［10］，且這種作用隨時間逐漸趨于穩定。

圖3 馬歇爾試驗結果

科研反哺教學的內容：①瀝青混合料的高溫穩定性及技術標準；②瀝青混合料標準馬歇爾實驗測試（穩定度、流值）；③瀝青混合料的強度形成機理以及界面相互作用對材料強度發展的影響；④養護齡期對水泥水化及強度發展的影響規律。

科研反哺教學的內容：①瀝青混合料的高溫穩定性及技術標準；②瀝青混合料室內車轍試驗測試（動穩定度）；③溫度對瀝青混合料抗車轍性能的影響。

2.3.2 水穩定性

采用浸水馬歇爾試驗與凍融劈裂試驗對半柔性路面材料試件進行水穩定性測試（見圖4）。發現7 d 后半柔性路面材料殘留穩定度超過100%，這與2 d浸水過程中水泥灌漿料強度進一步增長有關，加之半柔性試件空隙率較小，水分難以進入。另外，28 d 后半柔性路面材料殘留強度比從7 d 的98.7%增長到99.4%，高于半柔性路面規范值，且優于SMA-13 混合料。

圖4 半柔性路面材料水穩定性試驗結果

科研反哺教學的內容：①瀝青混合料的水穩定性及標準；②瀝青混合料浸水馬歇爾試驗（殘留穩定度）與凍融劈裂試驗測試（殘留強度比）；③空隙率對瀝青混合料水穩定性的影響；④養護條件（溫度、時間）對水泥強度發展的影響。

2.3.3 低溫性能

通過低溫彎曲試驗測試半柔性路面材料的低溫抗裂性能，試驗溫度為-10 ℃，加載速率為50 mm/min。低溫彎拉應變越大，說明低溫抗裂性能越好。如圖5所示，半柔性路面材料破壞彎拉應變低于SMA-13 混合料，并略低于改性瀝青混合料規范值，但顯著高于普通瀝青混合料。事實上，半柔性路面材料中灌漿料和基體混合料會隨溫度變化而產生不協調變形，弱化了兩者界面強度，導致半柔性路面材料低溫抗裂性弱于SMA-13 混合料。

圖5 瀝青混合料低溫試驗結果

科研反哺教學的內容：①瀝青混合料的低溫抗裂性及標準；②瀝青混合料彎曲試驗測試（勁度模量與破壞彎拉應變）；③界面性質對瀝青混合料強度的影響。

2.4 科研反哺教學模式對應總結及應用

2.4.1 對應章節及知識點

以我校道路建筑材料課堂教學使用的教材《道路建筑材料（3 版）——申愛琴主編》為素材，將科研創新試驗結果反哺課堂教學對應知識點進行梳理（見表2）。可見，科研成果均可與道路建筑材料課程章節具體知識點關聯對應。這一科研反哺模式可幫助學生建立更立體的知識體系，深刻理解理論知識與工程實踐的聯系與途徑，促進科教融合。此外，科研創新試驗反哺內容可啟發學生深入思考：①養護齡期和溫度對水泥水化及強度發展有何影響？②半柔性路面材料的強度如何形成并受哪些因素影響？瀝青-水泥界面發生怎樣的相互作用且如何影響混合料整體強度？③半柔性路面材料與高性能SMA 混合料路用性能相比有何優勢與劣勢，適用于哪些工程場景？

表2 科研反哺課堂教學章節及知識點

2.4.2 “三課堂+兩保障+一課程群”科研反哺教學模式推廣

以上科研反哺案例僅是科研項目部分內容，已反哺到“道路建筑材料”課程多個知識點，并通過創新小組實驗鍛煉了理論聯系實踐能力。事實上，整個項目涉及路面結構設計、現場施工組織管理與檢測驗收等多方面內容，團隊正逐步將該項目反哺于交通工程本科專業“交通基礎設施檢測與養護管理”課程群中“路基路面工程”“道路工程施工管理”等多個課程，從而幫助學生建立更加綜合立體的專業知識體系。高校教師除課程教學外，還承擔著國家自然科學基金、國家重點研發項目、省部級科技項目等課題。這些課題聚焦于解決實際工程問題，均可通過適當簡化與梳理，與不同課程具體知識點對應連接，反哺于教學。

本教學團隊形成了較為成熟的“三課堂+兩保障+一課程群”科研反哺教學模式（見圖6）。實施場景上，科研反哺教學分別實施于理論教學課堂、實驗教學課堂及課外科創課堂。理論課堂上，教師將前沿科研成果、科研方法與科學精神融入理論知識教學中；實驗課堂上，教師可增設開放性的自主設計創新實驗，將科研成果與創新實驗相結合；課外科創課堂上，教師可利用校內星火科創計劃、大學生創新創業訓練計劃、挑戰杯競賽等平臺帶動學生參與科研項目。制度保障上，多樣化的科研反哺教學活動和內容案例構成豐富的內部保障基礎；在外部保障上，學校制定了鼓勵教師探索科研反哺教學的政策制度和評價獎勵標準。此外，本課程群教研團隊結合專業特色，定期收集整理團隊相關科研項目素材，以課程群課程為載體，制作成套體系課程反哺內容，建立科研反哺電子存檔庫，實時更新，按需調用，真正把科研成果及創新型試驗融入教學中，實現教研相長，提高教學活力。

圖6 “三課堂+二保障+一課程群”科研反哺教學模式

3 以瀝青及混合料實驗為例開展虛實結合的教學模式

3.1 虛實結合教學模式的建設意義

以“道路建筑材料”中瀝青及混合料實驗為例，在實驗教學中調研并使用了多媒體及有限元模擬等虛擬仿真技術，并結合線下科研反哺創新實驗，開展虛實結合的教學研究。旨在避免機械式演示實驗教學，提升學生實驗興趣，增強自主學習能力，提高實踐創新能力，同時克服傳統實驗耗時長、費用高的弊端，給予學生自由的學習和實驗操作空間［11］。對于“道路建筑材料”等實踐性與應用性較強的工科課程，建設虛實結合教學模式可保證實驗教學的順利開展［5-7］。

3.2 “原理講授+虛擬仿真+實驗演練”虛實結合實驗教學模式

3.2.1 原理講授

瀝青及瀝青混合料是現代道路路面結構的主要建筑材料，是“道路建筑材料”課程的學習重點。在原理講授階段，教師通過PPT 進行瀝青及瀝青混合料理論知識講述，包括瀝青的組成、結構和道路工程中應具備的技術性質和要求，以及瀝青混合料的類型、結構與路用性能及組成設計。而針對瀝青及瀝青混合料的性能測試方法部分，需講解實驗原理、實驗參數的確定依據等，從而為后續實驗教學打下堅實基礎。

3.2.2 虛擬仿真

針對瀝青及瀝青混合料主要技術性能，進行了系列虛擬仿真實驗，以幫助學生快速直觀地掌握瀝青及瀝青混合料的主要技術指標測試方法，包括：瀝青的針入度試驗、軟化點試驗、延度試驗；瀝青混合料的拌合成型、馬歇爾穩定度試驗、車轍試驗。整個虛擬仿真系統基于Flash軟件及Unity 3D 進行實驗室建模，較高程度模擬了真實實驗室環境，并按真實實驗設備與儀器的表觀性狀與功能進行還原。結合團隊大量實驗數據庫，最終實現在計算機上搭建代替線下實驗流程的虛擬仿真實驗系統（見圖7）。通過虛擬仿真實驗，使學生對真實實驗室環境有初步認知，幫助學生學習實驗過程中涉及的實驗器材、操作步驟、結果處理等。系統由教師下發給學生，并介紹不同應用工程背景（如炎熱區高速公路上面層等場景），由學生分組自主選擇相應瀝青及瀝青混合料進行實驗模擬，實驗結束后，結果以物料圖像、實驗數據表格及數據曲線等形式呈現。此外，虛擬仿真實驗系統還具開源性，可實時更新新型路面材料與工程應用場景的數據庫。

圖7 瀝青及瀝青混合料虛擬仿真實驗系統流程圖

3.2.3 實驗演練

實驗教學目的是培養學生的操作能力、分析并解決問題能力及創新能力。虛擬實驗做得再逼真，也不能完全替代真實操作，如澆模時瀝青無法填充邊角、瀝青混合料試件高度難以調整等。按實驗教學“能實不虛、虛實結合”的原則，學生利用虛擬仿真系統對瀝青及瀝青混合料技術實驗進行模擬后，由教師帶隊進入實驗室，按照小組進行線下演練，按照選擇的工程應用場景開展相應材料實驗。同時，開展科研反哺教學設置開發的開放性創新實驗項目，如不同改性瀝青性能試驗、半柔性路面材料性能試驗等，供學生選擇。此外，在新冠疫情需開展線上教學情況下，則需將實操過程轉為全程實驗直播進行，并基于視頻回放、微信群答疑等鞏固復習。學生完成實驗演練后，以小組為單位上交不同的研究性實驗報告，報告內容需包含描述常規實驗及所選創新實驗過程、詳細分析實驗結果、系統總結實驗經驗及對虛實結合模式的建議等，教師將重點關注報告的創新性與科學性，最終予以考核。

3.3 虛實結合教學模式特點

3.3.1 模式特點

搭建虛擬仿真實驗系統，與創新實驗演練結合，創建了“原理講授+虛擬仿真+實驗演練”虛實結合實驗教學模式，其特點及優勢如下。

（1）克服了傳統機械式實驗教學不足。虛擬仿真實驗與創新實驗演練結合，學生依據工程現狀來進行選擇實驗材料，擴充了實驗教學內容。內容多元化的實驗報告也豐富了學生學習成果的考核維度。此外，如遇新冠疫情需開展線上教學，本模式可靈活轉換為“原理講授+虛擬仿真+實驗直播”形式以保證實驗教學正常開展。

（2）提高教學效率。虛擬仿真實驗系統以其高度仿真的實驗室環境，保證學生對于道路建筑材料實驗相關器材與流程有準確認知，提高了學習體驗感，為線下實驗演練節省了原理講述與器材介紹的時間。而且，對于耗時長、程序復雜的實驗，如瀝青混合料拌合成型試驗等，通過虛擬仿真可大大節省實驗時間。

（3）培養學生創新能力。虛實結合的教學模式重點采取啟發式的教學，提高了學生在實驗教學中的自主創新性。虛擬仿真實驗系統可依據工程背景自主選擇相應材料進行實驗模塊，實驗演練階段可結合科研反哺教學開展創新實驗項目，實現了對實驗教學的“開放內稟性”的建設［12］。開源性的選擇可激發學生興趣，提高學生在實驗中的探索欲。

3.3.2 “原理講授+虛擬仿真+實驗演練”虛實結合實驗教學模式的應用

高校實驗教學團隊可充分發揮專業實驗室優勢，利用大量實驗數據，搭建虛擬仿真實驗系統，豐富實驗教學內容。同時可將科研項目實驗簡化，形成線下科研反哺創新實驗項目，與虛擬仿真實驗融合，構建虛實結合的實驗培養體系，提高學生科研能力。

本教學團隊形成了“原理講授+虛擬仿真+實驗演練”虛實結合實驗教學模式，見圖8。原理講授上，任課教師利用PPT等進行講解，教學團隊則針對PPT進行動態更新優化。虛擬仿真上，結合信息技術與實驗技術共同搭建。信息支持由學校的計算機相關專業技術團隊提供幫助，利用編程語言、軟件、多媒體技術等技術搭建虛擬仿真實驗系統；實驗教學團隊則對實驗室中大量設備信息、實驗數據與結果進行匯總，作為虛擬仿真實驗系統中的數據來源。而線下實驗演練與實時直播演練共同構成了實驗演練環節。在新冠疫情時期無法開展線下實驗演練時，可開啟實操實時直播，后續將錄制視頻上傳至線上教學平臺供學生復習，并建立微信群進行答疑；在學生可進入實驗室的情況下，按計劃進行虛擬仿真階段對應的常規實驗。此外，本團隊在實驗演練階段還創新性加入了基于科研反哺模式下的開放性創新實驗項目，并布置研究性實驗學習報告，全面培養學生的創新思維與科研能力。

圖8 “原理講授+虛擬仿真+實驗演練”虛實結合實驗教學模式

4 結論

提出的科研反哺與虛實結合兩種教學型模式分別在道路建筑材料課程的理論教學與實驗教學實踐中得到了應用。

（1）以面向快速公交車道的半柔性路面材料性能創新試驗為例，建立了科研成果反哺道路建筑材料課程理論教學對應章節知識點體系，并將部分內容簡化設為創新實驗教學內容，促進了科研和教學的深度融合，提高了學生科研創新能力與解決實際工程問題的能力，實現了教研相長，使科研價值和教學效果達到最優。

（2）提出了“三課堂+兩保障+一課程群”科研反哺教學模式并進行了應用實踐。通過科研反哺教學，把科研成果及創新型試驗分別融入理論教學課堂、實驗教學課堂與課外科創課堂中，并從內部環境與外部制度進行保障，以課程群課程為載體，制作成套科研反哺課程內容，建立科研反哺電子存檔庫，實時更新，按需調用。

（3）以瀝青及混合料實驗為例，探索了道路建筑材料課程虛實結合實驗教學模式。基于多媒體技術與實驗數據庫搭建了瀝青與瀝青混合料虛擬仿真系統，突破了傳統實驗教學模式弊端，擴充了實驗教學內容，提高了實驗教學效率。此外，該模式在實驗演練階段結合科研反哺教學開展創新實驗項目，培養了學生動手操作能力與科研創新能力。

（4）提出了“原理講授+虛擬仿真+實驗演練”虛實結合實驗教學模式并進行了應用實踐。教學團隊利用PPT進行實驗原理講授。依托計算機技術和實驗專業數據支持，搭建開放性虛擬仿真實驗系統供學生模擬。引導學生進行實驗演練，完成研究性實驗學習報告，并在新冠疫情時期，通過線上直播等保證實驗教學順利開展。