基于問題中心的土木工程材料實驗教學設計優化

摘"要：針對當前土木工程材料實驗教學中普遍存在的問題，堅持三個融合的教育理念，推行問題為中心的實驗教學模式。對實驗教學內容和教學方法進行設計優化，形成新土木工程材料實驗教學模式，構建以問題為中心的自主性、研究性的實驗教學體系，培養學生的創新能力和工程實踐能力。

關鍵詞：問題中心；實驗教學；教學設計；創新能力；土木工程材料

中圖分類號：G642"""文獻標志碼：A"""""文章編號：2096-000X（2025）S1-0047-04

Abstract：Aimingatthecommonproblemsofcivilengineeringmaterialinexperimentteaching，weadheretothreeintegratededucationalconcepts，andtheproblem-centeredexperimentalteachingmodelisimplemented.Anewcivilengineeringmaterialexperimentalteachingpatternisformedincludingdesigningexperimentteachingcontentandteachingmethod，research-basedexperimentalteachingsystemcenteredbytheproblemisbuilt，whichcantrainthestudents'innovationabilityandengineeringpracticeability.

Keywords：problemcenter;experimentalteaching;teachingdesign;innovationability;civilengineeringmaterial

土木工程材料是土木工程專業必修的一門專業基礎課，主要介紹常用土木工程材料的原料、工藝、組成、結構、性能和應用等方面的內容。課程包括理論知識講授和實驗操作兩部分。對本課程的學習，使學生了解和掌握常用土木工程材料的性能，學會在工程中正確選擇和使用材料；學會根據相應規范對材料進行檢測，了解新材料、新技術的最新資訊及其使用；使學生在系統掌握基礎理論與基本知識的基礎上，具備初步的科學研究能力和實踐工作能力，培養創新能力；培養學生分析、解決工程實際問題的能力，為后續專業課程的學習和畢業后工作奠定必要的理論和實踐基礎。

實驗環節是土木工程材料課程的重要組成部分，學生通過實驗將材料理論知識與實際應用緊密結合，不僅增加感性認識，更能學會如何分析、解決材料方面的實際工程問題。對于實驗環節目前普遍存在實驗課時少、驗證性實驗內容多、科學創新性實驗內容少等問題，在實驗中學生絕大多數還是按照老師的示范進行常規的操作，而真正需要動手操作、協作交流、思考設計及創新創意的內容比較少。學生的學習大多數不是主動學習，而是被動學習，學習的興趣激發不起來，學習的深度不能深究，這些都大大限制對學生創新思維和創新能力的培養。實驗教學的本質就是要充分發揮其創新的優勢，培養學生的創新思維能力，而傳統實驗教學模式往往不能滿足這一要求，只是進行簡單的“按部就班”工作，達不到實驗教學的目的。為了充分發揮實驗教學的優勢，需要改變落后的教學模式，對實驗教學進行優化設計，以問題為中心，帶著問題，在問題的引導下開展各項工作，充分調動學生學習積極性和主動性。

針對土木工程專業課程特點，在對學生的創新能力的培養教育上始終堅持三個融合的教育理念，即專業與素質相融合；知識與能力相融合；教學與科研相融合。在這一教育理念的指導下，結合土木工程材料課程特點，推行問題為中心的實驗教學模式，首先從工程實際應用出發，引出問題；其次分析問題，動手操作解決問題；最后分析實驗數據，再提出新的問題。整個實驗是一個從問題的引出到問題的深入再到問題的升華的過程，是問題不斷得到解決、不斷上升、逐步研究深入的學習過程，在這一過程中，學生將課堂學習的理論知識與實際材料應用緊密結合，在動手操作的基礎上再升華為創新探索。這種教學模式以學生為主體，學生的學習及試驗操作不再只是被動的照搬模仿，而是帶著問題，以問題為中心，為了解決實際工程問題而進行理論知識的學習、試驗研究，探究更多的未知。這種以問題為中心的實驗教學模式，在實施過程中體現學生自主性的研究型實驗教學體系，對實驗內容進行優化，對實驗過程和流程進行改進；在常規驗證型實驗的基礎上加大綜合性、設計性、研究性實驗。讓學生自己動手、自己思考，以充分發揮實驗教學的理論聯系實際的緊密結合作用，培養學生的創新能力和工程實踐能力。

一"土木工程材料實驗教學內容的優化

土木工程材料是土木工程、工程管理等專業必修的一門專業基礎課程，通過該課程的學習為后續的專業課如施工組織設計、鋼筋混凝土結構等專業課程提供基礎知識，同時為學生在以后的實際工作中解決工程實際問題提供必需的基礎知識和專業技能。

對于土木工程專業的學生來說，土木工程材料課程是學生開始接觸專業知識的第一門專業課程，但學生普遍沒有對工程實踐的感性認識，更缺少土木工程工程現場施工實際經驗，為了更好地解決這些問題，就需要通過課程實驗教學環節來訓練和加強。學生通過實驗能夠將課堂理論知識及時與實際應用特性緊密結合起來，增加感性認識，了解基本的材料使用、檢測及質量評定等各方面內容。為此在實驗教學設計中始終以問題為中心，結合工程實際提出問題、分析問題、解決問題和升華問題，不僅培養了學生的實踐動手能力及解決施工現場實際問題的能力，對于培養學生的創新能力、科學研究能力都具有重要意義。

進行實驗內容及實驗體系的優化首先分析教學目標，其次對課內實驗與課外實驗、基本驗證型實驗與創新性實驗進行實驗教學設計，突出自主性、創新性實驗教學，形成具有創新教育特色的以問題為中心的土木工程材料自主性、研究型實驗教學體系，如圖1所示。

土木工程材料新型實驗教學體系課外實驗以新材料研制為目標提出問題，課內實驗以工程應用為目標提出問題，提高實踐動手的能力，學生的創新能力大大提升。同時，通過參加科技創新活動，參與教員的科研項目等活動，了解材料最新發展前沿，培養對新材料研制的極大興趣。新材料實驗利用檢測資質，進行材料檢測實驗掌握基本理論，增加感性認識；結合實際工程需求，解決實際工程問題。教學大綱所要求的基本性質實驗、鋼筋實驗、水泥實驗、砂石骨料實驗、混凝土配合比實驗和瀝青實驗等內容為課內的綜合型實驗和設計型實驗內容；新材料研制、科技創新活動等內容為課外實驗的創新型實驗內容。

二"土木工程材料實驗教學方法的優化

（一）"以問題為中心創新教學方法

進行問題設置是實驗教學模式優化的核心，按照一定的方法提出和設計對于課程教學效果至關重要。一方面，土木工程材料課程為適應信息化教學要求，先后基于校園網和軍事職業教育平臺建成了土木工程SPOC課程和國防工程材料與檢測技術在線開放課程（MOOC），采用混合式教學手段進行授課，合理運用案例、討論等多種教學方法，始終貫穿以問題為中心的教學理念，讓學生帶著問題到平臺自學、交流、互動，切實做到變被動學習為主動學習；另一方面，根據工程需求、工程應用、科研項目和創新競賽等方面的具體要求，科學合理設置問題，依托土木工程材料實驗室、國防工程新材料俱樂部等實踐平臺，讓學生帶著問題去學習、思考、設計、計算、試驗、分析、應用和創新。以問題為中心不斷創新教學方法，激發學生的學習積極性和創新性，如圖2所示。

例如根據國防工程施工或維護等領域的常見實際問題，如“用于防護工程的高強混凝土如何設計”“用于高原高寒邊防哨所防凍混凝土如何配制及施工”“用于軍事設施如軍用機場的搶修搶建如何配制特種材料及如何快速施工”等急需解決的問題，通過組織學生開展查閱資料、互動交流、設計計算和動手試驗等深入思考、積極動手解決實際工程問題，從而使得問題的針對性更加明確，崗位職業特點更加明確。每一次小實驗就是一次小的科研經歷，學生在參與實踐和科研過程中動手實踐能力、科學研究能力大大提高，而且深刻體會到專業特色、職業擔當、求真務實及科技創新。

（二）"基于問題中心打造實踐平臺

傳統的土木工程材料課程實驗內容絕大部分都是基礎性和驗證性實驗，如材料基本性質試驗、水泥性能試驗、混凝土性能試驗等，學生在試驗過程中大多是進行簡單的模仿操作，試驗環節對培養學生的動手能力、實踐能力和創新能力沒有發揮充分作用，為了改善這些教學弊端，提高試驗水平，土木工程材料課程積極進行土木工程材料實驗室和國防工程新材料俱樂部建設，基于問題中心打造實踐平臺。

根據課程內容，將試驗內容設定為三個不同層次開展實驗，第一個層次為基礎試驗層次，主要開展基礎性和驗證性試驗，如常用土木工程材料的性能試驗，包括材料基本性質試驗、水泥性能試驗、鋼筋性能試驗等；第二層次為綜合試驗層次，主要開展綜合性試驗，如綜合性軍事工程應用型試驗，包括高強及高抗侵徹混凝土配制、耐腐蝕混凝土配制、搶修搶建材料優選及配制等；第三個層次為研究試驗層次，包括材料學科學術競賽、科研項目等，這一層次的試驗主要針對學有余力和對材料研究有濃厚興趣的優秀學生，培養他們的創新能力和科學研究能力，為以后向更高層次的研究生學習打下堅實基礎，如圖3所示。

（三）"加大綜合性、設計性、研究性實驗內容

把對材料單項性能的實驗轉變為包括材料加工、制備和結構、性能和使用一體化綜合性能實驗。如混凝土的配合比設計實驗，從原材料選用、配合比設計、材料制備和性能測試等一系列問題都需要學生自己思考、自主設計、動手操作、分析實驗數據和優化實驗結果，并逐一解決在這一過程中的種種問題，真正把書上的理論知識用來解決實際工程問題。

（四）"參與科研項目和參加科技創新活動

通過參與科研項目和參加各種創新活動，培養學生的創新能力和科學研究的能力，提高學生對材料科學探究的興趣和創新能力。如組織學生參加新材料創意大賽、混凝土配合比大賽等，按照混凝土的特殊要求和條件配制不同種類的混凝土，學生在整個設計和配制過程中要將理論知識轉變為工程實際應用，解決原材料選擇、配合比計算、混凝土拌合調整等許多問題，因此培訓和比賽過程實際就是一個以問題為中心的特殊教學環節，通過分析問題、解決問題的學習操作過程使學生的科研創新能力得到巨大的提升和飛躍。

（五）"以問題為中心優化實驗流程

土木工程材料傳統的實驗教學流程通常是按照老師講解的實驗步驟，熟悉要使用的儀器設備，對規定材料的性質進行驗證型實驗。而在以問題為中心的土木工程材料實驗教學體系下，實驗教學是基于問題為中心，即采用基于解決工程實際問題的實驗教學方法，首先以實際工程不同部位所需的材料為實驗題目，包括材料的優選、材料的配制、材料的加工及施工等各個環節，從而給學生實驗提供真實的工程實際背景，使學生分析工程問題、材料需求、存在問題等，進而完成查閱資料、自主學習、制定實驗方案、配制材料等一系列實驗任務，這樣不僅使學生了解了工程實際，提高了分析、解決工程實際問題，更重要的是充分發揮了學生的動手操作能力和創新能力。例如以普通混凝土配合比試驗為例進行的教學流程圖如圖4所示。

三"實驗教學優化設計的效果分析

在常規的實驗教學模式中，土木工程材料實驗大多是對常規材料性能的驗證性實驗，分析判斷材料的性質。教師往往是演示者，學生是模仿者，這樣的實驗沒有為學生提供分析判斷的條件，學生缺乏學習的積極性和主動性，創造性思維發揮不出來。而在新型的土木工程材料實驗教學設計中，以問題為中心和牽引，以實際工程為背景，以滿足工程實際需要為目標，始終以解決實際問題開展實驗工作，包括學生自己查閱資料、協作交流、制定實驗方案、獨立試驗、分析數據和撰寫實驗報告。在整個實驗教學過程中學生始終是帶著問題進行實驗，學生學習的積極性和主動性被極大地激發和調動了，他們往往對自己的能力和水平有了更新的認識，自信心和創造力充分發揮。同時，每個實驗增加一些研究性實驗內容，引入更多未知的材料問題，引導學生進行思考，啟發和誘導學生探索材料科學奧秘探索，培養對材料科學研究的濃厚興趣，對以后從事科學研究打下堅實基礎。

經過多年的實踐與探索，這種以問題為中心的實驗教學模式取得了良好的教學效果，學生的動手操作、工程實踐能力明顯增強，在后期的施工實習和實際工作中，能根據工程要求，正確選擇、合理使用材料，分析解決工程實際問題，同時對實際工程材料檢測的程序、方法等有了深入的認識和實踐，施工組織管理能力及解決實際問題的能力大大增強。

通過參加課外研究型實驗項目，學生的綜合素質、創新能力得到大大提高。學生在每年一次的陸軍工程大學“卓越杯”科技創新活動中多次獲獎，近年來多次參加全國大學生混凝土配合比大賽，從原材料選擇、配合比計算、混凝土配制到混凝土檢測，全程由學生自主完成，由于在實驗教學環節進行了這樣的訓練，因此多次取得了全國二等獎以上的好成績。另外通過參與教員的科研項目，學生大膽設想、勇于實踐，解決了一個又一個在書本上沒有遇到的問題，學生的科研興趣大大增強，動手實踐能力大大增強，善于發現問題、解決問題，為以后進行科學研究打下了堅實基礎。

四"結束語

實驗教學是理論與實際、知識與技能相結合的過程，要提高實驗教學質量，關鍵在于不斷優化實驗內容，完善實驗流程；加大綜合性、設計性、研究性實驗；改革實驗教學方法，采用新型土木工程材料實驗教學模式，建設以問題為中心的研究型實驗教學體系，從而充分發揮實驗教學在培養學生的創新能力和工程實踐能力方面所具有的特殊作用。

參考文獻：

[1]李紅英.對標金課標準的土木工程材料課程改造探索[J].高等教育研究學報，2020（3）：98-103.

[2]李紅英.“四位一體”綜合教學模式在建筑材料課程中的運用[J].高等建筑教育，2007（2）：85-88.

[3]米文愉.土木工程材料實驗教學設計的優化[J].華北科技學院學報，2009（1）：115-117.

[4]戴銀所，宋以勝，李銳，等.基于SPOC平臺的問題中心教學模式探索[J].高等建筑教育，2016，25（6）：143-146.

[5]李紅英.工程類本科專業技術基礎課程模式改革與實踐[J].高教論壇，2013（11）：64-66.

[6]孫家瑛.將科研活動融入土木工程材料課程教學實踐探討[J].教育教學論壇，2014（11）：163-165．

[7]張武滿，張迎晨.基于設計性試驗提升本科生自主創新能力——以土木工程材料實驗課程教學改革為視角[J].高等建筑教育，2019，28（1）：106-109．

[8]楊溥，賈傳果，劉立平，等.工程實驗與理論教學的融合方法研究[J].高等建筑教育，2020，29（1）：140-147．

[9]陸菁菁.生物技術專業優質實驗課程教學改革探索[J].實驗室研究與探索，2021，40（1）：176-179.

[10]孟玉蘭，陳茜，張薇，等.基于創新能力培養的本科生綜合實驗設計[J].實驗室研究與探索，2021，40（2）：182-185.