工程材料理論與應用研究生課程案例庫建設和教學實踐探索

文章編號：1671-489X（2025）14-0074-04

DOI：10.3969/j.issn.1671-489X.2025.14.074

0 引言

土木工程材料是一切土木工程的物質基礎，承載著土建類行業的進步和革新，國家需要培養大量土木工程材料領域的科研和應用型人才。工程材料理論與應用是一門理論性和實踐性很強的研究生核心課程。為學術型、專業型學位碩士開設工程材料理論與應用課程，旨在通過系統學習土木工程材料的理論知識及其在工程實踐中的應用，培養學生的綜合能力和創新意識，為國家培養土木工程材料領域人才。

案例教學法起源于19世紀末至20世紀初的美國哈佛大學法學院，后被哈佛商學院推廣并系統化，成為其標志性教學形式。該方法以實際案例作為教學素材，以學生為中心，引導學生積極主動參與課堂討論、分析與評價，將理論知識融會貫通應用于實踐。案例教學法在土木工程本科生教育中應用相當普遍，而直接應用于研究生教育的成體系、高質量的案例庫還不是很多[2-4]。

王英杰等[5設置了專業能力引導案例、專業綜合設計案例和專業研究案例三個層次的案例教學體系，以混凝土結構、鋼一混凝土組合結構典型案例課程為主線，綜合高性能混凝土結構，新型組合結構的分析原理、計算模型和設計方法，激發土木水利專業學生的創新能力。成羽等[綜合房屋建筑學課程的教學現狀和案例教學法的優勢開展課程改革，有效調動了學生的學習主動性，加強了理論知識與實踐應用的有機結合，明顯提高了學生分析問題和解決問題的能力。孫婧等建立了包括木材的燃燒、混凝土的燃燒、鋼結構的燃燒、防火涂料的應用、阻燃液與防火玻璃的應用等土木工程防火材料課程案例庫，促進了土木工程防火材料課程教學。將土木工程的真實工程實踐和理論知識相結合，通過具體、生動的案例教學，可以幫助學生了解土木工程領域的新材料、新工藝和新技術，激發學生的學習熱情和主動性，提高他們在討論分析中理解專業知識并將其靈活運用的能力，符合土木工程專業碩士研究生教育目標和土木工程師培養目的。

本文基于工程材料理論與應用研究生課程，開展研究生課程案例庫建設和教學實踐。工程材料理論與應用研究生課程獲批河北省研究生專業學位教學案例（庫）項目，這對課程教學案例庫建設、課堂教學實施，培養土木工程材料高素質人才具有重要意義。

1工程材料理論與應用課程案例庫建設的必要性和原則

當前，課堂教學過程過于注重理論知識的傳授，教學案例更新不及時，導致學生的創新實踐能力不能滿足先進土木工程材料行業的發展需求。理論教材遠遠滯后于工程實際，新技術、新工藝和新材料的發展在理論教學中更新緩慢。針對這些問題，工程材料理論與應用課程通過建立資源豐富、高質量、內容領先的案例庫，引導研究生積極主動參與課堂討論，以實際情境取代單調的理論解說，激發研究生的創新思維，旨在提高研究生培養質量，培養具有土木工程領域大局觀、創新思維的科研人才。

1.1 案例庫建設的必要性

1.1.1 適應學科發展需求

綠色、低碳、智能建筑材料需求不斷提升，新型材料應用日益廣泛，課程教學內容需要不斷更新和擴展。案例庫建設能夠及時反映學科發展的最新成果，為學生提供前沿的知識和技術。

1.1.2 提升教學質量

通過案例分析，學生能夠更直觀地理解理論知識，加深對材料性能和應用場景的認識。同時，案例庫中的實際問題能夠激發學生的學習興趣，增強學習效果。

1.1.3培養實踐能力

案例庫中的案例往往來源于工程實踐，通過分析和解決這些案例，學生能夠鍛煉實踐能力，為科研和將來從事工程工作打下堅實基礎。

1.2案例庫建設要堅持四個原則

1.2.1 系統性和全面性

案例庫應覆蓋土木工程材料的主要類型和應用領域，確保學生能夠全面掌握相關知識。

1.2.2 時效性與前沿性

案例庫應緊跟學科發展前沿，及時更新和補充新型材料與新技術。

1.2.3 實用性與可操作性

案例庫中的案例應具有實際工程背景，便于學生進行分析和討論，同時應提供詳細的實驗數據和解決方案。

1.2.4啟發性與創新性

案例庫應注重培養學生的創新思維和批判性思維，通過設置開放性問題引導學生從不同角度思考。

2工程材料理論與應用課程案例庫建設實踐

工程材料理論與應用課程主要以建筑材料/混凝土為例進行講解，主要內容包括硅酸鹽水泥水化、水泥基材料水化動力學、水泥石微結構、火山灰材料、水泥與混凝土、混凝土收縮、混凝土耐久性和高性能混凝土等，其學習目的是科學地設計、制造和使用材料。針對該課程共建立80多個教學案例，下面簡要介紹其中的10個。

2.1鏡面混凝土：白鶴灘水電站泄洪洞龍落尾段工程

鏡面混凝土的研發與應用標志著我國混凝土技術達到世界先進水平。在水電站運營過程中，泄洪洞作為直面高速水流的關鍵結構，如何增強其混凝土襯砌的耐久性成為一個亟待解決的挑戰。白鶴灘水電站泄洪洞工程混凝土選用控溫控防裂且抗沖磨性能更好的常態混凝土，在前期上平段施工中交出優異的鏡面混凝土成績單。該案例主要講授先進的水泥基材料。

2.2上海佘山世茂洲際酒店：地平線下的想象

上海耗時12年建造了一座世界最矮的高樓—一佘山世茂洲際酒店。該酒店地下16層，地上2層，被稱為世界十大奇跡建筑。在建造過程中對混凝土的配合比進行了30多次的試錯試驗，終于調制出新的混凝土配方。

2.3北京市西直門立交橋、三元橋修復重建：混凝土耐久性

北京市43h完成三元橋整體置換，大國基建成為無數國人的驕傲。北京市西直門立交橋、三元橋在使用多年后，混凝土大面積剝落，鋼筋外漏銹蝕，存在較大的安全隱患，嚴重影響正常使用，不得不修復重建。該案例主要講解混凝土耐久性含義、影響因素和耐久性措施。

2.4北京大興機場跑道建設：高性能混凝土

大興機場建設應用當今諸多先進技術，其中跑道和停機坪等工程應用了交通運輸部立項研究的“重載水泥混凝土鋪面關鍵技術與工程應用”成果，降低了建設成本，提高了使用品質。通過案例中北京大興機場重載高性能混凝土的使用，講授如何在工程中大量使用混凝土，如何提高混凝土的強度。

2.5上海中心大廈：超高泵送新的世界紀錄

2009年底建成的廣州國際金融中心高103層，高度為 437.5m ，采用 C60～C100 高強混凝土，施工時將C100高強混凝土一次性成功泵送到411m高度，創造同類混凝土泵送新高度。2014年，上海中心大廈工程挑戰 620m 超高層泵送混凝土，采用的是C100超高強度混凝土，創造了混凝土超高泵送的世界記錄。

2.6中國尊大廈底板大體積混凝土：水化放熱

中國尊大廈位于北京市朝陽區CBD核心區，底板混凝土強度等級為C50，抗滲等級為P12，底板施工總面積約 1.1×10⁴m² ，底板混凝土一次澆筑的最大體量約 5.6×10⁴m³ ?，F場監測顯示混凝土內部最高溫度為 72.8°C ，在澆筑60d后，其中心溫度仍在 55°C 左右。該案例主要講授水泥基材料水化放熱過程，掌握降低水化放熱的措施。

2.7新疆永安水庫大壩廊道：碳硫酸鹽侵蝕

碳硫硅鈣石型硫酸鹽侵蝕，作為一種獨特的混凝土耐久性挑戰，核心特征在于其獨特的腐蝕產物一一碳硫硅鈣石的形成。與傳統的混凝土硫酸鹽侵蝕相比，這一過程并不顯著引起混凝土宏觀體積膨脹或明顯開裂，而是直接導致水泥石中C-S-H凝膠分解，使混凝土最終變成一種無強度的果肉狀泥砂混合物。新疆永安水庫大壩廊道有大量滲水，膠凝材料成為稀泥狀，建成后一年即損壞。該案例主要講授特殊的混凝土耐久性問題、水泥石分解機理。

2.8上海環球金融中心：低水化熱低收縮混凝土

上海環球金融中心工程位于上海陸家嘴金融貿易區，該工程地上101層，地下3層。主樓基礎底板混凝土總方量約 3.89×10⁴m³ ，為了降低水化放熱和收縮，在原材料方面進行合理選擇和配置，摻合料用活性指數高、細度適中、流動度大、燒失量小的Ⅱ級粉煤灰、S95礦渣微粉。 3.89×10⁴m³ 混凝土基礎底板一次42h連續澆注成功，創造了建筑工程中大體積混凝土一次澆筑的世界記錄。經實測，基礎底板內部最高溫度只有 67.1°C ，水泥用量僅為 270kg/m³ ，混凝土180d的收縮值為 296×10^-6 ，工程成品的高質量體現了我國現代混凝土施工技術的領先水平，為國內建造超高層建筑積累了新的經驗。該案例主要講授降低混凝土收縮的分類和減少收縮的措施。

2.9白鶴灘水電站：“無縫”大壩

白鶴灘水電站大壩為混凝土雙曲拱壩，最大壩高 289m ，是首個全壩段采用低熱水泥混凝土進行澆筑的大壩，共計 803×10⁴m³ ，規模巨大。從三峽工程起，我國就致力于研制低熱水泥，經過多家科研機構多年的共同努力，攻克了一道道技術難關，并得以在白鶴灘水電站大壩上成功應用。目前，大壩沒有產生一條溫度裂縫，讓“無縫”大壩成為現實。高性能、超高性能混凝土的研究與應用是混凝土科學與技術發展的主要方向，它具有強度高、負荷能力大、資源和能源消耗少、耐久性好等優點，能滿足土木與建筑工程輕量化、高層化、大跨化、重載化和耐久化等諸多方面的要求，被廣泛應用于我國的重大工程建造中。

2.10 港珠澳大橋：長壽混凝土

港珠澳大橋是中國交通建設史上技術最復雜、環保要求最嚴格、品質要求最高的工程之一。港珠澳大橋混凝土結構耐久性設計用的氯離子擴散系數的衰減規律，根據長期暴露試驗的數據回歸得到。提出基于可靠度理論的混凝土結構耐久性設計新方法，解決了120年耐久性設計施工難題。該案例主要講授基于可靠度理論的混凝土結構耐久性設計新方法。

3案例庫的教學實踐效果評價

3.1具體實踐過程

每個案例均精心挑選自國內外極具代表性的工程實例，全面覆蓋從基礎理論精髓到復雜工程實踐的廣闊領域。在課堂教學實踐中，首先以有趣的方式介紹案例背景，隨后巧妙引導學生深入剖析案例中的核心問題與挑戰，共同探索并討論多元化解決方案。在這一過程中，通過靈活運用小組討論、角色扮演等互動模式，不僅可以充分激活學生的思維，還能顯著增強他們的團隊協作意識與溝通技巧。對于涉及水化放熱機制的案例，教師充分利用學院先進的八通道等溫微量熱儀進行現場演示，讓學生親眼見證不同材料在水化過程中的放熱變化，并通過實時數據分析，掌握水化放熱長達七天的詳盡數據。這種直觀的教學體驗極大地加深了學生對水化動力學原理的理解與記憶。針對混凝土抗凍性能的講解，更是別出心裁，教師攜帶經過不同凍融循環次數處理的試樣進行現場展示。通過對比觀察，學生直觀感受凍融循環對混凝土結構的破壞性影響，從而深刻理解抗凍性能的重要性和提升措施。這種理論與實踐深度融合的教學方式可以有效提升學生的學習興趣與質量。

案例教學結束后，精心組織學生進行總結回顧，鼓勵他們提煉案例中的關鍵知識點與寶貴經驗，以此激發創新意識與科研思維。這種課堂講授與親身體驗相結合的教學模式，不僅向學生傳授了知識，更培養了他們獨立思考、解決問題的能力，為未來的專業發展奠定堅實基礎。

3.2 教學效果評價

作為現代教學方法的重要分支，案例教學法效果評價是衡量其教育價值與實踐成效的關鍵環節。

工程材料理論與應用課堂采用教師講授方式，引入案例教學法前后，學生學習過程和態度發生明顯變化。在進行案例講解時，學生的抬頭率、參與度和課堂討論活躍度可達 100% ；而在進行理論知識講解時，學生的抬頭率和課堂參與度會大大下降。這種變化直接反映了學生對案例教學法的接受度和學習體驗的滿意度。

該課程的結課形式為PPT匯報和結題報告。在未進行案例教學前，學生的PPT匯報和結題報告往往局限于理論框架，很少聯系實際工程，即便在研究背景中提到耐久性、綠色、低碳等字眼，更多的是文字和圖片堆砌。近兩年實行案例教學后，學生會結合國家大型工程項目講解相關知識點，將理論與實踐對接，潛移默化地培育學生的“大工程觀”和宏觀視野。

4結論

工程材料理論與應用研究生課程案例庫的建設和教學實踐是一項具有重要意義的工作，不僅提高了研究生的學習興趣和積極性，還促進了理論與實踐的緊密結合，培養了學生的實踐能力和創新能力。通過構建特色、前沿的案例庫，并將其有效融入課堂教學，可以顯著增強課堂學習效。隨著土木工程技術的不斷進步和新型材料的不斷涌現，案例庫需要持續更新和完善，加強與其他材料學科的交叉融合，以提升土木工程材料領域的研究生教育質量，推動土木工程材料向低碳、綠色、智能化方向發展。

5 參考文獻

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