土木工程材料实验教学改革的研究与实践

 

  近年来，随着我国建筑业的蓬勃发展，社会对建筑人才的需求不断增加，不仅表现在数量上的需求不断增长，更主要地表现在对人才质量的要求逐步提高。如何培养具有扎实的基础理论知识、较强工程实践能力以及具有创新思维的高素质人才成为目前土木工程专业教育面临的一个重要课题。理论教学体系与实践教学体系构成了本科教学培养计划的两条主线，而对于应用型本科院校来说，实践教学体系的重要性不言而喻，它对培养大学生的工程素养、创新能力以及团队合作精神等起着至关重要的作用。土木工程材料是土木工程类各专业的一门重要的专业基础课，该课程一般安排在大学二年级下学期进行。该课程在土木工程类各专业的教学体系中起着承上启下的作用，是学生由基础课向专业课过渡的桥梁。由于土木工程材料课程与工程实际联系紧密，因而是一门实践性很强的学科，实验教学与理论教学一起构成了该课程教学体系的两大部分。理论教学主要讲述各种材料的制备、组成结构、质量标准、性能及应用。但土木工程材料品种繁多，各种材料的组成、性能等差异很大，课堂教学内容十分繁杂，各章之间联系较少，跳跃性很大，且专业术语很多，要掌握好各种材料的基本理论知识，为学习后续课程以及将来从事相关实际工作打下基础，就必须像张光斗院士指出的那样“理论与实践相结合，知识与能力相结合”。因此，土木工程材料实验教学同理论教学有同样的重要性，实验课是该课程重要的教学环节。传统的实验课实验项目基本上属于验证性实验，实验内容千篇一律，难以激发学生的学习兴趣，也不利于学生综合能力的培养，因此，为了培养学生的实验操作技能和创新能力，适应新形势下对应用型人才的培养目标，对土木工程材料实验教学进行改革势在必行。目前，许多高校相继进行土木工程材料课程实验教学的改革，其中华北科技学院张利等采用真题真做的形式开展综合设计性实验；长沙铁道学院杨枫等将实验与科研、与工程实例相结合；华中科技大学张长清等开展了兴趣小组探索性实验；中国矿业大学吕恒林等除了规定的计划内实验外还开展计划外试验，建立了计划内实验与计划外实验相结合的实验教学体系。这些研究为提高土木工程材料课程实验教学效果提供了新的方法和思路。

  传统的实验课的一般教学模式为:教师先介绍实验目的、实验原理、仪器设备、实验步骤、注意事项等，学生再按教师的要求或教材中的步骤进行实验，读取数据，验证性质、规律。这种教学模式教师起主导作用，学生处于从属地位，难以调动学生的兴趣，使学生在实验过程中缺乏积极主动性。此外以验证理论为实验目的，每个人的实验内容完全一样，使得实验内容过于单一，实验数据少，分析也无对比性，不能运用课堂理论融会贯通对实验结果进行分析。因此，这种传统的实验教学模式不利于提高学生发现问题和解决实际问题的能力，不利于引导学生突破思维障碍，不利于学生创新思维的形成以及各种能力的培养。实验课的目的主要是使学生掌握实验原理、实验方法；掌握基本操作技能；具有对实验数据进行处理分析、编写实验报告的能力；同时验证和巩固所学的理论知识，提高学生的综合能力。与此目的相对比，土木工程材料课程的实验教学主要存在以下几个方面的问题:  （1）实验内容以验证性实验为主，难以达到对学生各项专业能力培养的目标。（2）各项实验相互独立，缺乏关联性和系统性。（3）在实验课上，学生按照实验步骤按部就班，验证既定的内容和结果，使学生处于被动学习状态，难以调动学生对实验课的积极性和主动性。此外实验内容以教师讲授为主，单一的教学方法也难以激发学生的学习兴趣。（4）由于实验课学时较少，许多设计性、综合性、研究性实验项目无法开展，不利于学生的综合能力的培养。（5）实验项目的设置没有针对性，缺乏针对不同专业的选做实验，因而难以达到不同专业实验课的教学目的。

  自 2014 年，在辽宁工业大学（以下简称我校）教改基金的支持下，着手进行《土木工程材料》课程的实验教学改革，陆续开展相关的研究活动，并取得较好的效果。

  （一）课堂教学中增加实验演示 

  收集及制作了土木工程材料课程中包含的实验动画和视频，并在课堂教学中通过多媒体辅助教学播放实验动画及视频，将实验过程及操作方法生动地展现出来，这样可将理论教学和实验教学结合在一起，不仅有利于学生理解和加深理论知识，同时也对实验内容印象深刻。比如：在讲解水泥基本性质时，如果在课堂上只讲述初凝和终凝的概念，没有对实验内容予以介绍，学生很难理解什么是“开始失去可塑性”和“完全失去可塑性”。因此，在讲述这部分内容时，增加了实验动画的演示。实验动画直接展示出什么情况达到初凝状态、什么时候达到终凝状态，这样便于学生理解初凝、终凝的概念，巩固所学知识，同时也清晰呈现出水泥初终凝时间的测定过程，相当于对实验内容进行预习，有利于实验教学效果的提高。

  （二）实验教学中采用多种方法提高教学效果

  1.  按照最新规范不断更新实验内容。由于土木工程材料课程所涉及的材料品种众多，规范更新频繁，因此实验教学中应随时更新教学内容。近几年是各种土木工程材料规范更新非常集中的时期，几乎每年都有新规范的出台，而教材的编写需要一定的周期，因此，本门课程的教材相对于规范是滞后的。目前还没有一本教材是全部按照新规范编写的 。 比 如 ：《 普 通 混 凝 土 配 合 比 设 计 规 程 》（JGJ55-2011）2011 年 12 月开始实行，但是绝大多数教材中的相关内容还是依据 2000 年规范编写的。在 2011 年之后陆续有多种材料颁布了新规范，这些新规范在教材中无法实现同步更新，甚至2009、2010 年出台的一些规范在很多教材中都没有更新。因此，在本门课程的教学中，需要时时关注规范的变更并不断调整教学内容。本项目实施以来，各种材料的实验教学内容均按国家现行规范进

行，实验指导书也随新规范的陆续出台不断更新。

  2.  增加实验项目类型。目前，我校土木工程材料课程共设置 5 个实验项目，总 14 学时。在传统的验证性实验项目基础上增加了设计性的实验项目——  混凝土配合比设计实验，该实验为 6 学时，占实验总学时的 42.9%。混凝土配合比设计实验要求学生根据给定条件，从初步配合比的计算到设计配合比的确定整个过程由学生独立完成，教师仅给予辅助性指导。这样使学生成为实验过程中的主体，可充分发挥学生的主观能动性，使学生必须积极地参与实验全过程，不仅使学生的各项实验技能有很大提高，同时也进一步巩固了理论教学知识。除了设计性实验项目外，同时还增加了 3 个实验选做项目，学生可根据专业及兴趣从备选项目中进行选择。 
    3.  采用多方案实验。以往的实验教学中，一般采用的是单一方案，学生的实验结果千篇一律，这不利于培养学生独立分析问题解决问题的能力。采用多方案实验，每组学生实验方案不同，有利于调动学生的积极性，通过不同组学生实验方案、实验现象及实验结果的对比，也有利于学生更好地巩固理论知识，开阔学生的视野。在本项目实施过程中，水泥实验为学生提供了32.5 等级的矿渣水泥和42.5等级的普通水泥两种水泥，其标准稠度用水量、凝结时间及各龄期强度实验结果各不相同。在混凝土配合比设计实验中，每个班将实验组数由 2 组增加到 6 组，并且每组一个题目，各组题目的工程条件、实验原材料、混凝土强度等级以及混凝土拌合物和易性等条件各不相同，这样每组计算出来的初步配合比均不相同，其试配调整的过程、配合比确定及表观密度的校正过程也各不相同，这样就使每组学生不能相互依靠，只能独立完成实验内容。从实验教学过程中也发现，因为实验工作量很大，所以每个学生都有事可做，充分激发了学生对实验教学的兴趣，同时也培养了学生分析问题解决问题的能力、实验动手能力及合作精神。

  （三）课内实验与课外实验相结合

  由于课堂教学学时有限，因此，除按教学计划完成课内实验内容外，开展一系列课外实验活动进行补充。自项目实施以来，多种多样的课外实验活动相继展开。每学期都有多项开放性实验项目，其中包含一部分与科研相结合的研究型实验项目；每年均有多项大学生创新创业训练计划项目，如 2014年的创新创业项目《聚丙烯腈纤维自密实混凝土早期抗裂性试验研究》等 3 个项目已经结题，2015 年《聚丙烯纤维高强混凝土基本力学性能试验研究》等 4 个项目正在按进度进行中。在大学生创新创业训练计划项目实施过程中，不仅提高了学生的基本理论知识，同时指导部分学生撰写课题相关论文，使其科研能力也有一定提高。此外每年土建学院均组织学生开展配合比设计大赛，组织学生多次参观沥青混凝土搅拌站和工地实验室，这些活动的开展进一步丰富了土木工程材料实验教学的教学模式。

  课堂教学中增加实验动画、视频的演示，使学生更直观地了解实验过程，同时也可以弥补实验学时不足的问题。实验教学内容应随着新规范的出台不断更新。采用多方案实验可调动学生对实验教学的积极性，有利于学生巩固知识、开阔视野，同时也可培养学生独立完成任务的能力。开展丰富多彩的课外实验与课内实验相结合，形成土木工程材料实验教学新体系。该实验教学体系可以保证教学的深度和广度，提高实验课的教学效果。

 

[1]  张长清,  金康宁.  土木工程材料创新实验教学改革的探讨与实践[J].  高等建筑教育, 2003,12（4）：73-75. 

[2]  董有尔,  唐晋娥,  张天哲.  近代物理实验教学改革的探索与实践[J].  实践技术与管理, 2001,(6)：79-82. 

[3]  张利,  等.  素质教育背景下的土木工程材料教学体系的构建[J].  高等建筑教育, 2007,16（1）：61-63.