朱 洪 波

(同濟(jì)大學(xué) 先進(jìn)土木工程材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201804)

0 引 言

水泥的“細(xì)度和密度”“標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時(shí)間和安定性”“水泥膠砂、混凝土工作性及強(qiáng)度”等項(xiàng)目是土木工程材料及其相關(guān)專業(yè)的必修實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容，目前對(duì)其傳統(tǒng)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ竭M(jìn)行改革的討論相當(dāng)熱烈，其中提出較多的有開放性[1-3]、設(shè)計(jì)性[4-7]、綜合性[8-10]、研究創(chuàng)新性[11-12]等實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，以及多方式結(jié)合[13]、問題導(dǎo)向式[14]、多方案[15-16]、塔式[17]或多層次[18-19]等改革方案，分別通過增加相關(guān)實(shí)驗(yàn)材料、開放實(shí)驗(yàn)室、結(jié)合工程案例與科研項(xiàng)目、針對(duì)不同實(shí)驗(yàn)安排差異化內(nèi)容等方式實(shí)現(xiàn)改革目標(biāo)。事實(shí)上，現(xiàn)代土木工程中已經(jīng)很少單獨(dú)使用水泥，而是普遍將其與粉煤灰、礦粉、外加劑等材料一起用于制備混凝土，如果將這些材料的主要性能也通過上述實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目來檢驗(yàn)和評(píng)價(jià)，并以此作為實(shí)驗(yàn)?zāi)康闹?，則不僅可在完成傳統(tǒng)課程目標(biāo)的同時(shí)擴(kuò)展相關(guān)知識(shí)，還能提高學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)的興趣。作者曾就此設(shè)計(jì)出綜合性實(shí)驗(yàn)方案[20]，試用效果良好，在實(shí)踐中又總結(jié)出開發(fā)性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，對(duì)吸引學(xué)生的參與積極性和豐富課程內(nèi)容作用明顯。

1 開發(fā)性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的作用及內(nèi)容

1.1 作用

傳統(tǒng)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)存在的缺陷已有共識(shí)，包括過程機(jī)械、印象不深、啟發(fā)性不足、收獲有限及參與實(shí)驗(yàn)的積極性和主動(dòng)性不高等，并且還不利于教師對(duì)實(shí)驗(yàn)課成績(jī)的評(píng)價(jià)。開發(fā)性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的技術(shù)思路是將實(shí)驗(yàn)課程變成一次科研活動(dòng)，最終使學(xué)生獲得一些科研結(jié)果，而教學(xué)大綱規(guī)定的實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、目?biāo)和要求則包含在這些科研活動(dòng)中，學(xué)生為達(dá)目的自然要熟悉相關(guān)操作規(guī)程并嚴(yán)格執(zhí)行，其結(jié)果明顯克服了驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的缺陷。

1.2 內(nèi)容

1.2.1課時(shí)與內(nèi)容安排

實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目與課時(shí)安排如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目及課時(shí)安排

由于強(qiáng)度測(cè)試一般在試樣養(yǎng)護(hù)28 d后進(jìn)行，所以，通常將表1中編號(hào)1的“水泥膠砂及混凝土成型”項(xiàng)目安排在實(shí)驗(yàn)課周期內(nèi)的較早時(shí)段，尤其混凝土成型還涉及大量的配比設(shè)計(jì)知識(shí)，所以宜將其分別安排2個(gè)課時(shí)進(jìn)行。其他項(xiàng)目時(shí)間則可自由安排，但因安定性測(cè)試要在成型第二天進(jìn)行，所以項(xiàng)目2與3的課程宜安排為連日進(jìn)行。

1.2.2實(shí)驗(yàn)材料和儀器

(1) 實(shí)驗(yàn)材料。除了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)所需的水泥、標(biāo)準(zhǔn)砂、混凝土粗細(xì)集料等原材料以及測(cè)試勃氏比表面積用的標(biāo)準(zhǔn)粉和測(cè)試真密度用的煤油輔助材料外，同時(shí)準(zhǔn)備減水劑和2種摻合料，包括粉煤灰和礦渣粉，另外自制安定性不合格水泥，可以用過燒CaO與合格水泥配制，將市售的化學(xué)試劑CaCO3放在高溫爐內(nèi)，以1 300 ℃以上的溫度連續(xù)燒2～3 h，可得到過燒的CaO，密閉保存后可多次使用。

引入不同實(shí)驗(yàn)材料也是一些研究者提出的改革方法[21-22]，上述增加的粉煤灰和礦渣粉是目前工程中普遍應(yīng)用的材料，而增加安定性不合格水泥顯然能夠加深學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的認(rèn)識(shí)[22]。

(2) 實(shí)驗(yàn)儀器。與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課程要求一致，包括勃氏比表面積測(cè)定儀，水泥細(xì)度負(fù)壓篩，水泥凈漿，膠砂和混凝土攪拌機(jī)及其成型振動(dòng)臺(tái)，膠砂流動(dòng)度跳桌，沸煮箱，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱，烘箱等儀器，以及電子秤、比重瓶、標(biāo)準(zhǔn)法維卡儀及其配套的初、終凝凝結(jié)時(shí)間測(cè)試針、凈漿流動(dòng)度試模、玻璃板、雷氏夾、三聯(lián)砂漿試模、混凝土試模和小刀、鋼直尺、坍落度桶、搗棒等器具和量具。

所不同的是，因?yàn)橐獙?duì)比多種材料的性能，所以要增加一些簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)裝置，如比重瓶和凝結(jié)時(shí)間、安定性、三聯(lián)砂漿、混凝土等試樣的成型模具。如果課時(shí)或器具有限，也可在不增加課時(shí)及器具條件下安排不同小組進(jìn)行不同材料的實(shí)驗(yàn)，互相對(duì)比，也能獲得同樣效果。

1.2.3實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

(1) 細(xì)度和密度。該測(cè)試采用3種材料：水泥60 g，粉煤灰40 g，礦渣粉50 g。不同材料進(jìn)行密度測(cè)試時(shí)所稱量的質(zhì)量不同，這是因?yàn)槠涿芏炔煌?，要適應(yīng)為水泥密度測(cè)試而設(shè)計(jì)的比重瓶及其容量，必須采用相應(yīng)的測(cè)試樣質(zhì)量。

(2) 標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量(以代用法中“固定用水量”方法為例)、凝結(jié)時(shí)間和安定性。按照表2分別采用5種材料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，其中粉煤灰和礦粉替代水泥的比例分別為30%和50%，這是為了滿足不同摻合料活性指數(shù)測(cè)試方法的要求，通過該配合比表的設(shè)計(jì)不僅驗(yàn)證了水泥的標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量，也能看到粉煤灰、礦粉和減水劑對(duì)稠度的影響。凝結(jié)時(shí)間和安定性根據(jù)實(shí)驗(yàn)獲得的標(biāo)準(zhǔn)稠度來進(jìn)行，同樣能了解粉煤灰、礦粉和減水劑對(duì)凝結(jié)時(shí)間的影響。將安定性合格與不合格水泥匿名編號(hào)，讓學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)檢測(cè)出來，從而可將驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)變?yōu)檠芯宽?xiàng)目。

表2 標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量實(shí)驗(yàn)配合比 g

表中：“*”表示安定性不合格水泥

(3) 水泥膠砂流動(dòng)度及混凝土坍落度，膠砂、混凝土成型及強(qiáng)度。分別按照表3、表4進(jìn)行4種材料的實(shí)驗(yàn)，可檢驗(yàn)出摻合料和外加劑對(duì)膠砂、混凝土工作性和強(qiáng)度的影響。通過表4的混凝土配合比設(shè)計(jì)，不僅可以通過減水之后要相應(yīng)改變砂石摻量來適應(yīng)材料總量2 400 kg/m3的配合比設(shè)計(jì)原則，還能看到減水后混凝土強(qiáng)度的大幅度提高，可加深學(xué)生對(duì)減水劑作用的直觀理解。表2～4中，減水劑按照其摻膠凝材料1%條件下達(dá)到20%減水率的產(chǎn)品設(shè)計(jì)摻量，也可以在有減水劑的膠砂流動(dòng)度和混凝土坍落度實(shí)驗(yàn)組中不固定用水量，而是要求學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)求得該減水劑在1%摻量下的減水率，即可將驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)化為開發(fā)性實(shí)驗(yàn)。

表3 膠砂實(shí)驗(yàn)配合比 g

表4 混凝土實(shí)驗(yàn)配合比 kg/m3

1.2.4實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，讓各組把結(jié)果統(tǒng)一展示并進(jìn)行簡(jiǎn)評(píng)與討論。通過展示首先可發(fā)現(xiàn)特別異常的結(jié)果，可就此討論影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可能因素，包括稱量或操作誤差、原材料波動(dòng)、儀器異常等；然后教師可針對(duì)一些學(xué)生感興趣或?qū)W(xué)生具有啟發(fā)性的話題展開深入討論，各實(shí)驗(yàn)可選擇的討論內(nèi)容見表5。

表5 實(shí)驗(yàn)討論內(nèi)容

由表5可見，開發(fā)性實(shí)驗(yàn)課程關(guān)注討論與實(shí)驗(yàn)相關(guān)的擴(kuò)展知識(shí)內(nèi)容，引導(dǎo)學(xué)生將所學(xué)或即將學(xué)習(xí)的知識(shí)與所開展的實(shí)驗(yàn)相結(jié)合并產(chǎn)生聯(lián)想，從中領(lǐng)悟出更深刻的水泥基材料科學(xué)內(nèi)涵，不僅加深了對(duì)實(shí)驗(yàn)本身重要性的認(rèn)識(shí)，而且可將相關(guān)知識(shí)融會(huì)貫通，其有益作用顯然會(huì)高于簡(jiǎn)單重復(fù)規(guī)范操作的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。

另外，建議在每個(gè)實(shí)驗(yàn)報(bào)告的最后增加一項(xiàng)“實(shí)驗(yàn)心得”內(nèi)容，可讓學(xué)生在此總結(jié)從實(shí)驗(yàn)中得到的收獲和感想，對(duì)進(jìn)一步加深學(xué)生掌握各實(shí)驗(yàn)要領(lǐng)很有幫助。

2 效果評(píng)價(jià)

上述開發(fā)性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)分別應(yīng)用于土木工程和材料科學(xué)與工程(建材方向)專業(yè)的水泥材料實(shí)驗(yàn)課程，由于這2個(gè)專業(yè)的課時(shí)安排不同，前者共5次10學(xué)時(shí)，按照表1的課時(shí)安排；后者共7次21學(xué)時(shí)，根據(jù)表1增加1次膠砂流動(dòng)性實(shí)驗(yàn)并將項(xiàng)目4的膠砂與混凝土強(qiáng)度測(cè)試分開進(jìn)行，所以分別采取了不同組做不同材料以及每組均完成不同材料的兩種實(shí)驗(yàn)安排，對(duì)比以前采用的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，均獲得了顯著的教學(xué)改進(jìn)效果，主要體現(xiàn)在：

(1) 參與實(shí)驗(yàn)的積極性明顯提高，實(shí)驗(yàn)過程中氣氛更加活躍，學(xué)生的提問內(nèi)容涉及更廣泛的領(lǐng)域，通過實(shí)驗(yàn)啟發(fā)學(xué)生思考的作用凸顯。

(2) 討論更加熱烈，相應(yīng)地實(shí)驗(yàn)報(bào)告內(nèi)容也更加充實(shí)。過去驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)報(bào)告千篇一律，除了少數(shù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以外大多抄錄標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，開發(fā)性實(shí)驗(yàn)激發(fā)學(xué)生產(chǎn)生更多的聯(lián)想，在報(bào)告中所呈現(xiàn)的內(nèi)容更加豐富且各具特色。

(3) 基本教學(xué)目標(biāo)得到保證。雖然實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)和討論主題不像過去驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ较聫?qiáng)調(diào)對(duì)方法、流程等基本實(shí)驗(yàn)知識(shí)的了解和掌握，但由于開發(fā)性實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)中已經(jīng)涵蓋了嚴(yán)格執(zhí)行操作規(guī)程的內(nèi)容，否則無法獲得正確結(jié)果，因此學(xué)生在預(yù)習(xí)中更加仔細(xì)地學(xué)習(xí)了實(shí)驗(yàn)操作要領(lǐng)并認(rèn)真執(zhí)行，原有教學(xué)目標(biāo)得到保障。

3 結(jié) 論

(1) 通過增加粉煤灰、礦粉、減水劑和安定性不合格水泥等材料并提出研究性的實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，設(shè)計(jì)出開發(fā)性水泥基材料實(shí)驗(yàn)課程。分別測(cè)試水泥、粉煤灰和礦渣粉的細(xì)度及密度；進(jìn)行純水泥、內(nèi)摻30%粉煤灰及內(nèi)摻50%礦渣粉的標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時(shí)間、安定性、膠砂及混凝土的強(qiáng)度測(cè)試等實(shí)驗(yàn)；在安定性實(shí)驗(yàn)中，通過對(duì)比安定性合格與不合格水泥，加深學(xué)生對(duì)該實(shí)驗(yàn)操作和對(duì)結(jié)果評(píng)價(jià)的認(rèn)識(shí)。

(2) 開發(fā)性實(shí)驗(yàn)顯著提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和參與實(shí)驗(yàn)的積極性，實(shí)驗(yàn)與討論內(nèi)容更加豐富，激發(fā)學(xué)生產(chǎn)生更多的聯(lián)想，并且原有教學(xué)目標(biāo)得到保障。

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