李福海，靳賀松，胡丁涵，馮志華，王奕彬，李固華

(西南交通大學 土木工程學院,四川 成都 610031)

新世紀,全球化成為世界發(fā)展的顯著特征。在全球化時代,高層次人才對社會各領域的發(fā)展有著重要作用,世界各國教育領域越來越注重高級人才的培養(yǎng)。事實上,國家競爭力與高層次綜合人才之間的關系密不可分。作為高等教育的重要組成部分,本科生教育對中國夢的實現(xiàn)及綜合國力的提高有著舉足輕重的作用,本科生國際化培養(yǎng)也逐漸成為一種趨勢,日益受到教育界乃至全社會的高度關注。當前,高校對本科為土木、水利等工科專業(yè)大學生的動手操作、邏輯思維、自主解決問題、理論聯(lián)系實際及創(chuàng)新能力的培養(yǎng)十分重視,希望通過實驗教學等創(chuàng)新手段,激發(fā)學生對專業(yè)課的積極性,提升學生的實踐創(chuàng)新能力,其中建筑材料實驗至關重要。通過部分用人單位的反饋,歸納匯總出當代工科大學生存在的問題,包括:創(chuàng)新應用能力不足、動手操作能力差；土木工程、基材基礎知識掌握不牢固等。當前,土木材料應用十分廣泛,如道路、橋梁、隧道、房屋等工程,土木基材的質(zhì)量、性能與建筑物的耐久性、安全性、可靠性等有較大關聯(lián),并直接關系著人民的生命及財產(chǎn)安全[1]。此外,隨著經(jīng)濟技術的快速發(fā)展,科學信息技術的創(chuàng)新突破,各種新型材料應用于土木工程中成為常事,所以高校應該足夠重視建筑材料實驗教學。現(xiàn)階段,建筑材料實驗原有的教學觀念、教學內(nèi)容、方法及考核標準等比較傳統(tǒng),不能順應當代教育潮流,且不能適應當前高校實驗教學對培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力的要求[2]。正因如此,絕大多數(shù)院校的建筑材料課程都進行了一定的改革探索,文獻[3-9]都對土木工程材料實驗教學改革進行了思考總結(jié)和探索實踐。

本文總結(jié)了國內(nèi)高校建筑材料教學中的不足,介紹了日本、美國、澳大利亞、加拿大以及德國5個國外教育重國的高校建筑與土木工程材料教學經(jīng)驗和改革創(chuàng)新措施,并對中國高校土木建筑材料實驗教學提出了一些建議。

1 中國高校建筑材料實驗課程現(xiàn)狀與不足

土木工程材料課程知識點繁多,體系分散,需要記憶性的知識較多,各章節(jié)內(nèi)容關聯(lián)性不大,課堂上師生互動性環(huán)節(jié)較少,缺乏溝通交流,部分學生由于學習習慣而厭倦機械性記憶的學習方法,導致沒有興趣甚至曠課[10]。

目前,國內(nèi)土木工程材料實驗課的教學質(zhì)量和水平雖然有所提高,重視程度比以往要好,師生積極主動性有所改善,但是與國外高校仍存在一定差距。國內(nèi)高校普遍存在把理論與科研學術作為重點、忽視實踐動手操作的現(xiàn)象,這對培養(yǎng)學生的實踐能力和創(chuàng)新素質(zhì)有著負面影響[11]。匯總起來,國內(nèi)土木工程材料實驗主要存在以下問題。

1.1 課程涵蓋內(nèi)容多、課時少、內(nèi)容不系統(tǒng)

建筑材料實驗都是以基礎性實驗為主,除了材料的基本性能外,還包括標準稠度用水量、膠砂強度試驗、砂石篩分、視密度、堆積密度、含水率試驗、新拌和混凝土和易性、表觀密度試驗、鋼材冷彎、硬度、沖擊、拉伸試驗、瀝青延度測定、針入度、軟化點試驗等幾大類材料的簡單基礎性實驗,然后又細分為若干個材料性能驗證實驗,其中涉及各種不同性能指標的原材料,內(nèi)容多而繁瑣、比較分散,因此,實驗課程的內(nèi)容較多,但課時相對較少[12]。以西南交通大學土木工程專業(yè)的建筑材料實驗課程為例,其課程內(nèi)容與課時安排如表1所示。

表1 實驗課程課時安排表

1.2 課程內(nèi)容缺乏實例與邏輯關聯(lián)，學生興趣不高

缺乏創(chuàng)新型、多學科結(jié)合、綜合類型的實驗,實驗內(nèi)容以材料特點性質(zhì)為主,主要涉及基本概念、敘述性理論、經(jīng)驗性結(jié)論等內(nèi)容,學生興致不高。此外,本課程所涉及的材料種類繁多、各體系間幾乎沒有關聯(lián)邏輯,基礎知識較多、更強調(diào)記憶性,而大多數(shù)本科生更習慣于傳統(tǒng)的計算及問題思考,青睞具有工程實體化的知識點。建筑材料作為基礎學科,更注重材料基本性能,與實際聯(lián)系較少,相關的工程案例較匱乏,學生普遍覺得內(nèi)容枯燥。因此,較多學生學習主動性差,僅為了完成學分任務而學習,忽視了建筑材料的基礎重要性。普遍為應付期末考試而被迫學習,并不能為后續(xù)專業(yè)課程的深造打好基礎,造成本科生質(zhì)量較差、人才培養(yǎng)計劃效果不明顯,更阻礙了學生實踐能力的培養(yǎng)[12]。

1.3 實驗教學時間有紕漏

高校建筑材料課程課時較少,一般實驗課是在課下組織,在指導教師安排下,學生利用空余時間去完成實驗。由于土木專業(yè)學生人數(shù)較多,班級不同,所選指導老師不同,并且可能與其他科目課程時間相撞,課外時間也不統(tǒng)一,所以協(xié)調(diào)統(tǒng)一實驗時間比較困難,導致部分學生實驗課時間有沖突,或者部分學生投機取巧不去做實驗,最后蒙混過關,對實驗教學造成不利的循環(huán)影響。此外,實驗項目較多,一般要多次才能完成,實驗管理過程比較困難,對學生指導也不充分,學生掌握情況不能明確了解[11]。

1.4 實驗質(zhì)量欠佳

在建筑材料教學體系中,實驗教學能充分鍛煉學生動手實踐能力。土木工程材料實驗課絕大部分為驗證性實驗。一般模式首先是實驗教師介紹實驗內(nèi)容、儀器設備、實驗操作、課后思考問題等,然后學生遵循教師或教材所述步驟進行操作,重復過程,獲得實驗數(shù)據(jù)、得到實驗結(jié)果、完成實驗報告。這種教學模式是現(xiàn)階段中國高校的傳統(tǒng)模式,實質(zhì)上只能起到讓學生初步了解材料實驗的作用。整個過程依然是教師是主體,學生是客體,不能讓學生充分發(fā)揮創(chuàng)新創(chuàng)造的潛能,造成學生缺乏實踐主動性和興趣性。此外,大部分實驗都是驗證已知結(jié)論,內(nèi)容乏味且單一,思考分析時受到數(shù)據(jù)成果量少的局限,不能對課堂理論充分消化；發(fā)現(xiàn)問題、解決問題、獨立思考、創(chuàng)新探索的能力不能得到充分鍛煉[13]。因此,培養(yǎng)具有多元綜合發(fā)展的應用型人才,不僅需要驗證性實驗來鞏固基礎理論,還需要開設綜合性實驗來消化扎實知識,更需要設計性的實驗來鍛煉學生的創(chuàng)新能力。另外,由于實驗教學只是輔助教學并沒有考核,加上實驗小組成員較多,因此部分學生因個人、環(huán)境等因素而不重視實驗,讓其他學生來完成,最后通過抄襲數(shù)據(jù)、復制他人報告來完成課程要求,這種情況也時有發(fā)生。

1.5 實驗指導人員熱情不高

高校實驗指導教師工作未能得到應有重視,實驗教師工作熱情不高。高校本科生的實驗一般都是在研究生的指導下進行,實驗教師一般只是正常出勤。此外,高校對教師每年的考核要求較為嚴格,尤其對教師學術水平要求很高,需要申請縱向課題、橫向課題,如自然基金、科研創(chuàng)新課題、國家級項目或省部級項目,并取得一定的科研成果,這就導致實驗教師輕視了實驗教學[11]。

1.6 實驗教學內(nèi)容相對滯后

實驗內(nèi)容陳舊,主要集中于粗細骨料砂石、鋼筋等材料,實驗中沒有融入新材料,比如纖維、化學添加劑等。此外,工程實踐中應用的新技術、新工藝在教材中體現(xiàn)較少,有些傳統(tǒng)材料可能已經(jīng)被新材料取代,但實驗教學仍在使用,沒有及時更換,實驗教材中并沒體現(xiàn)材料新規(guī)范、新標準的更新情況[12]。教學方式跟不上時代形式,主要為基礎性、驗證性實驗,沒有增添創(chuàng)新個性設計實驗,學生積極性減弱,只是為了完成任務而做實驗,對于學生個性培養(yǎng)發(fā)揮的作用不大。

1.7 課程考核方式單一

建筑材料考核一般為期末考試成績與平時成績的綜合,實驗成績只是在平時成績中略有體現(xiàn),比重較小,這也是造成學生重理論、輕實驗的重要原因。另外,很多高校存在學生平時不注重過程學習、考前抱佛腳的現(xiàn)象。學生實驗成績是依據(jù)學生實驗報告來評定的,但是實驗報告幾乎都是形式、結(jié)果類似,忽略了實驗過程中學生的表現(xiàn),或者依據(jù)報告書寫來評判,導致不公平現(xiàn)象時有發(fā)生,進而影響學生上實驗課的興趣與積極性。一般實驗報告評判標準如表2所示。所以,課程考核合格,并不能體現(xiàn)出學生的真實情況,課程考核模式急需改革[12]。

表2 實驗報告評判標準

2 國外高校建筑材料課程現(xiàn)狀與經(jīng)驗

2.1 美國

美國高校在教學過程中,把實驗教學分階段完成:首先,學生在教師帶領下初步了解實驗設備以及操作方法,掌握必備的實驗技能；其次,實驗教師指導學生完成一些基礎性實驗,讓學生了解實驗方法、實驗過程、實驗思維等；最后,學生自己設計并獨立完成實驗,然后分析實驗結(jié)果,其中教師只是配角,主角是學生。在美國,為培養(yǎng)學生創(chuàng)新獨立自主能力,讓學生及時地了解并掌握新本領,高校與教師都會在實驗教學中講述新設備與新方法,使學生體會到現(xiàn)代科技和學術科研,并且為后續(xù)課程學習、將來的工作和科研奠定基礎。這種教學方式能夠達到教學目的,讓實驗教學在高校人才培養(yǎng)過程中充分發(fā)揮作用[14]。

2.2 加拿大

加拿大高校除了注重學生的獨立自主性,還注重綜合設計性實驗,培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維,他們每年定期舉辦各種有關土木工程材料的學科競賽,如設計混凝土輕舟等。這些競賽對學生要求較高,需要學生了解并熟知建筑材料的理論知識,還強調(diào)學生的實踐動手能力,并且學生需要獨立完成競賽題目的仿真模擬、設計構(gòu)思、動手制作等[11]。這類競賽活動不僅讓學生對混凝土基本材料性能有了加深鞏固,并對相關土木學科課程的知識有了清晰的了解,還對學生的創(chuàng)新個性發(fā)展以及團隊合作能力有極大的幫助[15]。

2.3 德國

德國高校的實驗課堂十分活躍,學生和老師之間互動性強,雙方可以互相提問,提問的知識面很廣泛,可以充分發(fā)揮自己的想象,鍛煉自己的創(chuàng)新思維,這種 “主動”性課堂可以較好地讓學生掌握知識。此外,德國大學實驗室一般全天性開放,并且實驗室有專業(yè)教師為學生提供答疑輔助。每個學生都有機會去學習各種實驗儀器設備,可以自己設計實驗,然后利用開放性實驗室去探尋自己的設想,還可以自由地發(fā)揮,充分鍛煉自己的動手實踐能力和獨立自主性,有助于培養(yǎng)個人思考、分析、解決問題的能力,也營造了良好的學習氛圍,有助于提高學生學習的積極性[16]。

2.4 日本

日本高校堅持以學生為主體,充分尊重學生的選擇,在課程設置上,盡量滿足學生要求并加強綜合課程的開設,讓學生可以隨著興趣自由選擇,這樣可以調(diào)動學生的主動性。同時,堅持科研與教學并行,學校積極調(diào)動教師的興致,扭轉(zhuǎn)“重科研,輕教學”的局面,并且學校增設了一些有助于創(chuàng)造性培養(yǎng)的教育課程以及學科交叉課程,使其與專業(yè)課相結(jié)合,努力讓學生做到德智體全面發(fā)展。此外,學生實驗完成后,教師非常重視引導學生對實驗結(jié)果的研究分析,這是國外實驗教學中非常值得我們借鑒的做法。在學生進行實驗的時候,教師主動做好獲取實驗參數(shù),分析實驗現(xiàn)象的引導,有助于學生開闊視野[17]。

2.5 澳大利亞

澳大利亞學生在高校實驗室可完成多種實驗,實驗內(nèi)容適合工科學生三年課程和土木系學生前兩年的課程,實驗室為學生提供各種便利,如實驗儀器借用、實驗指導與答疑等。這些實驗包括建筑材料的許多基本內(nèi)容,注重基礎性,可以鞏固知識體系,為后期學習掃除障礙,也是對所學理論課內(nèi)容的演示與補充,讓學生學會各種設備的使用方法,了解儀器的適用范圍,為以后的工作學習做好充分的準備,協(xié)助學生分析思考實驗中的問題、實驗現(xiàn)象,等。此外,澳洲高校與時俱進,注重將最新的實驗方法、測試技術和儀器設備引進實驗教學中,以更新的成果內(nèi)容為依據(jù),及時做出實驗安排與修訂最新的指導書,讓學生及時了解、接觸新事物,學會新技術本領[18]。

3 對中國高校建筑材料實驗課程教學改革的建議

3.1 實驗教學內(nèi)容的改革

1)按照 “以軟帶硬、資源共享”的實驗室建設方針,不斷更新實驗內(nèi)容和實驗教材,借鑒美國等國家知名大學教材,突出教材的綜合性和前沿性。

2)結(jié)合培養(yǎng)目標,簡化理論,突出實踐能力的培養(yǎng),從實驗教學理念出發(fā),將實驗教學項目和實驗教學內(nèi)容劃分為由淺入深的縱向 “2＋2”4個層次,即基本型實驗、綜合設計型實驗、工程實踐型實驗、個性化創(chuàng)新型實驗。結(jié)構(gòu)體系如圖1所示。

在教學過程中,以提升學生綜合素質(zhì)為依托,以讓學生掌握知識、提升解決問題的能力為目的,結(jié)合工程實例來講解細化材料學理論,做到精簡、通俗易懂、深入人心、生動形象,著重培養(yǎng)學生的實踐應用能力。如在講述纖維混凝土時,重點突出纖維的性能和特點優(yōu)勢,對于纖維的增韌機理盡量形象化、數(shù)量化,同時結(jié)合一些纖維增韌抗震的工程案例來詮釋纖維在混凝土中的重要性。這樣,既能讓學生對纖維特性和應用有深刻的理解,也開拓了學生的知識面,為以后的工作生活提供了知識素材。

3.2 實驗教學方法的改革

1)借助電子課件、適當板書分析的課堂教學。

土木建筑材料實驗課程內(nèi)容繁雜、知識點細而多且課時較少,所以結(jié)合實際情況授課以電子課件為主,這種教學方法能夠做到充分利用課時、生動講解實驗內(nèi)容,令學生印象深刻[12]。研發(fā)和購置先進的實驗教學設備,實現(xiàn)實驗教學手段的現(xiàn)代化；開發(fā)研制虛擬實驗教學系統(tǒng)和實驗教學網(wǎng)絡預習系統(tǒng),采用多媒體技術、電子教案、實驗教學視頻等現(xiàn)代化手段提高實驗教學質(zhì)量和效率。以優(yōu)良的實驗室硬件條件和優(yōu)質(zhì)教學資源支撐實驗教學體系的不斷更新。

圖1 實驗教學體系

此外,電子課件教學,不僅豐富了授課的信息量、充分利用了課時時間,而且可將結(jié)合工程實例的實物照片、實驗視頻、施工操作、施工問題等在課上充分展示,可以使在校學生能更直觀形象地觀察到各種材料的特性、應用范圍,深刻了解工程實例,有助于學生掌握材料的理論。如在介紹纖維混凝土的抗彎力學性能及試件制作注意事項時,引入相關的實驗視頻,并結(jié)合現(xiàn)場的實驗照片,在教師的講解下,可以讓學生深入掌握材料的機理特性。但是多媒體教學也有缺陷,如教學節(jié)奏快、學生記憶模糊等,所以,實驗課前可把每節(jié)實驗課的實驗步驟、目的、方法、儀器設備、實驗關鍵點、注意事項和問題分析寫在黑板上,讓學生提前充分了解。實驗過程中涉及的計算問題、機理數(shù)值化分析等最好在課堂上書寫演示給同學們,這樣能充分發(fā)揮課堂教學的作用,保證學生高效地完成學業(yè)。

2)采用與工程實例相結(jié)合教學。

實驗教學中理論分析講解時可結(jié)合具體的工程實例,如劣質(zhì)材料、配合比不準、材料性能劣化等造成工程事故的案例。如在介紹鋼材時,通過插入 “9.11”美國世貿(mào)大廈火災事故,可以講述鋼材耐火性能；在講解特種混凝土時可以結(jié)合舊金山-奧克蘭海灣大橋的實例講述結(jié)構(gòu)輕混凝土的特性；引入吉隆坡雙子塔的實例來了解高性能混凝土的性質(zhì)與優(yōu)勢。這種案例與理論相結(jié)合的教學,不僅可以勾起學生的興趣,也可以將繁瑣的理論知識形象具體化,使學生上課注意力更加集中、思維更加開闊,學生對材料的理解更容易,知識掌握得更快,有助于打好基礎,而且課上對工程實例的剖析講解有助于開拓學生的眼界,培養(yǎng)學生理論聯(lián)系實際的能力,為學生在以后工作生活中遇到的困難提供一定的科學依據(jù)與參考。

3)開放實驗室,增設探索性綜合實驗內(nèi)容。

增加學生自主實驗比例,設立個性化實驗室,構(gòu)建以學生為主體的實驗教學模式,注重發(fā)揮學生自主、合作、研究的學習方式。在基礎性教學實驗的基礎上,可開設一些探索型、綜合型、設計型、開放型實驗內(nèi)容,如再生骨料的合理利用,纖維對混凝土的增韌分析,各種環(huán)境條件對混凝土力學性能、工作性能的影響,各種性質(zhì)混凝土的配合比優(yōu)化實驗,原材料的選擇對混凝土耐久性能的影響。借助實驗室網(wǎng)絡平臺,讓學生自己根據(jù)興趣自由選擇喜歡的實驗項目,由學生自由分組、獨立思考、自由分工,學生作為主角,充分發(fā)揮自己的創(chuàng)新思維,并且這些實驗項目均在課下空余時間完成,具體時間與實驗教師協(xié)商,以此激發(fā)學生的學習激情、提高學生的綜合素質(zhì)。最后按照要求自主完成探索性實驗,并完成實驗成果,然后,可以根據(jù)完成效果打分,并且讓學生獲得額外的加分1～5分。這樣,不僅可以提高學生學習、實踐、思考、創(chuàng)新能力,而且可以使學生懂得科學實驗的嚴謹性、復雜性、嚴密性,有利于學生養(yǎng)成獨立自主、善于合作、團結(jié)嚴肅、認真負責的生活習慣,提升個人的綜合素質(zhì),增加個人科研實踐閱歷[13]。

4)加強師生教與學之間的互動。

優(yōu)秀的教學效果與質(zhì)量不僅需要教師授課內(nèi)容豐富合理、授課方式接納度高,還需要學生課上興趣高、注意力集中、勤于思考、思維活躍等。在每節(jié)課開始后10 min,教師可以通過提問的方式對之前實驗課的內(nèi)容進行回顧,既能保證學生對上節(jié)課實驗內(nèi)容進行復習,還可以讓學生快速進入課堂,以便高效地完成新的實驗。實驗的過程中,教師可以提出一些開放性的問題,激發(fā)學生的邏輯思維,引導學生建立知識體系,同時也能讓學生注意力集中,專注于實驗。指導教師還可以額外布置一些創(chuàng)新型內(nèi)容,以此培養(yǎng)學生的綜合能力,提升學習積極性。此外,實驗后可以布置一些作業(yè),參考工程規(guī)范標準、他人文獻并結(jié)合自己的實驗成果進行深入學習,然后以學術論文、讀書報告、讀書日志或者PPT的形式與同學老師分享討論,還可以舉辦學術講座,舉行建筑材料設計競賽等科技活動。教學實踐表明,這些做法可以形成良好的學習氛圍,顯著提高學生學習積極性,有利于培養(yǎng)學生良好的學習習慣,同時也豐富學生的校園生活,鍛煉自主查閱文獻資料、自行解決困難、撰寫科技小論文、PPT演講等多方面的能力[12]。

3.3 實驗課程考核方式的改革

現(xiàn)階段,我國大多數(shù)高校教學的考核方式一般為期末理論考試與平時測驗相結(jié)合的綜合測評,甚至有些學校仍然實行 “一卷定成績”的簡單化的考核方式,這種傳統(tǒng)的考核方式容易造成學生考前突擊過關、教學質(zhì)量下降。為確保學生平時注意學習積累、課上學習熱情高漲、真正掌握專業(yè)知識,進行單一化考核的改革勢在必行。課程考核方面不再遵循一次考試定成績的方式,而采取期末理論考試、期中階段測試、課上回答問題口試、平時出勤、課后作業(yè)、實驗相結(jié)合的綜合考核方式,考核標準如表3所示。平時成績主要包括課程出勤、課后作業(yè)、課堂討論、隨堂練習等情況,占總評成績的30%。課程實驗成績的比重為總評成績的20%,由三部分組成,總計100分,實驗過程中的操作、回答問題及課后的清潔整理等表現(xiàn)40分,實驗報告20分,實驗綜合考核40分,實驗成績比重分配如圖2(a)所示。期末理論考試及口試可以較均衡全面考核出學生對課程的掌握程度,還能充分鍛煉學生的邏輯思維、語言組織能力、嚴謹縝密的答題方式,也能提升學生的心理素質(zhì)、自信心等,期末理論考試及口試各占總評成績的25%,成績比重分配如圖2(b)所示。這種綜合考核方式,可以促進良好學風的形成,讓學生對平時學習和實驗有足夠的重視,并注重知識體系的串聯(lián),知識點、重點難點的日常積累,有利于培養(yǎng)學生綜合素質(zhì)。

表3 建筑材料課程考核標準表

圖2 建筑材料成績比重

4 結(jié)束語

該文針對國內(nèi)高校教學現(xiàn)狀,分析了其中的不足與局限,并借鑒國外高校教學的經(jīng)驗,為改變國內(nèi)建筑材料實驗課程教學改革提供了參考。教學內(nèi)容需要不斷更新,與最前沿理論接軌,不斷更新實驗指導書。同時,教學方法也需要與時俱進,可以適當增添學術講座、采取案例教學模式、舉行建筑材料創(chuàng)新競賽、設置個性化實驗并在實驗后讓學生編寫論文等。此外,實驗考核需要轉(zhuǎn)變,除了實驗報告的撰寫作為考核標準外,學生在實驗過程中的表現(xiàn)、實驗中的問題回答、提出問題等表現(xiàn)也列為實驗成績的考核范圍。通過這一系列舉措,使建筑材料實驗課程真正發(fā)揮作用,讓學生充分鍛煉自己的主動性、個性創(chuàng)新、動手操作、理論聯(lián)系實踐等能力。