段海娟， 陳 兵

（上海交通大學(xué)土木工程系，上海200240）

0 引 言

土木工程材料是土木工程類各專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，該課程在土木工程類各專業(yè)的教學(xué)體系中起著承上啟下的作用，是學(xué)生由基礎(chǔ)課向?qū)I(yè)課過渡的橋梁［1］。通過學(xué)習(xí)這門課使學(xué)生了解土木工程材料的基本性質(zhì)與應(yīng)用，掌握其基本的檢測手段和方法。實驗教學(xué)與理論教學(xué)相輔相成，是理工類專業(yè)培養(yǎng)人才的重要組成部分。學(xué)生在理論教學(xué)上學(xué)到的基本概念、基本理論和基本技能要通過實驗去體驗和驗證［2］。隨著“雙一流”建設(shè)的發(fā)展，實驗教學(xué)面臨著更高的要求和挑戰(zhàn)。實驗教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生動手能力、解決問題能力、激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新意識、培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度、提高學(xué)術(shù)綜合素質(zhì)的重要途徑，這個是理論教學(xué)不可替代的［3］。通過實驗教學(xué)，在理解、深化、拓展理論知識、提高動手能力的同時，訓(xùn)練學(xué)生敏銳的觀察力、豐富的想象力，形成創(chuàng)新思維，逐步培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力［4］。

隨著科技的發(fā)展，新型土木工程材料的種類越來越多，應(yīng)用日益廣泛。新材料的標(biāo)準(zhǔn)不斷頒布。與土木工程材料生產(chǎn)應(yīng)用日新月異相比較，現(xiàn)行土木工程材料實驗教學(xué)的內(nèi)容和方法相對落后。因此為了創(chuàng)新實驗教學(xué)模式，優(yōu)化實驗教學(xué)內(nèi)容設(shè)計，提升實驗教學(xué)效果，創(chuàng)建“雙一流”土木工程學(xué)科，提出了引入研究性實驗的土木工程材料實驗教學(xué)模式。

1 土木工程材料實驗教學(xué)的現(xiàn)狀

1.1 教學(xué)內(nèi)容陳舊且不系統(tǒng)

目前土木工程材料的教學(xué)實驗內(nèi)容主要包括土木工程材料的基本物理性質(zhì)、水泥、普通混凝土、砌體材料和瀝青材料等實驗。其中水泥實驗包含水泥細(xì)度、凝結(jié)時間、安定性、強(qiáng)度實驗。普通混凝土實驗包含混凝土用骨料、配合比、稠度、強(qiáng)度實驗。實驗內(nèi)容多且繁瑣，但實驗課時卻很少。以我校土木工程專業(yè)的土木工程材料實驗課程為例，該課程的實驗課只有8學(xué)時，導(dǎo)致一些實驗只能做演示實驗。另外，現(xiàn)有的實驗內(nèi)容局限于砂石、水泥等傳統(tǒng)的建筑材料。工程實踐中應(yīng)用的新材料很少出現(xiàn)在現(xiàn)有的教學(xué)實驗中，一些材料在工程中可能已經(jīng)淘汰，但在教學(xué)中還在使用。一些材料新規(guī)范、新標(biāo)準(zhǔn)在實驗教材中也沒有體現(xiàn)［5-6］。這些教學(xué)內(nèi)容很難引起學(xué)生的興趣，學(xué)生積極性減弱，結(jié)果造成了學(xué)生實驗?zāi)康牟粔蛎鞔_，只是為了完成任務(wù)而做實驗，對于學(xué)生能力的培養(yǎng)作用不大。

1.2 教學(xué)方法和過程缺乏新意

目前很多院校的教學(xué)實驗設(shè)備臺套和實驗教師不足，實驗中5或6人1組，無法實現(xiàn)單獨實驗或人數(shù)較少的小組實驗，甚至某些實驗由于設(shè)備有限，無法向?qū)W生開展而僅做演示。教學(xué)內(nèi)容以常規(guī)性、驗證性實驗為主。

教學(xué)過程一般首先是實驗教師介紹實驗?zāi)康?、實驗?nèi)容、儀器設(shè)備、實驗步驟等，然后學(xué)生按照教師或教材所述實驗步驟進(jìn)行操作，獲得實驗數(shù)據(jù)、得到實驗結(jié)果、完成實驗報告。這種傳統(tǒng)的實驗教學(xué)，是材料固定、過程規(guī)定、結(jié)果已知的驗證性實驗，只能讓學(xué)生初步了解土木工程材料實驗的過程。在整個過程中學(xué)生缺乏主動性，學(xué)生發(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［7-8］。

1.3 考核方式單一

課程任課教師在課程的最終成績評定時，實驗部分占總成績的比例很低，一般10%左右。并沒有體現(xiàn)出實驗的重要性，因此學(xué)生也對實驗并不重視。另外成績評定依據(jù)是實驗報告和出勤情況，而實驗報告包括實驗儀器、實驗步驟和實驗結(jié)果等內(nèi)容。由于幾個同學(xué)一組，因此同一組同學(xué)的實驗報告幾乎一樣，成績也很難體現(xiàn)差異。

2 研究性實驗的教學(xué)實踐

現(xiàn)有土木工程材料實驗的教學(xué)內(nèi)容、方法和考核標(biāo)準(zhǔn)不能滿足當(dāng)前人才培養(yǎng)的需要，為了更好地激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)其主動探究、獨立思考和科研實踐的能力，有必要對現(xiàn)有實驗教學(xué)模式進(jìn)行改革，以提高教學(xué)質(zhì)量［9-10］?；趯I(yè)培養(yǎng)目標(biāo)和土木工程材料實驗的特點，仔細(xì)梳理了實驗教學(xué)的內(nèi)容，根據(jù)現(xiàn)有條件提出引入研究性實驗的教學(xué)模式，建立以學(xué)生為主體的教學(xué)模式，充分調(diào)動學(xué)生的主動性與積極性［11-12］。

研究性實驗是指由老師給定實驗要求和實驗條件，學(xué)生通過文獻(xiàn)查閱、了解相關(guān)材料的性能和作用、設(shè)計實驗方案、完成實驗操作、獲得實驗結(jié)果，以及分析實驗過程中現(xiàn)象。研究性實驗是對驗證性實驗的進(jìn)一步提升，研究性實驗沒有固定的模式和實驗步驟，不能按部就班地進(jìn)行實驗操作，學(xué)生必須發(fā)揮自己在實驗過程中的主動性［13-14］。

研究性實驗的內(nèi)容一般選自本專業(yè)教師的研究課題拓展的實驗課題，具有新穎、緊密聯(lián)系實際等特點。至今我校已開展的研究性實驗項目有高性能混凝土、輕質(zhì)混凝土、透水混凝土和墻體保溫材料等。下面以高性能混凝土實驗為例探討研究性實驗在土木工程材料實驗教學(xué)中的實踐。

2.1 實驗前資料檢索和實驗設(shè)計

高性能混凝土是指混凝土的所有性能都達(dá)到較高的水平，具有耐久性好、高強(qiáng)度指標(biāo)、流動性好的重要特點。高性能混凝土以耐久性作為設(shè)計的主要指標(biāo)，耐久性取決于抗?jié)B性、抗凍性、抗侵蝕性、抗碳化性、耐磨性、堿-骨料反應(yīng)以及抗干燥收縮的體積穩(wěn)定性等。而這些性質(zhì)與混凝土的水灰比及某些活性礦物混合料的摻量相關(guān)。另外高性能混凝土在配置上的特點是采用低水膠比，低水膠比將導(dǎo)致流動性差。如何解決這些問題，必須添加摻加料（礦物細(xì)等）和高效外加劑，需要對混凝土的配方進(jìn)行多次優(yōu)化與嘗試，通過調(diào)整配比或添加外加劑來滿足工作性能要求。

為有效指導(dǎo)研究性實驗，編制了高性能混凝土設(shè)計與制備指導(dǎo)書，實驗前發(fā)給學(xué)生。針對在高性能混凝土配合比設(shè)計中水泥漿與骨料比、用水量、水泥量、減水劑的種類與用量、礦物摻合料的種類與用量、粗細(xì)骨料的比例這些問題，老師對涉及的基本理論和原理進(jìn)行講解，并給學(xué)生提供一些參考資料。學(xué)生在實驗前利用課余時間查閱相關(guān)文獻(xiàn)和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，自行設(shè)計高性能混凝土的配合比。并通過教材熟悉實驗及儀器操作。在這個過程中，學(xué)生必須積極搜集資料，主動思考，努力尋找解決方案，學(xué)生由被動地接受知識轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃拥靥骄浚矠榕囵B(yǎng)其科研能力創(chuàng)造了條件。

2.2 研究性實驗的實施與指導(dǎo)

實驗過程中，學(xué)生3～5人1組，自由組合，自選組長，共同完成實驗。每個小組在閱讀文獻(xiàn)資料后，提出實驗方法，制定具體的實驗方案，擬定實驗進(jìn)展計劃，小組成員具體分工。實驗前提交給老師審核。若有不足和需要改進(jìn)的地方，老師提出建議，學(xué)生再次修改方案。實驗方案獲得老師同意后，實施實驗。實驗結(jié)束后撰寫實驗報告（除了基本實驗儀器、實驗步驟和實驗結(jié)果等），包括一些思考題的回答，如養(yǎng)護(hù)條件對混凝土強(qiáng)度的影響、粉煤灰摻量對膠砂強(qiáng)度的影響等。

為便于同學(xué)之間、師生間交流，建立相應(yīng)的微信群，在群里發(fā)布實驗的相關(guān)資料和信息。學(xué)生有疑問可以及時得到解答。在實驗的整個過程，包括實驗前的方案設(shè)計、實驗中的操作、結(jié)果分析，學(xué)生是主體，不再是機(jī)械地完成老師布置的實驗任務(wù)。老師的角色類似顧問，學(xué)生在實驗的設(shè)計和實驗實施過程中遇到的問題，小組成員間共同討論，及與老師交流。通過多交流、多討論，啟發(fā)和引導(dǎo)學(xué)生主動思考和解決問題。老師鼓勵實驗小組內(nèi)部成員之間有實際的合作，促使每一位學(xué)生真正參與實驗中。教學(xué)實踐表明，通過研究性實驗的實施，形成了良好的學(xué)習(xí)氛圍，鍛煉了學(xué)生查閱文獻(xiàn)、解決問題、團(tuán)隊合作、撰寫小論文等多方面的能力。

2.3 研究性實驗的考核與成績評定

對研究性實驗的考核與驗收是保證特色實驗教學(xué)質(zhì)量的重要組成部分，實驗通過實驗報告和小組答辯兩方面進(jìn)行考核。實驗報告包括實驗設(shè)計的思路、實施過程結(jié)果分析。在此基礎(chǔ)上制作成匯報的演示文稿。指導(dǎo)教師組織團(tuán)隊成員進(jìn)行答辯，評委老師由任課老師、實驗課老師、助教或邀請其他本專業(yè)的老師擔(dān)任。評委根據(jù)項目內(nèi)容完成情況、解決問題的能力、團(tuán)隊合作、成員分工等給出成績。實驗的最終成績由實驗報告成績和答辯成績組成，兩者各占50%。研究性實驗實施方案如表1所示。

表1 研究性實驗實施方案

3 研究性實驗的效果評價

研究性實驗從2012年開始實施，通過幾年的教學(xué)改革實踐發(fā)現(xiàn)，學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和教學(xué)效果得到提高，體現(xiàn)在以下幾方面：

（1）拓寬專業(yè)知識面，提升實驗技能。研究性實驗涉及的實驗內(nèi)容和儀器較為全面，為學(xué)生提供了應(yīng)用多種專業(yè)儀器和鞏固并運用所學(xué)知識的渠道，提高了學(xué)生動手能力、觀察能力以及綜合利用所學(xué)知識解決問題的能力。

（2）提高合理分工和團(tuán)隊協(xié)作的能力。以前的實驗中，學(xué)生只要按照教材的實驗步驟完成實驗即可。由于設(shè)備少的原因經(jīng)常一個小組中只是一兩位同學(xué)在操作，其他同學(xué)在邊上看。實施研究性實驗后，每位同學(xué)都要參與。比如有的同學(xué)負(fù)責(zé)減水劑的性能和使用方面的資料收集，有的同學(xué)負(fù)責(zé)實驗方案的設(shè)計，有同學(xué)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的整理等，在反復(fù)調(diào)整配合比中，大家一起討論。培養(yǎng)了學(xué)生實事求是、團(tuán)結(jié)協(xié)作、勇于探索、大膽質(zhì)疑的科學(xué)素養(yǎng)。

（3）激發(fā)科研興趣，提升創(chuàng)新能力。研究性實驗的開展，學(xué)生對土木工程材料課程的學(xué)習(xí)積極性明顯提高。一些優(yōu)秀的實驗項目參加校、市科技競賽都取得了較好的成績。一些同學(xué)利用這些研究性實驗項目申請到全國大學(xué)生創(chuàng)新性實驗項目。從而貫徹了“教、學(xué)、做、研”四位一體的綜合教學(xué)模式［15］。

4 結(jié) 語

土木工程材料作為一門實踐性與基礎(chǔ)性并重的課程。在分析土木工程專業(yè)實驗教學(xué)的目的和作用及現(xiàn)有實驗不足的基礎(chǔ)上，提出了研究性實驗的教學(xué)模式，研究性實驗是對傳統(tǒng)實驗教學(xué)的補(bǔ)充與深化。教學(xué)實踐表明，研究性實驗取得了較好的教學(xué)效果。引入研究性實驗加強(qiáng)了學(xué)生對專業(yè)知識的理解和應(yīng)用能力，開拓了專業(yè)視野，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)和科研的興趣，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新能力。如何融合信息化教學(xué)技術(shù)，開發(fā)更科學(xué)的實驗教學(xué)模式，優(yōu)化研究性實驗的實施，培養(yǎng)出“雙一流”建設(shè)背景下的創(chuàng)新人才，是下一步持續(xù)探索的目標(biāo)和方向。