顧亞敏，宋旭艷，郜志海

（蘇州科技大學土木工程學院，江蘇 蘇州 215011）

前言

土木工程材料是我院土木類工科專業(yè)必修課，要求學生掌握通用硅酸鹽水泥的生產方法、物理化學性能、水化硬化機理、質量控制和工程應用?，F有實踐教學內容涵蓋了通用水泥標準稠度用水量、凝結時間、體積安定性實驗、砂石骨料篩分、水泥膠砂強度及混凝土強度檢測，這些內容側重于對水泥混凝土原材料及性能檢測能力的培訓，缺乏水泥混凝土配合比設計方面的實踐教學。

水泥混凝土工業(yè)在國民經濟發(fā)展中發(fā)揮重要作用，中國巨大規(guī)模的基礎設施建設需要大量滿足技術性能要求的水泥混凝土。而現有實踐教學集中在檢測水泥混凝土物理力學性能上，實驗步驟完全按照相關規(guī)范進行。水泥混凝土設計與制備實踐教學環(huán)節(jié)的缺失，使得學生無法從實踐教學中學習如何設計混凝土、改性混凝土，無法從實踐教學中鞏固和加深學生對混凝土配合比設計、性能改進、工程應用等知識的深入理解。

為進一步鞏固和加深學生對水泥混凝土等專業(yè)知識的理解，系統(tǒng)培養(yǎng)學生綜合利用所學知識分析問題、解決問題及創(chuàng)新思維能力，填補我院土木工程材料方向實踐教學環(huán)節(jié)中混凝土設計與改性的空白,豐富和完善現有實踐教學內容，土木工程材料課程教學改革中開展競賽模式的高性能混凝土實踐設計，利用工業(yè)副產品摻和料適量取代高能耗的傳統(tǒng)膠凝材料水泥，達到節(jié)約水泥及提高混凝土的力學性能。同時亦使學生初步了解水泥混凝土工業(yè)的環(huán)境影響、社會影響、國際影響，推動混凝土低碳綠色化發(fā)展進程，理解作為專業(yè)技術人員應肩負的社會責任以及愛國情操。

1 實驗教學方案設計

1.1 以課堂教學為基礎

根據土木工程材料“主次分明，主為重點知識必須強化教學、提升深度，次為輔助性知識內容拓寬學生視野”教學特點，教學內容組織圍繞核心“水泥基混凝土”逐步擴展，基本涵蓋通用水泥、砂石集料、功能性摻合料、耐久性評價指標等建材單元。使學生系統(tǒng)了解課程的主體知識結構，緩解學生因普遍的認知不足——知識點煩冗、體系混沌而帶來的焦慮、畏難情緒。

在教學過程中，將混凝土配合比設計、原材料準備、混凝土制備、性能檢測有機結合起來，使學生掌握混凝土膠凝組分化學成分及礦物組成、骨料級配與堆積狀態(tài)、組成與性能之間的關系。按照課堂教學計劃及進度，合理穿插相關實驗課程，適時開展“混凝土配合比設計—耐久性為目的”為主線的競賽實驗環(huán)節(jié)。整個實驗教學環(huán)節(jié)中，使學生明確什么性能的混凝土符合工程實踐需求，即目標產品，如何設計目標產品，如何獲得目標產品，如何檢測目標產品并判定目標產品性能是否滿足設計目標。整個實驗環(huán)節(jié)，學生表現出高昂的學習熱情和積極性，既可以鞏固基本理論知識，亦可以加深理論聯系實際；充分發(fā)揮學生創(chuàng)新意識，激發(fā)學生自主創(chuàng)新興趣，培養(yǎng)學生具備新材料、新工藝、新技術的初步研究能力和創(chuàng)新能力。具體的實驗安排如表1 所示。

表1 土木工程材料實驗安排

課程實驗內容具有系統(tǒng)性和完整性，從原材料的選擇（制備）、物理化學性能分析、配合比關鍵參數計算、混凝土成型、養(yǎng)護、各齡期強度及耐久性性能評價，前一項實驗結果均是后續(xù)內容開展的設計依據，對后續(xù)每一項內容的正確性有極大的影響。項目的實施需要團隊合作完成，并非個人力量獨立完成。合理有效的組織有利于競賽團隊價值的整體提升，在實驗教學環(huán)節(jié)引入知識共享激勵機制，激發(fā)廣大學生的學習積極性，調動學生的主觀能動性和實踐性，培養(yǎng)學生的組織協(xié)作精神，強化自主學習和終身學習意識，以較好地適應工作環(huán)境、適應社會。因此，在項目建設中，要求學生具有較強的組織管理能力、團隊協(xié)作能力，能夠在團隊中承擔個體、團隊成員以及負責人的不同角色。根據課程實驗教學目標，從以下五個方面開展競賽實驗項目。

第一，水泥的相關性能分析（2 學時）。選擇有代表性的普通硅酸鹽水泥，應用所學水泥基膠凝材料等相關知識，分析測試水泥的比表面積、標準稠度需水量、初終凝時間、體積安定性（雷氏夾和試餅法）等性能。

第二，骨料的級配曲線（2 學時）。通過砂石篩分實驗，掌握細度模數計算方法及級配曲線圖繪制技能，并進一步了解級配參數對細度、顆粒度分布及堆積空隙率的影響，確定經濟合理的骨料級配參數。

第三，水泥砂漿的物理力學性能測試（2 學時）。針對不同膠砂比（C/S）、水灰比的砂漿（W/C），測試其工作性能、力學性能，包括流動度、強度等，明確變量C/S、W/C對砂漿的工作性和抗壓/折的影響并掌握相關檢測方法。

第四，考慮耐久性—混凝土配合比實驗（3 學時）。a.普通混凝土配合比：根據測定的原材料相關性能以及要求的混凝土強度等級和坍落度進行配合比的理論計算，明確關鍵參數用水量、水泥量、砂率、砂石用量。計算施工配合比時，考慮對砂石的實際含水率，試配拌合物工作性是否滿足要求，若不符合要求，現場進行調整。b.考慮耐久性—混凝土配合比設計：了解外加劑種類和摻量以及礦物摻和料等對水泥混凝土物理力學性能的影響，根據給定的工程環(huán)境參數確定外加劑及礦物摻和料的種類和最佳摻量，并考慮經濟性能。

第五，其他材料實驗（1 學時）。低碳鋼的拉伸實驗，觀察并正確理解其應力—應變曲線圖中的彈性、屈服、強化、頸縮階段，并熟悉各階段對應的指標及選材指導意義；瀝青的三大性能及指標實驗（演示），包括針入度、延度、軟化點。

1.2 初步競賽環(huán)節(jié)

競賽主題是以普通水泥為膠凝材料，砂、石為混凝土中骨架結構，摻和料（礦物摻和料及外加劑）作為耐久性獲得的保障。競賽內容不僅僅是課程所學知識的掌握和應用，還需要綜合運用材料學基本原理、水泥制備原理、測試技術等知識，并進一步通過文獻檢索、資料查詢等基本方法，自主獲取新知識，了解制備綠色高性能混凝土技術途徑和發(fā)展動態(tài)，在此基礎上進行原材料的選擇和設計等。同時有助于學生認識到，為適應科學技術飛速發(fā)展的形勢，適應知識更新頻率加快的要求，僅靠課堂所學知識是不夠的，必須具有終身學習意識。

在土木工程材料課程教學之初即引入競賽機制的課程實驗，鼓勵學生積極主動參與競賽性實驗，滲透競賽的激勵思想，同時借助課程教學實驗的必修性質大幅提高參賽面，讓絕大多數學生在參與競賽的過程中培養(yǎng)組織協(xié)調能力以及解決復雜問題的自主能力。

初賽環(huán)節(jié)，學生自由組隊（不限性別及班級），每個參賽隊伍3 人，推選隊長1 人，由隊長總體負責報名和組織參加競賽，任課老師可作為指導老師。初步競賽環(huán)節(jié)落實之后，根據詳細的評價標準，選出優(yōu)秀的后備隊，進一步參加國內相關賽事。

1.3 評比環(huán)節(jié)

由承擔土木工程材料課程的系部及任課老師擔任初步競賽的評委，按照制定的內容綜合評價課程實驗中具體表現，給出各參賽組成績：實驗過程及結果的正確性（35分）；實驗報告的規(guī)范性、完整性（25 分）；混凝土配合比計算的規(guī)范性和準確性（10 分）；混凝土的設計指標與實測結果的相關度（10 分）；實驗過程及結果誤差分析（10 分）；實驗過程中自主解決問題的能力（5 分）；實驗過程中的團隊協(xié)作能力（5 分）。

根據各參賽組的綜合成績以及實驗過程中各成員表現，評選優(yōu)秀參賽隊及優(yōu)秀隊員，設立一、二、三等獎若干隊以及單項獎若干名，頒發(fā)相應證書及獎狀。

1.4 引入新知識的課題競賽教學方法

當代00 后大學的普遍特點是競爭意識強、興趣愛好廣泛、團隊協(xié)作差，對自我感興趣的事物專注度非常高，充分調動大學生的競賽意識，利用他們較為熟練的網絡信息技術，內在驅動其自主查閱相關文獻資料。集中利用課程的課堂預習復習時間，增設“一課一問”知識問答環(huán)節(jié)，拓展材料新知識、新技術、新應用，豐富課堂教學內容，且課堂探討氛圍濃厚，學生積極參與。

1.5 基于教學—研討模式組織團隊

在初賽環(huán)節(jié)中表現優(yōu)秀的團隊以及突出的個人將進一步迎戰(zhàn)無機非金屬材料教學指導委員會主辦的“全國大學生混凝土材料設計大賽”。該比賽每兩年舉辦一次，根據不同年級學生的專業(yè)知識強度差異，合理選拔不同年級的學生參與比賽，高年級的學生專業(yè)知識基礎扎實且專業(yè)理論知識面廣，低年級學生亦有自己的獨特優(yōu)勢即學習韌性強，且部分學生的興趣廣泛、創(chuàng)新能力強。通過適當的激勵措施增加高年級和低年級組員間專業(yè)知識的共享，同時適當增加多元化知識的探討，有利于參賽小組整體價值的提升。在團隊訓練期間，嘗試本科生教學—研究生培養(yǎng)模式相融合，加強土木工程材料專業(yè)知識強度的學習及理解，培養(yǎng)學生的科研思維能力。通過比賽的鍛煉及專業(yè)的熏陶，就業(yè)率以及讀研率可以得到一定程度的提高，學生投身建設祖國的信念更加堅定。

2 結語

基于競賽模式的建筑材料課程教學，大幅提高本科生的專業(yè)學習興趣和創(chuàng)新實踐技能，強化學生材料設計能力、科研能力，了解綠色建材發(fā)展過程并增強其社會責任感。