顧亞敏，宋旭艷，郜志海

（蘇州科技大學(xué)土木工程學(xué)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(xué)生掌握通用硅酸鹽水泥的生產(chǎn)方法、物理化學(xué)性能、水化硬化機(jī)理、質(zhì)量控制和工程應(yīng)用?，F(xiàn)有實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容涵蓋了通用水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時(shí)間、體積安定性實(shí)驗(yàn)、砂石骨料篩分、水泥膠砂強(qiáng)度及混凝土強(qiáng)度檢測，這些內(nèi)容側(cè)重于對(duì)水泥混凝土原材料及性能檢測能力的培訓(xùn)，缺乏水泥混凝土配合比設(shè)計(jì)方面的實(shí)踐教學(xué)。

水泥混凝土工業(yè)在國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中發(fā)揮重要作用，中國巨大規(guī)模的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)需要大量滿足技術(shù)性能要求的水泥混凝土。而現(xiàn)有實(shí)踐教學(xué)集中在檢測水泥混凝土物理力學(xué)性能上，實(shí)驗(yàn)步驟完全按照相關(guān)規(guī)范進(jìn)行。水泥混凝土設(shè)計(jì)與制備實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的缺失，使得學(xué)生無法從實(shí)踐教學(xué)中學(xué)習(xí)如何設(shè)計(jì)混凝土、改性混凝土，無法從實(shí)踐教學(xué)中鞏固和加深學(xué)生對(duì)混凝土配合比設(shè)計(jì)、性能改進(jìn)、工程應(yīng)用等知識(shí)的深入理解。

為進(jìn)一步鞏固和加深學(xué)生對(duì)水泥混凝土等專業(yè)知識(shí)的理解，系統(tǒng)培養(yǎng)學(xué)生綜合利用所學(xué)知識(shí)分析問題、解決問題及創(chuàng)新思維能力，填補(bǔ)我院土木工程材料方向?qū)嵺`教學(xué)環(huán)節(jié)中混凝土設(shè)計(jì)與改性的空白,豐富和完善現(xiàn)有實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，土木工程材料課程教學(xué)改革中開展競賽模式的高性能混凝土實(shí)踐設(shè)計(jì)，利用工業(yè)副產(chǎn)品摻和料適量取代高能耗的傳統(tǒng)膠凝材料水泥，達(dá)到節(jié)約水泥及提高混凝土的力學(xué)性能。同時(shí)亦使學(xué)生初步了解水泥混凝土工業(yè)的環(huán)境影響、社會(huì)影響、國際影響，推動(dòng)混凝土低碳綠色化發(fā)展進(jìn)程，理解作為專業(yè)技術(shù)人員應(yīng)肩負(fù)的社會(huì)責(zé)任以及愛國情操。

1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案設(shè)計(jì)

1.1 以課堂教學(xué)為基礎(chǔ)

根據(jù)土木工程材料“主次分明，主為重點(diǎn)知識(shí)必須強(qiáng)化教學(xué)、提升深度，次為輔助性知識(shí)內(nèi)容拓寬學(xué)生視野”教學(xué)特點(diǎn)，教學(xué)內(nèi)容組織圍繞核心“水泥基混凝土”逐步擴(kuò)展，基本涵蓋通用水泥、砂石集料、功能性摻合料、耐久性評(píng)價(jià)指標(biāo)等建材單元。使學(xué)生系統(tǒng)了解課程的主體知識(shí)結(jié)構(gòu)，緩解學(xué)生因普遍的認(rèn)知不足——知識(shí)點(diǎn)煩冗、體系混沌而帶來的焦慮、畏難情緒。

在教學(xué)過程中，將混凝土配合比設(shè)計(jì)、原材料準(zhǔn)備、混凝土制備、性能檢測有機(jī)結(jié)合起來，使學(xué)生掌握混凝土膠凝組分化學(xué)成分及礦物組成、骨料級(jí)配與堆積狀態(tài)、組成與性能之間的關(guān)系。按照課堂教學(xué)計(jì)劃及進(jìn)度，合理穿插相關(guān)實(shí)驗(yàn)課程，適時(shí)開展“混凝土配合比設(shè)計(jì)—耐久性為目的”為主線的競賽實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)。整個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)中，使學(xué)生明確什么性能的混凝土符合工程實(shí)踐需求，即目標(biāo)產(chǎn)品，如何設(shè)計(jì)目標(biāo)產(chǎn)品，如何獲得目標(biāo)產(chǎn)品，如何檢測目標(biāo)產(chǎn)品并判定目標(biāo)產(chǎn)品性能是否滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)。整個(gè)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，學(xué)生表現(xiàn)出高昂的學(xué)習(xí)熱情和積極性，既可以鞏固基本理論知識(shí)，亦可以加深理論聯(lián)系實(shí)際；充分發(fā)揮學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)，激發(fā)學(xué)生自主創(chuàng)新興趣，培養(yǎng)學(xué)生具備新材料、新工藝、新技術(shù)的初步研究能力和創(chuàng)新能力。具體的實(shí)驗(yàn)安排如表1 所示。

表1 土木工程材料實(shí)驗(yàn)安排

課程實(shí)驗(yàn)內(nèi)容具有系統(tǒng)性和完整性，從原材料的選擇（制備）、物理化學(xué)性能分析、配合比關(guān)鍵參數(shù)計(jì)算、混凝土成型、養(yǎng)護(hù)、各齡期強(qiáng)度及耐久性性能評(píng)價(jià)，前一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果均是后續(xù)內(nèi)容開展的設(shè)計(jì)依據(jù)，對(duì)后續(xù)每一項(xiàng)內(nèi)容的正確性有極大的影響。項(xiàng)目的實(shí)施需要團(tuán)隊(duì)合作完成，并非個(gè)人力量獨(dú)立完成。合理有效的組織有利于競賽團(tuán)隊(duì)價(jià)值的整體提升，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)引入知識(shí)共享激勵(lì)機(jī)制，激發(fā)廣大學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，調(diào)動(dòng)學(xué)生的主觀能動(dòng)性和實(shí)踐性，培養(yǎng)學(xué)生的組織協(xié)作精神，強(qiáng)化自主學(xué)習(xí)和終身學(xué)習(xí)意識(shí)，以較好地適應(yīng)工作環(huán)境、適應(yīng)社會(huì)。因此，在項(xiàng)目建設(shè)中，要求學(xué)生具有較強(qiáng)的組織管理能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，能夠在團(tuán)隊(duì)中承擔(dān)個(gè)體、團(tuán)隊(duì)成員以及負(fù)責(zé)人的不同角色。根據(jù)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)，從以下五個(gè)方面開展競賽實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

第一，水泥的相關(guān)性能分析（2 學(xué)時(shí)）。選擇有代表性的普通硅酸鹽水泥，應(yīng)用所學(xué)水泥基膠凝材料等相關(guān)知識(shí)，分析測試水泥的比表面積、標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量、初終凝時(shí)間、體積安定性（雷氏夾和試餅法）等性能。

第二，骨料的級(jí)配曲線（2 學(xué)時(shí)）。通過砂石篩分實(shí)驗(yàn)，掌握細(xì)度模數(shù)計(jì)算方法及級(jí)配曲線圖繪制技能，并進(jìn)一步了解級(jí)配參數(shù)對(duì)細(xì)度、顆粒度分布及堆積空隙率的影響，確定經(jīng)濟(jì)合理的骨料級(jí)配參數(shù)。

第三，水泥砂漿的物理力學(xué)性能測試（2 學(xué)時(shí)）。針對(duì)不同膠砂比（C/S）、水灰比的砂漿（W/C），測試其工作性能、力學(xué)性能，包括流動(dòng)度、強(qiáng)度等，明確變量C/S、W/C對(duì)砂漿的工作性和抗壓/折的影響并掌握相關(guān)檢測方法。

第四，考慮耐久性—混凝土配合比實(shí)驗(yàn)（3 學(xué)時(shí)）。a.普通混凝土配合比：根據(jù)測定的原材料相關(guān)性能以及要求的混凝土強(qiáng)度等級(jí)和坍落度進(jìn)行配合比的理論計(jì)算，明確關(guān)鍵參數(shù)用水量、水泥量、砂率、砂石用量。計(jì)算施工配合比時(shí)，考慮對(duì)砂石的實(shí)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(xiàn)場進(jìn)行調(diào)整。b.考慮耐久性—混凝土配合比設(shè)計(jì)：了解外加劑種類和摻量以及礦物摻和料等對(duì)水泥混凝土物理力學(xué)性能的影響，根據(jù)給定的工程環(huán)境參數(shù)確定外加劑及礦物摻和料的種類和最佳摻量，并考慮經(jīng)濟(jì)性能。

第五，其他材料實(shí)驗(yàn)（1 學(xué)時(shí)）。低碳鋼的拉伸實(shí)驗(yàn)，觀察并正確理解其應(yīng)力—應(yīng)變曲線圖中的彈性、屈服、強(qiáng)化、頸縮階段，并熟悉各階段對(duì)應(yīng)的指標(biāo)及選材指導(dǎo)意義；瀝青的三大性能及指標(biāo)實(shí)驗(yàn)（演示），包括針入度、延度、軟化點(diǎn)。

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(jié)構(gòu)，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(nèi)容不僅僅是課程所學(xué)知識(shí)的掌握和應(yīng)用，還需要綜合運(yùn)用材料學(xué)基本原理、水泥制備原理、測試技術(shù)等知識(shí)，并進(jìn)一步通過文獻(xiàn)檢索、資料查詢等基本方法，自主獲取新知識(shí)，了解制備綠色高性能混凝土技術(shù)途徑和發(fā)展動(dòng)態(tài)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行原材料的選擇和設(shè)計(jì)等。同時(shí)有助于學(xué)生認(rèn)識(shí)到，為適應(yīng)科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展的形勢，適應(yīng)知識(shí)更新頻率加快的要求，僅靠課堂所學(xué)知識(shí)是不夠的，必須具有終身學(xué)習(xí)意識(shí)。

在土木工程材料課程教學(xué)之初即引入競賽機(jī)制的課程實(shí)驗(yàn)，鼓勵(lì)學(xué)生積極主動(dòng)參與競賽性實(shí)驗(yàn)，滲透競賽的激勵(lì)思想，同時(shí)借助課程教學(xué)實(shí)驗(yàn)的必修性質(zhì)大幅提高參賽面，讓絕大多數(shù)學(xué)生在參與競賽的過程中培養(yǎng)組織協(xié)調(diào)能力以及解決復(fù)雜問題的自主能力。

初賽環(huán)節(jié)，學(xué)生自由組隊(duì)（不限性別及班級(jí)），每個(gè)參賽隊(duì)伍3 人，推選隊(duì)長1 人，由隊(duì)長總體負(fù)責(zé)報(bào)名和組織參加競賽，任課老師可作為指導(dǎo)老師。初步競賽環(huán)節(jié)落實(shí)之后，根據(jù)詳細(xì)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，選出優(yōu)秀的后備隊(duì)，進(jìn)一步參加國內(nèi)相關(guān)賽事。

1.3 評(píng)比環(huán)節(jié)

由承擔(dān)土木工程材料課程的系部及任課老師擔(dān)任初步競賽的評(píng)委，按照制定的內(nèi)容綜合評(píng)價(jià)課程實(shí)驗(yàn)中具體表現(xiàn)，給出各參賽組成績：實(shí)驗(yàn)過程及結(jié)果的正確性（35分）；實(shí)驗(yàn)報(bào)告的規(guī)范性、完整性（25 分）；混凝土配合比計(jì)算的規(guī)范性和準(zhǔn)確性（10 分）；混凝土的設(shè)計(jì)指標(biāo)與實(shí)測結(jié)果的相關(guān)度（10 分）；實(shí)驗(yàn)過程及結(jié)果誤差分析（10 分）；實(shí)驗(yàn)過程中自主解決問題的能力（5 分）；實(shí)驗(yàn)過程中的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力（5 分）。

根據(jù)各參賽組的綜合成績以及實(shí)驗(yàn)過程中各成員表現(xiàn)，評(píng)選優(yōu)秀參賽隊(duì)及優(yōu)秀隊(duì)員，設(shè)立一、二、三等獎(jiǎng)若干隊(duì)以及單項(xiàng)獎(jiǎng)若干名，頒發(fā)相應(yīng)證書及獎(jiǎng)狀。

1.4 引入新知識(shí)的課題競賽教學(xué)方法

當(dāng)代00 后大學(xué)的普遍特點(diǎn)是競爭意識(shí)強(qiáng)、興趣愛好廣泛、團(tuán)隊(duì)協(xié)作差，對(duì)自我感興趣的事物專注度非常高，充分調(diào)動(dòng)大學(xué)生的競賽意識(shí)，利用他們較為熟練的網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)，內(nèi)在驅(qū)動(dòng)其自主查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料。集中利用課程的課堂預(yù)習(xí)復(fù)習(xí)時(shí)間，增設(shè)“一課一問”知識(shí)問答環(huán)節(jié)，拓展材料新知識(shí)、新技術(shù)、新應(yīng)用，豐富課堂教學(xué)內(nèi)容，且課堂探討氛圍濃厚，學(xué)生積極參與。

1.5 基于教學(xué)—研討模式組織團(tuán)隊(duì)

在初賽環(huán)節(jié)中表現(xiàn)優(yōu)秀的團(tuán)隊(duì)以及突出的個(gè)人將進(jìn)一步迎戰(zhàn)無機(jī)非金屬材料教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)主辦的“全國大學(xué)生混凝土材料設(shè)計(jì)大賽”。該比賽每兩年舉辦一次，根據(jù)不同年級(jí)學(xué)生的專業(yè)知識(shí)強(qiáng)度差異，合理選拔不同年級(jí)的學(xué)生參與比賽，高年級(jí)的學(xué)生專業(yè)知識(shí)基礎(chǔ)扎實(shí)且專業(yè)理論知識(shí)面廣，低年級(jí)學(xué)生亦有自己的獨(dú)特優(yōu)勢即學(xué)習(xí)韌性強(qiáng)，且部分學(xué)生的興趣廣泛、創(chuàng)新能力強(qiáng)。通過適當(dāng)?shù)募?lì)措施增加高年級(jí)和低年級(jí)組員間專業(yè)知識(shí)的共享，同時(shí)適當(dāng)增加多元化知識(shí)的探討，有利于參賽小組整體價(jià)值的提升。在團(tuán)隊(duì)訓(xùn)練期間，嘗試本科生教學(xué)—研究生培養(yǎng)模式相融合，加強(qiáng)土木工程材料專業(yè)知識(shí)強(qiáng)度的學(xué)習(xí)及理解，培養(yǎng)學(xué)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(xué)生投身建設(shè)祖國的信念更加堅(jiān)定。

2 結(jié)語

基于競賽模式的建筑材料課程教學(xué)，大幅提高本科生的專業(yè)學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新實(shí)踐技能，強(qiáng)化學(xué)生材料設(shè)計(jì)能力、科研能力，了解綠色建材發(fā)展過程并增強(qiáng)其社會(huì)責(zé)任感。