孫國(guó)強(qiáng)， 祁 越， 張金喜， 丁勇杰， 曹志龍

（北京工業(yè)大學(xué)交通工程北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100124）

0 引言

在高?！半p一流”本科教育與“新工科”教育建設(shè)的背景下，如何培養(yǎng)造就一大批引領(lǐng)未來技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的卓越工程科技人才，是當(dāng)今高校教育工作者需深入研究的重要課題［1］。道路建筑材料是道路橋梁與渡河工程、交通工程等本科專業(yè)的必修專業(yè)基礎(chǔ)課程，同時(shí)也是路基路面工程、道路工程養(yǎng)護(hù)與管理等課程的基礎(chǔ)前導(dǎo)課，在教學(xué)中應(yīng)積極面向“雙一流”與新工科建設(shè)要求，升級(jí)教學(xué)理念、模式和方法，以夯實(shí)學(xué)生理論基礎(chǔ)、加強(qiáng)工程技能、激發(fā)創(chuàng)新能力。

然而，道路建筑材料課程傳統(tǒng)教學(xué)模式難以勝任該目標(biāo)［2］。教育部《關(guān)于深化本科教育教學(xué)改革全面提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的意見》指出“探索拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式，促進(jìn)科研與教學(xué)互動(dòng)，及時(shí)把科研成果轉(zhuǎn)化為教學(xué)內(nèi)容”。韓麗平等［3］將科研成果反哺開放性創(chuàng)新試驗(yàn)教學(xué)，激發(fā)了學(xué)生的科研熱情和創(chuàng)新精神?？梢?，將科研反哺教學(xué)成為突破道路建筑材料課程傳統(tǒng)教學(xué)瓶頸的可靠方案［4］。此外，教育部《關(guān)于一流本科課程建設(shè)的實(shí)施意見》提出將國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目納入一流本科課程建設(shè)，并出臺(tái)《教育部關(guān)于開展國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)工作的通知》具體指導(dǎo)。孫艷娜等［5］采用Flash 技術(shù)開發(fā)了瀝青虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，變革了實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式，提升了實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)與線下實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，在“能實(shí)不虛”的基礎(chǔ)上探索線上線下虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式成為解決傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)弊端的有效途徑［6］。

結(jié)合道路建筑材料課程多年理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐，本文以高性能灌注式半柔性路面材料性能創(chuàng)新試驗(yàn)為例，分析了科研反哺教學(xué)模式的意義、過程和推廣方式，以瀝青及混合料實(shí)驗(yàn)為例開展虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究。

1 道路建筑材料課程教學(xué)現(xiàn)狀

1.1 理論教學(xué)

“課前預(yù)習(xí)—課堂講授—課后作業(yè)”是“道路建筑材料”課程傳統(tǒng)的理論教學(xué)模式，然而這種課堂模式難以激發(fā)學(xué)生獨(dú)立思考與創(chuàng)新能力［9］。

（1）課前預(yù)習(xí)指導(dǎo)與重視不夠。道路建筑材料課程知識(shí)點(diǎn)雜多，教師通常對(duì)學(xué)生的課前預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)不夠重視，學(xué)生難以高效預(yù)習(xí)課前專業(yè)內(nèi)容，無法培養(yǎng)其自學(xué)與獨(dú)立思考能力。

（2）課程講授內(nèi)容陳舊滯后。由于道路建筑材料理論研究與工程實(shí)踐的逐步深入，課程的知識(shí)體系也隨之不斷更新。然而，一些教師教學(xué)過程缺乏新理論、新方法與新技術(shù)的融入。

（3）課堂教學(xué)方法與模式老舊僵化。道路建筑材料課程知識(shí)點(diǎn)雜多且較分散，傳統(tǒng)灌輸式講授知識(shí)的教學(xué)模式難以有效培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)和創(chuàng)新的能力。

1.2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)

“原理講述—教師演示—學(xué)生重復(fù)”是道路建筑材料課程傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，教師以講授實(shí)驗(yàn)原理步驟或播放視頻為主，并完成實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備與演示工作，學(xué)生則通過觀看演示、重復(fù)操作驗(yàn)證的方式參與，該模式不利于引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行探索性創(chuàng)新學(xué)習(xí)［7］。

（1）實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式單一。傳統(tǒng)機(jī)械式實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式涉及綜合性知識(shí)、自主設(shè)計(jì)性的內(nèi)容較少，難以激發(fā)學(xué)生的開放發(fā)散思維，難以培養(yǎng)學(xué)生系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案的能力。

（2）實(shí)驗(yàn)報(bào)告內(nèi)容簡(jiǎn)單。實(shí)驗(yàn)報(bào)告是道路建筑材料實(shí)驗(yàn)課程的主要成果，然而大多學(xué)生僅簡(jiǎn)單羅列實(shí)驗(yàn)步驟與測(cè)試結(jié)果，鮮有學(xué)生能獨(dú)立思考實(shí)驗(yàn)過程。加之一些實(shí)驗(yàn)所需設(shè)備材料與步驟復(fù)雜，而有些實(shí)驗(yàn)耗時(shí)長(zhǎng)而課時(shí)有限，這些客觀因素也影響了實(shí)驗(yàn)報(bào)告完成質(zhì)量。

（3）考核方式不夠準(zhǔn)確全面。道路建筑材料實(shí)驗(yàn)課程的考核多從出勤率、實(shí)驗(yàn)報(bào)告等方面進(jìn)行評(píng)定，該方式易使學(xué)生產(chǎn)生應(yīng)付考核的想法，對(duì)于學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)十分不利。

2 高性能灌注式半柔性路面材料性能科研試驗(yàn)反哺

2.1 科研反哺教學(xué)模式的建設(shè)意義

將“某城市快速公交（BRT）車站與大縱坡段鋪裝技術(shù)研究與應(yīng)用示范”中半柔性路面材料試驗(yàn)研究?jī)?nèi)容融入“道路建筑材料”本科課堂理論教學(xué)，并通過創(chuàng)新試驗(yàn)小組進(jìn)行材料設(shè)計(jì)與性能測(cè)試的部分內(nèi)容，旨在實(shí)現(xiàn)科研精神、科研成果、科研方法與教學(xué)內(nèi)容的深入交融。對(duì)學(xué)生而言，科研反哺教學(xué)有利于強(qiáng)化理論知識(shí)的理解和應(yīng)用，增強(qiáng)動(dòng)手操作能力，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新精神和對(duì)專業(yè)學(xué)習(xí)的興趣。對(duì)教師而言，可豐富教學(xué)內(nèi)容，創(chuàng)新教育理念。

2.2 半柔性路面材料的應(yīng)用背景及設(shè)計(jì)成形

2.2.1 應(yīng)用背景

BRT車道渠化交通明顯、車輛接地壓強(qiáng)高，尤其在站點(diǎn)車輛加減速、剎車啟動(dòng)頻繁，使路面反復(fù)承受較大推移和剪切壓實(shí)作用［8］。為解決BRT 車道路面的車轍病害，研制了一種高性能灌注式半柔性路面材料（下稱半柔性路面材料）。采用常規(guī)瀝青混合料性能試驗(yàn)方法（JTG E20-2011 公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程）測(cè)試了半柔性路面材料各路用性能，成果可對(duì)面向BRT等重載重交通場(chǎng)景的半柔性路面建設(shè)提供借鑒。

2.2.2 材料設(shè)計(jì)成形

選用高性能商用水泥材料為膠凝材料，以0.25 的水灰比制備灌漿料，依據(jù)T/CECS G：D51-01-2019 道路灌注式半柔性路面技術(shù)規(guī)程（下稱半柔性路面規(guī)程）測(cè)試發(fā)現(xiàn)水泥灌漿料的流動(dòng)度、泌水率及干縮率均滿足要求［9］，灌漿料隨養(yǎng)護(hù)齡期不斷水化，強(qiáng)度逐漸提高（見圖1）。一般灌漿料抗壓強(qiáng)度5.0 MPa以上即可開放交通，本研究灌漿料1 d 抗壓強(qiáng)度高達(dá)31 MPa，7 d 抗壓強(qiáng)度為60 MPa，遠(yuǎn)高于規(guī)程要求（≥15 MPa），顯著縮短開放交通時(shí)間。

圖1 水泥灌漿料強(qiáng)度變化

采用體積法設(shè)計(jì)半柔性路面材料的基體大孔隙瀝青混合料（SFP-13），高黏瀝青A 作為膠結(jié)料，粗集料選擇單一粒徑9.5 ～13.2 mm，細(xì)集料為連續(xù)級(jí)配，空隙率為25.81%，油石比為2.5%。SMA-13 混合料為對(duì)比材料，高黏瀝青B為膠結(jié)料，油石比為6.1%。級(jí)配曲線見圖2（a），瀝青性能見表1。按半柔性路面規(guī)程制作試驗(yàn)試件，首先制備基體瀝青混合料，待其冷卻至50 ℃以下，將試件底部和周圍密封進(jìn)行頂面灌漿，在標(biāo)準(zhǔn)條件下［（20 ±2）℃、相對(duì)濕度＞95%］養(yǎng)護(hù)，成形試件截面見圖2（b）。

表1 高黏改性瀝青主要性能

圖2 半柔性路面材料設(shè)計(jì)

科研反哺教學(xué)的內(nèi)容：①水泥的性能指標(biāo)及技術(shù)要求；②水泥凈漿的養(yǎng)護(hù)方式與強(qiáng)度形成；③瀝青的三大指標(biāo)、黏度指標(biāo)及技術(shù)要求；④瀝青混合料的組成結(jié)構(gòu)及級(jí)配設(shè)計(jì)方法；⑤瀝青混合料及水泥凈漿的成形方法。

2.3 半柔性路面材料性能評(píng)價(jià)

2.3.1 馬歇爾試驗(yàn)性能

由圖3 可見，與灌漿料強(qiáng)度增長(zhǎng)規(guī)律一致，半柔性路面材料穩(wěn)定度隨齡期增長(zhǎng)而顯著增大。養(yǎng)護(hù)3 d后半柔性路面材料穩(wěn)定度是基體混合料的6 倍，說明半柔性路面材料強(qiáng)度主要取決于灌漿料強(qiáng)度，是SMA-13 混合料的2 倍，7 d后穩(wěn)定度增長(zhǎng)到3 倍，流值也顯著低于SMA-13，展示了半柔性路面材料優(yōu)異的強(qiáng)度及高溫抗變形能力。此外，水泥灌漿料1 ～3 d 內(nèi)抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)83.5%，3 ～7 d增長(zhǎng)3.4%，而半柔性路面材料穩(wěn)定度1 ～3 d 增長(zhǎng)160.4%，3 ～7 d 增長(zhǎng)48.5%，說明半柔性路面材料強(qiáng)度形成除與基體混合料及灌漿料強(qiáng)度有關(guān)外，還與兩者相互作用有關(guān)，如水泥漿-瀝青間的“硬化效應(yīng)”［10］，且這種作用隨時(shí)間逐漸趨于穩(wěn)定。

圖3 馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

科研反哺教學(xué)的內(nèi)容：①瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)；②瀝青混合料標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾實(shí)驗(yàn)測(cè)試（穩(wěn)定度、流值）；③瀝青混合料的強(qiáng)度形成機(jī)理以及界面相互作用對(duì)材料強(qiáng)度發(fā)展的影響；④養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)水泥水化及強(qiáng)度發(fā)展的影響規(guī)律。

科研反哺教學(xué)的內(nèi)容：①瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)；②瀝青混合料室內(nèi)車轍試驗(yàn)測(cè)試（動(dòng)穩(wěn)定度）；③溫度對(duì)瀝青混合料抗車轍性能的影響。

2.3.2 水穩(wěn)定性

采用浸水馬歇爾試驗(yàn)與凍融劈裂試驗(yàn)對(duì)半柔性路面材料試件進(jìn)行水穩(wěn)定性測(cè)試（見圖4）。發(fā)現(xiàn)7 d 后半柔性路面材料殘留穩(wěn)定度超過100%，這與2 d浸水過程中水泥灌漿料強(qiáng)度進(jìn)一步增長(zhǎng)有關(guān)，加之半柔性試件空隙率較小，水分難以進(jìn)入。另外，28 d 后半柔性路面材料殘留強(qiáng)度比從7 d 的98.7%增長(zhǎng)到99.4%，高于半柔性路面規(guī)范值，且優(yōu)于SMA-13 混合料。

圖4 半柔性路面材料水穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果

科研反哺教學(xué)的內(nèi)容：①瀝青混合料的水穩(wěn)定性及標(biāo)準(zhǔn)；②瀝青混合料浸水馬歇爾試驗(yàn)（殘留穩(wěn)定度）與凍融劈裂試驗(yàn)測(cè)試（殘留強(qiáng)度比）；③空隙率對(duì)瀝青混合料水穩(wěn)定性的影響；④養(yǎng)護(hù)條件（溫度、時(shí)間）對(duì)水泥強(qiáng)度發(fā)展的影響。

2.3.3 低溫性能

通過低溫彎曲試驗(yàn)測(cè)試半柔性路面材料的低溫抗裂性能，試驗(yàn)溫度為-10 ℃，加載速率為50 mm/min。低溫彎拉應(yīng)變?cè)酱?，說明低溫抗裂性能越好。如圖5所示，半柔性路面材料破壞彎拉應(yīng)變低于SMA-13 混合料，并略低于改性瀝青混合料規(guī)范值，但顯著高于普通瀝青混合料。事實(shí)上，半柔性路面材料中灌漿料和基體混合料會(huì)隨溫度變化而產(chǎn)生不協(xié)調(diào)變形，弱化了兩者界面強(qiáng)度，導(dǎo)致半柔性路面材料低溫抗裂性弱于SMA-13 混合料。

圖5 瀝青混合料低溫試驗(yàn)結(jié)果

科研反哺教學(xué)的內(nèi)容：①瀝青混合料的低溫抗裂性及標(biāo)準(zhǔn)；②瀝青混合料彎曲試驗(yàn)測(cè)試（勁度模量與破壞彎拉應(yīng)變）；③界面性質(zhì)對(duì)瀝青混合料強(qiáng)度的影響。

2.4 科研反哺教學(xué)模式對(duì)應(yīng)總結(jié)及應(yīng)用

2.4.1 對(duì)應(yīng)章節(jié)及知識(shí)點(diǎn)

以我校道路建筑材料課堂教學(xué)使用的教材《道路建筑材料（3 版）——申愛琴主編》為素材，將科研創(chuàng)新試驗(yàn)結(jié)果反哺課堂教學(xué)對(duì)應(yīng)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行梳理（見表2）?？梢?，科研成果均可與道路建筑材料課程章節(jié)具體知識(shí)點(diǎn)關(guān)聯(lián)對(duì)應(yīng)。這一科研反哺模式可幫助學(xué)生建立更立體的知識(shí)體系，深刻理解理論知識(shí)與工程實(shí)踐的聯(lián)系與途徑，促進(jìn)科教融合。此外，科研創(chuàng)新試驗(yàn)反哺內(nèi)容可啟發(fā)學(xué)生深入思考：①養(yǎng)護(hù)齡期和溫度對(duì)水泥水化及強(qiáng)度發(fā)展有何影響？②半柔性路面材料的強(qiáng)度如何形成并受哪些因素影響？瀝青-水泥界面發(fā)生怎樣的相互作用且如何影響混合料整體強(qiáng)度？③半柔性路面材料與高性能SMA 混合料路用性能相比有何優(yōu)勢(shì)與劣勢(shì)，適用于哪些工程場(chǎng)景？

表2 科研反哺課堂教學(xué)章節(jié)及知識(shí)點(diǎn)

2.4.2 “三課堂+兩保障+一課程群”科研反哺教學(xué)模式推廣

以上科研反哺案例僅是科研項(xiàng)目部分內(nèi)容，已反哺到“道路建筑材料”課程多個(gè)知識(shí)點(diǎn)，并通過創(chuàng)新小組實(shí)驗(yàn)鍛煉了理論聯(lián)系實(shí)踐能力。事實(shí)上，整個(gè)項(xiàng)目涉及路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、現(xiàn)場(chǎng)施工組織管理與檢測(cè)驗(yàn)收等多方面內(nèi)容，團(tuán)隊(duì)正逐步將該項(xiàng)目反哺于交通工程本科專業(yè)“交通基礎(chǔ)設(shè)施檢測(cè)與養(yǎng)護(hù)管理”課程群中“路基路面工程”“道路工程施工管理”等多個(gè)課程，從而幫助學(xué)生建立更加綜合立體的專業(yè)知識(shí)體系。高校教師除課程教學(xué)外，還承擔(dān)著國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目、省部級(jí)科技項(xiàng)目等課題。這些課題聚焦于解決實(shí)際工程問題，均可通過適當(dāng)簡(jiǎn)化與梳理，與不同課程具體知識(shí)點(diǎn)對(duì)應(yīng)連接，反哺于教學(xué)。

本教學(xué)團(tuán)隊(duì)形成了較為成熟的“三課堂+兩保障+一課程群”科研反哺教學(xué)模式（見圖6）。實(shí)施場(chǎng)景上，科研反哺教學(xué)分別實(shí)施于理論教學(xué)課堂、實(shí)驗(yàn)教學(xué)課堂及課外科創(chuàng)課堂。理論課堂上，教師將前沿科研成果、科研方法與科學(xué)精神融入理論知識(shí)教學(xué)中；實(shí)驗(yàn)課堂上，教師可增設(shè)開放性的自主設(shè)計(jì)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，將科研成果與創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)相結(jié)合；課外科創(chuàng)課堂上，教師可利用校內(nèi)星火科創(chuàng)計(jì)劃、大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃、挑戰(zhàn)杯競(jìng)賽等平臺(tái)帶動(dòng)學(xué)生參與科研項(xiàng)目。制度保障上，多樣化的科研反哺教學(xué)活動(dòng)和內(nèi)容案例構(gòu)成豐富的內(nèi)部保障基礎(chǔ)；在外部保障上，學(xué)校制定了鼓勵(lì)教師探索科研反哺教學(xué)的政策制度和評(píng)價(jià)獎(jiǎng)勵(lì)標(biāo)準(zhǔn)。此外，本課程群教研團(tuán)隊(duì)結(jié)合專業(yè)特色，定期收集整理團(tuán)隊(duì)相關(guān)科研項(xiàng)目素材，以課程群課程為載體，制作成套體系課程反哺內(nèi)容，建立科研反哺電子存檔庫，實(shí)時(shí)更新，按需調(diào)用，真正把科研成果及創(chuàng)新型試驗(yàn)融入教學(xué)中，實(shí)現(xiàn)教研相長(zhǎng)，提高教學(xué)活力。

圖6 “三課堂+二保障+一課程群”科研反哺教學(xué)模式

3 以瀝青及混合料實(shí)驗(yàn)為例開展虛實(shí)結(jié)合的教學(xué)模式

3.1 虛實(shí)結(jié)合教學(xué)模式的建設(shè)意義

以“道路建筑材料”中瀝青及混合料實(shí)驗(yàn)為例，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中調(diào)研并使用了多媒體及有限元模擬等虛擬仿真技術(shù)，并結(jié)合線下科研反哺創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，開展虛實(shí)結(jié)合的教學(xué)研究。旨在避免機(jī)械式演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)，提升學(xué)生實(shí)驗(yàn)興趣，增強(qiáng)自主學(xué)習(xí)能力，提高實(shí)踐創(chuàng)新能力，同時(shí)克服傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)耗時(shí)長(zhǎng)、費(fèi)用高的弊端，給予學(xué)生自由的學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)操作空間［11］。對(duì)于“道路建筑材料”等實(shí)踐性與應(yīng)用性較強(qiáng)的工科課程，建設(shè)虛實(shí)結(jié)合教學(xué)模式可保證實(shí)驗(yàn)教學(xué)的順利開展［5-7］。

3.2 “原理講授+虛擬仿真+實(shí)驗(yàn)演練”虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式

3.2.1 原理講授

瀝青及瀝青混合料是現(xiàn)代道路路面結(jié)構(gòu)的主要建筑材料，是“道路建筑材料”課程的學(xué)習(xí)重點(diǎn)。在原理講授階段，教師通過PPT 進(jìn)行瀝青及瀝青混合料理論知識(shí)講述，包括瀝青的組成、結(jié)構(gòu)和道路工程中應(yīng)具備的技術(shù)性質(zhì)和要求，以及瀝青混合料的類型、結(jié)構(gòu)與路用性能及組成設(shè)計(jì)。而針對(duì)瀝青及瀝青混合料的性能測(cè)試方法部分，需講解實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)參數(shù)的確定依據(jù)等，從而為后續(xù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

3.2.2 虛擬仿真

針對(duì)瀝青及瀝青混合料主要技術(shù)性能，進(jìn)行了系列虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，以幫助學(xué)生快速直觀地掌握瀝青及瀝青混合料的主要技術(shù)指標(biāo)測(cè)試方法，包括：瀝青的針入度試驗(yàn)、軟化點(diǎn)試驗(yàn)、延度試驗(yàn)；瀝青混合料的拌合成型、馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)、車轍試驗(yàn)。整個(gè)虛擬仿真系統(tǒng)基于Flash軟件及Unity 3D 進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室建模，較高程度模擬了真實(shí)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，并按真實(shí)實(shí)驗(yàn)設(shè)備與儀器的表觀性狀與功能進(jìn)行還原。結(jié)合團(tuán)隊(duì)大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫，最終實(shí)現(xiàn)在計(jì)算機(jī)上搭建代替線下實(shí)驗(yàn)流程的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)（見圖7）。通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生對(duì)真實(shí)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境有初步認(rèn)知，幫助學(xué)生學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)過程中涉及的實(shí)驗(yàn)器材、操作步驟、結(jié)果處理等。系統(tǒng)由教師下發(fā)給學(xué)生，并介紹不同應(yīng)用工程背景（如炎熱區(qū)高速公路上面層等場(chǎng)景），由學(xué)生分組自主選擇相應(yīng)瀝青及瀝青混合料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?zāi)M，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，結(jié)果以物料圖像、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表格及數(shù)據(jù)曲線等形式呈現(xiàn)。此外，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)還具開源性，可實(shí)時(shí)更新新型路面材料與工程應(yīng)用場(chǎng)景的數(shù)據(jù)庫。

圖7 瀝青及瀝青混合料虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)流程圖

3.2.3 實(shí)驗(yàn)演練

實(shí)驗(yàn)教學(xué)目的是培養(yǎng)學(xué)生的操作能力、分析并解決問題能力及創(chuàng)新能力。虛擬實(shí)驗(yàn)做得再逼真，也不能完全替代真實(shí)操作，如澆模時(shí)瀝青無法填充邊角、瀝青混合料試件高度難以調(diào)整等。按實(shí)驗(yàn)教學(xué)“能實(shí)不虛、虛實(shí)結(jié)合”的原則，學(xué)生利用虛擬仿真系統(tǒng)對(duì)瀝青及瀝青混合料技術(shù)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行模擬后，由教師帶隊(duì)進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，按照小組進(jìn)行線下演練，按照選擇的工程應(yīng)用場(chǎng)景開展相應(yīng)材料實(shí)驗(yàn)。同時(shí)，開展科研反哺教學(xué)設(shè)置開發(fā)的開放性創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，如不同改性瀝青性能試驗(yàn)、半柔性路面材料性能試驗(yàn)等，供學(xué)生選擇。此外，在新冠疫情需開展線上教學(xué)情況下，則需將實(shí)操過程轉(zhuǎn)為全程實(shí)驗(yàn)直播進(jìn)行，并基于視頻回放、微信群答疑等鞏固復(fù)習(xí)。學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)演練后，以小組為單位上交不同的研究性實(shí)驗(yàn)報(bào)告，報(bào)告內(nèi)容需包含描述常規(guī)實(shí)驗(yàn)及所選創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)過程、詳細(xì)分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果、系統(tǒng)總結(jié)實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)及對(duì)虛實(shí)結(jié)合模式的建議等，教師將重點(diǎn)關(guān)注報(bào)告的創(chuàng)新性與科學(xué)性，最終予以考核。

3.3 虛實(shí)結(jié)合教學(xué)模式特點(diǎn)

3.3.1 模式特點(diǎn)

搭建虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，與創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)演練結(jié)合，創(chuàng)建了“原理講授+虛擬仿真+實(shí)驗(yàn)演練”虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，其特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)如下。

（1）克服了傳統(tǒng)機(jī)械式實(shí)驗(yàn)教學(xué)不足。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)與創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)演練結(jié)合，學(xué)生依據(jù)工程現(xiàn)狀來進(jìn)行選擇實(shí)驗(yàn)材料，擴(kuò)充了實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。內(nèi)容多元化的實(shí)驗(yàn)報(bào)告也豐富了學(xué)生學(xué)習(xí)成果的考核維度。此外，如遇新冠疫情需開展線上教學(xué)，本模式可靈活轉(zhuǎn)換為“原理講授+虛擬仿真+實(shí)驗(yàn)直播”形式以保證實(shí)驗(yàn)教學(xué)正常開展。

（2）提高教學(xué)效率。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)以其高度仿真的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，保證學(xué)生對(duì)于道路建筑材料實(shí)驗(yàn)相關(guān)器材與流程有準(zhǔn)確認(rèn)知，提高了學(xué)習(xí)體驗(yàn)感，為線下實(shí)驗(yàn)演練節(jié)省了原理講述與器材介紹的時(shí)間。而且，對(duì)于耗時(shí)長(zhǎng)、程序復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)，如瀝青混合料拌合成型試驗(yàn)等，通過虛擬仿真可大大節(jié)省實(shí)驗(yàn)時(shí)間。

（3）培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力。虛實(shí)結(jié)合的教學(xué)模式重點(diǎn)采取啟發(fā)式的教學(xué)，提高了學(xué)生在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的自主創(chuàng)新性。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可依據(jù)工程背景自主選擇相應(yīng)材料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?zāi)K，實(shí)驗(yàn)演練階段可結(jié)合科研反哺教學(xué)開展創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)了對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的“開放內(nèi)稟性”的建設(shè)［12］。開源性的選擇可激發(fā)學(xué)生興趣，提高學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中的探索欲。

3.3.2 “原理講授+虛擬仿真+實(shí)驗(yàn)演練”虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的應(yīng)用

高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)團(tuán)隊(duì)可充分發(fā)揮專業(yè)實(shí)驗(yàn)室優(yōu)勢(shì)，利用大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，搭建虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，豐富實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。同時(shí)可將科研項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)化，形成線下科研反哺創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)融合，構(gòu)建虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)體系，提高學(xué)生科研能力。

本教學(xué)團(tuán)隊(duì)形成了“原理講授+虛擬仿真+實(shí)驗(yàn)演練”虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，見圖8。原理講授上，任課教師利用PPT等進(jìn)行講解，教學(xué)團(tuán)隊(duì)則針對(duì)PPT進(jìn)行動(dòng)態(tài)更新優(yōu)化。虛擬仿真上，結(jié)合信息技術(shù)與實(shí)驗(yàn)技術(shù)共同搭建。信息支持由學(xué)校的計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)技術(shù)團(tuán)隊(duì)提供幫助，利用編程語言、軟件、多媒體技術(shù)等技術(shù)搭建虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)團(tuán)隊(duì)則對(duì)實(shí)驗(yàn)室中大量設(shè)備信息、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與結(jié)果進(jìn)行匯總，作為虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)來源。而線下實(shí)驗(yàn)演練與實(shí)時(shí)直播演練共同構(gòu)成了實(shí)驗(yàn)演練環(huán)節(jié)。在新冠疫情時(shí)期無法開展線下實(shí)驗(yàn)演練時(shí)，可開啟實(shí)操實(shí)時(shí)直播，后續(xù)將錄制視頻上傳至線上教學(xué)平臺(tái)供學(xué)生復(fù)習(xí)，并建立微信群進(jìn)行答疑；在學(xué)生可進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室的情況下，按計(jì)劃進(jìn)行虛擬仿真階段對(duì)應(yīng)的常規(guī)實(shí)驗(yàn)。此外，本團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)演練階段還創(chuàng)新性加入了基于科研反哺模式下的開放性創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，并布置研究性實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)報(bào)告，全面培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維與科研能力。

圖8 “原理講授+虛擬仿真+實(shí)驗(yàn)演練”虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式

4 結(jié)論

提出的科研反哺與虛實(shí)結(jié)合兩種教學(xué)型模式分別在道路建筑材料課程的理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐中得到了應(yīng)用。

（1）以面向快速公交車道的半柔性路面材料性能創(chuàng)新試驗(yàn)為例，建立了科研成果反哺道路建筑材料課程理論教學(xué)對(duì)應(yīng)章節(jié)知識(shí)點(diǎn)體系，并將部分內(nèi)容簡(jiǎn)化設(shè)為創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，促進(jìn)了科研和教學(xué)的深度融合，提高了學(xué)生科研創(chuàng)新能力與解決實(shí)際工程問題的能力，實(shí)現(xiàn)了教研相長(zhǎng)，使科研價(jià)值和教學(xué)效果達(dá)到最優(yōu)。

（2）提出了“三課堂+兩保障+一課程群”科研反哺教學(xué)模式并進(jìn)行了應(yīng)用實(shí)踐。通過科研反哺教學(xué)，把科研成果及創(chuàng)新型試驗(yàn)分別融入理論教學(xué)課堂、實(shí)驗(yàn)教學(xué)課堂與課外科創(chuàng)課堂中，并從內(nèi)部環(huán)境與外部制度進(jìn)行保障，以課程群課程為載體，制作成套科研反哺課程內(nèi)容，建立科研反哺電子存檔庫，實(shí)時(shí)更新，按需調(diào)用。

（3）以瀝青及混合料實(shí)驗(yàn)為例，探索了道路建筑材料課程虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式?；诙嗝襟w技術(shù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫搭建了瀝青與瀝青混合料虛擬仿真系統(tǒng)，突破了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式弊端，擴(kuò)充了實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率。此外，該模式在實(shí)驗(yàn)演練階段結(jié)合科研反哺教學(xué)開展創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，培養(yǎng)了學(xué)生動(dòng)手操作能力與科研創(chuàng)新能力。

（4）提出了“原理講授+虛擬仿真+實(shí)驗(yàn)演練”虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式并進(jìn)行了應(yīng)用實(shí)踐。教學(xué)團(tuán)隊(duì)利用PPT進(jìn)行實(shí)驗(yàn)原理講授。依托計(jì)算機(jī)技術(shù)和實(shí)驗(yàn)專業(yè)數(shù)據(jù)支持，搭建開放性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)供學(xué)生模擬。引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)演練，完成研究性實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)報(bào)告，并在新冠疫情時(shí)期，通過線上直播等保證實(shí)驗(yàn)教學(xué)順利開展。