土木工程材料实验教学改革探索*

刘先锋 黄林青 廖小烽

《土木工程材料》是土建类专业一门重要的技术基础课,同时也是一门实践性较强的课程。该课程分为理论课教学和实验课教学,实验教学学时通常占总学时的1/4～1/3。实验教学的目的是使学生掌握常用土木工程材料的实验方法和质量评定方法,会对常规土木工程材料进行质量合格性判定,同时加深对理论知识的理解,培养严谨的科学态度,提高分析问题和解决问题的实际能力[1]。

土木工程材料实验内容繁多且相对稳定,包括水泥、混凝土、钢材、石灰、石膏、砂浆、沥青、沥青混合料等,而且实验周期长。目前,土木工程材料实验以验证性为主,主要是验证理论的正确性或达到理论的再现性。由于实验条件、实验时间、组织管理的限制,学生在实验过程中,主要通过操作实验,掌握一定的实验技能,了解实验步骤的规范性,对常见材料形成一定感性认识。

1 土木工程材料实验教学现状及存在的问题

1.1 教学现状

教学内容主要安排水泥、砂、石、混凝土、砂浆、沥青六个大项的实验;教学方式是以教师为中心,着重强调教师的“教”,教师先叙述实验的目的、实验内容,再详细解说仪器设备操作方法、实验步骤、注意事项,然后学生机械地进行操作、记录数据、填写实验报告。学生只需按实验步骤操作,根本不用独立思考,更无需发挥其创新能力。学生虽然参与了实验教学活动,但实质上是处于被动接受的状态,教师的“教”是教学设计的重点,而学生的“学”往往被忽视,因此学生的主动性、积极性受到一定限制,不利于创新能力的培养。

1.2 存在问题

1)实验内容陈旧,在反映新材料、新标准上有一定的滞后性。随着我国建设规模增大和建设速度加快,土木工程专业在原建筑工程专业的基础上覆盖了交通土建工程、城市建设(部分)、矿井建设等相关专业。原建筑工程专业所开专业课建筑材料不仅在教材内容上显得狭窄,且近年来各种材料的标准和规范变动较大,实验方法也有所改变,但教学内容却没跟上形势的发展,导致学生知识面窄,对新材料、新标准的了解少,认识肤浅,实际应用能力差,毕业后进入建设第一线时的盲目和不知所措状况较突出。2)偏重于验证性实验,缺乏综合性、设计性实验及针对不同专业的选作实验。土木工程材料课程是一门实践性较强的课程,一般开设5个～10个实验,实验内容包括土木工程材料性能的一些基本测试,只开设了验证性实验,缺乏综合性、设计性实验。实际上像混凝土配合比实验、砂浆实验、沥青混合料实验都可以开设成综合性、设计性实验(让学生自主选材、设计、操作、评价)。缺乏针对不同专业的选做实验,目前有土木工程专业、工程管理专业、建筑工程技术专业等开设土木工程材料实验,不同专业要求开设不同的项目,即使是同一实验项目也会因专业不同其要求也不同,如同样是混凝土配合比设计项目,土木工程专业的学生要求选材、设计、操作、评价全部掌握,而工程管理专业的学生可弱化选材、设计、操作,只要求评价,然而在实际教学中因各种原因通常没有加以区别。3)教学方法单一。目前,土木工程材料实验主要是以老师讲解,学生按实验步骤操作、记录、填写实验报告为主,老师是“忠实”的“讲解员”,学生是“忠实”的执行者。学生只是被动接受,缺乏主动性,更谈不上创新能力的培养。每次实验就是学生当一次实验操作工人而已,并没有起到加深对理论知识的理解的作用,更没有起到提高学生分析问题、解决问题能力的作用。4)课时少,仪器利用率低;实验室管理落后导致教学组织与实施困难。随着高校学分制管理的实施,学时总数减少,导致实验教学时间减少,从而仪器利用率低。如土木工程专业的本门课实验学时降到10学时,甚至更少。这样学生课堂上可进行的实验教学就很少,理论上可以通过课外自主创新实验、兴趣实验进行弥补,但目前的资产管理模式、实验室管理体系和实验课教学体系不利于开放性实验室教学组织和综合功能开发。典型的“大爷”式管理,缺乏激励机制。

2 土木工程材料实验教学的改进措施及建议

2.1 保证既有实验项目的基础上,添加新材料、新技术的实验项目

除掌握土木工程材料基础性能外,可适当添加相关新材料、新理念、新技术的实验。例如目前人们普遍关心混凝土耐久性问题(关系到节能、节约资源等),以及建筑材料生产应用带来的生态问题(涉及到环保、温湿效应等),可以考虑设计相关的实验内容(如加气混凝土砌块、空心砖、保温砂浆、防水卷材、环保涂料等),加入到已有实验教学中,使土木工程材料教学的内容与时代进步相适应[2]。

2.2 建立实验室开放制度,开设设计性、综合性实验项目

由于正常的教学实验,人员多、场地小,难以保证每个学生有足够的时间接触到实验,但有部分学生对本课程有浓厚的兴趣,因此,应积极鼓励学生进行教学外的科学研究、设计性实验,如“挑战杯”、混凝土配合比实验(从询价、选材、设计、操作、评价全过程自主进行)等,并对完成的实验项目给予一定的学分、奖励,进行鼓励和激励。为了提高实验室设施的利用率,在时间安排上能够灵活调整,在教学实验高峰期之外的时间,鼓励相关专业的学生利用实验室的实验环境和实验设施,由相关教师指导进行实验。由于设计性实验要求学生要有足够的时间进行实验,应给学生提供一个较宽松的时间、空间和条件,以便完成从实验时间到实验空间,从内容设计、准备、预试到实际操作和实验结果评价等工作,这就要求实验室开放。

2.3 改进实验室管理制度及机制,充分开发实验室的综合功能

“开放式”的实验室管理模式、添加新的实验项目等改革措施,势必导致实验室管理成本的增加和实验室教师工作量的增加,有时为了满足学生的上课时间,老师不得不牺牲自己的休息时间。为了实验教学改革目标的实现,必须建立一套健全的实验室管理制度与激励机制。

充分开发实验室除教学功能外的技能培训、科研服务、社会技术服务功能,注入实验室新的活力。高校实验室设备齐全,技术人员集中,能够承担常规工程材料的检验,如果能够结合工程需要,开展技术咨询和材料检测服务,实现微利经营,创造完全仿真的生产实训环境,对提高学生的实践技能也是有好处的。利用实验室条件,开展行业的技能培训和职工的继续教育,如混凝土技术性能检测技能大赛、钢筋绑扎技能大赛等,充分利用实验仪器服务于教师、学生科研项目。通过一系列服务,一方面,实现微利经营,可以注入资金活力,另一方面,在服务于社会的过程中,可以及时了解社会、行业需求,从而可以及时调整教学内容、有目的的建设改造实验室。

2.4 开展虚拟仿真实验,促进实验教学改革[4]

仿真实验是利用计算机、网络创建一个可视化的实验操作环境,其中的每一个可视化仿真物体代表一种实验仪器或设备,通过操作这些虚拟的实验仪器或设备,即可进行各种实验,达到与真实实验相一致的教学要求和目的。它是虚拟仿真技术、计算机技术和专业理论知识多方面结合的结晶。

虚拟仿真实验可以提供开放式实验环境,真正实现实验室向学生开放。学生可以打破时间和地域的限制完成相关的教学实验。由于虚拟仪器系统的支持,学生可以自拟、自选实验题目,自行组织实验,变使用现成的仪器为开发自己的仪器进行实验,改变传统的灌输式教学方式,让学生自主参与到教学中来,最大限度地发挥学生的主动性和创造性。这种学生自主探索的学习活动,可使他们的个性得到发展,创造能力得到提高,最大程度地锻炼和开发学生的创新能力,极大地激发学生的学习兴趣。

笔者结合重庆市建设委员会科研项目《土木工程试验计算机仿真系统研究》(项目计划城科字2008第52号),开发包括土木工程材料实验的一套仿真实验系统,试图在教学过程中,实现传统的验证性实验部分或全部通过仿真实验在课外进行[5]。

3 结语

以上一系列改革措施和思想,已经有不少专家、学者呼吁过,但迟迟得不到落实。因此,关键问题是如何实施,有哪些障碍。笔者认为主要是两方面的工作:一方面,加快虚拟仿真实验室的建设和实施,利用仿真实验室完成传统的验证性实验。计算机技术、仿真技术、专业理论知识已经没有障碍,而且已经有案例可以参考,另一方面,加快实验室资产制度、考核制度、激励制度等管理制度改革,保障开放性实验、设计性实验、综合性实验、创新性实验的实施。做到这一点,需要改变陈旧的思维模式,特别是领导的思维模式和改革魄力,因为这将触及到一些人的利益,障碍较大,这也是多少年来,实验教学改革只停留在“呼吁”阶段的根本原因。但随着高校实验教学改革的进行,它是势在必行的,不是某个人或者某些人的利益所能阻挡的,大势所趋。只有高校实验室管理制度改革成功了,才能充分发挥它教学、科研服务、技能培训、技术服务等功能。上面两点做到了,土木工程材料实验教学改革才能从根本上取得成功。

[1] 苏达根.土木工程材料[M].第2版.北京:高等教育出版社,2008:266-323.

[2] 丁 铸,孙 坤,刘 伟,等.土木工程材料实验教学组织与实施[J].实验技术与管理,2008(1):116-119.

[3] 潘永灿,吴发红.土木工程专业毕业设计教学改革探讨[J].山西建筑,2008,34(3):214-215.

[4] 苏旭霞,刘素楠,管立新.开展虚拟仿真实验,促进实验教学改革[J].科技广场,2008(2):252-254.

[5] 廖小烽,黄林青,刘先锋.基于开源网络平台土木工程仿真实验室的设计和构建[A].重庆力学学会2009年学术年会论文集[C].重庆:重庆大学出版社,2009:171-174.