土木工程材料研究性实验教学的探索与实践

段海娟， 陈 兵

（上海交通大学土木工程系，上海200240）

0 引 言

土木工程材料是土木工程类各专业的一门重要的专业基础课，该课程在土木工程类各专业的教学体系中起着承上启下的作用，是学生由基础课向专业课过渡的桥梁［1］。通过学习这门课使学生了解土木工程材料的基本性质与应用，掌握其基本的检测手段和方法。实验教学与理论教学相辅相成，是理工类专业培养人才的重要组成部分。学生在理论教学上学到的基本概念、基本理论和基本技能要通过实验去体验和验证［2］。随着“双一流”建设的发展，实验教学面临着更高的要求和挑战。实验教学是培养学生动手能力、解决问题能力、激发学生创新意识、培养学生严谨的科学态度、提高学术综合素质的重要途径，这个是理论教学不可替代的［3］。通过实验教学，在理解、深化、拓展理论知识、提高动手能力的同时，训练学生敏锐的观察力、丰富的想象力，形成创新思维，逐步培养学生的创新能力［4］。

随着科技的发展，新型土木工程材料的种类越来越多，应用日益广泛。新材料的标准不断颁布。与土木工程材料生产应用日新月异相比较，现行土木工程材料实验教学的内容和方法相对落后。因此为了创新实验教学模式，优化实验教学内容设计，提升实验教学效果，创建“双一流”土木工程学科，提出了引入研究性实验的土木工程材料实验教学模式。

1 土木工程材料实验教学的现状

1.1 教学内容陈旧且不系统

目前土木工程材料的教学实验内容主要包括土木工程材料的基本物理性质、水泥、普通混凝土、砌体材料和沥青材料等实验。其中水泥实验包含水泥细度、凝结时间、安定性、强度实验。普通混凝土实验包含混凝土用骨料、配合比、稠度、强度实验。实验内容多且繁琐，但实验课时却很少。以我校土木工程专业的土木工程材料实验课程为例，该课程的实验课只有8学时，导致一些实验只能做演示实验。另外，现有的实验内容局限于砂石、水泥等传统的建筑材料。工程实践中应用的新材料很少出现在现有的教学实验中，一些材料在工程中可能已经淘汰，但在教学中还在使用。一些材料新规范、新标准在实验教材中也没有体现［5-6］。这些教学内容很难引起学生的兴趣，学生积极性减弱，结果造成了学生实验目的不够明确，只是为了完成任务而做实验，对于学生能力的培养作用不大。

1.2 教学方法和过程缺乏新意

目前很多院校的教学实验设备台套和实验教师不足，实验中5或6人1组，无法实现单独实验或人数较少的小组实验，甚至某些实验由于设备有限，无法向学生开展而仅做演示。教学内容以常规性、验证性实验为主。

教学过程一般首先是实验教师介绍实验目的、实验内容、仪器设备、实验步骤等，然后学生按照教师或教材所述实验步骤进行操作，获得实验数据、得到实验结果、完成实验报告。这种传统的实验教学，是材料固定、过程规定、结果已知的验证性实验，只能让学生初步了解土木工程材料实验的过程。在整个过程中学生缺乏主动性，学生发现问题、解决问题、独立思考、创新探索的能力不能得到充分锻炼［7-8］。

1.3 考核方式单一

课程任课教师在课程的最终成绩评定时，实验部分占总成绩的比例很低，一般10%左右。并没有体现出实验的重要性，因此学生也对实验并不重视。另外成绩评定依据是实验报告和出勤情况，而实验报告包括实验仪器、实验步骤和实验结果等内容。由于几个同学一组，因此同一组同学的实验报告几乎一样，成绩也很难体现差异。

2 研究性实验的教学实践

现有土木工程材料实验的教学内容、方法和考核标准不能满足当前人才培养的需要，为了更好地激发学生学习兴趣，培养其主动探究、独立思考和科研实践的能力，有必要对现有实验教学模式进行改革，以提高教学质量［9-10］。基于专业培养目标和土木工程材料实验的特点，仔细梳理了实验教学的内容，根据现有条件提出引入研究性实验的教学模式，建立以学生为主体的教学模式，充分调动学生的主动性与积极性［11-12］。

研究性实验是指由老师给定实验要求和实验条件，学生通过文献查阅、了解相关材料的性能和作用、设计实验方案、完成实验操作、获得实验结果，以及分析实验过程中现象。研究性实验是对验证性实验的进一步提升，研究性实验没有固定的模式和实验步骤，不能按部就班地进行实验操作，学生必须发挥自己在实验过程中的主动性［13-14］。

研究性实验的内容一般选自本专业教师的研究课题拓展的实验课题，具有新颖、紧密联系实际等特点。至今我校已开展的研究性实验项目有高性能混凝土、轻质混凝土、透水混凝土和墙体保温材料等。下面以高性能混凝土实验为例探讨研究性实验在土木工程材料实验教学中的实践。

2.1 实验前资料检索和实验设计

高性能混凝土是指混凝土的所有性能都达到较高的水平，具有耐久性好、高强度指标、流动性好的重要特点。高性能混凝土以耐久性作为设计的主要指标，耐久性取决于抗渗性、抗冻性、抗侵蚀性、抗碳化性、耐磨性、碱-骨料反应以及抗干燥收缩的体积稳定性等。而这些性质与混凝土的水灰比及某些活性矿物混合料的掺量相关。另外高性能混凝土在配置上的特点是采用低水胶比，低水胶比将导致流动性差。如何解决这些问题，必须添加掺加料（矿物细等）和高效外加剂，需要对混凝土的配方进行多次优化与尝试，通过调整配比或添加外加剂来满足工作性能要求。

为有效指导研究性实验，编制了高性能混凝土设计与制备指导书，实验前发给学生。针对在高性能混凝土配合比设计中水泥浆与骨料比、用水量、水泥量、减水剂的种类与用量、矿物掺合料的种类与用量、粗细骨料的比例这些问题，老师对涉及的基本理论和原理进行讲解，并给学生提供一些参考资料。学生在实验前利用课余时间查阅相关文献和标准规范，自行设计高性能混凝土的配合比。并通过教材熟悉实验及仪器操作。在这个过程中，学生必须积极搜集资料，主动思考，努力寻找解决方案，学生由被动地接受知识转变为主动地探究，也为培养其科研能力创造了条件。

2.2 研究性实验的实施与指导

实验过程中，学生3～5人1组，自由组合，自选组长，共同完成实验。每个小组在阅读文献资料后，提出实验方法，制定具体的实验方案，拟定实验进展计划，小组成员具体分工。实验前提交给老师审核。若有不足和需要改进的地方，老师提出建议，学生再次修改方案。实验方案获得老师同意后，实施实验。实验结束后撰写实验报告（除了基本实验仪器、实验步骤和实验结果等），包括一些思考题的回答，如养护条件对混凝土强度的影响、粉煤灰掺量对胶砂强度的影响等。

为便于同学之间、师生间交流，建立相应的微信群，在群里发布实验的相关资料和信息。学生有疑问可以及时得到解答。在实验的整个过程，包括实验前的方案设计、实验中的操作、结果分析，学生是主体，不再是机械地完成老师布置的实验任务。老师的角色类似顾问，学生在实验的设计和实验实施过程中遇到的问题，小组成员间共同讨论，及与老师交流。通过多交流、多讨论，启发和引导学生主动思考和解决问题。老师鼓励实验小组内部成员之间有实际的合作，促使每一位学生真正参与实验中。教学实践表明，通过研究性实验的实施，形成了良好的学习氛围，锻炼了学生查阅文献、解决问题、团队合作、撰写小论文等多方面的能力。

2.3 研究性实验的考核与成绩评定

对研究性实验的考核与验收是保证特色实验教学质量的重要组成部分，实验通过实验报告和小组答辩两方面进行考核。实验报告包括实验设计的思路、实施过程结果分析。在此基础上制作成汇报的演示文稿。指导教师组织团队成员进行答辩，评委老师由任课老师、实验课老师、助教或邀请其他本专业的老师担任。评委根据项目内容完成情况、解决问题的能力、团队合作、成员分工等给出成绩。实验的最终成绩由实验报告成绩和答辩成绩组成，两者各占50%。研究性实验实施方案如表1所示。

表1 研究性实验实施方案

3 研究性实验的效果评价

研究性实验从2012年开始实施，通过几年的教学改革实践发现，学生的学习热情和教学效果得到提高，体现在以下几方面：

（1）拓宽专业知识面，提升实验技能。研究性实验涉及的实验内容和仪器较为全面，为学生提供了应用多种专业仪器和巩固并运用所学知识的渠道，提高了学生动手能力、观察能力以及综合利用所学知识解决问题的能力。

（2）提高合理分工和团队协作的能力。以前的实验中，学生只要按照教材的实验步骤完成实验即可。由于设备少的原因经常一个小组中只是一两位同学在操作，其他同学在边上看。实施研究性实验后，每位同学都要参与。比如有的同学负责减水剂的性能和使用方面的资料收集，有的同学负责实验方案的设计，有同学负责数据的整理等，在反复调整配合比中，大家一起讨论。培养了学生实事求是、团结协作、勇于探索、大胆质疑的科学素养。

（3）激发科研兴趣，提升创新能力。研究性实验的开展，学生对土木工程材料课程的学习积极性明显提高。一些优秀的实验项目参加校、市科技竞赛都取得了较好的成绩。一些同学利用这些研究性实验项目申请到全国大学生创新性实验项目。从而贯彻了“教、学、做、研”四位一体的综合教学模式［15］。

4 结 语

土木工程材料作为一门实践性与基础性并重的课程。在分析土木工程专业实验教学的目的和作用及现有实验不足的基础上，提出了研究性实验的教学模式，研究性实验是对传统实验教学的补充与深化。教学实践表明，研究性实验取得了较好的教学效果。引入研究性实验加强了学生对专业知识的理解和应用能力，开拓了专业视野，激发了学生学习和科研的兴趣，培养了学生的创新能力。如何融合信息化教学技术，开发更科学的实验教学模式，优化研究性实验的实施，培养出“双一流”建设背景下的创新人才，是下一步持续探索的目标和方向。