大學(xué)土木工程材料課程改革與實踐

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[摘要]土木工程材料課程是應(yīng)用型本科高校土木工程類專業(yè)基礎(chǔ)核心課程。本文在省級大規(guī)模在線開放課程建設(shè)的基礎(chǔ)上總結(jié)了近年來在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、能力培養(yǎng)、教學(xué)效果等方面進行的有益探索和實踐。實踐表明，通過課程改革，課堂教學(xué)內(nèi)容得以充實和更具條理，學(xué)生視野得到了拓寬，學(xué)習(xí)興趣得以激發(fā)，對學(xué)生綜合能力的提高起到了一定的促進作用，為“土木工程材料”的教學(xué)改革提供借鑒，有利于推進地方應(yīng)用型高水平大學(xué)的建設(shè)。

[關(guān)鍵詞]土木工程材料；課程改革；工程意識；創(chuàng)新能力

面對機遇與挑戰(zhàn)，學(xué)校要求以專業(yè)特區(qū)為抓手，引領(lǐng)一流應(yīng)用型學(xué)科專業(yè)群的建設(shè)；突破體制瓶頸，全方位開展校企合作；進一步深化教學(xué)改革，推進人才培養(yǎng)模式的創(chuàng)新；注重能力提升，強化高水平師資隊伍的建設(shè)；拓寬辦學(xué)渠道，加強應(yīng)用型人才培養(yǎng)的國際交流與合作。以此為契機，土木工程材料課程作為皖西學(xué)院土建類專業(yè)基礎(chǔ)核心課程，又是2016年度省級精品開放課程之大規(guī)模在線開放課程（MOOC）示范項目，本課程在一流應(yīng)用型人才培養(yǎng)模式改革過程中大膽進行了改革?；谕聊竟こ滩牧险n程在專業(yè)人才培養(yǎng)體系中的基礎(chǔ)核心課程地位，其教學(xué)目的是使學(xué)生掌握主要土木工程材料的性質(zhì)、用途、制備、使用方法和質(zhì)量檢測與控制方法，了解工程材料性質(zhì)與結(jié)構(gòu)的關(guān)系，以及材料性能改善的途徑。通過課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生應(yīng)能夠針對不同的工程進行合理的選用材料，并能與后續(xù)專業(yè)課程密切結(jié)合，了解材料與設(shè)計參數(shù)以及施工方法之間的相互關(guān)系[1,2]。本文結(jié)合省級大規(guī)模在線開放課程（MOOC）的初期建設(shè)，以皖西學(xué)院土木工程專業(yè)人才培養(yǎng)特區(qū)為例，總結(jié)了在一流應(yīng)用型人才培養(yǎng)模式改革過程中土木工程材料課程進行的教學(xué)改革。

1土木工程材料課程改革的必要性

土木工程材料課程內(nèi)容繁多、敘述性強，導(dǎo)致教師在講授的過程中容易照本宣科；而各類材料的介紹又自成體系，缺乏橫向聯(lián)系，使得整體邏輯性不強，導(dǎo)致學(xué)生認為土木工程材料的學(xué)習(xí)就是死記硬背，不會做到融會貫通、舉一反三，難以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性和創(chuàng)造性[3]。同時，隨著現(xiàn)代社會大型工程、新型建筑和新的設(shè)計、施工技術(shù)的應(yīng)用，建材工業(yè)也出現(xiàn)了新的面貌，新材料層出不窮，新品種日新月異，老規(guī)范不斷被更新。土木工程材料實驗是課程理論部分的重要補充，通過實驗鍛煉學(xué)生的動手能力和培養(yǎng)工程師素養(yǎng)，學(xué)會用實驗來驗證材料的基本性能和質(zhì)量檢測方法，從而學(xué)會運用所學(xué)的理論知識和實驗方法解決工程實際問題[4]。實驗項目主要包括：水泥的基本性質(zhì)試驗、混凝土用骨料試驗、普通混凝土試驗、普通混凝土配合比設(shè)計、砂漿配合比設(shè)計以及石油瀝青試驗等[5-6]。而傳統(tǒng)的實驗教學(xué)過程中，學(xué)生主要學(xué)習(xí)常規(guī)的土木工程材料性能檢測，與工程實際聯(lián)系不緊密，學(xué)生處理工程實際問題的能力訓(xùn)練不夠，達不到應(yīng)有的實驗效果。課程的教育模式已經(jīng)不能滿足當(dāng)前我?！皩I(yè)人才培養(yǎng)特區(qū)”建設(shè)目標，亟需對課程進行改革。

2深化課程內(nèi)容和教學(xué)方法改革，加強學(xué)生工程意識

傳統(tǒng)的土木工程材料課程內(nèi)容主要分為九個教學(xué)單元，包括：土木工程材料的基本性質(zhì)、無機膠凝材料、水泥混凝土與砂漿、鋼材、砌筑材料、木材、瀝青及瀝青混合料、合成高分子材料及其他工程材料等[5-7]。課程內(nèi)容各自獨立成章，相互關(guān)聯(lián)性差。為適應(yīng)地方應(yīng)用型本科專業(yè)人才培養(yǎng)目標，將課程的教學(xué)單元整合成如下五個模塊：土木工程材料的基本性能、膠凝材料、水泥基復(fù)合材料、建筑鋼材和建筑功能材料。每個模塊在教學(xué)過程中通過引入工程實例，將其和其他模塊的知識點聯(lián)系起來。比如現(xiàn)在的高層建筑用到的大流動性高強度混凝土，大流動性是混凝土的和易性指標，是為了提高混凝土的泵送能力，要想得到大流動性混凝土，最直接有效的方法是加大水灰比，但這樣做的后果又會導(dǎo)致混凝土的內(nèi)部孔隙率增大，內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而使混凝土的強度降低，因此，需要通過其他手段來提高混凝土的流動性，同時通過多渠道增大混凝土的強度。通過與工程實例相結(jié)合，把學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性充分調(diào)動起來。膠凝材料是土木工程材料的核心內(nèi)容，傳統(tǒng)的土木工程材料課程分氣硬性膠凝材料、水泥和瀝青及瀝青混合料三個獨立單元，在教學(xué)過程中，通過整合三部分內(nèi)容，利用類比方法將其融合到一起，如圖1所示。利用MOOC的線上資源優(yōu)勢，結(jié)合膠凝材料在道橋上的應(yīng)用發(fā)展史和實例展示，使學(xué)生對膠凝材料的性質(zhì)和應(yīng)用有了更為直觀的理解和掌握。而膠凝材料是后續(xù)專業(yè)課如鋼筋混凝土基本原理、結(jié)構(gòu)設(shè)計等的重要基礎(chǔ)，必須要掌握好，才會用起來得心應(yīng)手。在教學(xué)過程中，注重多種教學(xué)方法的靈活應(yīng)用[2]。如講解六大通用硅酸鹽水泥的特性和應(yīng)用的時候，可以使用類比法，將知識點進行橫向拓展，先將水泥按照摻混合料的多少劃分為摻少量混合料的硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥和摻大量混合料的礦渣水泥、粉煤灰水泥、火山灰水泥、復(fù)合硅酸鹽水泥兩大類；再通過列表進行對比講解，摻混合料少的兩種水泥性質(zhì)基本相似，與摻混合料多的水泥性質(zhì)基本相反，而摻混合料多的四種水泥性質(zhì)也基本相似；最后將知識點進行縱向深入，指出其共性之外的個性，比如粉煤灰水泥的抗裂性能較好，火山灰水泥的抗?jié)B性較好，礦渣水泥的抗?jié)B性能較差等。這樣，六大通用水泥的基本性質(zhì)就一目了然，既有助于記憶，又便于類推各自的適用范圍。再結(jié)合MOOC的線上資源案例再現(xiàn)，學(xué)生對六大通用水泥的特性和應(yīng)用就會印象深刻，學(xué)起來也會輕松很多，不用去死記硬背。這種教學(xué)方法對學(xué)生創(chuàng)新思維的培養(yǎng)和工程師素養(yǎng)的訓(xùn)練是有益的。

3深化實驗教學(xué)改革，培養(yǎng)學(xué)生綜合實踐能力

土木工程材料實驗是本課程重要的教學(xué)環(huán)節(jié)，其任務(wù)就是驗證所學(xué)的基本理論，學(xué)習(xí)材料的試驗方法，培養(yǎng)科學(xué)研究的能力和嚴謹縝密的科學(xué)態(tài)度[2-4]。結(jié)合應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標，實驗教學(xué)改革著力從三方面展開。

3.1基本實驗

土木工程材料課程基本實驗包括水泥的基本性質(zhì)測定，集料的表觀密度、堆積密度和篩分實驗，鋼材的拉伸實驗和砌體材料的性能測試等驗證性項目，主要是培養(yǎng)學(xué)生學(xué)會常規(guī)實驗儀器設(shè)備的操作，學(xué)會用實驗驗證所學(xué)的理論知識，并能將其應(yīng)用到實際工程中。為了提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，授課老師可以將工程上的質(zhì)檢樣品引入到實驗過程中，讓學(xué)生用實際工程樣品做材料的性能檢測。試驗前，要求學(xué)生制定出合理的實驗方案；試驗中，實時記錄觀察到的現(xiàn)象、樣品變化和實驗數(shù)據(jù)；試驗后，對數(shù)據(jù)進行處理分析，并給出檢測結(jié)論?；緦嶒灢糠值目己司C合考慮實驗過程的評價和實驗報告的完整性。

3.2綜合設(shè)計性實驗

此類實驗主要包含混凝土配合比設(shè)計和砂漿配合比設(shè)計，是根據(jù)混凝土的強度等級或砂漿的強度等級要求，設(shè)計不同配比的原材料，在施工和易性滿足要求的前提下經(jīng)拌和、振搗、養(yǎng)護、強度測試等實驗操作，獲得和易性、強度、耐久性、經(jīng)濟性等符合要求的各材料配比。配合比設(shè)計實驗是綜合運用所學(xué)材料的理論知識來設(shè)計、試驗材料的性能，是解決工程實際問題。在試驗過程中，注重培養(yǎng)學(xué)生實事求是的科學(xué)態(tài)度和嚴謹求實的工程師素養(yǎng)。綜合設(shè)計性實驗要求學(xué)生在完成基本實驗項目的基礎(chǔ)上，可以拓展實驗內(nèi)容，如混凝土強度測定部分，可將混凝土試塊作為研究對象，老師講解混凝土試塊的破壞原理、加載方式和加載速度對破壞強度的影響等，通過示范演示后，各小組自己動手完成混凝土試塊的加載破壞，包括加載速度的設(shè)定、加載變形直至破壞的過程記錄、實驗數(shù)據(jù)的處理和分析等。通過拓展實驗，學(xué)生對混凝土試塊的強度、變形、破壞發(fā)展過程能深入地了解，也更能把學(xué)習(xí)的積極性調(diào)動起來，將所學(xué)的基本理論和實驗方法真正應(yīng)用到工程實際中。通過拓展實驗收獲了良好的實驗效果，學(xué)生的綜合實踐能力也得到明顯提高。

3.3現(xiàn)場參觀調(diào)研

通過參觀建材市場、混凝土攪拌站和鋼筋、鋼構(gòu)件加工廠等，來拓展學(xué)生的工程實踐能力。參觀建材市場，增強對各種建材產(chǎn)品的直觀感性認識，通過對比直觀感受不同質(zhì)量等級的建材產(chǎn)品其外觀表現(xiàn)出來的質(zhì)感差別；參觀攪拌站的過程中，由工程師現(xiàn)場給學(xué)生介紹混凝土攪拌站的運行管理，包括過程控制、質(zhì)量控制以及如何保證混凝土在施工前和施工中的施工和易性等具體實際工程問題；參觀鋼筋、鋼構(gòu)件加工廠，讓學(xué)生現(xiàn)場感受鋼筋、鋼構(gòu)件的生產(chǎn)加工過程，知道鋼材的性能與生產(chǎn)加工過程質(zhì)量控制的關(guān)系等。參觀結(jié)束后，要求學(xué)生寫心得體會，要對參觀的過程有記錄、有思考，以及參觀過程中發(fā)現(xiàn)的問題及其解決辦法等。這個過程既可避免部分學(xué)生在參觀過程中走馬觀花現(xiàn)象，又能讓學(xué)生體會到“細節(jié)在于觀察，成功在于積累”的優(yōu)良工程師素養(yǎng)。

4課程改革效果

課程改革的效果之一，體現(xiàn)在教育的主體——學(xué)生上，學(xué)習(xí)土木工程材料課程的興趣得到很大激發(fā)，綜合能力有很大提高，為后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)打下了良好的基礎(chǔ)；吸引部分學(xué)生參與到課程組老師的科研項目中，積極申報大學(xué)生研究性學(xué)習(xí)項目，部分已結(jié)項并獲校級獎勵。課程改革的效果之二，體現(xiàn)在課程本身的建設(shè)與教師的發(fā)展上。2016年《土木工程材料》獲批安徽省省級大規(guī)模在線開放課程（MOOC）示范項目立項；同年“基于創(chuàng)新性應(yīng)用型人才培養(yǎng)的工程材料學(xué)科類課程教學(xué)改革研究與實踐”獲批安徽省省級重大教學(xué)研究項目立項；2016年副主編出版發(fā)行“十三五”普通高等教育本科規(guī)劃教材《土木工程材料》；課程組老師近三年已有三人次獲得課堂教學(xué)考核優(yōu)秀等級。通過課程改革，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、提高了其工程師素養(yǎng)、增強了其創(chuàng)新能力，課程組老師教學(xué)水平、教育質(zhì)量也得以提高，土木工程材料課程改革在我校應(yīng)用型人才培養(yǎng)方面取得了明顯的成效。

5結(jié)論

土木工程材料課程是土木工程類專業(yè)基礎(chǔ)核心課程，在專業(yè)人才培養(yǎng)課程體系中處于重要地位。通過課程改革，課堂教學(xué)內(nèi)容得以充實和更具條理，學(xué)生視野得到了拓寬，學(xué)習(xí)興趣得以激發(fā)，對學(xué)生綜合能力的提高起到了一定的促進作用，為“土木工程材料”的教學(xué)改革提供了經(jīng)驗。今后將繼續(xù)結(jié)合《土木工程材料》省級精品大規(guī)模在線開放課程建設(shè)目標進一步完善建設(shè)內(nèi)容，為我校應(yīng)用型人才培養(yǎng)課程建設(shè)進行有益探索和實踐。

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作者：錢紅梅 郝成偉 戈海玉 單位：皖西學(xué)院 建筑與土木工程學(xué)院