土木工程材料實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革探索*

劉先鋒 黃林青 廖小烽

《土木工程材料》是土建類專業(yè)一門重要的技術(shù)基礎(chǔ)課,同時(shí)也是一門實(shí)踐性較強(qiáng)的課程。該課程分為理論課教學(xué)和實(shí)驗(yàn)課教學(xué),實(shí)驗(yàn)教學(xué)學(xué)時(shí)通常占總學(xué)時(shí)的1/4～1/3。實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目的是使學(xué)生掌握常用土木工程材料的實(shí)驗(yàn)方法和質(zhì)量評(píng)定方法,會(huì)對(duì)常規(guī)土木工程材料進(jìn)行質(zhì)量合格性判定,同時(shí)加深對(duì)理論知識(shí)的理解,培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度,提高分析問題和解決問題的實(shí)際能力[1]。

土木工程材料實(shí)驗(yàn)內(nèi)容繁多且相對(duì)穩(wěn)定,包括水泥、混凝土、鋼材、石灰、石膏、砂漿、瀝青、瀝青混合料等,而且實(shí)驗(yàn)周期長(zhǎng)。目前,土木工程材料實(shí)驗(yàn)以驗(yàn)證性為主,主要是驗(yàn)證理論的正確性或達(dá)到理論的再現(xiàn)性。由于實(shí)驗(yàn)條件、實(shí)驗(yàn)時(shí)間、組織管理的限制,學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,主要通過(guò)操作實(shí)驗(yàn),掌握一定的實(shí)驗(yàn)技能,了解實(shí)驗(yàn)步驟的規(guī)范性,對(duì)常見材料形成一定感性認(rèn)識(shí)。

1 土木工程材料實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀及存在的問題

1.1 教學(xué)現(xiàn)狀

教學(xué)內(nèi)容主要安排水泥、砂、石、混凝土、砂漿、瀝青六個(gè)大項(xiàng)的實(shí)驗(yàn);教學(xué)方式是以教師為中心,著重強(qiáng)調(diào)教師的“教”,教師先敘述實(shí)驗(yàn)的目的、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,再詳細(xì)解說(shuō)儀器設(shè)備操作方法、實(shí)驗(yàn)步驟、注意事項(xiàng),然后學(xué)生機(jī)械地進(jìn)行操作、記錄數(shù)據(jù)、填寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告。學(xué)生只需按實(shí)驗(yàn)步驟操作,根本不用獨(dú)立思考,更無(wú)需發(fā)揮其創(chuàng)新能力。學(xué)生雖然參與了實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng),但實(shí)質(zhì)上是處于被動(dòng)接受的狀態(tài),教師的“教”是教學(xué)設(shè)計(jì)的重點(diǎn),而學(xué)生的“學(xué)”往往被忽視,因此學(xué)生的主動(dòng)性、積極性受到一定限制,不利于創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

1.2 存在問題

1)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容陳舊,在反映新材料、新標(biāo)準(zhǔn)上有一定的滯后性。隨著我國(guó)建設(shè)規(guī)模增大和建設(shè)速度加快,土木工程專業(yè)在原建筑工程專業(yè)的基礎(chǔ)上覆蓋了交通土建工程、城市建設(shè)(部分)、礦井建設(shè)等相關(guān)專業(yè)。原建筑工程專業(yè)所開專業(yè)課建筑材料不僅在教材內(nèi)容上顯得狹窄,且近年來(lái)各種材料的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范變動(dòng)較大,實(shí)驗(yàn)方法也有所改變,但教學(xué)內(nèi)容卻沒跟上形勢(shì)的發(fā)展,導(dǎo)致學(xué)生知識(shí)面窄,對(duì)新材料、新標(biāo)準(zhǔn)的了解少,認(rèn)識(shí)膚淺,實(shí)際應(yīng)用能力差,畢業(yè)后進(jìn)入建設(shè)第一線時(shí)的盲目和不知所措狀況較突出。2)偏重于驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn),缺乏綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)及針對(duì)不同專業(yè)的選作實(shí)驗(yàn)。土木工程材料課程是一門實(shí)踐性較強(qiáng)的課程,一般開設(shè)5個(gè)～10個(gè)實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括土木工程材料性能的一些基本測(cè)試,只開設(shè)了驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn),缺乏綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。實(shí)際上像混凝土配合比實(shí)驗(yàn)、砂漿實(shí)驗(yàn)、瀝青混合料實(shí)驗(yàn)都可以開設(shè)成綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)(讓學(xué)生自主選材、設(shè)計(jì)、操作、評(píng)價(jià))。缺乏針對(duì)不同專業(yè)的選做實(shí)驗(yàn),目前有土木工程專業(yè)、工程管理專業(yè)、建筑工程技術(shù)專業(yè)等開設(shè)土木工程材料實(shí)驗(yàn),不同專業(yè)要求開設(shè)不同的項(xiàng)目,即使是同一實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目也會(huì)因?qū)I(yè)不同其要求也不同,如同樣是混凝土配合比設(shè)計(jì)項(xiàng)目,土木工程專業(yè)的學(xué)生要求選材、設(shè)計(jì)、操作、評(píng)價(jià)全部掌握,而工程管理專業(yè)的學(xué)生可弱化選材、設(shè)計(jì)、操作,只要求評(píng)價(jià),然而在實(shí)際教學(xué)中因各種原因通常沒有加以區(qū)別。3)教學(xué)方法單一。目前,土木工程材料實(shí)驗(yàn)主要是以老師講解,學(xué)生按實(shí)驗(yàn)步驟操作、記錄、填寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告為主,老師是“忠實(shí)”的“講解員”,學(xué)生是“忠實(shí)”的執(zhí)行者。學(xué)生只是被動(dòng)接受,缺乏主動(dòng)性,更談不上創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。每次實(shí)驗(yàn)就是學(xué)生當(dāng)一次實(shí)驗(yàn)操作工人而已,并沒有起到加深對(duì)理論知識(shí)的理解的作用,更沒有起到提高學(xué)生分析問題、解決問題能力的作用。4)課時(shí)少,儀器利用率低;實(shí)驗(yàn)室管理落后導(dǎo)致教學(xué)組織與實(shí)施困難。隨著高校學(xué)分制管理的實(shí)施,學(xué)時(shí)總數(shù)減少,導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)間減少,從而儀器利用率低。如土木工程專業(yè)的本門課實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)降到10學(xué)時(shí),甚至更少。這樣學(xué)生課堂上可進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)教學(xué)就很少,理論上可以通過(guò)課外自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)、興趣實(shí)驗(yàn)進(jìn)行彌補(bǔ),但目前的資產(chǎn)管理模式、實(shí)驗(yàn)室管理體系和實(shí)驗(yàn)課教學(xué)體系不利于開放性實(shí)驗(yàn)室教學(xué)組織和綜合功能開發(fā)。典型的“大爺”式管理,缺乏激勵(lì)機(jī)制。

2 土木工程材料實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改進(jìn)措施及建議

2.1 保證既有實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的基礎(chǔ)上,添加新材料、新技術(shù)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

除掌握土木工程材料基礎(chǔ)性能外,可適當(dāng)添加相關(guān)新材料、新理念、新技術(shù)的實(shí)驗(yàn)。例如目前人們普遍關(guān)心混凝土耐久性問題(關(guān)系到節(jié)能、節(jié)約資源等),以及建筑材料生產(chǎn)應(yīng)用帶來(lái)的生態(tài)問題(涉及到環(huán)保、溫濕效應(yīng)等),可以考慮設(shè)計(jì)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容(如加氣混凝土砌塊、空心磚、保溫砂漿、防水卷材、環(huán)保涂料等),加入到已有實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,使土木工程材料教學(xué)的內(nèi)容與時(shí)代進(jìn)步相適應(yīng)[2]。

2.2 建立實(shí)驗(yàn)室開放制度,開設(shè)設(shè)計(jì)性、綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

由于正常的教學(xué)實(shí)驗(yàn),人員多、場(chǎng)地小,難以保證每個(gè)學(xué)生有足夠的時(shí)間接觸到實(shí)驗(yàn),但有部分學(xué)生對(duì)本課程有濃厚的興趣,因此,應(yīng)積極鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)行教學(xué)外的科學(xué)研究、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn),如“挑戰(zhàn)杯”、混凝土配合比實(shí)驗(yàn)(從詢價(jià)、選材、設(shè)計(jì)、操作、評(píng)價(jià)全過(guò)程自主進(jìn)行)等,并對(duì)完成的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目給予一定的學(xué)分、獎(jiǎng)勵(lì),進(jìn)行鼓勵(lì)和激勵(lì)。為了提高實(shí)驗(yàn)室設(shè)施的利用率,在時(shí)間安排上能夠靈活調(diào)整,在教學(xué)實(shí)驗(yàn)高峰期之外的時(shí)間,鼓勵(lì)相關(guān)專業(yè)的學(xué)生利用實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)設(shè)施,由相關(guān)教師指導(dǎo)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。由于設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生要有足夠的時(shí)間進(jìn)行實(shí)驗(yàn),應(yīng)給學(xué)生提供一個(gè)較寬松的時(shí)間、空間和條件,以便完成從實(shí)驗(yàn)時(shí)間到實(shí)驗(yàn)空間,從內(nèi)容設(shè)計(jì)、準(zhǔn)備、預(yù)試到實(shí)際操作和實(shí)驗(yàn)結(jié)果評(píng)價(jià)等工作,這就要求實(shí)驗(yàn)室開放。

2.3 改進(jìn)實(shí)驗(yàn)室管理制度及機(jī)制,充分開發(fā)實(shí)驗(yàn)室的綜合功能

“開放式”的實(shí)驗(yàn)室管理模式、添加新的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目等改革措施,勢(shì)必導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)室管理成本的增加和實(shí)驗(yàn)室教師工作量的增加,有時(shí)為了滿足學(xué)生的上課時(shí)間,老師不得不犧牲自己的休息時(shí)間。為了實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革目標(biāo)的實(shí)現(xiàn),必須建立一套健全的實(shí)驗(yàn)室管理制度與激勵(lì)機(jī)制。

充分開發(fā)實(shí)驗(yàn)室除教學(xué)功能外的技能培訓(xùn)、科研服務(wù)、社會(huì)技術(shù)服務(wù)功能,注入實(shí)驗(yàn)室新的活力。高校實(shí)驗(yàn)室設(shè)備齊全,技術(shù)人員集中,能夠承擔(dān)常規(guī)工程材料的檢驗(yàn),如果能夠結(jié)合工程需要,開展技術(shù)咨詢和材料檢測(cè)服務(wù),實(shí)現(xiàn)微利經(jīng)營(yíng),創(chuàng)造完全仿真的生產(chǎn)實(shí)訓(xùn)環(huán)境,對(duì)提高學(xué)生的實(shí)踐技能也是有好處的。利用實(shí)驗(yàn)室條件,開展行業(yè)的技能培訓(xùn)和職工的繼續(xù)教育,如混凝土技術(shù)性能檢測(cè)技能大賽、鋼筋綁扎技能大賽等,充分利用實(shí)驗(yàn)儀器服務(wù)于教師、學(xué)生科研項(xiàng)目。通過(guò)一系列服務(wù),一方面,實(shí)現(xiàn)微利經(jīng)營(yíng),可以注入資金活力,另一方面,在服務(wù)于社會(huì)的過(guò)程中,可以及時(shí)了解社會(huì)、行業(yè)需求,從而可以及時(shí)調(diào)整教學(xué)內(nèi)容、有目的的建設(shè)改造實(shí)驗(yàn)室。

2.4 開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn),促進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革[4]

仿真實(shí)驗(yàn)是利用計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)建一個(gè)可視化的實(shí)驗(yàn)操作環(huán)境,其中的每一個(gè)可視化仿真物體代表一種實(shí)驗(yàn)儀器或設(shè)備,通過(guò)操作這些虛擬的實(shí)驗(yàn)儀器或設(shè)備,即可進(jìn)行各種實(shí)驗(yàn),達(dá)到與真實(shí)實(shí)驗(yàn)相一致的教學(xué)要求和目的。它是虛擬仿真技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和專業(yè)理論知識(shí)多方面結(jié)合的結(jié)晶。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以提供開放式實(shí)驗(yàn)環(huán)境,真正實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室向?qū)W生開放。學(xué)生可以打破時(shí)間和地域的限制完成相關(guān)的教學(xué)實(shí)驗(yàn)。由于虛擬儀器系統(tǒng)的支持,學(xué)生可以自擬、自選實(shí)驗(yàn)題目,自行組織實(shí)驗(yàn),變使用現(xiàn)成的儀器為開發(fā)自己的儀器進(jìn)行實(shí)驗(yàn),改變傳統(tǒng)的灌輸式教學(xué)方式,讓學(xué)生自主參與到教學(xué)中來(lái),最大限度地發(fā)揮學(xué)生的主動(dòng)性和創(chuàng)造性。這種學(xué)生自主探索的學(xué)習(xí)活動(dòng),可使他們的個(gè)性得到發(fā)展,創(chuàng)造能力得到提高,最大程度地鍛煉和開發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新能力,極大地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

筆者結(jié)合重慶市建設(shè)委員會(huì)科研項(xiàng)目《土木工程試驗(yàn)計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)研究》(項(xiàng)目計(jì)劃城科字2008第52號(hào)),開發(fā)包括土木工程材料實(shí)驗(yàn)的一套仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),試圖在教學(xué)過(guò)程中,實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)部分或全部通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)在課外進(jìn)行[5]。

3 結(jié)語(yǔ)

以上一系列改革措施和思想,已經(jīng)有不少專家、學(xué)者呼吁過(guò),但遲遲得不到落實(shí)。因此,關(guān)鍵問題是如何實(shí)施,有哪些障礙。筆者認(rèn)為主要是兩方面的工作:一方面,加快虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)和實(shí)施,利用仿真實(shí)驗(yàn)室完成傳統(tǒng)的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。計(jì)算機(jī)技術(shù)、仿真技術(shù)、專業(yè)理論知識(shí)已經(jīng)沒有障礙,而且已經(jīng)有案例可以參考,另一方面,加快實(shí)驗(yàn)室資產(chǎn)制度、考核制度、激勵(lì)制度等管理制度改革,保障開放性實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)、綜合性實(shí)驗(yàn)、創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)的實(shí)施。做到這一點(diǎn),需要改變陳舊的思維模式,特別是領(lǐng)導(dǎo)的思維模式和改革魄力,因?yàn)檫@將觸及到一些人的利益,障礙較大,這也是多少年來(lái),實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革只停留在“呼吁”階段的根本原因。但隨著高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的進(jìn)行,它是勢(shì)在必行的,不是某個(gè)人或者某些人的利益所能阻擋的,大勢(shì)所趨。只有高校實(shí)驗(yàn)室管理制度改革成功了,才能充分發(fā)揮它教學(xué)、科研服務(wù)、技能培訓(xùn)、技術(shù)服務(wù)等功能。上面兩點(diǎn)做到了,土木工程材料實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革才能從根本上取得成功。

[1] 蘇達(dá)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 鑄,孫 坤,劉 偉,等.土木工程材料實(shí)驗(yàn)教學(xué)組織與實(shí)施[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2008(1):116-119.

[3] 潘永燦,吳發(fā)紅.土木工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)教學(xué)改革探討[J].山西建筑,2008,34(3):214-215.

[4] 蘇旭霞,劉素楠,管立新.開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn),促進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革[J].科技廣場(chǎng),2008(2):252-254.

[5] 廖小烽,黃林青,劉先鋒.基于開源網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)土木工程仿真實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)和構(gòu)建[A].重慶力學(xué)學(xué)會(huì)2009年學(xué)術(shù)年會(huì)論文集[C].重慶:重慶大學(xué)出版社,2009:171-174.