淺談“建筑材料分析與測試”教學方法的改革

[摘 要] “建筑材料分析與測試”是土木工程專業(yè)理論性和實踐性均很強的研究生必修課，主要適用于材料科學與工程、土木工程、土木與水利工程等專業(yè)的研究生。在分析該課程教學特點的基礎上，針對課程內(nèi)容龐雜、學生上課枯燥乏味且積極性不高、學生對分析測試技術的原理和理論認識不清及課時量相對較少等問題，結(jié)合實際的教學經(jīng)驗，針對性地提出有效措施，如優(yōu)化課程的理論教學內(nèi)容、緊跟材料研究方法最新進展、采用靈活多變的教學方式等，旨在培養(yǎng)學生的動手能力和創(chuàng)新能力，提高教學效果和教學質(zhì)量。

[關鍵詞] 建筑材料分析與測試;教學特點;教學方法;改革措施

[作者簡介] 楊永敢（1989—），男，安徽淮北人，博士，合肥工業(yè)大學土木與水利工程學院講師，主要從事混凝土的耐久性、混凝土無損檢測研究。

[中圖分類號] G642.0? ? ? [文獻標識碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2021）52-0068-04? ? [收稿日期] 2021-08-30

一、引言

基礎工程是保證人類生產(chǎn)生活正常進行和發(fā)展的生命線工程，是國家的主要財富，而建筑材料是基礎工程必需的物質(zhì)基礎，更是牽動國家經(jīng)濟增長、社會穩(wěn)定、國防安全、生態(tài)和人居環(huán)境改善、擴大人類生存空間等各項建設與發(fā)展的先導性、基礎性和戰(zhàn)略性要素。在世界范圍內(nèi)，混凝土和砂漿等水泥基材料是應用面最廣泛和使用量最大的建筑材料，這是由于水泥基材料兼具良好的力學性能和低廉的經(jīng)濟成本，同時原材料來源廣泛，能滿足大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)的必要條件。隨著經(jīng)濟實力快速發(fā)展與國家競爭力迅速提高，我國大宗土木工程材料產(chǎn)量已占全球的50%以上。作為重大基礎設施建設的主體材料，混凝土材料性能及其時變性直接影響重大基礎工程的服役性能與服役壽命，采用現(xiàn)代微觀測試技術能夠有效分析其劣化特征，揭示其劣化機理，擴展現(xiàn)代混凝土科學的研究領域。

二、開設“建筑材料分析與測試”課程的目的

一方面，土木建筑物結(jié)構(gòu)越來越復雜化，且服役環(huán)境多樣化，這對建筑材料的性能提出了新的挑戰(zhàn);另一方面，隨著各國基礎建設的大規(guī)模推進，自然資源短缺和固體廢物污染環(huán)境的雙重壓力，導致全球環(huán)境問題日益嚴峻，威脅著人類的生存和生活。因此，綠色建材技術成為研究熱點，發(fā)展低碳經(jīng)濟、建設低碳社會已經(jīng)成為我國經(jīng)濟和社會發(fā)展的戰(zhàn)略目標。綜上可知，高性能、功能化、低環(huán)境負荷是建筑材料的發(fā)展趨勢。為適應新趨勢，需要深入理解建筑材料的本質(zhì)，并進一步創(chuàng)新發(fā)展。先進的測試技術是理解并發(fā)展建筑材料的必要手段，為推動建筑材料行業(yè)科學與技術的進步提供基礎。

“建筑材料分析與測試”是材料相關學科的重要課程之一，其目標是使學生了解不同測試方法的基本原理[1，2]，熟練掌握建筑材料領域研究過程中常用的分析方法與測試技術，具備綜合運用多種分析方法和測試技術進行科研探究的能力[3-5]。在學習這門課之前，要先學習“建筑材料”“水泥基材料化學與物理”“建筑材料物理化學”等課程[6，7]。

“建筑材料分析與測試”課程主要包括：（1）建筑材料的主要種類，如介紹混凝土原材料的各個組分和微觀結(jié)構(gòu)，以及水泥基材料的水化機理和基本性能。（2）新拌漿體流變性能測試，如水泥基材料流變學的基本參數(shù)和基本模型，流變參數(shù)的測試方法及流變儀的測試原理。（3）水化熱測試技術，如兩種常見量熱儀器（等溫量熱儀和半絕熱量熱儀）的基本原理;測試樣品的制備過程及測試過程中儀器校準和攪拌測量的注意事項;結(jié)合實際膠凝體系的水化熱實驗，講解實驗數(shù)據(jù)的處理方法。（4）核磁共振譜測試技術，如核磁共振的基本原理，以及弛豫現(xiàn)象的理論與機理;樣品的制備方法和測試過程中需要注意的事項。（5）水泥基材料孔結(jié)構(gòu)測試方法，如新拌水泥基材料氣孔結(jié)構(gòu)測試方法，硬化混凝土氣孔結(jié)構(gòu)分析方法等多種孔隙結(jié)構(gòu)表征手段;壓汞法的基本理論及目前三種常用壓入體積的方法;樣品制備方法、試驗操作方法，以及測孔的誤差分析;水泥基材料孔結(jié)構(gòu)分析常用的表征參數(shù)。（6）微觀形貌分析，如掃描電子顯微鏡二次電子成像（SE）和背散射電子成像（BSE）的原理，以及環(huán)境掃描電鏡的基本原理。（7）X-CT測試技術，如X-CT系統(tǒng)的主要構(gòu)成部分及測試原理;X-CT技術應用及注意事項。（8）X射線衍射技術，如X射線的產(chǎn)生、X射線粉磨衍射、物相定性分析和物相定量分析的基本原理;樣品制備方法，包括顆粒尺寸要求、裝載方式、終止水化方式、樣品碳化等。（9）水泥基材料物相的熱分析，如熱重分析儀器的構(gòu)成和測試原理;樣品的制備方法，包括終止水化及干燥方式、避免碳化的方法、樣品量、樣品形態(tài)等。（10）水泥基材料紅外光譜分析，如紅外吸收的基本原理、技術指標、測試參數(shù)等。綜上所述，本課程著重從測試原理、取樣/樣品制備、測試過程及注意事項、數(shù)據(jù)采集與結(jié)果處理、結(jié)果的解釋與應用、不同方法對比等幾個方面對測試方法進行全面闡釋。本課程既闡述測試方法的基本原理，又介紹測試方法的實際操作，結(jié)合理論與實踐，為研究生的科研探索提供有力支撐。

三、“建筑材料分析與測試”課程的教學特點

1.“建筑材料分析與測試”是一門理論性很強的課程。首先講授X射線衍射儀、掃描電子顯微鏡、三位斷層掃描儀、差熱分析儀等多種測試設備的組成和工作原理，然后講解測試過程中樣品的制備和測試過程，接著詳細講解測試數(shù)據(jù)分別代表的含義，以及如何進行實驗結(jié)果數(shù)據(jù)的處理與分析，讓學生從本質(zhì)上認識各種先進的測試技術，并能正確應用到實際科研與工作中。

2.“建筑材料分析與測試”課程采用理論+實踐的模式進行講授，因此，其也是一門實踐性很強的課程。在教學過程中，每講授一種測試技術，都會和學生一起到實驗室對著儀器設備講解設備的組成、設備的工作原理，并操作一遍測試過程，當測試結(jié)束之后，指導學生處理和分析實驗數(shù)據(jù)。通過引導學生主動思考、探究、分析，全方位調(diào)動學生的主觀能動性，充分鍛煉學生的思考能力和分析能力。

3.“建筑材料分析與測試”課程講授的分析測試方法種類眾多，包括XRD、SEM、TG、X-CT、MIP等十多種現(xiàn)代分析測試技術。由于分析測試方法較多，因此，如何側(cè)重講解不同的分析測試方法是講課過程中需要考慮的問題。一般而言，對于廣泛應用于水泥基材料中的分析測試方法會重點講解，并且在講解的過程中注意方法的不重疊及相互之間的聯(lián)系;此外，要考慮研究生所屬的專業(yè)和研究方向，針對性地選擇分析測試方法進行講解。

4.“建筑材料分析與測試”課程講授的分析測試方法偏向于傳統(tǒng)，然而，隨著科學技術的發(fā)展，分析測試方法更新速度加快，新材料的不斷出現(xiàn)，新技術的不斷涌現(xiàn)，導致新的分析測試技術手段層出疊見。因此，在授課的過程中要及時追蹤國內(nèi)外最新進展，這樣既能讓學生快速與國際接軌，及時了解傳統(tǒng)分析測試方法的技術更新及新方法的應用，又能提高學生對這門課的興趣。

四、“建筑材料分析與測試”課程存在的問題

筆者已經(jīng)連續(xù)三年教授“建筑材料分析與測試”課程，在教學的過程中發(fā)現(xiàn)存在以下幾個問題。

1.單純的書本教學讓學生覺得枯燥乏味，導

致上課積極性不高，因此，學生在上課期間經(jīng)常會昏昏欲睡，提不起精神和興趣。

2.學生不清楚分析測試技術的原理和理論，

導致在做實驗的過程中不知道該如何正確制備測試樣品。在做實驗的過程中發(fā)現(xiàn)，有的學生看到其他學生用某一種檢測技術表征某個物質(zhì)，他也使用這個檢測技術，但是卻不知道使用這個檢測技術干什么。比如，別人用榔頭敲水泥基材料試件取樣用于做XRD測試，他利用壓汞法測試試件孔結(jié)構(gòu)也這樣取樣。用榔頭敲試件取樣利用XRD表征物相沒問題，因為不管怎么敲打試件都不會破壞物相組成，但是用榔頭敲打試件取樣做壓汞實驗，就會破壞試件的孔結(jié)構(gòu)，導致實驗結(jié)果不準確。在教學過程中發(fā)現(xiàn)很多這樣的問題，許多學生對使用某種分析檢測方法只知其然卻不知其所以然。

3.課程的課時量相對較少，只有32課時，然而需要講解的分析測試方法又比較多，每種分析測試的工作原理、操作步驟、適用范圍各不相同，理論部分比較深奧，教學內(nèi)容龐雜，對學生的理解和消化來說是個挑戰(zhàn)。

4.由于教學和科研條件所限，學院不具備課程所涉及的所有分析測試儀器，無法讓學生進行部分分析測試方法的實驗操作。因此，在學院現(xiàn)有條件下無法全部安排實踐教學。

五、“建筑材料分析與測試”課程改革措施

從以上問題不難看出，傳統(tǒng)的教學方法和教學內(nèi)容都受到了強有力的沖擊。為培養(yǎng)學生的動手能力和創(chuàng)新能力，提高教學效果，結(jié)合我院研究生所學專業(yè)和研究方向，從教學內(nèi)容、教學方法及教學模式等方面進行了教學的改革和探索，提高“建筑材料分析與測試”課程的有效性，改變課程安排不合理、缺乏創(chuàng)新的傳統(tǒng)教學模式，逐漸形成以學生為主體、教師為主導，課堂氣氛活躍、師生互動頻繁的探索式教學模式，充分提高了學生的積極性和創(chuàng)新性。

1.優(yōu)化課程理論教學內(nèi)容。“建筑材料分析與測試”屬于學科交叉類課程，由于課程的分析測試方法繁多，每種分析測試的工作原理及適用范圍又各不相同，此外，分析測試方法的理論部分比較深奧，這對學生的理解和消化來說是個挑戰(zhàn)，因此，在教學過程中并不需要將所有課程內(nèi)容全部講授給學生，而是考慮研究生所屬的專業(yè)和研究方向，針對性地選擇分析測試方法進行講解。由于主修這門課的研究生均是從事水泥基材料方向的研究，因此在教學過程中，主要詳細講授廣泛應用于水泥基材料中的分析測試方法。對于其他的分析測試方法，則講授得相對較少。此外，在講授常用的分析測試方法時，又將講授重點放在樣品的制備、實驗結(jié)果的分析與處理上，這對于學生來說，將來無論是工作還是科研都非常有用。對于不常用的一些分析測試方法，主要講解這些儀器的設備組成、工作原理等內(nèi)容。

2.緊跟材料研究方法最新進展。隨著科技的進步，大量先進土木工程材料應運而生，這些先進土木工程材料的出現(xiàn)伴隨著新的分析測試技術手段的出現(xiàn)。詳細給學生講述這些先進土木工程材料及相應的分析測試方法，不但能讓學生了解分析測試技術領域的前沿信息，而且還能培養(yǎng)學生的科研興趣，開闊學生的視野。此外，在教學過程中，筆者將自己科研過程中的研究成果及采用的分析技術方法與教學緊密結(jié)合，將自己的最新成果融入教學，以科研促進教學，確保教學過程中學生能夠認真仔細地聽講，并且能夠快速地消化課堂上的知識。比如，在講授壓汞法測試水泥基材料的孔結(jié)構(gòu)時，首先講解壓汞法的歷史，然后講解壓汞法測孔的目的是量測出在一定壓力下汞進某孔級的汞體積。目前有三種方法量測汞壓入體積—電容法、高度法和電阻法，三種方法都使用結(jié)構(gòu)相似的膨脹計。同時，講解樣品的制備，包括取樣方法、樣品尺寸和樣品干燥方法。傳統(tǒng)的取樣方法包括切割、鉆孔取芯和壓碎。部分研究人員認為壓碎和鉆芯取樣都可以研究水泥基材料孔結(jié)構(gòu)，而鉆芯取樣更能減小測試孔結(jié)構(gòu)誤差。但大部研究人員認為壓碎后取樣時會導致樣品出現(xiàn)二次裂縫。在取樣結(jié)束后立即用乙醇浸泡以中止水化，一般應浸泡24小時以上，取出后在空氣中使乙醇充分揮發(fā)。采用真空干燥法時，試樣放到60℃真空干燥箱中真空干燥48小時（在試樣進行烘干時，干燥箱的溫度不能高于60℃，防止部分水化產(chǎn)物分解），將干燥好的試樣放到膨脹計玻璃測量管內(nèi)，之后首先進行低壓實驗，在低壓結(jié)束后，把充滿汞的玻璃測量管置入高壓測量槽內(nèi)，進行高壓實驗。與壓汞儀相連的計算機控制進汞和出汞，并自動記錄孔隙率累積曲線和孔徑分布微分曲線。尤其要注意的是，在開始測試樣品前，必須校正膨脹計，且在進行低壓和高壓操作過程中，禁止向儀器中加汞及進行其他操作。通過這樣的方式，培養(yǎng)學生對分析測試方法與技術的興趣。

3.靈活多變的教學方式。在教學過程中采用多種教學方法，充分發(fā)揮學生的主動性和創(chuàng)新意識，培養(yǎng)學生的科研精神。在進行分析測試方法的理論教學時，采用板書、PPT講解及動畫解說相結(jié)合的模式，讓學生充分了解其構(gòu)件組成與工作原理，讓學生知其然，更知其所以然。在進行分析測試方法的實踐教學時，帶學生進入實驗室，面對實驗儀器設備為學生講解其組成和工作原理，然后一起制備測試的樣品，等測試結(jié)束之后，和學生一起分析和處理實驗結(jié)果，旨在全面鍛煉學生的理論知識應用、科學思維和動手能力。針對想繼續(xù)從事研究的學生，可讓其制定研究方案，選擇實驗方法，進入實驗室進行科學實驗，對實驗結(jié)果進行分析和總結(jié)，并形成實驗報告。在講解國外的先進分析測試方法時，采用雙語教學，使學生不僅能夠?qū)W到一定的專業(yè)知識，還能夠鍛煉交際能力。通過雙語教學，能夠借鑒外文教材的教學內(nèi)容和教學思路，培養(yǎng)學生的全球化視野。在雙語教學過程中，可與學生進行簡短有趣的互動，增強師生感情，培養(yǎng)學生對這門課程的興趣。同時，讓學生針對自己的研究方向，搜集國內(nèi)外的分析測試方法，采用問卷調(diào)查等方式充分了解學生的學習需求和興趣點，針對學生提出的建議和意見進行自我調(diào)整，增加師生互動和教學效果評價，從而達到有針對性地教學和不斷改進教學內(nèi)容和方式的目的。

4.注重教學效果反饋。在教學過程中要時刻了解學生的學習狀態(tài)和知識汲取程度。通過課堂交流、課后答疑、學生提建議、學生親自進行實驗操作等環(huán)節(jié)，了解學生的學習程度。比如，有的學生反映教學過程中缺少與分析測試方法相關的實際工程案例分析。因此，在接下來的教學過程中，筆者注重講解與分析檢測方法相關的實際工程案例，通過實際工程案例分析，讓學生更加清晰地認識到分析測試方法的重要性和必要性。此外，有的學生反映在實踐過程中，一般都是好幾位同學一組，無法保證每個學生都能上手操作，同時，由于實驗課程較為固化，學生操作只要按照操作說明進行就行，導致學生無須思考，直接按照操作書進行實驗，達不到實踐操作的目的和意義。因此，筆者有序地安排每個學生都操作一遍實驗步驟，以加深實驗印象。

六、結(jié)語

隨著科技的進步和新材料的發(fā)展，在“建筑材料分析與測試”的課程教學中，教師除了講解多種分析測試方法及手段，還應及時教授國內(nèi)外最新的分析測試手段，確保學生能夠快速與國際接軌。此外，作為“建筑材料分析與測試”課程的教師，應該因材施教，與時俱進，通過引入先進的教學理念和教學方法，培養(yǎng)學生學習的積極性和主動性，如此方能使教學質(zhì)量持續(xù)提高。

參考文獻

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Discussion on Teaching Methods of Analysis and Testing of Building Materials Course

YANG Yong-gan

（College of Civil Engineering， Hefei University of Technology， Hefei， Anhui 230009， China）

Abstract： Analysis and Testing of Building Materials is a required course for postgraduates majoring in civil engineering with strong theoretical and practical characteristics. It is mainly suitable for postgraduates in material science and engineering， civil engineering， civil engineering and water conservancy engineering and other majors. Based on the analysis of the teaching characteristics of the course， in view of the problems such as the complex content of this course， the boring teaching method， the low enthusiasm of students in class， the poor understanding of the principles and theories of analysis and testing technology， and the relatively small amount of class hours， and combined with the practical teaching experience， this paper puts forward some effective measures to cultivate students’ practical ability and innovation ability and to improve the teaching effect and teaching quality， such as optimizing the theoretical teaching content of the course， keeping up with the latest progress in material research methods， and adopting flexible teaching methods， etc.

Key words： Analysis and Testing of Building Materials; teaching characteristics; teaching methods; reform measures