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大学土木工程材料课程改革与实践

[摘要]土木工程材料课程是应用型本科高校土木工程类专业基础核心课程。本文在省级大规模在线开放课程建设的基础上总结了近年来在教学内容、教学方法、能力培养、教学效果等方面进行的有益探索和实践。实践表明,通过课程改革,课堂教学内容得以充实和更具条理,学生视野得到了拓宽,学习兴趣得以激发,对学生综合能力的提高起到了一定的促进作用,为“土木工程材料”的教学改革提供借鉴,有利于推进地方应用型高水平大学的建设。

[关键词]土木工程材料;课程改革;工程意识;创新能力

面对机遇与挑战,学校要求以专业特区为抓手,引领一流应用型学科专业群的建设;突破体制瓶颈,全方位开展校企合作;进一步深化教学改革,推进人才培养模式的创新;注重能力提升,强化高水平师资队伍的建设;拓宽办学渠道,加强应用型人才培养的国际交流与合作。以此为契机,土木工程材料课程作为皖西学院土建类专业基础核心课程,又是2016年度省级精品开放课程之大规模在线开放课程(MOOC)示范项目,本课程在一流应用型人才培养模式改革过程中大胆进行了改革。基于土木工程材料课程在专业人才培养体系中的基础核心课程地位,其教学目的是使学生掌握主要土木工程材料的性质、用途、制备、使用方法和质量检测与控制方法,了解工程材料性质与结构的关系,以及材料性能改善的途径。通过课程的学习,学生应能够针对不同的工程进行合理的选用材料,并能与后续专业课程密切结合,了解材料与设计参数以及施工方法之间的相互关系[1,2]。本文结合省级大规模在线开放课程(MOOC)的初期建设,以皖西学院土木工程专业人才培养特区为例,总结了在一流应用型人才培养模式改革过程中土木工程材料课程进行的教学改革。

1土木工程材料课程改革的必要性

土木工程材料课程内容繁多、叙述性强,导致教师在讲授的过程中容易照本宣科;而各类材料的介绍又自成体系,缺乏横向联系,使得整体逻辑性不强,导致学生认为土木工程材料的学习就是死记硬背,不会做到融会贯通、举一反三,难以激发学生的学习主动性和创造性[3]。同时,随着现代社会大型工程、新型建筑和新的设计、施工技术的应用,建材工业也出现了新的面貌,新材料层出不穷,新品种日新月异,老规范不断被更新。土木工程材料实验是课程理论部分的重要补充,通过实验锻炼学生的动手能力和培养工程师素养,学会用实验来验证材料的基本性能和质量检测方法,从而学会运用所学的理论知识和实验方法解决工程实际问题[4]。实验项目主要包括:水泥的基本性质试验、混凝土用骨料试验、普通混凝土试验、普通混凝土配合比设计、砂浆配合比设计以及石油沥青试验等[5-6]。而传统的实验教学过程中,学生主要学习常规的土木工程材料性能检测,与工程实际联系不紧密,学生处理工程实际问题的能力训练不够,达不到应有的实验效果。课程的教育模式已经不能满足当前我校“专业人才培养特区”建设目标,亟需对课程进行改革。

2深化课程内容和教学方法改革,加强学生工程意识

传统的土木工程材料课程内容主要分为九个教学单元,包括:土木工程材料的基本性质、无机胶凝材料、水泥混凝土与砂浆、钢材、砌筑材料、木材、沥青及沥青混合料、合成高分子材料及其他工程材料等[5-7]。课程内容各自独立成章,相互关联性差。为适应地方应用型本科专业人才培养目标,将课程的教学单元整合成如下五个模块:土木工程材料的基本性能、胶凝材料、水泥基复合材料、建筑钢材和建筑功能材料。每个模块在教学过程中通过引入工程实例,将其和其他模块的知识点联系起来。比如现在的高层建筑用到的大流动性高强度混凝土,大流动性是混凝土的和易性指标,是为了提高混凝土的泵送能力,要想得到大流动性混凝土,最直接有效的方法是加大水灰比,但这样做的后果又会导致混凝土的内部孔隙率增大,内部结构发生变化,从而使混凝土的强度降低,因此,需要通过其他手段来提高混凝土的流动性,同时通过多渠道增大混凝土的强度。通过与工程实例相结合,把学生的学习积极性充分调动起来。胶凝材料是土木工程材料的核心内容,传统的土木工程材料课程分气硬性胶凝材料、水泥和沥青及沥青混合料三个独立单元,在教学过程中,通过整合三部分内容,利用类比方法将其融合到一起,如图1所示。利用MOOC的线上资源优势,结合胶凝材料在道桥上的应用发展史和实例展示,使学生对胶凝材料的性质和应用有了更为直观的理解和掌握。而胶凝材料是后续专业课如钢筋混凝土基本原理、结构设计等的重要基础,必须要掌握好,才会用起来得心应手。在教学过程中,注重多种教学方法的灵活应用[2]。如讲解六大通用硅酸盐水泥的特性和应用的时候,可以使用类比法,将知识点进行横向拓展,先将水泥按照掺混合料的多少划分为掺少量混合料的硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥和掺大量混合料的矿渣水泥、粉煤灰水泥、火山灰水泥、复合硅酸盐水泥两大类;再通过列表进行对比讲解,掺混合料少的两种水泥性质基本相似,与掺混合料多的水泥性质基本相反,而掺混合料多的四种水泥性质也基本相似;最后将知识点进行纵向深入,指出其共性之外的个性,比如粉煤灰水泥的抗裂性能较好,火山灰水泥的抗渗性较好,矿渣水泥的抗渗性能较差等。这样,六大通用水泥的基本性质就一目了然,既有助于记忆,又便于类推各自的适用范围。再结合MOOC的线上资源案例再现,学生对六大通用水泥的特性和应用就会印象深刻,学起来也会轻松很多,不用去死记硬背。这种教学方法对学生创新思维的培养和工程师素养的训练是有益的。

3深化实验教学改革,培养学生综合实践能力

土木工程材料实验是本课程重要的教学环节,其任务就是验证所学的基本理论,学习材料的试验方法,培养科学研究的能力和严谨缜密的科学态度[2-4]。结合应用型人才培养目标,实验教学改革着力从三方面展开。

3.1基本实验

土木工程材料课程基本实验包括水泥的基本性质测定,集料的表观密度、堆积密度和筛分实验,钢材的拉伸实验和砌体材料的性能测试等验证性项目,主要是培养学生学会常规实验仪器设备的操作,学会用实验验证所学的理论知识,并能将其应用到实际工程中。为了提高学生的学习兴趣,授课老师可以将工程上的质检样品引入到实验过程中,让学生用实际工程样品做材料的性能检测。试验前,要求学生制定出合理的实验方案;试验中,实时记录观察到的现象、样品变化和实验数据;试验后,对数据进行处理分析,并给出检测结论。基本实验部分的考核综合考虑实验过程的评价和实验报告的完整性。

3.2综合设计性实验

此类实验主要包含混凝土配合比设计和砂浆配合比设计,是根据混凝土的强度等级或砂浆的强度等级要求,设计不同配比的原材料,在施工和易性满足要求的前提下经拌和、振捣、养护、强度测试等实验操作,获得和易性、强度、耐久性、经济性等符合要求的各材料配比。配合比设计实验是综合运用所学材料的理论知识来设计、试验材料的性能,是解决工程实际问题。在试验过程中,注重培养学生实事求是的科学态度和严谨求实的工程师素养。综合设计性实验要求学生在完成基本实验项目的基础上,可以拓展实验内容,如混凝土强度测定部分,可将混凝土试块作为研究对象,老师讲解混凝土试块的破坏原理、加载方式和加载速度对破坏强度的影响等,通过示范演示后,各小组自己动手完成混凝土试块的加载破坏,包括加载速度的设定、加载变形直至破坏的过程记录、实验数据的处理和分析等。通过拓展实验,学生对混凝土试块的强度、变形、破坏发展过程能深入地了解,也更能把学习的积极性调动起来,将所学的基本理论和实验方法真正应用到工程实际中。通过拓展实验收获了良好的实验效果,学生的综合实践能力也得到明显提高。

3.3现场参观调研

通过参观建材市场、混凝土搅拌站和钢筋、钢构件加工厂等,来拓展学生的工程实践能力。参观建材市场,增强对各种建材产品的直观感性认识,通过对比直观感受不同质量等级的建材产品其外观表现出来的质感差别;参观搅拌站的过程中,由工程师现场给学生介绍混凝土搅拌站的运行管理,包括过程控制、质量控制以及如何保证混凝土在施工前和施工中的施工和易性等具体实际工程问题;参观钢筋、钢构件加工厂,让学生现场感受钢筋、钢构件的生产加工过程,知道钢材的性能与生产加工过程质量控制的关系等。参观结束后,要求学生写心得体会,要对参观的过程有记录、有思考,以及参观过程中发现的问题及其解决办法等。这个过程既可避免部分学生在参观过程中走马观花现象,又能让学生体会到“细节在于观察,成功在于积累”的优良工程师素养。

4课程改革效果

课程改革的效果之一,体现在教育的主体——学生上,学习土木工程材料课程的兴趣得到很大激发,综合能力有很大提高,为后续专业课程的学习打下了良好的基础;吸引部分学生参与到课程组老师的科研项目中,积极申报大学生研究性学习项目,部分已结项并获校级奖励。课程改革的效果之二,体现在课程本身的建设与教师的发展上。2016年《土木工程材料》获批安徽省省级大规模在线开放课程(MOOC)示范项目立项;同年“基于创新性应用型人才培养的工程材料学科类课程教学改革研究与实践”获批安徽省省级重大教学研究项目立项;2016年副主编出版发行“十三五”普通高等教育本科规划教材《土木工程材料》;课程组老师近三年已有三人次获得课堂教学考核优秀等级。通过课程改革,激发了学生学习兴趣、提高了其工程师素养、增强了其创新能力,课程组老师教学水平、教育质量也得以提高,土木工程材料课程改革在我校应用型人才培养方面取得了明显的成效。

5结论

土木工程材料课程是土木工程类专业基础核心课程,在专业人才培养课程体系中处于重要地位。通过课程改革,课堂教学内容得以充实和更具条理,学生视野得到了拓宽,学习兴趣得以激发,对学生综合能力的提高起到了一定的促进作用,为“土木工程材料”的教学改革提供了经验。今后将继续结合《土木工程材料》省级精品大规模在线开放课程建设目标进一步完善建设内容,为我校应用型人才培养课程建设进行有益探索和实践。

参考文献:

[1]施惠生,郭晓潞.土木工程材料[M].重庆:重庆大学出版社,2011.

[2]王宇辉.本科土木工程材料课程的教学改革探讨[J].山西建筑,2017(27):235-236.

[3]郝成伟,钱红梅.土木工程材料课程“听、说、做”一体化的探索与实践——以安徽省皖西学院为例[J].合肥工业大学学报(社会科学版),2013,6(3):122-124.

[4]吴坤铭.应用型本科高校材料力学课程改革与实践[J].皖西学院学报,2016,10(5):26-29.

[5]高等学校土木工程学科专业指导委员会.高等学校土木工程本科指导性专业规范[M].北京:中国建筑工业出版社,2015.

[6]高等学校土木工程专业指导委员会.高等学校土木工程专业本科教育培养目标和培养方案及课程教学大纲[M].北京:中国建筑工业出版社,2007.

[7]陈长冰,胡晓军,夏勇,等.卓越工程师计划中核心能力的培养探讨——以土木工程专业为例[J].廊坊师范学院学报(自然科学版),2011,12(6):111-115.

作者:钱红梅 郝成伟 戈海玉 单位:皖西学院 建筑与土木工程学院

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