水泥材料綜合性實(shí)驗(yàn)課程設(shè)計(jì)探討

水泥材料綜合性實(shí)驗(yàn)課程設(shè)計(jì)探討摘要：在土木工程材料實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革中，文章提出了水泥材料綜合性實(shí)驗(yàn)課程的設(shè)計(jì)思路。對(duì)其教學(xué)效果的分析顯示，采用綜合性實(shí)驗(yàn)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)設(shè)課程目標(biāo)，同時(shí)還能夠顯著提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和開發(fā)其創(chuàng)新性思維。關(guān)鍵詞：水泥；綜合性；實(shí)驗(yàn)課程；教學(xué)研究10052909（2022）04011403綜合性設(shè)計(jì)是土木工程材料實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的重要方向，相關(guān)的研究也較多：張愛玲［1］將平行實(shí)驗(yàn)組調(diào)整為交叉實(shí)驗(yàn)組來增強(qiáng)學(xué)生的獨(dú)立操作能力；鐘佝［2］通過調(diào)整實(shí)驗(yàn)比重來增加綜合性、設(shè)計(jì)性和創(chuàng)新性項(xiàng)目；劉先鋒［3］采用模塊化設(shè)計(jì)安排不同的專業(yè)教師講授其擅長(zhǎng)的相關(guān)知識(shí)；楊楓等［4］提出將實(shí)驗(yàn)與科研和實(shí)際工程結(jié)合，以增加實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)性、研究性和創(chuàng)新性；宋旭艷等［5］探索以激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新和自主能力為目標(biāo)的綜合性實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革；楊醫(yī)博等［6］開發(fā)交互式學(xué)習(xí)課件來提高實(shí)驗(yàn)效率；余躍心等［7］探索分組實(shí)驗(yàn)、共享結(jié)果的教學(xué)改革；高英力［8］提出實(shí)驗(yàn)與理論共融的教學(xué)模式；楊鼎宜等［9］將實(shí)驗(yàn)分為基本和開放式兩類，并分別設(shè)置必做和任選項(xiàng)目；米文瑜［10］強(qiáng)調(diào)在真實(shí)情境下開展實(shí)驗(yàn)的重要性；丁鑄等［11］則通過“挑戰(zhàn)杯”等課外科技創(chuàng)新活動(dòng)與開放實(shí)驗(yàn)室結(jié)合的方式來提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力；程朝霞［12］開發(fā)對(duì)比型、創(chuàng)新型、環(huán)保型及計(jì)算機(jī)型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。筆者針對(duì)水泥的細(xì)度、密度、標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時(shí)間、安定性、膠砂及混凝土的成型與強(qiáng)度測(cè)試等實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，設(shè)計(jì)了綜合性實(shí)驗(yàn)課程，并對(duì)這一實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革在提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，加深學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解及開發(fā)學(xué)生創(chuàng)新性思維等方面的作用進(jìn)行了探討。一、普通實(shí)驗(yàn)安排及其存在的問題一般把水泥的“細(xì)度和密度”、“標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時(shí)間和安定性”、“膠砂及混凝土成型”、“膠砂及混凝土強(qiáng)度”等實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目各安排2個(gè)課時(shí)。因?yàn)椤澳Y(jié)時(shí)間和安定性”實(shí)驗(yàn)操作時(shí)間較長(zhǎng)，全部完成初、終凝時(shí)間的測(cè)試至少需要3h,而“安定性”項(xiàng)目要在成型一天后再蒸煮試樣3.5h,才能進(jìn)行結(jié)果測(cè)試和評(píng)價(jià)，所以，對(duì)土木材料類專業(yè)的學(xué)生,通常會(huì)增加課時(shí)來完成整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程；而對(duì)非材料類的相關(guān)專業(yè)學(xué)生,則將該部分實(shí)驗(yàn)中的后期結(jié)果測(cè)試及評(píng)價(jià)方法以講解的形式來代替實(shí)際操作所用的實(shí)驗(yàn)材料一般采用市售的42.5P.O水泥、標(biāo)準(zhǔn)砂以及普通混凝土粗細(xì)集料。由于常規(guī)采購的均是安定性合格水泥，學(xué)生無法看到最重要的安定性不合格水泥的實(shí)驗(yàn)結(jié)果；另外，學(xué)生只做一種水泥材料的細(xì)度、密度、標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時(shí)間及強(qiáng)度等實(shí)驗(yàn)，沒有其他材料的相關(guān)性能對(duì)比，從而對(duì)所得性能指標(biāo)的印象不深，最多僅通過膠砂實(shí)驗(yàn)對(duì)水泥的“強(qiáng)度等級(jí)”或“標(biāo)號(hào)”等概念有所理解。相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)各操作環(huán)節(jié)都有詳細(xì)規(guī)定，所以學(xué)生完全可以對(duì)照書本自主完成實(shí)驗(yàn)。教師在實(shí)驗(yàn)開始前的講解內(nèi)容一般包括對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器的使用、安全性、數(shù)據(jù)處理和結(jié)果評(píng)價(jià)等，有些實(shí)驗(yàn)教材中也會(huì)詳細(xì)列出具體步驟如果照本宣科講述這些內(nèi)容，課堂比較單調(diào)，無法吸引學(xué)生；一些具有豐富工程經(jīng)驗(yàn)的教師常常通過引用工程實(shí)例來激發(fā)學(xué)生的興趣，比如，水泥廠如何“批量”開展這些實(shí)驗(yàn)操作，施工單位對(duì)水泥原材料的基本性能指標(biāo)如何復(fù)檢等等。這些內(nèi)容可以幫助學(xué)生理解實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的重要性，但對(duì)學(xué)生掌握實(shí)驗(yàn)操作本身并沒有直接作用。二、綜合性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)通過對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的綜合性設(shè)計(jì)，即讓學(xué)生按照標(biāo)準(zhǔn)方法去完成一個(gè)小型研究項(xiàng)目，不僅能夠開發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新性思維，還可以加深其對(duì)實(shí)驗(yàn)操作規(guī)范的認(rèn)識(shí)。（一）實(shí)驗(yàn)?zāi)康陌凑諛?biāo)準(zhǔn)方法檢驗(yàn)和評(píng)價(jià)不同材料的有關(guān)性能，讓學(xué)生在掌握相關(guān)實(shí)驗(yàn)方法的同時(shí)，了解其應(yīng)用價(jià)值，并加深對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的理解。（二）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容（1）細(xì)度（篩余及勃氏比表面積）和真密度；（2）標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量和凝結(jié)時(shí)間，材料配比如表1；（3）安定性，分別采用合格及不合格水泥；（4）膠砂、混凝土成型及強(qiáng)度測(cè)試，實(shí)驗(yàn)配合比分別如表2和表3；（5）課時(shí)安排如表4。第一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)4個(gè)課時(shí)可連續(xù)安排，但以同一天完成為宜，以便最后一次進(jìn)行強(qiáng)度測(cè)試的2個(gè)課時(shí)，剛好與其相隔4周的時(shí)間；第2項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中凝結(jié)時(shí)間耗時(shí)較長(zhǎng)，可以選擇用講解代替結(jié)果檢驗(yàn)的方式，也可連續(xù)多安排2個(gè)課時(shí)，直至學(xué)生測(cè)出最終結(jié)果?？紤]到有些水泥即使延長(zhǎng)2課時(shí)時(shí)間仍不能達(dá)到終凝狀態(tài)，可以安排每組同學(xué)留下一人繼續(xù)完成實(shí)驗(yàn)；第3項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中包含第2項(xiàng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的延伸，所以應(yīng)安排在第2項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的第2天進(jìn)行。三、課程特點(diǎn)1）實(shí)驗(yàn)工作量增加。通過同組學(xué)生分工協(xié)作，仍可以在原有驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)課時(shí)內(nèi)完成。（2）實(shí)驗(yàn)成本略微提高。各原材料容易獲得且價(jià)格便宜，所以增加的費(fèi)用較少。四、課程效果將綜合性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)應(yīng)用于土木工程專業(yè)本科生的土木工程材料實(shí)驗(yàn)課程，與以前采用驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的教學(xué)效果進(jìn)行比較，可以得出以下結(jié)論。（一）課程目標(biāo)順利實(shí)現(xiàn)該實(shí)驗(yàn)課程的基本目標(biāo)是讓學(xué)生掌握和了解相關(guān)實(shí)驗(yàn)方法，盡管增加綜合性實(shí)驗(yàn)后學(xué)生的注意力集中在獲得不同材料的相關(guān)性能差別上，但為獲得可靠的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，學(xué)生能主動(dòng)認(rèn)識(shí)到嚴(yán)格執(zhí)行各種實(shí)驗(yàn)規(guī)范的重要性，從而對(duì)具體實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的掌握更加牢固。（二）學(xué)習(xí)興趣有所提高在驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)課程中，學(xué)生提出的多為簡(jiǎn)單的操作問題，而采用綜合性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)后，學(xué)生思考的問題出現(xiàn)多元化，并且涉及更多的學(xué)術(shù)性問題。比如：在細(xì)度實(shí)驗(yàn)中，過去學(xué)生的問題是：如何清除負(fù)壓篩篩蓋上粘附的粉體？為什么“勃氏儀”可以通過時(shí)間參數(shù)來評(píng)價(jià)顆粒細(xì)度？通過解決這些問題，學(xué)生學(xué)到一些動(dòng)手操作方法或了解一些實(shí)驗(yàn)原理；而現(xiàn)在的問題是：為何不同粉體在篩蓋上粘附的程度不同？“勃氏法”都適合什么樣的粉體？勃氏比表面積與篩余之間有數(shù)學(xué)關(guān)系么？等等。通過解答這些問題，學(xué)生知識(shí)得以擴(kuò)展。比如，不同粉體顆粒的吸附性是不同的；像硅灰那樣特別細(xì)的顆粒無法通過“勃氏法”和篩余方法來精確評(píng)價(jià)細(xì)度；勃氏比表面積與篩余雖然都是表征細(xì)度的參數(shù)，但其意義和適用場(chǎng)合存在差Bi異。再如：在密度實(shí)驗(yàn)中要求采用煤油或柴油作為溶劑，以防止水泥因在其中發(fā)生水化反應(yīng)而影響測(cè)試結(jié)果。在綜合性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中增加粉煤灰和礦渣粉兩類材料后，學(xué)生會(huì)提出可否直接用自來水作溶劑。因?yàn)樗麄冎肋@兩種材料不會(huì)與水直接發(fā)生反應(yīng)?？梢妼W(xué)生已將所學(xué)知識(shí)運(yùn)用于實(shí)際中。此外，通過綜合性實(shí)驗(yàn)中的砂漿強(qiáng)度測(cè)試，加深了學(xué)生對(duì)粉煤灰、礦渣粉等火山灰材料的“活性指數(shù)”概念的理解，了解了實(shí)驗(yàn)及評(píng)價(jià)方法，并且可以延伸學(xué)習(xí)一些實(shí)際工程對(duì)這些材料的應(yīng)用知識(shí)；同時(shí)，通過膠砂與混凝土強(qiáng)度結(jié)果的對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，雖然其水膠比一致，且粉煤灰或礦渣粉替代水泥的比例一致，但按照強(qiáng)度比得到的“活性指數(shù)”并不對(duì)應(yīng)。通過解答這些問題讓學(xué)生進(jìn)一步了解到，水泥混凝土材料的強(qiáng)度不僅取決于膠凝性，還與內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān)，材料化學(xué)與結(jié)構(gòu)學(xué)科的進(jìn)步都能促進(jìn)混凝土材料的發(fā)展。（三）開發(fā)創(chuàng)新性思維與驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)相比，雖然綜合性實(shí)驗(yàn)的具體內(nèi)容變化不大，從表面上看只是增加了幾次重復(fù)操作，但實(shí)驗(yàn)中得到的一些對(duì)比評(píng)價(jià)結(jié)果，能引起學(xué)生對(duì)材料問題的更多思考。如：既然粉煤灰及礦渣粉在測(cè)試密度時(shí)使用的溶劑可以是不同的，那么，是不是其他類型材料測(cè)試方法的變化更大？氣體密度如何測(cè)試？含封閉氣孔的固體是不是先要測(cè)量出孔隙率才能進(jìn)行密度測(cè)試？既然粉煤灰或礦渣粉的細(xì)度越細(xì)則其活性越高，是不是可以將其深加工成超細(xì)粉，從而更多地替代水泥和更好地實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排？等等。學(xué)生通過探討這些問題，將引發(fā)更多相關(guān)問題的思考，其中不乏一些有意義的想法，甚至有一些連教師