国际化趋势下建筑材料实验教学改革探讨

李福海，靳贺松，胡丁涵，冯志华，王奕彬，李固华

(西南交通大学 土木工程学院,四川 成都 610031)

新世纪,全球化成为世界发展的显著特征。在全球化时代,高层次人才对社会各领域的发展有着重要作用,世界各国教育领域越来越注重高级人才的培养。事实上,国家竞争力与高层次综合人才之间的关系密不可分。作为高等教育的重要组成部分,本科生教育对中国梦的实现及综合国力的提高有着举足轻重的作用,本科生国际化培养也逐渐成为一种趋势,日益受到教育界乃至全社会的高度关注。当前,高校对本科为土木、水利等工科专业大学生的动手操作、逻辑思维、自主解决问题、理论联系实际及创新能力的培养十分重视,希望通过实验教学等创新手段,激发学生对专业课的积极性,提升学生的实践创新能力,其中建筑材料实验至关重要。通过部分用人单位的反馈,归纳汇总出当代工科大学生存在的问题,包括:创新应用能力不足、动手操作能力差；土木工程、基材基础知识掌握不牢固等。当前,土木材料应用十分广泛,如道路、桥梁、隧道、房屋等工程,土木基材的质量、性能与建筑物的耐久性、安全性、可靠性等有较大关联,并直接关系着人民的生命及财产安全[1]。此外,随着经济技术的快速发展,科学信息技术的创新突破,各种新型材料应用于土木工程中成为常事,所以高校应该足够重视建筑材料实验教学。现阶段,建筑材料实验原有的教学观念、教学内容、方法及考核标准等比较传统,不能顺应当代教育潮流,且不能适应当前高校实验教学对培养学生创新能力的要求[2]。正因如此,绝大多数院校的建筑材料课程都进行了一定的改革探索,文献[3-9]都对土木工程材料实验教学改革进行了思考总结和探索实践。

本文总结了国内高校建筑材料教学中的不足,介绍了日本、美国、澳大利亚、加拿大以及德国5个国外教育重国的高校建筑与土木工程材料教学经验和改革创新措施,并对中国高校土木建筑材料实验教学提出了一些建议。

1 中国高校建筑材料实验课程现状与不足

土木工程材料课程知识点繁多,体系分散,需要记忆性的知识较多,各章节内容关联性不大,课堂上师生互动性环节较少,缺乏沟通交流,部分学生由于学习习惯而厌倦机械性记忆的学习方法,导致没有兴趣甚至旷课[10]。

目前,国内土木工程材料实验课的教学质量和水平虽然有所提高,重视程度比以往要好,师生积极主动性有所改善,但是与国外高校仍存在一定差距。国内高校普遍存在把理论与科研学术作为重点、忽视实践动手操作的现象,这对培养学生的实践能力和创新素质有着负面影响[11]。汇总起来,国内土木工程材料实验主要存在以下问题。

1.1 课程涵盖内容多、课时少、内容不系统

建筑材料实验都是以基础性实验为主,除了材料的基本性能外,还包括标准稠度用水量、胶砂强度试验、砂石筛分、视密度、堆积密度、含水率试验、新拌和混凝土和易性、表观密度试验、钢材冷弯、硬度、冲击、拉伸试验、沥青延度测定、针入度、软化点试验等几大类材料的简单基础性实验,然后又细分为若干个材料性能验证实验,其中涉及各种不同性能指标的原材料,内容多而繁琐、比较分散,因此,实验课程的内容较多,但课时相对较少[12]。以西南交通大学土木工程专业的建筑材料实验课程为例,其课程内容与课时安排如表1所示。

表1 实验课程课时安排表

1.2 课程内容缺乏实例与逻辑关联，学生兴趣不高

缺乏创新型、多学科结合、综合类型的实验,实验内容以材料特点性质为主,主要涉及基本概念、叙述性理论、经验性结论等内容,学生兴致不高。此外,本课程所涉及的材料种类繁多、各体系间几乎没有关联逻辑,基础知识较多、更强调记忆性,而大多数本科生更习惯于传统的计算及问题思考,青睐具有工程实体化的知识点。建筑材料作为基础学科,更注重材料基本性能,与实际联系较少,相关的工程案例较匮乏,学生普遍觉得内容枯燥。因此,较多学生学习主动性差,仅为了完成学分任务而学习,忽视了建筑材料的基础重要性。普遍为应付期末考试而被迫学习,并不能为后续专业课程的深造打好基础,造成本科生质量较差、人才培养计划效果不明显,更阻碍了学生实践能力的培养[12]。

1.3 实验教学时间有纰漏

高校建筑材料课程课时较少,一般实验课是在课下组织,在指导教师安排下,学生利用空余时间去完成实验。由于土木专业学生人数较多,班级不同,所选指导老师不同,并且可能与其他科目课程时间相撞,课外时间也不统一,所以协调统一实验时间比较困难,导致部分学生实验课时间有冲突,或者部分学生投机取巧不去做实验,最后蒙混过关,对实验教学造成不利的循环影响。此外,实验项目较多,一般要多次才能完成,实验管理过程比较困难,对学生指导也不充分,学生掌握情况不能明确了解[11]。

1.4 实验质量欠佳

在建筑材料教学体系中,实验教学能充分锻炼学生动手实践能力。土木工程材料实验课绝大部分为验证性实验。一般模式首先是实验教师介绍实验内容、仪器设备、实验操作、课后思考问题等,然后学生遵循教师或教材所述步骤进行操作,重复过程,获得实验数据、得到实验结果、完成实验报告。这种教学模式是现阶段中国高校的传统模式,实质上只能起到让学生初步了解材料实验的作用。整个过程依然是教师是主体,学生是客体,不能让学生充分发挥创新创造的潜能,造成学生缺乏实践主动性和兴趣性。此外,大部分实验都是验证已知结论,内容乏味且单一,思考分析时受到数据成果量少的局限,不能对课堂理论充分消化；发现问题、解决问题、独立思考、创新探索的能力不能得到充分锻炼[13]。因此,培养具有多元综合发展的应用型人才,不仅需要验证性实验来巩固基础理论,还需要开设综合性实验来消化扎实知识,更需要设计性的实验来锻炼学生的创新能力。另外,由于实验教学只是辅助教学并没有考核,加上实验小组成员较多,因此部分学生因个人、环境等因素而不重视实验,让其他学生来完成,最后通过抄袭数据、复制他人报告来完成课程要求,这种情况也时有发生。

1.5 实验指导人员热情不高

高校实验指导教师工作未能得到应有重视,实验教师工作热情不高。高校本科生的实验一般都是在研究生的指导下进行,实验教师一般只是正常出勤。此外,高校对教师每年的考核要求较为严格,尤其对教师学术水平要求很高,需要申请纵向课题、横向课题,如自然基金、科研创新课题、国家级项目或省部级项目,并取得一定的科研成果,这就导致实验教师轻视了实验教学[11]。

1.6 实验教学内容相对滞后

实验内容陈旧,主要集中于粗细骨料砂石、钢筋等材料,实验中没有融入新材料,比如纤维、化学添加剂等。此外,工程实践中应用的新技术、新工艺在教材中体现较少,有些传统材料可能已经被新材料取代,但实验教学仍在使用,没有及时更换,实验教材中并没体现材料新规范、新标准的更新情况[12]。教学方式跟不上时代形式,主要为基础性、验证性实验,没有增添创新个性设计实验,学生积极性减弱,只是为了完成任务而做实验,对于学生个性培养发挥的作用不大。

1.7 课程考核方式单一

建筑材料考核一般为期末考试成绩与平时成绩的综合,实验成绩只是在平时成绩中略有体现,比重较小,这也是造成学生重理论、轻实验的重要原因。另外,很多高校存在学生平时不注重过程学习、考前抱佛脚的现象。学生实验成绩是依据学生实验报告来评定的,但是实验报告几乎都是形式、结果类似,忽略了实验过程中学生的表现,或者依据报告书写来评判,导致不公平现象时有发生,进而影响学生上实验课的兴趣与积极性。一般实验报告评判标准如表2所示。所以,课程考核合格,并不能体现出学生的真实情况,课程考核模式急需改革[12]。

表2 实验报告评判标准

2 国外高校建筑材料课程现状与经验

2.1 美国

美国高校在教学过程中,把实验教学分阶段完成:首先,学生在教师带领下初步了解实验设备以及操作方法,掌握必备的实验技能；其次,实验教师指导学生完成一些基础性实验,让学生了解实验方法、实验过程、实验思维等；最后,学生自己设计并独立完成实验,然后分析实验结果,其中教师只是配角,主角是学生。在美国,为培养学生创新独立自主能力,让学生及时地了解并掌握新本领,高校与教师都会在实验教学中讲述新设备与新方法,使学生体会到现代科技和学术科研,并且为后续课程学习、将来的工作和科研奠定基础。这种教学方式能够达到教学目的,让实验教学在高校人才培养过程中充分发挥作用[14]。

2.2 加拿大

加拿大高校除了注重学生的独立自主性,还注重综合设计性实验,培养学生的创新思维,他们每年定期举办各种有关土木工程材料的学科竞赛,如设计混凝土轻舟等。这些竞赛对学生要求较高,需要学生了解并熟知建筑材料的理论知识,还强调学生的实践动手能力,并且学生需要独立完成竞赛题目的仿真模拟、设计构思、动手制作等[11]。这类竞赛活动不仅让学生对混凝土基本材料性能有了加深巩固,并对相关土木学科课程的知识有了清晰的了解,还对学生的创新个性发展以及团队合作能力有极大的帮助[15]。

2.3 德国

德国高校的实验课堂十分活跃,学生和老师之间互动性强,双方可以互相提问,提问的知识面很广泛,可以充分发挥自己的想象,锻炼自己的创新思维,这种 “主动”性课堂可以较好地让学生掌握知识。此外,德国大学实验室一般全天性开放,并且实验室有专业教师为学生提供答疑辅助。每个学生都有机会去学习各种实验仪器设备,可以自己设计实验,然后利用开放性实验室去探寻自己的设想,还可以自由地发挥,充分锻炼自己的动手实践能力和独立自主性,有助于培养个人思考、分析、解决问题的能力,也营造了良好的学习氛围,有助于提高学生学习的积极性[16]。

2.4 日本

日本高校坚持以学生为主体,充分尊重学生的选择,在课程设置上,尽量满足学生要求并加强综合课程的开设,让学生可以随着兴趣自由选择,这样可以调动学生的主动性。同时,坚持科研与教学并行,学校积极调动教师的兴致,扭转“重科研,轻教学”的局面,并且学校增设了一些有助于创造性培养的教育课程以及学科交叉课程,使其与专业课相结合,努力让学生做到德智体全面发展。此外,学生实验完成后,教师非常重视引导学生对实验结果的研究分析,这是国外实验教学中非常值得我们借鉴的做法。在学生进行实验的时候,教师主动做好获取实验参数,分析实验现象的引导,有助于学生开阔视野[17]。

2.5 澳大利亚

澳大利亚学生在高校实验室可完成多种实验,实验内容适合工科学生三年课程和土木系学生前两年的课程,实验室为学生提供各种便利,如实验仪器借用、实验指导与答疑等。这些实验包括建筑材料的许多基本内容,注重基础性,可以巩固知识体系,为后期学习扫除障碍,也是对所学理论课内容的演示与补充,让学生学会各种设备的使用方法,了解仪器的适用范围,为以后的工作学习做好充分的准备,协助学生分析思考实验中的问题、实验现象,等。此外,澳洲高校与时俱进,注重将最新的实验方法、测试技术和仪器设备引进实验教学中,以更新的成果内容为依据,及时做出实验安排与修订最新的指导书,让学生及时了解、接触新事物,学会新技术本领[18]。

3 对中国高校建筑材料实验课程教学改革的建议

3.1 实验教学内容的改革

1)按照 “以软带硬、资源共享”的实验室建设方针,不断更新实验内容和实验教材,借鉴美国等国家知名大学教材,突出教材的综合性和前沿性。

2)结合培养目标,简化理论,突出实践能力的培养,从实验教学理念出发,将实验教学项目和实验教学内容划分为由浅入深的纵向 “2＋2”4个层次,即基本型实验、综合设计型实验、工程实践型实验、个性化创新型实验。结构体系如图1所示。

在教学过程中,以提升学生综合素质为依托,以让学生掌握知识、提升解决问题的能力为目的,结合工程实例来讲解细化材料学理论,做到精简、通俗易懂、深入人心、生动形象,着重培养学生的实践应用能力。如在讲述纤维混凝土时,重点突出纤维的性能和特点优势,对于纤维的增韧机理尽量形象化、数量化,同时结合一些纤维增韧抗震的工程案例来诠释纤维在混凝土中的重要性。这样,既能让学生对纤维特性和应用有深刻的理解,也开拓了学生的知识面,为以后的工作生活提供了知识素材。

3.2 实验教学方法的改革

1)借助电子课件、适当板书分析的课堂教学。

土木建筑材料实验课程内容繁杂、知识点细而多且课时较少,所以结合实际情况授课以电子课件为主,这种教学方法能够做到充分利用课时、生动讲解实验内容,令学生印象深刻[12]。研发和购置先进的实验教学设备,实现实验教学手段的现代化；开发研制虚拟实验教学系统和实验教学网络预习系统,采用多媒体技术、电子教案、实验教学视频等现代化手段提高实验教学质量和效率。以优良的实验室硬件条件和优质教学资源支撑实验教学体系的不断更新。

图1 实验教学体系

此外,电子课件教学,不仅丰富了授课的信息量、充分利用了课时时间,而且可将结合工程实例的实物照片、实验视频、施工操作、施工问题等在课上充分展示,可以使在校学生能更直观形象地观察到各种材料的特性、应用范围,深刻了解工程实例,有助于学生掌握材料的理论。如在介绍纤维混凝土的抗弯力学性能及试件制作注意事项时,引入相关的实验视频,并结合现场的实验照片,在教师的讲解下,可以让学生深入掌握材料的机理特性。但是多媒体教学也有缺陷,如教学节奏快、学生记忆模糊等,所以,实验课前可把每节实验课的实验步骤、目的、方法、仪器设备、实验关键点、注意事项和问题分析写在黑板上,让学生提前充分了解。实验过程中涉及的计算问题、机理数值化分析等最好在课堂上书写演示给同学们,这样能充分发挥课堂教学的作用,保证学生高效地完成学业。

2)采用与工程实例相结合教学。

实验教学中理论分析讲解时可结合具体的工程实例,如劣质材料、配合比不准、材料性能劣化等造成工程事故的案例。如在介绍钢材时,通过插入 “9.11”美国世贸大厦火灾事故,可以讲述钢材耐火性能；在讲解特种混凝土时可以结合旧金山-奥克兰海湾大桥的实例讲述结构轻混凝土的特性；引入吉隆坡双子塔的实例来了解高性能混凝土的性质与优势。这种案例与理论相结合的教学,不仅可以勾起学生的兴趣,也可以将繁琐的理论知识形象具体化,使学生上课注意力更加集中、思维更加开阔,学生对材料的理解更容易,知识掌握得更快,有助于打好基础,而且课上对工程实例的剖析讲解有助于开拓学生的眼界,培养学生理论联系实际的能力,为学生在以后工作生活中遇到的困难提供一定的科学依据与参考。

3)开放实验室,增设探索性综合实验内容。

增加学生自主实验比例,设立个性化实验室,构建以学生为主体的实验教学模式,注重发挥学生自主、合作、研究的学习方式。在基础性教学实验的基础上,可开设一些探索型、综合型、设计型、开放型实验内容,如再生骨料的合理利用,纤维对混凝土的增韧分析,各种环境条件对混凝土力学性能、工作性能的影响,各种性质混凝土的配合比优化实验,原材料的选择对混凝土耐久性能的影响。借助实验室网络平台,让学生自己根据兴趣自由选择喜欢的实验项目,由学生自由分组、独立思考、自由分工,学生作为主角,充分发挥自己的创新思维,并且这些实验项目均在课下空余时间完成,具体时间与实验教师协商,以此激发学生的学习激情、提高学生的综合素质。最后按照要求自主完成探索性实验,并完成实验成果,然后,可以根据完成效果打分,并且让学生获得额外的加分1～5分。这样,不仅可以提高学生学习、实践、思考、创新能力,而且可以使学生懂得科学实验的严谨性、复杂性、严密性,有利于学生养成独立自主、善于合作、团结严肃、认真负责的生活习惯,提升个人的综合素质,增加个人科研实践阅历[13]。

4)加强师生教与学之间的互动。

优秀的教学效果与质量不仅需要教师授课内容丰富合理、授课方式接纳度高,还需要学生课上兴趣高、注意力集中、勤于思考、思维活跃等。在每节课开始后10 min,教师可以通过提问的方式对之前实验课的内容进行回顾,既能保证学生对上节课实验内容进行复习,还可以让学生快速进入课堂,以便高效地完成新的实验。实验的过程中,教师可以提出一些开放性的问题,激发学生的逻辑思维,引导学生建立知识体系,同时也能让学生注意力集中,专注于实验。指导教师还可以额外布置一些创新型内容,以此培养学生的综合能力,提升学习积极性。此外,实验后可以布置一些作业,参考工程规范标准、他人文献并结合自己的实验成果进行深入学习,然后以学术论文、读书报告、读书日志或者PPT的形式与同学老师分享讨论,还可以举办学术讲座,举行建筑材料设计竞赛等科技活动。教学实践表明,这些做法可以形成良好的学习氛围,显著提高学生学习积极性,有利于培养学生良好的学习习惯,同时也丰富学生的校园生活,锻炼自主查阅文献资料、自行解决困难、撰写科技小论文、PPT演讲等多方面的能力[12]。

3.3 实验课程考核方式的改革

现阶段,我国大多数高校教学的考核方式一般为期末理论考试与平时测验相结合的综合测评,甚至有些学校仍然实行 “一卷定成绩”的简单化的考核方式,这种传统的考核方式容易造成学生考前突击过关、教学质量下降。为确保学生平时注意学习积累、课上学习热情高涨、真正掌握专业知识,进行单一化考核的改革势在必行。课程考核方面不再遵循一次考试定成绩的方式,而采取期末理论考试、期中阶段测试、课上回答问题口试、平时出勤、课后作业、实验相结合的综合考核方式,考核标准如表3所示。平时成绩主要包括课程出勤、课后作业、课堂讨论、随堂练习等情况,占总评成绩的30%。课程实验成绩的比重为总评成绩的20%,由三部分组成,总计100分,实验过程中的操作、回答问题及课后的清洁整理等表现40分,实验报告20分,实验综合考核40分,实验成绩比重分配如图2(a)所示。期末理论考试及口试可以较均衡全面考核出学生对课程的掌握程度,还能充分锻炼学生的逻辑思维、语言组织能力、严谨缜密的答题方式,也能提升学生的心理素质、自信心等,期末理论考试及口试各占总评成绩的25%,成绩比重分配如图2(b)所示。这种综合考核方式,可以促进良好学风的形成,让学生对平时学习和实验有足够的重视,并注重知识体系的串联,知识点、重点难点的日常积累,有利于培养学生综合素质。

表3 建筑材料课程考核标准表

图2 建筑材料成绩比重

4 结束语

该文针对国内高校教学现状,分析了其中的不足与局限,并借鉴国外高校教学的经验,为改变国内建筑材料实验课程教学改革提供了参考。教学内容需要不断更新,与最前沿理论接轨,不断更新实验指导书。同时,教学方法也需要与时俱进,可以适当增添学术讲座、采取案例教学模式、举行建筑材料创新竞赛、设置个性化实验并在实验后让学生编写论文等。此外,实验考核需要转变,除了实验报告的撰写作为考核标准外,学生在实验过程中的表现、实验中的问题回答、提出问题等表现也列为实验成绩的考核范围。通过这一系列举措,使建筑材料实验课程真正发挥作用,让学生充分锻炼自己的主动性、个性创新、动手操作、理论联系实践等能力。