贵州红黏土开放性实验的实践探索＊

2019-11-30李涛高颖

科技与创新 2019年23期

李涛，高颖

贵州红黏土开放性实验的实践探索＊

李涛，高颖

（六盘水师范学院，贵州六盘水 553004）

红黏土在贵州省分布广泛，因此在贵州等地区实施工程建设，需要掌握工程建设区红黏土天然及改良特性。开放性实验在“土质与土力学”等常规理论和实践课的基础上，指导学生开展论文检索、实验设计、实验实施及结果分析。开放性实验结果表明，本科生有较强的创新思维，通过开放性实验的引导，学生获得了多项创新创业项目资助。另外，教学相长，指导教师也取得了一定的科研突破。开放性实验实践探索为相关开放性实验开设提供了借鉴。

开放性实验；红黏土；改性探索；创新创业

实验课是本科生培养的重要环节，常规的实验课有固定的实验指导书、操作流程、实验方案、实验材料，这样可以直接锻炼学生的相关实验能力。相比较，开放性实验则没有既定方案、既定材料及既定结果，对基础实验操作及相关知识点创新性有较高的要求。国内很多专业实践了一系列的开放性实验[1-4]，但针对贵州红黏土的开放性实验相对有限。红黏土作为一种特殊土，其工程特性有一定的缺陷，需要开展相关的改性探索[5-6]。已有大量的工程实践单位和高校科研单位，开展了大量研究工作。因此，针对贵州红黏土开展本科生开放性实验，有重要的实践工程和理论研究意义。

1 实验实施概况

本次实践探索以六盘水师范学院地质工程专业大三本科生为主体，依据设计的培养方案和教学大纲，开展了贵州红黏土开放性实验。整个开放性实验的实施步骤如下。

1.1 开放性实验的基础

由于本次开放性实验涉及“科技文献检索”“应用沉积学”“土质与土力学”理论课及实验课，因此贵州红黏土开放性实验设置在4年制本科教育的大三下学期开设，开设的学时为2周。需要学生掌握文献检索能力、土的力学性质受改良材料影响下变化的一般规律以及基本的土力学、土体物理性质测试的能力。

1.2 开放性实验的流程

本次开放性实验的主要流程如下：①教师公布实验主题，并解读相关的知识点；②学生自由组队，选出组长和副组长，并进行团队分工；③文献检索，对讨论确定的多个实验设想，通过文献检索找出可行且有新颖性的实验项目，其中，一人负责检索文献，全组人员共同阅读；④实验设计，将筛选出的实验方案，进行详细设计；⑤取样、制样等实验准备工作，在不同地质条件下，获取实验样品，并进行室内加工；⑥实验实施，对制备的样品进行实验测试；⑦实验结果分析及补充实验，将测试结果进行全面分析，掌握其中规律，对于实验揭露的结果不清晰的进行补充实验；⑧室内工作，依据实验全过程数据和图片，撰写实验报告。

1.3 开放性实验的主题

本次开放性实验的主题由指导教师根据国内外研究现状设计。本次开放性实验的主题设计为，在充分查阅科技文献和资料的基础上，研究获取红黏土的沉积环境差异，添加不同规格的粉煤灰，以不同比例充分混合，对比测试红黏土一项特性的变化。依据测试结果，尝试剖析粉煤灰对其改性的内在机理。

1.4 组队和团队分工

依据人员特点和配合熟练程度，将全班41人分为4大组，并选出了组长和副组长，团队成员有人负责实验方案撰写，有人负责野外取样，有人负责室内制样，有人负责实验操作，结果分析和报告撰写由团队所有成员共同讨论完成。团队分工由学生自己完成，教师只做指导工作。

1.5 开放性实验相关知识点检索

每组对相应的知识点进行科技文献检索。在文献检索过程中，发现学生对关键词把握不准确，对自己的研究方向没有充分认识。通过关键词检索示范，各组学生能够检索到相关性最高的文献，对后续的实验设计有明显的支撑作用。

1.6 实验设计

每组设计的实验方案有很大的差异，但总体实验设计合理。特别是在改良剂选择和掺入量上，均参考了关键文献结果，说明团队协作达成度高。对于文献中有疑问的部分，教师也参与讨论，完善了实验方案的同时，实现了教学相长。实验设计方案通过全班综合讨论和教师审查后开展实施，对实验结果有一定的把控。

1.7 取样制样

由于在文献检索和教师指导过程中，学生们已经发现不同地区的红黏土有一定的差异，因此在选取样品时，学生们充分结合“应用沉积学”等课程的知识点，在不同的沉积环境下进行了取样，并对该类环境下取样与已有实验结果有对比分析和结果预期。此外，对取来的样品进行了预处理，处理的程度也因组而已，但均在设计范围内，说明各组关注的实验目的存在差异。

1.8 开放性实验实施过程

实验实施的过程中，教师开始每天进行引导答疑，后续逐渐变更为2～7 d进行1次引导答疑。开始阶段，学生对实验的基础操作还存在明显问题，实验设计也存在重大问题。后续阶段，逐渐让学生掌握实验主动权，学生自主学习的过程中，答疑的问题深度有显著提高。比如学生提出粉煤灰的粗细程度对红黏土改良效果有显著影响，因此增加了实验的比对组数，这是一般非该研究方向的教师都不一定会考虑的问题，说明实验过程对培养解决复杂工程问题能力有明显的作用。

1.9 开放性实验内业

基于学生自主完成实验室的结果，在后续5 d时间开展了室内分析及补充实验工作。室内分析需要查询大量的电子和纸质文献，将学生自己的实验结果与其他已经发表的实验成果相比较。由于实验对象、实验条件及实验方法的差异，学生很难找到完全一致的参考结果，这就需要学生对自己的实验过程进行反思的同时去补充实验。4组均开展了不同程度的补充实验，由于没有固定的答案，学生愿意不停地重复开展实验，找到切实可行的规律。

2 实验结果与分析

通过前述的开放性实验，每组学生提交了开放性实验的实验报告，其中主要结论及分析如下：①在密实度方面，通过添加7%～13%不同质量百分比的粉煤灰，对比发现了掺合粉煤灰的红黏土的最优含水率。由于本组进行了大量的对比实验，实验结果可信，与相关文献结果对比有少量的差异，属于正常范畴。②在抗剪切实验方面，将不同比例的土和粉煤灰混合，揭示了粉煤灰对红黏土抗剪强度的改良规律。本组的机理分析较为全面，实验结果可信。特别要指出的是，对实验细节的问题掌握较全面，学生认识到红黏土预处理的过筛目数对实验结果影响较大。③在无侧限抗压强度实验方面，通过不同比例的红黏土和粉煤灰混合，揭示了粉煤灰对红黏土无侧限抗压强度的改良规律。本组的设计基本合理，实验过程严谨。④在塑限、液限实验方面，通过添加5%～20%不同质量百分比的粉煤灰，对比研究了粉煤灰对红黏土的塑限、液限的影响，揭示了其中规律，实验结果可信。

3 实验效果及教学反思

通过实验设计、实施过程、结果分析以及课程结束后对学生、教师的影响显现，主要教学反思如下：①预期的教学时间内完成了教学和实验工作，说明课程时间和难度设置基本符合研究对象的水平。②教学目的达成方面，学生的实验报告水平反映出本次实验报告的水平普遍较高，说明本次实验教学整体上是成功的，但仍有进一步优化的空间。比如在实验原理剖析方面，缺少更深层次的研究；实验总结方面，缺少更多的注意要点；教师指导方面，引导和把控能力有待进一步提高。③本次实验后，学生依据本次实验所得，申请并获批多项省级大学生创新创业项目及校级创新创业项目（特别是红黏土方面），同时发表了多篇科技论文，说明开放性实验对学生的科研启发性显著。此外，还有学生以此次实验为基础，撰写了创业计划书，并获得了地厅级创新创业比赛奖项。④教师通过教这门课，同样学习了大量新的知识点，申请并获批了多个科研项目，同时申请了多项专利，确实实现了教学相长。