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摘要:
針對土木工程材料專業的特點，立足于實驗教學的基礎性、系統性和層次性，強調綜合性和創新性，創新性的構建了土木工程材料專業的獨立實驗教學體系，單獨設立材料科學基礎、材料制備、性能測試、材料分析技術、專業方向綜合實驗、畢業論文設計等實驗課程，并在教學中逐次推進，實現了實驗教學的獨立性和系統性。
關鍵詞:
土木工程;材料專業;實驗課程;教學體系
創新源于問題，始于實踐［1］。實驗是理論課程抽象知識的具體化，是理論的延伸，是理論再實踐的深化。實驗是所有工學和理學科技工作者必須掌握的基本手段。實驗不同于理論，往往理論是美好的，實踐時卻經常因某個細節而造成實驗結果與理論預期不相符，而某些細節經過研究探索，可能會促進理論的發展。因此，對以實驗為基礎的學科，實驗和理論顯得更相輔相成。土木工程材料屬于傳統材料，屬于典型的應用型科學，更是以實驗為基礎的學科的典型代表，其大量的科學理論首先來源于實際經驗的總結，來源于實驗規律的總結和提升。
1實驗教學的分析
良好的實驗教學是促進并實現“工學并舉”的重要手段。實驗教學不同于理論教學，更注重于培養學生理論聯系實際、綜合運用知識、觀察與思考的能力，即培養學生動手，用所學知識解決實際問題的能力;通過觀察實驗現象、分析實驗問題和結果，培養學生在實踐中的探索和創新意識。我校鄭家茂校長指出:相對于理論教學，實驗教學更有利于促進學生主動構建科學的知識體系、促進理論與實踐結合;更有利于突出研究探索，培養學生創新意識和能力;更有利于提高學生綜合科學素質、突出知、情、意、能的高級復合作用，幫助學生取得創新成果并得到全面綜合發展［1］。如何通過實驗有效地培養學生的動手能力呢？以往的實驗教學一般均作為理論教學的一部分，采用非單獨設課方式，以平時成績計入課程總分，一般占10～30%，但多為論證性實驗，僅針對某單一目標，對課程整體理論的連貫性理解不足，對知識的綜合運用能力不足。事實上，培養一個學生動手能力和實踐能力，應在滿足若干學時的基礎上，通過一個與課程緊密相關但又相對獨立的完整實踐體系的實施，才能實現［3］。同時，高水平的實驗教師隊伍也是提高實驗教學、提高單獨設課效果的基本保障。我校材料專業實驗室擁有多位博士和全校僅有的兩位教授級高工，在院系的支持下，構建了獨立實驗教學體系，建立了實驗課程間、不同實驗間的緊密聯系，并從2011級學生開始實踐。采用單獨設課，實驗教師具有較大的自主權，但同時對實驗教師和學生的要求更高［2］，要求實驗教師兼具扎實的理論知識、豐富的實踐經驗、足夠的科研經歷。
2實驗教學體系的設置原則
為培養創新型人才，大學實驗教學應在立足基礎性、系統性和層次性的基礎上，強調綜合性和創新性。基礎實驗是扎實掌握相關專業知識點的重要手段，不能忽視基礎實驗的作用。雖然綜合設計性實驗項目對于培養學生創新意識、全面提升學生的知識應用能力和解決問題能力方面發揮著不可替代的作用。但基礎不夠，過多的強調綜合性、設計性實驗，很難達到預期的效果。二者應相得益彰，不可偏廢［4］。綜合性、設計性實驗更不能片面強調實驗教學的探索功能，甚至過高要求產生創新成果，應強調培養學生掌握如何綜合設計的基本思路、基本流程和基本方法，強調方案設計的重要性，強調與理論知識的結合，強調合作與團隊意識等［5］。事實上，綜合性實驗往往也是由一系列簡單的基礎實驗組成，只是更強調各種結果之間的相關性。如某個簡單實驗的結果，能用來表征該材料的某些關鍵性能，無疑該簡單實驗本身就是一個完美實驗設計的詮釋。一個完整的綜合性實驗教學，應包含與該實驗相關的知識體系，包含文獻綜述，熟悉和了解與實驗內容相關的知識背景、材料性能、整個實驗設計原理和方法、實驗過程的影響因素、實驗可能的結果，實驗過程的操作，結果計算，對實驗過程出現的現象進行分析總結等。實驗前，應了解實驗背景知識、基本理論和實驗過程，了解實驗設計方法，了解實驗過程可能出現的偏差和現象，并初步預期實驗結果;實驗過程中，要認真觀察實驗現象，思考問題所在，對比實驗結果與預期結果等;實驗結束后，認真總結實驗結論，分析實驗過程中的現象和實驗結果的偏離等。通過完成從了解實驗、設計到結論分析的整個實驗過程，通過有趣的實驗現象和有效的實驗結論，調動學生的求知欲，啟發學生的創新性思維，使學生由被動接受轉變為主動求知，從而達到提高實踐能力的目的。
3全新實驗教學體系的構建
從培養“創新研究型人才”和高素質人才的角度出發，我校土木工程材料專業基于實踐教學體系全局化、整體構建的思路，制定了相對獨立而又完整的實驗課程體系。課程體系的設計以材料科學基礎、材料制備、性能測試和分析為主線，以材料的組成、結構、性能、工藝的相關性為牽引，突出系統性和學科交叉性，同時設置專業方向大型綜合實驗、本科畢業論文設計，以強調綜合性和創新性。實驗課程具體設置了材料科學基礎實驗、材料制備技術實驗、材料性能測試技術實驗、材料分析技術實驗、專業方向大型綜合實驗、本科畢業論文設計等獨立課程。每門課程中，又同時包含基礎性實驗和綜合型實驗，充分體現了基礎性和層次性。材料科學基礎實驗結合硅酸鹽材料方向的材料科學基礎理論課程，通過豐富多彩的顯微世界和材料的鑒別技術，引導學生對材料的興趣。而材料制備、性能測試與分析技術三門課程均偏重于方法的學習，同時注意學科交叉，制備技術偏重于材料的各種制備工藝與方法，性能測試則在充分考慮材料的物理、力學、聲學、熱學、電學等方面的基礎上，對實驗課程所制備的具體材料進行系列性能的測試，分析技術則偏重于所制備樣品的微觀分析，三者之間借助制備的材料相互聯系，相互穿插，但同時又各有側重;實驗內容囊括了土木工程材料的各種典型實驗，及相關性較強的部分金屬材料性能試驗，提升了實驗內容的深度，突出“理論夠用，實驗為主”，基礎性實驗項目教學中，更強調理解實驗原理、步驟的流程，重點講解其中易引起實驗結果產生偏離的步驟、原因及注意事項等;而綜合性實驗項目或課程注重學生對實驗方案的設計，注重科研思維、科研方法等的教學，以實際工程應用問題和指標要求為目標，綜合應用各種基礎實驗，分析材料組成、結構、工藝與性能之間的相關關系，通過對實驗的理解、動手操作、對現象和結果的分析、總結和評估，培養學生獨立解決問題及創新的能力。
4實驗教學體系的構建說明
材料制備實驗教學內容的設計，在考慮了專業特點的同時，又充分考慮了材料或產品在生產工藝上的延伸。大多數材料的更新發展和進步，主要通過配方的改進和工藝的更新來實現。配合比設計即材料的配方設計。混凝土的配合比設計為通過計算配方，實驗驗證性能，得到合理配方;各種泡沫輕質材料的制備原理基本相近，均為在基體中加入各種氣體形成氣孔，以金屬為基體，加入氣體即成為泡沫金屬，以陶瓷為基體引入氣孔，即成為泡沫陶瓷，以混凝土為基體引入氣孔，即成為泡沫混凝土。而不同基體，因其特性不同，引入氣孔的方式和方法也有所不同。模壓法是采用預先制備好的模型，將所需制備的材料加入模具中，采用澆注或者加壓的方法制備出與模型相同的產品，除廣泛用于混凝土模型、構件或試件的澆筑、墻體材料的壓制成型外，同時也是模具設計和工藝制品常用的方法。水熱法廣泛應用于各種材料領域，如用于生產納米材料、陶瓷材料、生物材料、使合金變成超細粉末或結晶粉末等，是指溫度為100～1000℃、壓力為1MPa～1GPa條件下利用水溶液中物質，進行化學反應，從而制備出一種新材料的方法，其關鍵是根據所需制備的產品選擇合適的原材料、合適的反應溫度及反應時長等。高溫燒結法是把各種原料粉末或粉末壓坯，配入適量的燃料和熔劑，在高溫爐或窯中加熱到低于其中基本成分的熔點的溫度，經過一系列的物理化學反應，然后以一定的方法和速度冷卻到室溫的過程，采用不同原材料，在不同的燒結工藝制度下，可制得不同的產品。高溫燒結是陶瓷材料制備的常用方法，也是合金等材料改性的主要方法，該制備方法的關鍵主要是選擇合適的原材料，然后根據原材料的特性進行工藝的合理優化。性能測試實驗課程的設置，注重實驗間的對比與分析。如不同材料的力學性能有何異同?如同樣是力學性能，木材、鋼筋、高分子材料各有何特性，實際使用中如何考慮?另外，同樣的檢測方法，如超聲無損檢測，測試不同材料如金屬和混凝土時，方法有何異同，是否可相互借鑒?通過課程中的綜合實驗，分析性能間的相互關系，如力學性能與滲透性的關系;同樣是混凝土滲透性的表征，RCM法、電通量法、氣滲法等，有何異同，結果之間的關聯性如何?總之，就是培養學生分析材料組成、性能、結構與工藝等之間的相關性、對比材料性能之間或方法之間的異同、并分析異同產生之根本緣由等。綜合實驗中，還包含制備實驗所制備材料的部分性能，從而進一步了解制備方法的合理性和有效性，最終形成對材料制備、性能的綜合評估與分析。專業方向大型實驗則在補充了前述缺乏的少量專業實驗的基礎上，設置以解決實際工程應用問題為目標的小型課題，其包含技術較成熟、目標相對簡單且較易實現，結合學生理論課程試驗設計與數據處理進行實驗方案的設計，實驗內容包含從原材料、性能指標、測試、分析技術的測試應用和綜合分析，必須覆蓋原材料的關鍵性能(含物理性能和形貌)、工作性、重要的力學性能和易于實現的耐久性或功能性(如吸聲/導熱/無損等特性)測試等，適當微觀分析。且盡量控制工作量和學生的實驗時間，工作量不宜太大，需輕重、難易結合，注重于前述知識的綜合運用，注重于整個科研方法和思維的培養，注重于解決實際問題。作為畢業論文設計，結合科研項目，學生必須獨立完成一個相對系統的微型課題。需要學習者較為全面地熟悉掌握專業和課程的基本原理，才能綜合運用各種方法進行設計。如果學生不具備相應的理論基礎和實踐基礎，難以達到預期的效果，所以，設計性實驗的安排應與本專業的基礎理論教學進程緊密結合。
5結語
以材料科學基礎實驗引導學生了解材料，以材料制備－性能測試－分析為主線，分析材料組成、性能、結構與工藝之間的相關性，對比材料性能之間或方法之間的異同，并分析異同產生之根本緣由，結合專業綜合性實驗和畢業設計，進一步掌握各種實驗技能的綜合應用，結合理論教學體系，培養學生實驗或科研設計的思路和方法，從而培養學生的分析問題和解決問題的能力。
作者：龐超明 張亞梅 梅建平 張萍 韓雪芹 單位：東南大學材料科學與工程學院 江蘇省土木工程材料重點實驗室
參考文獻:
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［3］龐超明，秦鴻根，張亞梅，等．材料專業本科實驗教學課程設置的思考［J］．實驗技術與管理，2011，28(6):271－275．
［4］秦劍，胡曉．電工電子創新實驗體系的系統化構建與探索性研究［J］．高等理科教育，2010(6):111－114．
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