土木工程材料专业
独立实验教学体系的构建与实践
庞超明，张亚梅，梅建平，张萍，韩雪芹
（东南大学材料科学与工程学院/江苏省土木工程材料重点实验室，江苏南京211189）
摘要：针对土木工程材料专业的特点，立足于实验教学的基础性、系统性和层次性，强调综合性和创新性，创新性的构建了土木工程材料专业的独立实验教学体系，单独设立材料科学基础、材料制备、性能测试、材料分析技术、专业方向综合实验、毕业论文设计等实验课程，并在教学中逐次推进，实现了实验教学的独立性和系统性。
关键词：土木工程；材料专业；实验课程；教学体系
创新源于问题，始于实践［1］。实验是理论课程抽象知识的具体化，是理论的延伸，是理论再实践的深化。实验是所有工学和理学科技工作者必须掌握的基本手段。实验不同于理论，往往理论是美好的，实践时却经常因某个细节而造成实验结果与理论预期不相符，而某些细节经过研究探索，可能会促进理论的发展。因此，对以实验为基础的学科，实验和理论显得更相辅相成。土木工程材料属于传统材料，属于典型的应用型科学，更是以实验为基础的学科的典型代表，其大量的科学理论首先来源于实际经验的
乘风破浪的们淘汰总结，来源于实验规律的总结和提升。
1实验教学的分析
良好的实验教学是促进并实现“工学并举”的重要手段。实验教学不同于理论教学，更注重于培养学生理论联系实际、综合运用知识、观察与思考的能力，即培养学生动手，用所学知识解决实际问题的能力；通过观察实验现象、分析实验问题和结果，培养学生在实践中的探索和创新意识。我校郑家茂校长指出：相对于理论教学，实验教学更有利于促进学生主动构建科学的知识体系、促进理论与实践结合；更有利于突出研究探索，培养学生创新意识和能力；更有利于提高学生综合科学素质、突出知、情、意、能的高级复合作用，帮助学生取得创新成果并得到全面综合发展［1］。
如何通过实验有效地培养学生的动手能力呢
●基金项目：东南大学教改项目（项目编号：2013071），土木工程材料实验教学课程改革及视频资源的建设。
●作者简介：庞超明（1977—），女，湖南宁乡人，博士，高工，研究方向为先进土木工程材料，邮箱：pangchao@ seu．edu．cn
●收稿日期：2015－09－23以往的实验教学一般均作为理论教学的一部分，采用非单独设课方式，以
平时成绩计入课程总分，一般占10 30%，但多为论证性实验，仅针对某单一目标，对课程整体理论的连贯性理解不足，对知识的综合运用能力不足。事实上，培养一个学生动手能力和实践能力，应在满足若干学时的基础上，通过一个与课程紧密相关但又相对独立的完整实践体系的实施，才能实现［3］。同时，高水平的实验教师队伍也是提高实验教学、提高单独设课效果的基本保障。我校材料专业实验室拥有多位博士和全校仅有的两位教授级高工，在院系的支持下，构建了独立实验教学体系，建立了实验课程间、不同实验间的紧密联系，并从2011级学生开始实践。采用单独设课，实验教师具有较大的自主权，但同时对实验教师和学生的要求更高［2］，要求实验教师兼具扎实的理论知识、丰富的实践经验、足够的科研经历。
2实验教学体系的设置原则
为培养创新型人才，大学实验教学应在立足基础性、系统性和层次性的基础上，强调综合性和创新性。基础实验是扎实掌握相关专业知识点的重要手段，不能忽视基础实验的作用。虽然综合设计性实验项目对于培养学生创新意识、全面提升学生的知识应用能力和解决问题能力方面发挥着不可替代的作用。但基础不够，过多的强调综合性、设计性实验，很难达到预期的效果。二者应相得益彰，不可偏废［4］。综合性、设计性实验更不能片面强调实验教学的探索功能，甚至过高要求产生创新成果，应强调培养学生掌握如何综合设计的基本思路、基本流程和基本方法，强调方案设计的重要性，强调与理论知识的结合，强调合作与团队意识等［5］。事实上，综合性实验往往也是由一系列简单
的基础实验组
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成，只是更强调各种结果之间的相关性。如某个简单实验的结果，能用来表征该材料的某些关键性能，无疑该简单实验本身就是一个完美实验设计的诠释。
柯蓝妈妈一个完整的综合性实验教学，应包含与该实验相关的知识体系，包含文献综述，熟悉和了解与实验内容相关的知识背景、材料性能、整个实验设计原理和方法、实验过程的影响因素、实验可能的结果，实验过程的操作，结果计算，对实验过程出现的现象进行分析总结等。实验前，应了解实验背景知识、基本理论和实验过程，了解实验设计方法，了解实验过程可能出现的偏差和现象，并初步预期实验结果；实验过程中，要认真观察实验现象，思考问题所在，对比实验结果与预期结果等；实验结束后，认真总结实验结论，分析实验过程中的现象和实验结果的偏离等。通过完成从了解实验、设计到结论分析的整个实验过程，通过有趣的实验现象和有效的实验结论，调动学生的求知欲，启发学生的创新性思维，使学生由被动接受转变为主动求知，从而达到提高实践能力的目的。
3全新实验教学体系的构建
从培养“创新研究型人才”和高素质人才的角度出发，我校土木工程材料专业基于实践教学体系全局化、整体构建的思路，制定了相对独立而又完整的实验课程体系。课程体系的设计以材料科学基础、材料制备、性能测试和分析为主线，以材料的组成、结构、性能、工艺的相关性为牵引，突出系统性和学科交叉性，同时设置专业方向大型综合实验、本科毕业论文设计，以强调综合性和创新性。实验课程具体设置了材料科学基础实验、材料制备技术实验、材料性能测试技术实验、材料分析技术实验、专业方向大型综合实验、本科毕业论文设计等独立课程。每门课程中，又同时包含基础性实验和综合型实验，充分体现了基础性和层次性。
材料科学基础实验结合硅酸盐材料方向的材料科学基础理论课程，通过丰富多彩的显微世界和材料的鉴别技术，引导学生对材料的兴趣。而材料制备、性能测试与分析技术三门课程均偏重于方法的学习，同时注意学科交叉，制备技术偏重于材料的各种制备工艺与方法，性能测试则在充分考虑材料的物理、力学、声学、热学、电学等方面的基础上，对实验课程所制备的具体材料进行系列性能的测试，分析技术则偏重于所制备样品的微观分析，三者之间借助制备的材料相互联系，相互穿插，但同时又各有侧重；实验内容囊括了土木工程材料的各种典型实验，及相关性较强的部分金属材料性能试验，提升了实验内容的深度，突出“理论够用，实验为主”，基础性实验项目教学中，更强调理解实验原理、步骤的流程，重点讲解其中易引起实验结果产生偏离的步骤、原因及注意事项等；而综合性实
验项目或课程注重学生对实验方案的设计，注重科研思维、科研方法等的教学，以实际工程应用问题和指标要求为目标，综合应用各种基础实验，分析材料组成、结构、工艺与性能之间的相关关系，通过对实验的理解、动手操作、对现象和结果的分析、总结和评估，培养学生独立解决问题及创新的能力。
4实验教学体系的构建说明
独立实验教学体系包含的具体内容如表1所示。
表1课程体系的内容与特
课程名称课程侧重具体内容
材料科学基础实验侧重采用显微分析方法，分析材料的显
微特征，或通过简单方法鉴别材料种类
包括透反偏光显微镜的使用、矿石的初步鉴别、显微分析样品的制备、水泥熟料
的岩相分析、矿物粉料的显微观察与分析、粘土矿物的阳离子交换和电泳实验等
材料制备技术实验侧重材料或产品的设计与制备方法，注重
方法的掌握，不强调最终产品的性能结果。
学科交叉考虑焊料和焊接等制备或工艺
包含混凝土的配合比设计方法、泡沫轻质材料的制备方法、离心成型法制备管
材、化学外加剂的复配技术、模压法、水热合成法、高温烧结法制备材料或制
品、焊料和焊接等
材料性能测试技术侧重宏观性能的表征与测试，覆盖物理、
力学、热学、声学、电学、无损检测技
术、综合性能评估等性能测试，涵盖了
骨料、混凝土、外加剂、泡沫轻质材料、
木材、钢筋、高分子材料、沥青材料等
建筑材料。又考虑学科交叉，包含金属
电学、金属无损检测、润湿性等
以土木工程材料为主，包括骨料的级配设计与性能测试、混凝土工作性的测试、
泡沫轻质材料新拌性能的测试、沥青材料的三大指标、材料的力学性能（以木
材、钢筋、高分子防水材料为实验内容）、声学性能（以泡沫材料和石膏材料为
实验内容）、热学性能（量热法的基础）、无损检测（以制备的混凝土为实验材
料）、密度法测量孔隙率（以泡沫材料）、性能的综合评估（力学性能、渗透性
能、墙体材料性能的综合评估，三选一分组）等。同时对比金属材料的电学性
能、无损检测方法、焊料的润湿性分析等
材料分析技术实验侧重材料微观结构与性能的表征与分析，
了解影响产品宏观性能的微结构特征，
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并进行针对性的分析
包括扫描电镜（SEM）、X射线衍射分析（XＲD）、X射线计算机断层成像技术（X
－CT）、颗粒的激光粒度分析、原子力显微观察、水银压汞法测孔分布（MIP）、
透射电镜（TEM）、多孔材料孔结构的综合分析、未知成分材料的鉴别等
专业方向综合实验每年略有不同，给定目标和要求、难度
适中的微项目。内容必须从原材料→设
计方法→性能评估→科研论文的写作→
ppt的制作和汇报等综合性实验的整个
流程
2014年若干题目：①高强自密实混凝土的制备及性能研究。②加气混凝土的制备
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技术与工艺参数的研究。③高强轻骨料砼的制备与性能研究。④轻质保温材料的
制备与性能研究。⑤低温环境下桥梁混凝土制备与优化技术。⑥掺石灰石粉干粉
砂浆的制备与性能试验。⑦净浆/砂浆/混凝土的性能相关性研究。⑧海洋环境下
混凝土的配合比设计
毕业论文结合实际科研项目，独立解决实际问题每个学生一个课题。具体课题略—
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高校实验室工作研究
材料制备实验教学内容的设计，在考虑了专业特点的同时，又充分考虑了材料或产品在生产工艺上的延伸。大多数材料的更新发展和进步，主要通过配方的改进和工艺的更新来实现。配合比设计即材料的配方设计。混凝土的配合比设计为通过计算配方，实验验证性能，得到合理配方；各种泡沫轻质材料的制备原理基本相近，均为在基体中加入各种气体形成气孔，以金属为基体，加入气体即成为泡沫金属，以陶瓷为基体引入气孔，即成为泡沫陶瓷，以混凝土为基体引入气孔，即成为泡沫混凝土。而不同基体，因其特性不同，引入气孔的方式和方法也有所不同。模压法是采用预先制备好的模型，将
所需制备的材料加入模具中，采用浇注或者加压的方法制备出与模型相同的产品，除广泛用于混凝土模型、构件或试件的浇筑、墙体材料的压制成型外，同时也是模具设计和工艺制品常用的方法。水热法广泛应用于各种材料领域，如用于生产纳米材料、陶瓷材料、生物材料、使合金变成超细粉末或结晶粉末等，是指温度为100 1000ħ、压力为1MPa 1GPa条件下利用水溶液中物质，进行化学反应，从而制备出一种新材料的方法，其关键是根据所需制备的产品选择合适的原材料、合适的反应温度及反应时长等。高温烧结法是把各种原料粉末或粉末压坯，配入适量的燃料和熔剂，在高温炉或窑中加热到低于其中基本成分的熔点的温度，经过一系列的物理化学反应，然后以一定的方法和速度冷却到室温的过程，采用不同原材料，在不同的烧结工艺制度下，可制得不同的产品。高温烧结是陶瓷材料制备的常用方法，也是合金等材料改性的主要方法，该制备方法的关键主要是选择合适的原材料，然后根据原材料的特性进行工艺的合理优化。
性能测试实验课程的设置，注重实验间的对比与分析。如不同材料的力学性能有何异同？如同样是力学性能，木材、钢筋、高分子材料各有何特性，实际使用中如何考虑？另外，同样的检测方法，如超声无损检测，测试不同材料如金属和混凝土时，方法有何异同，是否可相互借鉴？通过课程中的综合实验，分析性能间的相互关系，如力学性能与渗透性的关系；同样是混凝土渗透性的表征，ＲCM法、电通量法、气渗法等，有何异同，结果之间的关联性如何？总之，就是培养学生分析材料组成、性能、结构与工艺等之间的相关性、对比材料性能之间或方法之间的异同、并分析异同产生之根本缘
由等。综合实验中，还包含制备实验所制备材料的部分性能，从而进一步了解制备方法的合理性和有效性，最终形成对材料制备、性能的综合评估与分析。
专业方向大型实验则在补充了前述缺乏的少量专业实验的基础上，设置以解决实际工程应用问题为目标的小型课题，其包含技术较成熟、目标相对简单且较易实现，结合学生理论课程试验设计与数据处理进行实验方案的设计，实验内容包含从原材料、性能指标、测试、分析技术的测试应用和综合分析，必须覆盖原材料的关键性能（含物理性能和形貌）、工作性、重要的力学性能和易于实现的耐久性或功能性（如吸声/导热/无损等特性）测试等，适当微观分析。且尽量控制工作量和学生的实验时间，工作量不宜太大，需轻重、难易结合，注重于前述知识的综合运用，注重于整个科研方法和思维的培养，注重于解决实际问题。作为毕业论文设计，结合科研项目，学生必须独立完成一个相对系统的微型课题。需要学习者较为全面地熟悉掌握专业和课程的基本原理，才能综合运用各种方法进行设计。如果学生不具备相应的理论基础和实践基础，难以达到预期的效果，所以，设计性实验的安排应与本专业的基础理论教学进程紧密结合。
5结语
以材料科学基础实验引导学生了解材料，以材料制备－性能测试－分析为主线，分析材料组成、性能、结构与工艺之间的相关性，对比材料性能之间或方法之间的异同，并分析异同产生之根本缘由，
结合专业综合性实验和毕业设计，进一步掌握各种实验技能的综合应用，结合理论教学体系，培养学生实验或科研设计的思路和方法，从而培养学生的分析问题和解决问题的能力。
●参考文献：
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［5］郑家茂．对大学实验教学若干问题的厘析（续）［J］．实验室研究与探索，2007，26（11）：1－3．
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庞超明，等：土木工程材料专业独立实验教学体系的构建与实践