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“双碳”背景下绿色土木工程材料实验课改革研究

2024-09-19 52 上传者：“土木工程材料”是我校土木工程专业的专业核心课程之一，是我校高质量应用型人才培养计划的重要部分，实验课是本课程的重要组成部分，实验课的实践操作对学生掌握课程的理论知识、深刻理解材料性能，并应用于后续的课程学习、方案设计、工程实践都具有极其重要的作用。“土木工程材料”是我校土木工程专业的专业核心课程之一，是我校高质量应用型人才培养计划的重要部分，实验课是本课程的重要组成部分，实验课的实践操作对学生掌握课程的理论知识、深刻理解材料性能，并应用于后续的课程学习、方案设计、工程实践都具有极其重要的作用。“土木工程

摘要：针对土木工程材料实验课学生积极性不高、难以结合国家政策与行业发展新技术等问题，本研究结合“双碳”政策背景，设计了以再生混凝土为主题的绿色土木工程材料实验项目。在传统实验项目的基础上增加可选变量和试验内容，增加学生自主设计部分以激发学生积极性，使学生在有限的实验课时间内掌握水泥混凝土实验的基本操作，了解水胶比、外加剂、温度等因素对混凝土性能的影响，并直观地感受建筑垃圾制作再生混凝土的过程，加强学生对建筑行业节能减排相关政策及技术的思考。

关键词：
土木工程材料
实验课
应用型人才培养
教学研究
节能减排
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“土木工程材料”是我校土木工程专业的专业核心课程之一，是我校高质量应用型人才培养计划的重要部分，实验课是本课程的重要组成部分，实验课的实践操作对学生掌握课程的理论知识、深刻理解材料性能，并应用于后续的课程学习、方案设计、工程实践都具有极其重要的作用。土木工程材料作为一门与工程密切相关的课程，实验课不仅需要使学生掌握传统建筑材料的相关知识，还需要使学生了解行业发展方向、国家政策导向，并适当融入课程思政元素。但目前实验课普遍存在以验证性实验为主、方案固定、操作重复等问题，并且实验项目较难融入国家政策与行业发展方向。

目前建筑行业的大趋势是节能减排、清洁生产，2020年提出了“双碳”目标，2020年全国建筑与建造总能耗占全国总能耗的45.5%,碳排放占全国总排放量的50.9%,主要为建筑材料的生产阶段和建筑运行阶段的能耗和碳排放[1]。建筑行业节能环保技术的研究与实践应用对土木工程等相关专业的本科生提出了新的需求，要求学生掌握相关的基本知识，具备在实际研究与工程应用中实践节能环保相关技术的基本能力，尤其是绿色建筑材料在建筑设计、施工中的应用。

因此，在“双碳”背景下对“土木工程材料”实验课程进行改革和创新，能够加强学生节能减排意识，了解行业在节能减排方面的新技术以及新方法，掌握将其应用于工程实践的能力。

1、“土木工程材料”实验课的现状及问题

目前《土木工程材料》教材中推荐的实验项目主要是材料基本性能测试的标准实验，例如水泥凝结时间、水泥安定性、骨料堆积密度、普通混凝土坍落度等，各高校再根据自身的培养计划和实验条件选择实验课内容。实验项目的限制导致土木工程材料实验课教学普遍存在以下问题：

1.1 以验证性实验为主

土木工程材料的实验课对实验室条件有一定要求，实验室不仅需要有沉降池用于沉淀污水，还需要购置大量实验设备。如果设备较少，实验课过程中学生需要轮流使用设备，甚至只能由教师进行演示实验，因此为了提高学生的参与度，尽量使更多的学生能够亲自进行实验操作，需要根据实验课分组数采购多套设备。这就导致需要尽量安排设备价格较低的实验项目，例如，使用维卡仪进行的水泥标准稠度和凝结时间实验，使用雷氏夹进行水泥体积安定性实验，使用李氏瓶进行颗粒密度实验等。这些都是基于标准方法的材料基本性能测试，这类实验项目往往存在方案固定、操作重复、现象不明显等问题，不利于激发学生对实验课的积极性，导致实验课并不能很好地起到加深学生对课程的掌握，以及激发学生科研热情的作用。针对这一问题，研究者普遍认为在土木工程材料实验课中适当引入研究性、创新性实验项目[2],或是结合工程背景提高实践性[3]都有利于提高学生的积极性，改善教学效果。

1.2 实验课学时偏少

“土木工程材料”课程内容多且杂，除了水泥、砂浆、混凝土三章外，其他各章节之间知识点的关联性较弱，学时分配较为困难。以我校为例，“土木工程材料”课程共32学时，其中理论课20学时，实验课12学时。学时数偏少导致教学过程中需要略过沥青、木材等章节，将教学重点放在工程应用最多的水泥混凝土部分。实验课的安排同样以水泥混凝土标准实验为主，但这类实验普遍需要较多课时，例如，按照标准方法完整地进行一次普硅水泥凝结时间实验至少需要6小时，在4学时的实验课中往往无法测出针入度变化。标准方法严格控制各项实验条件，学生难以通过实验课了解水胶比、外加剂、掺和料、环境温湿度等因素对实际工程中水泥混凝土性能的影响。为了弥补实验课时间较少的缺点，段海娟等[4]提出基于ADDIE模式通过建立实验课相关的MOOC,增加学生可以参与实验课的时间和空间条件，并以此增加了与学生的互动以及反馈，进一步改善了教学效果。或者选择综合性实验项目，在一个实验项目中包含多项内容，在有限的课程时间内使学生尽量多地接触不同的实验方法与影响因素。

1.3 学生积极性不高

由于土木工程材料实验存在灰尘大、需要接触污水等问题，许多学生并不愿意进行实验操作，笔者在教学过程中经常发现部分小组只有一人进行实验操作的情况。同时由于标准方法对实验过程的严格控制，使部分具有较好课程基础和探索热情的学生无法将所学知识用于实验操作，打压了学生的热情。为提高学生的积极性，除了改善实验环境外，还可以增加创新性实验和工程实践实验，薛翠真[5]等在“工程教育认证”理念下，结合互联网+技术进行实验课改革，建立更内容更丰富、方法更科学、评价体系以学生为主体的实验课程。王圣程[6]等针对实验课与工程实际相脱节的问题，建立“科研—实验—拓展—辩证—工程”五位一体的实验教学方案，提高教学效果的同时培养学生分析工程问题的能力。

1.4 难以融入国家政策与行业热点

“土木工程材料”课程与工程应用有强烈的联系，因此往往需要在教学过程中选择合适的案例对国家政策与行业发展方向进行讲解，以有助于学生结合自身情况规划未来发展方向。但这类工作普遍局限于理论课程，实验课中较少融入相关内容，这是因为传统的土木工程材料实验课项目难以直观地将政策相关的内容融入。为此，需要对实验课方案进行改革，通过引入与政策热点相关的创新性实验项目，使学生在实验课过程中切身体会到相关的实验内容。顾亚敏[7]等结合绿色建筑的政策，建立了以提高耐久性为目标的混凝土设计实验课程，使学生深入了解绿色建筑发展要求的同时，激发学生的主观能动性。

2、土木工程材料节能减排技术

建筑行业作为“双碳”政策下节能减排的重要发力点，目前建筑材料节能的研究和工程应用的主要方向包括：(1)提高材料的保温隔热效果，减少建筑使用阶段的能耗和碳排放。例如，在建筑物的外墙使用一体化保温板，使用加气混凝土砌块砌筑建筑的隔墙，在屋顶浇筑泡沫混凝土屋面等。(2)优化建筑材料生产过程、开发新型材料，减少建筑材料生产阶段的能耗和碳排放。例如，通过助熔剂降低水泥烧制温度，使用地质聚合物代替水泥生产混凝土等。(3)通过提高材料使用效果减小材料的使用量，变相减少建筑材料生产阶段的能耗和碳排放。例如，掺加外加剂改善混凝土的性能，在确保性能符合设计要求的前提下降低单位体积混凝土中水泥用量。(4)将固体废弃物作为原材料，减少建筑材料使用量的同时将固体废弃物资源化利用，是一种更全面的节能环保技术。例如将废弃的混凝土破碎处理后用于生产再生骨料混凝土。

3、绿色土木工程材料实验课建设

为了解决上述土木工程材料实验教学的问题，将“节能减排”贯穿“土木工程材料”课程教育教学全过程，研究团队在新工科、大数据、互联网背景下推动课程建设，建立“线上+线下”的教学模式，通过线上教学平台为学生提供预习、复习资料，并加强课程间的互动和课后反馈。将理论课程分为：(1)教师讲授部分，包括基本性能以及适用范围最广的部分材料；(2)知识扩展部分，有助于节能减排的新型材料、新生产方式、施工方式；(3)自学部分，适用范围较窄的材料。实验课以土木工程材料中应用最广的水泥混凝土的性能测试、性能控制、方案设计及改进作为主要内容，基于规范标准的实验操作方法重新设计基础实验流程，由学生小组自行查找资料设计方案，并培养学生的节能减排意识、规范意识、安全意识。

结合实验条件和学生能力进行分析后确定以再生混凝土作为绿色土木工程材料的主题，因为再生骨料不仅可以使学生直观地了解废弃混凝土的再利用过程，而且便于融入常规的砂浆、混凝土实验中，实验过程相对简单，且与天然骨料的实验现象对比明显，更能激发学生自主设计的兴趣。

3.1 外加剂、温度等因素对水泥凝结的影响实验

4学时，修改自水泥凝结时间实验，增加了温度和外加剂作为可供学生选择的变量，增强了学生的自主性，并确保能够在实验课时间内观察到明显的实验现象变化。由学生自主选择早强剂与缓凝剂掺量，并根据标准稠度用水量配制6组标准稠度水泥浆样品，影响因素分别为：(1)无外加剂-20℃。(2)无外加剂-40℃。(3)早强剂-20℃。(4)早强剂-40℃。(5)缓凝剂-20℃。(6)缓凝剂-40℃。每间隔10分钟使用维卡仪测试一次针入度，达到初凝状态后改用终凝测头。作为第一个实验项目，要求学生掌握搅拌机的使用方法，能够完成“称料、搅拌、调整、装模”的一系列过程；使学生掌握标准稠度、初凝、终凝状态的测试方法；使学生直观地了解外加剂、温度等因素对水泥凝结硬化的影响，并要求学生能够对各样品的结果进行正确的分析。

3.2 再生骨料、天然骨料性能测试实验

水泥凝结实验样品成型后等待凝结期间进行骨料实验，实验方法按照标准方法进行，要求学生测试不同骨料的堆积密度、颗粒密度、粒径分布、吸水性等性能，并掌握细骨料细度模数的测试和计算。通过这部分实验使学生掌握骨料性能测试的基本方法，了解再生骨料和天然骨料在性能上的差异，并能够结合理论课知识分析使用再生骨料代替天然骨料对混凝土性能的影响。

3.3 绿色混凝土的配合比设计及优化实验

4学时，修改自混凝土配合比设计实验，为了增加学生操作机会，以砂浆进行这部分实验，并增加学生自主设计实验的自由度，提高学生的积极性。先在演示实验中给学生提供一个参考配合比，并演示水胶比、减水剂、增稠剂的变化对砂浆流动性的影响。要求学生在参考配合比的基础上进行设计和试配调整，分别以再生骨料和天然骨料制备满足和易性要求的砂浆，并在此基础上尽量提高抗压强度，完成和易性测试的砂浆在模具中成型用于硬化后性能实验。通过这个实验使学生掌握流动性的测试，了解流动性及其经时损失的影响因素；能够通过水胶比、减水剂、缓凝剂等因素调整流动度及其经时变化，使和易性满足要求；了解再生骨料对混凝土和易性的影响，能够通过优化设计减少再生骨料的不利影响，并培养实事求是的规范意识。

3.4 绿色混凝土硬化后性能测试实验

4学时，实验方法按照标准方法进行，对养护完成的砂浆试块进行硬化后性能测试，包括体积密度、吸水率、抗折强度、抗压强度等，并要求学生根据混凝土强度等级的计算方法对砂浆的强度等级进行计算和判定。通过这项实验学生不仅能够掌握混凝土硬化后性能的常用测试方法，也可以了解再生骨料对混凝土硬化后性能的影响，更全面地掌握再生骨料的利弊，对所设计的配合比方案进行进一步的优化，并使学生切身体会土木工程设计与施工对建筑安全的影响，加强学生的规范意识和安全意识。

3.5 泡沫混凝土、加气混凝土、透水混凝土

在实验课空闲时间进行，以演示实验的形式向学生展示泡沫混凝土、加气混凝土、透水混凝土这些绿色混凝土的制备过程以及性能特点，以这些极具特点的土木工程材料激发学生对课程的兴趣，并在演示过程中引出建筑节能和海绵城市建设的重要性，加强学生对绿色建筑事业的理解。

四、结语

土木工程行业深受国家经济、环境政策的影响，“土木工程材料”课程的内容应该紧跟国家政策与行业发展方向，将相关内容融入理论与实验教学中。本研究结合“双碳”政策背景对土木工程材料实验课进行改革，设计了一系列绿色土木工程材料实验项目。在传统验证性实验项目的基础上增加变量与自主性，适当增大实验操作量与难度、加强实验结果区分度，激发学生自主设计实验方案的积极性。通过再生混凝土实验引起学生对固废资源化的思考，同时使学生了解再生骨料对混凝土的不利影响，建立学生节能减排意识的同时兼顾安全意识和规范意识的培养。

参考文献:

[1]中国建筑节能协会,重庆大学.2022年度中国城乡建设领域碳排放系列研究报告.

[2]张武满,张迎晨.基于设计性试验提升本科生自主创新能力——以土木工程材料实验课程教学改革为视角[J].高等建筑教育,2019,28(1):106-109.

[3]严敏嘉,张佳敏,蒋明辉,等.新工科背景下“土木工程材料”课程实验教改[J].教育教学论坛,2021(51):65-68.

[4]段海娟,陈兵.土木工程材料研究性实验教学的探索与实践[J].实验室研究与探索,2020,39(6):203-206.

[5]薛翠真,冯琼,乔宏霞,等.工程教育认证背景下土木工程材料实验课程教学方法探索与改革[J].大学教育,2020(11):72-74.

[6]王圣程,禄利刚,张朕,等.基于科研资源的土木工程材料实验教学拓展探索[J].实验技术与管理,2018,35(4):199-202.

[7]顾亚敏,宋旭艳,郜志海.“混凝土设计—耐久性为目标”的土木工程材料创新性实验教学实践[J].科教导刊,2022(13):113-115.

基金资助:安徽科技学院质量工程项目(Xj2022188);安徽科技学院质量工程项目(Xj2022120);安徽科技学院质量工程项目(Xj2023054); 安徽省质量工程项目(2023jyxm0613); 安徽省重点教研项目(2022jyxm364);

文章来源:叶焕,韩意,马露.“双碳”背景下绿色土木工程材料实验课改革研究[J].科技风,2024,(26):36-38.