摘要：針對土木工程材料實(shí)驗(yàn)課學(xué)生積極性不高、難以結(jié)合國家政策與行業(yè)發(fā)展新技術(shù)等問題，本研究結(jié)合“雙碳”政策背景，設(shè)計(jì)了以再生混凝土為主題的綠色土木工程材料實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的基礎(chǔ)上增加可選變量和試驗(yàn)內(nèi)容，增加學(xué)生自主設(shè)計(jì)部分以激發(fā)學(xué)生積極性，使學(xué)生在有限的實(shí)驗(yàn)課時(shí)間內(nèi)掌握水泥混凝土實(shí)驗(yàn)的基本操作，了解水膠比、外加劑、溫度等因素對混凝土性能的影響，并直觀地感受建筑垃圾制作再生混凝土的過程，加強(qiáng)學(xué)生對建筑行業(yè)節(jié)能減排相關(guān)政策及技術(shù)的思考。

關(guān)鍵詞：土木工程材料；實(shí)驗(yàn)課；教學(xué)研究；節(jié)能減排

《土木工程材料》是我校土木工程專業(yè)的專業(yè)核心課程之一，是我校高質(zhì)量應(yīng)用型人才培養(yǎng)計(jì)劃的重要部分，實(shí)驗(yàn)課是本課程的重要組成部分，實(shí)驗(yàn)課的實(shí)踐操作對學(xué)生掌握課程的理論知識、深刻理解材料性能，并應(yīng)用于后續(xù)的課程學(xué)習(xí)、方案設(shè)計(jì)、工程實(shí)踐都具有極其重要的作用。土木工程材料作為一門與工程密切相關(guān)的課程，實(shí)驗(yàn)課不僅需要使學(xué)生掌握傳統(tǒng)建筑材料的相關(guān)知識，還需要使學(xué)生了解行業(yè)發(fā)展方向、國家政策導(dǎo)向，并適當(dāng)融入課程思政元素。但目前實(shí)驗(yàn)課普遍存在以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主、方案固定、操作重復(fù)等問題，并且實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目較難融入國家政策與行業(yè)發(fā)展方向。

目前建筑行業(yè)的大趨勢是節(jié)能減排、清潔生產(chǎn)，中央政府在2020年提出了“雙碳”目標(biāo)，而建筑行業(yè)是能耗和碳排放大戶，2020年全國建筑與建造總能耗占全國總能耗的45.5%，碳排放占全國總排放量的50.9%，主要為建筑材料的生產(chǎn)階段和建筑運(yùn)行階段的能耗和碳排放[1]。建筑行業(yè)節(jié)能環(huán)保技術(shù)的研究與實(shí)踐應(yīng)用對土木工程等相關(guān)專業(yè)的本科生提出了新的需求，要求學(xué)生掌握相關(guān)的基本知識，具備在實(shí)際研究與工程應(yīng)用中實(shí)踐節(jié)能環(huán)保相關(guān)技術(shù)的基本能力，尤其是綠色建筑材料在建筑設(shè)計(jì)、施工中的應(yīng)用。

因此，在“雙碳”背景下對《土木工程材料》實(shí)驗(yàn)課程進(jìn)行改革和創(chuàng)新，能夠加強(qiáng)學(xué)生節(jié)能減排意識，了解行業(yè)在節(jié)能減排方面的新技術(shù)以及新方法，掌握將其應(yīng)用于工程實(shí)踐的能力。

1土木工程材料實(shí)驗(yàn)課的現(xiàn)狀及問題

目前《土木工程材料》教材中推薦的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目主要是材料基本性能測試的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)，例如水泥凝結(jié)時(shí)間、水泥安定性、骨料堆積密度、普通混凝土坍落度等，各高校再根據(jù)自身的培養(yǎng)計(jì)劃和實(shí)驗(yàn)條件選擇實(shí)驗(yàn)課內(nèi)容。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的限制導(dǎo)致土木工程材料實(shí)驗(yàn)課教學(xué)普遍存在以下問題：

1.1以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主

土木工程材料的實(shí)驗(yàn)課對實(shí)驗(yàn)室條件有一定要求，實(shí)驗(yàn)室不僅需要有沉降池用于沉淀污水，還需要購置大量實(shí)驗(yàn)設(shè)備。如果設(shè)備較少，實(shí)驗(yàn)課過程中學(xué)生需要輪流使用設(shè)備，甚至只能由教師進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)，因此為了提高學(xué)生的參與度，盡量使更多的學(xué)生能夠親自進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，需要根據(jù)實(shí)驗(yàn)課分組數(shù)采購多套設(shè)備。這就導(dǎo)致需要盡量安排設(shè)備價(jià)格較低的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，例如使用維卡儀進(jìn)行的水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度和凝結(jié)時(shí)間實(shí)驗(yàn)、使用雷氏夾進(jìn)行水泥體積安定性實(shí)驗(yàn)、使用李氏瓶進(jìn)行顆粒密度實(shí)驗(yàn)等。這些都是基于標(biāo)準(zhǔn)方法的材料基本性能測試，這類實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目往往存在方案固定、操作重復(fù)、現(xiàn)象不明顯等問題，不利于激發(fā)學(xué)生對實(shí)驗(yàn)課的積極性，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)課并不能很好地起到加深學(xué)生對課程的掌握，以及激發(fā)學(xué)生科研熱情的作用。針對這一問題，研究者普遍認(rèn)為在土木工程材料實(shí)驗(yàn)課中適當(dāng)引入研究性、創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目[2]，或是結(jié)合工程背景提高實(shí)踐性[3]都有利于提高學(xué)生的積極性，改善教學(xué)效果。

1.2實(shí)驗(yàn)課學(xué)時(shí)偏少

土木工程材料課程本身就有內(nèi)容多且雜，除了水泥、砂漿、混凝土三章外，其他各章節(jié)之間知識點(diǎn)的關(guān)聯(lián)性較弱，學(xué)時(shí)分配較為困難。以我校為例，《土木工程材料》課程共32學(xué)時(shí)，其中理論課20學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)課12學(xué)時(shí)。學(xué)時(shí)數(shù)偏少導(dǎo)致教學(xué)過程中需要放棄瀝青、木材等章節(jié)，將教學(xué)重點(diǎn)放在工程應(yīng)用最多的水泥混凝土部分。實(shí)驗(yàn)課的安排同樣以水A6OumdKEn5UY/EQfEzsptQ==泥混凝土標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)為主，但這類實(shí)驗(yàn)普遍需要較多時(shí)間，例如按照標(biāo)準(zhǔn)方法完整地進(jìn)行一次普硅水泥凝結(jié)時(shí)間實(shí)驗(yàn)至少需要6小時(shí)，在4學(xué)時(shí)的實(shí)驗(yàn)課中往往無法測出針入度變化。而且標(biāo)準(zhǔn)方法嚴(yán)格控制各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)條件，學(xué)生難以通過實(shí)驗(yàn)課了解水膠比、外加劑、摻合料、環(huán)境溫濕度等因素對實(shí)際工程中水泥混凝土性能的影響。為了彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)課時(shí)間較少的缺點(diǎn)，段海娟等[4]提出基于ADDIE模式通過建立實(shí)驗(yàn)課相關(guān)的MOOC，增加學(xué)生可以參與實(shí)驗(yàn)課的時(shí)間和空間條件，并以此增加了與學(xué)生的互動(dòng)以及反饋，進(jìn)一步改善了教學(xué)效果?；蛘哌x擇綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，在一個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中包含多項(xiàng)內(nèi)容，在有限的課程時(shí)間內(nèi)使學(xué)生盡量多地接觸不同實(shí)驗(yàn)方法與影響因素。

1.3學(xué)生積極性不高

由于土木工程材料實(shí)驗(yàn)存在灰塵大、需要接觸污水等問題，許多學(xué)生并不愿意進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，筆者教學(xué)過程中經(jīng)常發(fā)現(xiàn)部分小組只有一人進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作的情況。同時(shí)由于標(biāo)準(zhǔn)方法對實(shí)驗(yàn)過程的嚴(yán)格控制，使部分具有較好課程基礎(chǔ)和探索熱情的學(xué)生無法將所學(xué)知識用于實(shí)驗(yàn)操作，打壓了學(xué)生的熱情。為提高學(xué)生的積極性，除了改善實(shí)驗(yàn)環(huán)境外，還可以增加創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)和工程實(shí)踐實(shí)驗(yàn)，薛翠真[5]等在“工程教育認(rèn)證”理念下，結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)+技術(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)課改革，建立更內(nèi)容更豐富、方法更科學(xué)、評價(jià)體系以學(xué)生為主體的實(shí)驗(yàn)課程。王圣程[6]等針對實(shí)驗(yàn)課與工程實(shí)際脫節(jié)的問題，建立“科研-實(shí)驗(yàn)-拓展-辯證-工程”五位一體的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案，提高教學(xué)效果的同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生分析工程問題的能力。

1.4難以融入國家政策與行業(yè)熱點(diǎn)

《土木工程材料》課程與工程應(yīng)用有強(qiáng)烈的聯(lián)系，因此往往需要在教學(xué)過程中選擇合適的案例對國家政策與行業(yè)發(fā)展方向進(jìn)行講解，以助于學(xué)生結(jié)合自身情況規(guī)劃未來發(fā)展方向。但這類工作普遍局限于理論課程，實(shí)驗(yàn)課中較少融入相關(guān)內(nèi)容，這是因?yàn)閭鹘y(tǒng)的土木工程材料實(shí)驗(yàn)課項(xiàng)目難以直觀地將政策相關(guān)的內(nèi)容融入。為此，需要對實(shí)驗(yàn)課方案進(jìn)行改革，通過引入與政策熱點(diǎn)相關(guān)的創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)課過程中切身體會(huì)到相關(guān)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。顧亞敏[7]等結(jié)合綠色建筑的政策，建立了以提高耐久性為目標(biāo)的混凝土設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)課程，使學(xué)生深入了解綠色建筑發(fā)展要求的同時(shí)激發(fā)學(xué)生的主觀能動(dòng)性。

2土木工程材料節(jié)能減排技術(shù)

建筑行業(yè)作為“雙碳”政策下節(jié)能減排的重要發(fā)力點(diǎn)，目前建筑材料節(jié)能的研究和工程應(yīng)用的主要方向包括：（一）提高材料的保溫隔熱效果，減少建筑使用階段的能耗和碳排放，例如在建筑物的外墻使用一體化保溫板，使用加氣混凝土砌塊砌筑建筑的隔墻，在屋頂澆筑泡沫混凝土屋面等。（二）優(yōu)化建筑材料生產(chǎn)過程、開發(fā)新型材料從而減少建筑材料生產(chǎn)階段的能耗和碳排放，例如通過助熔劑降低水泥燒制溫度，使用地質(zhì)聚合物代替水泥生產(chǎn)混凝土等。（三）通過提高材料使用效果從而減小材料的使用量，變相減少建筑材料生產(chǎn)階段的能耗和碳排放，例如摻加外加劑改善混凝土的性能，在確保性能符合設(shè)計(jì)要求的前提下降低單位體積混凝土中水泥用量。（四）將固體廢棄物作為原材料，減少建筑材料使用量的同時(shí)將固體廢棄物資源化利用，是一種更全面的節(jié)能環(huán)保技術(shù)，例如將廢棄的混凝土破碎處理后用于生產(chǎn)再生骨料混凝土。

3綠色土木工程材料實(shí)驗(yàn)課建設(shè)

為了解決上述土木工程材料實(shí)驗(yàn)教學(xué)的問題，將“節(jié)能減排”貫穿《土木工程材料》課程教育教學(xué)全過程，研究團(tuán)隊(duì)在新工科、大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)背景下推動(dòng)課程建設(shè)，建立“線上+線下”的教學(xué)模式，通過線上教學(xué)平臺(tái)為學(xué)生提供預(yù)習(xí)、復(fù)習(xí)資料，并加強(qiáng)課程間的互動(dòng)和課后反饋。將理論課程分為：（1）教師講授部分，包括基本性能以及適用范圍最廣的部分材料；（2）知識擴(kuò)展部分，有助于節(jié)能減排的新型材料、新生產(chǎn)方式、施工方式；（3）自學(xué)部分，適用范圍較窄的材料。實(shí)驗(yàn)課以土木工程材料中應(yīng)用最廣的水泥混凝土的性能測試、性能控制、方案設(shè)計(jì)及改進(jìn)作為主要內(nèi)容，基于規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)操作方法重新設(shè)計(jì)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)流程，由學(xué)生小組自行查找資料設(shè)計(jì)方案，并培養(yǎng)學(xué)生的節(jié)能減排意識、規(guī)范意識、安全意識。

結(jié)合實(shí)驗(yàn)條件和學(xué)生能力進(jìn)行分析后確定以再生混凝土作為綠色土木工程材料的主題，因?yàn)樵偕橇喜粌H可以使學(xué)生直觀地了解廢棄混凝土的再利用過程，而且便于融入到常規(guī)的砂漿、混凝土實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)過程相對簡單，且與天然骨料的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象對比明顯，更能激發(fā)學(xué)生自主設(shè)計(jì)的興趣。

3.1外加劑、溫度等因素對水泥凝結(jié)的影響實(shí)驗(yàn)

4學(xué)時(shí)，修改自水泥凝結(jié)時(shí)間實(shí)驗(yàn)，增加了溫度和外加劑作為可供學(xué)生選擇的變量，增強(qiáng)了學(xué)生的自主性，并確保能夠在實(shí)驗(yàn)課時(shí)間內(nèi)觀察到明顯的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象變化。由學(xué)生自主選擇早強(qiáng)劑與緩凝劑摻量，并根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量配制6組標(biāo)準(zhǔn)稠度水泥漿樣品，影響因素分別為（1）無外加劑-20℃，（2）無外加劑-40℃，（3）早強(qiáng)劑-20℃，（4）早強(qiáng)劑-40℃，（5）緩凝劑-20℃，（6）緩凝劑-40℃。每間隔10分鐘使用維卡儀測試一次針入度，達(dá)到初凝狀態(tài)后改用終凝測頭。作為第一個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，要求學(xué)生掌握攪拌機(jī)的使用方法，能夠完成“稱料、攪拌、調(diào)整、裝模”的一系列過程；使學(xué)生掌握標(biāo)準(zhǔn)稠度、初凝、終凝狀態(tài)的測試方法；使學(xué)生直觀地了解外加劑、溫度等因素對水泥凝結(jié)硬化的影響，并要求學(xué)生能夠?qū)Ω鳂悠返慕Y(jié)果進(jìn)行正確的分析。

3.2再生骨料、天然骨料性能測試實(shí)驗(yàn)

水泥凝結(jié)實(shí)驗(yàn)樣品成型后等待凝結(jié)期間進(jìn)行骨料實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)方法按照標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行，要求學(xué)生測試不同骨料的堆積密度、顆粒密度、粒徑分布、吸水性等性能，并掌握細(xì)骨料細(xì)度模數(shù)的測試和計(jì)算。通過這部分實(shí)驗(yàn)使學(xué)生掌握骨料性能測試的基本方法，了解再生骨料和天然骨料在性能上的差異，并能夠結(jié)合理論課知識分析使用再生骨料代替天然骨料對混凝土性能的影響。

3.3綠色混凝土的配合比設(shè)計(jì)及優(yōu)化實(shí)驗(yàn)

4學(xué)時(shí)，修改自混凝土配合比設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，為了增加學(xué)生操作機(jī)會(huì)，以砂漿進(jìn)行這部分實(shí)驗(yàn)，并增加學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的自由度，提高學(xué)生積極性。先在演示實(shí)驗(yàn)中給學(xué)生提供一個(gè)參考配合比，并演示水膠比、減水劑、增稠劑的變化對砂漿流動(dòng)性的影響。要求學(xué)生在參考配合比的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)和試配調(diào)整，分別以再生骨料和天然骨料制備滿足和易性要求的砂漿，并在此基礎(chǔ)上盡量提高抗壓強(qiáng)度，完成和易性測試的砂漿在模具中成型用于硬化后性能實(shí)驗(yàn)。通過這個(gè)實(shí)驗(yàn)使學(xué)生掌握流動(dòng)性的測試，了解流動(dòng)性及其經(jīng)時(shí)損失的影響因素；并能夠通過水膠比、減水劑、緩凝劑等因素調(diào)整流動(dòng)度及其經(jīng)時(shí)變化，使和易性滿足要求；了解再生骨料對混凝土和易性的影響，能夠通過優(yōu)化設(shè)計(jì)減少再生骨料的不利影響，并培養(yǎng)實(shí)事求是的規(guī)范意識。

3.4綠色混凝土硬化后性能測試實(shí)驗(yàn)

4學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)方法按照標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行，對養(yǎng)護(hù)完成的砂漿試塊進(jìn)行硬化后性能測試，包括體積密度、吸水率、抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度等，并要求學(xué)生根據(jù)混凝土強(qiáng)度等級的計(jì)算方法對砂漿的強(qiáng)度等級進(jìn)行計(jì)算和判定。通過這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)學(xué)生不僅能夠掌握混凝土硬化后性能的常用測試方法，也可以了解再生骨料對混凝土硬化后性能的影響，更全面地掌握再生骨料的利弊，對所設(shè)計(jì)的配合比方案進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化。并使學(xué)生切身體會(huì)土木工程設(shè)計(jì)與施工對建筑安全的影響，加強(qiáng)學(xué)生的規(guī)范意識和安全意識。

3.5泡沫混凝土、加氣混凝土、透水混凝土

在實(shí)驗(yàn)課空閑時(shí)間進(jìn)行，以演示實(shí)驗(yàn)的形式向?qū)W生展示泡沫混凝土、加氣混凝土、透水混凝土這些綠色混凝土的制備過程以及性能特點(diǎn)，以這些極具特點(diǎn)的土木工程材料激發(fā)學(xué)生對課程的興趣，并在演示過程中引出建筑節(jié)能和海綿城市建設(shè)的重要性，加強(qiáng)學(xué)生對綠色建筑事業(yè)的理解。

結(jié)語

土木工程行業(yè)深受國家經(jīng)濟(jì)、環(huán)境政策的影響，土木工程材料課程的內(nèi)容應(yīng)該緊跟國家政策與行業(yè)發(fā)展方向，將相關(guān)內(nèi)容融入到理論與實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。本研究結(jié)合“雙碳”政策背景對土木工程材料實(shí)驗(yàn)課進(jìn)行改革，設(shè)計(jì)了一系列綠色土木工程材料實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，在傳統(tǒng)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的基礎(chǔ)上增加變量與自主性，適當(dāng)增大實(shí)驗(yàn)操作量與難度、加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果區(qū)分度，激發(fā)學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案的積極性。通過再生混凝土實(shí)驗(yàn)引起學(xué)生對固廢資源化的思考，同時(shí)使學(xué)生了解再生骨料對混凝土的不利影響，建立學(xué)生節(jié)能減排意識的同時(shí)兼顧安全意識和規(guī)范意識的培養(yǎng)。

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作者簡介：葉煥（1989—），男，漢族，浙江人，博士，講師，研究方向：水泥混凝土流變性能，新型混凝土材料。