道路建筑材料课程科研反哺与虚实结合教学研究_孙国强.pdf
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1、 第 卷 第 期 年 月:道路建筑材料课程科研反哺与虚实结合教学研究孙国强,祁 越,张金喜,丁勇杰,曹志龙(北京工业大学 交通工程北京市重点实验室,北京)摘 要:以道路建筑材料课程教学为研究对象,以半柔性路面材料性能创新试验为例,分析了科研反哺教学的意义与实施过程,提出了理论教学课堂、实验教学课堂及课外科创课堂,内部保障、外部保障以及科研反哺教学的“三课堂 两保障 一课程群”科研反哺教学的模式。以沥青及混合料实验为例,开展了虚实结合实验教学模式研究,总结了该模式的特点与实施过程,并采用了“原理讲授 虚拟仿真 实验演练”虚实结合的模式进行了实验教学,提升了学生实验兴趣,增强自主学习能力,显著提高
2、了教学效果。关键词:道路建筑材料;教学模式;科研反哺;虚实结合中图分类号:文献标志码:文章编号:(),(,):,“”,“”,:;收稿日期:基金项目:国家自然科学基金项目();北京工业大学城建学部教育教学研究课题();北京工业大学课程思政示范课程培育项目()作者简介:孙国强(),男,安徽安庆人,博士,讲师,研究方向为道路工程材料。:;:通信作者:曹志龙(),男,湖北鄂州人,博士,副教授,研究方向为道路工程材料。:;:第 期孙国强,等:道路建筑材料课程科研反哺与虚实结合教学研究 引 言在高校“双一流”本科教育与“新工科”教育建设的背景下,如何培养造就一大批引领未来技术与产业发展的卓越工程科技人才,
3、是当今高校教育工作者需深入研究的重要课题。道路建筑材料是道路桥梁与渡河工程、交通工程等本科专业的必修专业基础课程,同时也是路基路面工程、道路工程养护与管理等课程的基础前导课,在教学中应积极面向“双一流”与新工科建设要求,升级教学理念、模式和方法,以夯实学生理论基础、加强工程技能、激发创新能力。然而,道路建筑材料课程传统教学模式难以胜任该目标。教育部关于深化本科教育教学改革全面提高人才培养质量的意见指出“探索拔尖创新人才培养模式,促进科研与教学互动,及时把科研成果转化为教学内容”。韩丽平等将科研成果反哺开放性创新试验教学,激发了学生的科研热情和创新精神。可见,将科研反哺教学成为突破道路建筑材料课
4、程传统教学瓶颈的可靠方案。此外,教育部关于一流本科课程建设的实施意见提出将国家虚拟仿真实验教学项目纳入一流本科课程建设,并出台教育部关于开展国家虚拟仿真实验教学项目建设工作的通知具体指导。孙艳娜等采用 技术开发了沥青虚拟仿真实验,变革了实验教学方式,提升了实验教学质量。将虚拟仿真实验与线下实验相结合,在“能实不虚”的基础上探索线上线下虚实结合的实验教学模式成为解决传统实验教学弊端的有效途径。结合道路建筑材料课程多年理论教学与实验教学实践,本文以高性能灌注式半柔性路面材料性能创新试验为例,分析了科研反哺教学模式的意义、过程和推广方式,以沥青及混合料实验为例开展虚实结合的实验教学研究。道路建筑材料
5、课程教学现状.理论教学“课前预习课堂讲授课后作业”是“道路建筑材料”课程传统的理论教学模式,然而这种课堂模式难以激发学生独立思考与创新能力。()课前预习指导与重视不够。道路建筑材料课程知识点杂多,教师通常对学生的课前预习环节不够重视,学生难以高效预习课前专业内容,无法培养其自学与独立思考能力。()课程讲授内容陈旧滞后。由于道路建筑材料理论研究与工程实践的逐步深入,课程的知识体系也随之不断更新。然而,一些教师教学过程缺乏新理论、新方法与新技术的融入。()课堂教学方法与模式老旧僵化。道路建筑材料课程知识点杂多且较分散,传统灌输式讲授知识的教学模式难以有效培养学生自主学习和创新的能力。.实验教学“原
6、理讲述教师演示学生重复”是道路建筑材料课程传统的实验教学模式,教师以讲授实验原理步骤或播放视频为主,并完成实验准备与演示工作,学生则通过观看演示、重复操作验证的方式参与,该模式不利于引导学生进行探索性创新学习。()实验教学模式单一。传统机械式实验教学模式涉及综合性知识、自主设计性的内容较少,难以激发学生的开放发散思维,难以培养学生系统设计实验方案的能力。()实验报告内容简单。实验报告是道路建筑材料实验课程的主要成果,然而大多学生仅简单罗列实验步骤与测试结果,鲜有学生能独立思考实验过程。加之一些实验所需设备材料与步骤复杂,而有些实验耗时长而课时有限,这些客观因素也影响了实验报告完成质量。()考核
7、方式不够准确全面。道路建筑材料实验课程的考核多从出勤率、实验报告等方面进行评定,该方式易使学生产生应付考核的想法,对于学生的实践动手能力和创新能力的培养十分不利。高性能灌注式半柔性路面材料性能科研试验反哺.科研反哺教学模式的建设意义将“某城市快速公交()车站与大纵坡段铺装技术研究与应用示范”中半柔性路面材料试验研究内容融入“道路建筑材料”本科课堂理论教学,并通过创新试验小组进行材料设计与性能测试的部分内容,旨在实现科研精神、科研成果、科研方法与教学内容的深入交融。对学生而言,科研反哺教学有利于强化理论知识的理解和应用,增强动手操作能力,激发学生的创新精神和对专业学习的兴趣。对教师而言,可丰富教
8、学内容,创新教育理念。.半柔性路面材料的应用背景及设计成形 应用背景 车道渠化交通明显、车辆接地压强高,尤其在站点车辆加减速、刹车启动频繁,使路面反复承受较大推移和剪切压实作用。为解决 车道路面的车辙病害,研制了一种高性能灌注式半柔性路面材料(下称半柔性路面材料)。采用常规沥青混合料性能试验方法(公路工程沥青及沥青混合料试验规程)测试了半柔性路面材料各路用性能,成果可对面向 等重载重交通场景的半柔性路面建设提供借鉴。第 卷 材料设计成形选用高性能商用水泥材料为胶凝材料,以.的水灰比制备灌浆料,依据 :道路灌注式半柔性路面技术规程(下称半柔性路面规程)测试发现水泥灌浆料的流动度、泌水率及干缩率均
9、满足要求,灌浆料随养护龄期不断水化,强度逐渐提高(见图)。一般灌浆料抗压强度.以上即可开放交通,本研究灌浆料 抗压强度高达,抗压强度为 ,远高于规程要求(),显著缩短开放交通时间。图 水泥灌浆料强度变化 采用体积法设计半柔性路面材料的基体大孔隙沥青混合料(),高黏沥青 作为胶结料,粗集料选择单一粒径.,细集料为连续级配,空隙率为.,油石比为.。混合料为对比材料,高黏沥青 为胶结料,油石比为.。级配曲线见图(),沥青性能见表。按半柔性路面规程制作试验试件,首先制备基体沥青混合料,待其冷却至 以下,将试件底部和周围密封进行顶面灌浆,在标准条件下()、相对湿度 养护,成形试件截面见图()。表 高黏改
10、性沥青主要性能沥青类型针入度(,),.延度(,)软化点动力黏度()高黏沥青 高黏沥青 科研反哺教学的内容:水泥的性能指标及技术要求;水泥净浆的养护方式与强度形成;沥青的三大指标、黏度指标及技术要求;沥青混合料的组成结构及级配设计方法;沥青混合料及水泥净浆的成形方法。半柔性路面材料性能评价 马歇尔试验性能由图 可见,与灌浆料强度增长规律一致,半柔性路面材料稳定度随龄期增长而显著增大。养护 后半柔性路面材料稳定度是基体混合料的 倍,说明()级配曲线()成形型试件截面图 半柔性路面材料设计()马歇尔稳定度()流值图 马歇尔试验结果半柔性路面材料强度主要取决于灌浆料强度,是 混合料的 倍,后稳定度增长
11、到 倍,流值也显著低于,展示了半柔性路面材料优异的强度及高温抗变形能力。此外,水泥灌浆料 内抗压强度增长.,增长.,而半柔性路面材料稳定度 增长.,增长.,说明半柔性路面材料强度形成除与基体混合料及灌浆料强度有关外,还与两者相互作用有关,如水泥浆沥青间的“硬化效应”,且这种作用随时间逐渐趋于稳定。第 期孙国强,等:道路建筑材料课程科研反哺与虚实结合教学研究 科研反哺教学的内容:沥青混合料的高温稳定性及技术标准;沥青混合料标准马歇尔实验测试(稳定度、流值);沥青混合料的强度形成机理以及界面相互作用对材料强度发展的影响;养护龄期对水泥水化及强度发展的影响规律。科研反哺教学的内容:沥青混合料的高温稳
12、定性及技术标准;沥青混合料室内车辙试验测试(动稳定度);温度对沥青混合料抗车辙性能的影响。水稳定性采用浸水马歇尔试验与冻融劈裂试验对半柔性路面材料试件进行水稳定性测试(见图)。发现 后半柔性路面材料残留稳定度超过,这与 浸水过程中水泥灌浆料强度进一步增长有关,加之半柔性试件空隙率较小,水分难以进入。另外,后半柔性路面材料残留强度比从 的.增长到.,高于半柔性路面规范值,且优于 混合料。()冻融前后稳定度()冻融前后劈裂强度图 半柔性路面材料水稳定性试验结果 科研反哺教学的内容:沥青混合料的水稳定性及标准;沥青混合料浸水马歇尔试验(残留稳定度)与冻融劈裂试验测试(残留强度比);空隙率对沥青混合料
13、水稳定性的影响;养护条件(温度、时间)对水泥强度发展的影响。低温性能通过低温弯曲试验测试半柔性路面材料的低温抗裂性能,试验温度为 ,加载速率为 。低温弯拉应变越大,说明低温抗裂性能越好。如图 所示,半柔性路面材料破坏弯拉应变低于 混合料,并略低于改性沥青混合料规范值,但显著高于普通沥青混合料。事实上,半柔性路面材料中灌浆料和基体混合料会随温度变化而产生不协调变形,弱化了两者界面强度,导致半柔性路面材料低温抗裂性弱于 混合料。图 沥青混合料低温试验结果 科研反哺教学的内容:沥青混合料的低温抗裂性及标准;沥青混合料弯曲试验测试(劲度模量与破坏弯拉应变);界面性质对沥青混合料强度的影响。.科研反哺教
14、学模式对应总结及应用.对应章节及知识点以我校道路建筑材料课堂教学使用的教材道路建筑材料(版)申爱琴主编为素材,将科研创新试验结果反哺课堂教学对应知识点进行梳理(见表)。可见,科研成果均可与道路建筑材料课程章节具体知识点关联对应。这一科研反哺模式可帮助学生建立更立体的知识体系,深刻理解理论知识与工程实践的联系与途径,促进科教融合。此外,科研创新试验反哺内容可启发学生深入思考:养护龄期和温度对水泥水化及强度发展有何影响?半柔性路面材料的强度如何形成并受哪些因素影响?沥青水泥界面发生怎样的相互作用且如何影响混合料整体强度?半柔性路面材料与高性能 混合料路用性能相比有何优势与劣势,适用于哪些工程场景?
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