材料研究生通識(shí)實(shí)踐課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

朱洪波

摘? 要：采用石膏材料，在通識(shí)、完整、緊湊、經(jīng)濟(jì)、便利、趣味以及便于拓展知識(shí)等原則基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了適應(yīng)于不同專(zhuān)業(yè)材料研究生的通識(shí)實(shí)驗(yàn)課程，在3個(gè)課時(shí)內(nèi)完成標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時(shí)間、強(qiáng)度試樣成型及力學(xué)性能測(cè)試和制作石膏藝術(shù)品等多個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，介紹了設(shè)置該實(shí)踐課程所需的原材料、實(shí)驗(yàn)儀器、裝置和器具以及各實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的內(nèi)容和實(shí)施安排，并重點(diǎn)介紹了課堂分析與討論內(nèi)容。該實(shí)踐課程經(jīng)過(guò)多年建設(shè)，內(nèi)容不斷得到完善，教學(xué)效果獲得師生認(rèn)可，主要內(nèi)容被借鑒到其他的實(shí)踐課程建設(shè)中，顯示出較強(qiáng)的普適性。

關(guān)鍵詞：材料;研究生;實(shí)踐課程;實(shí)驗(yàn)教學(xué)

中圖分類(lèi)號(hào)：G642? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2096-000X（2020）10-0088-04

Abstract： Based on the principles of general knowledge， integrity， compactness， economy， convenience， taste， and ease of knowledge development， a general practice curriculum was designed for different materials the graduate student's， using gypsum materials. In this curriculum， water consumption standard consistency， setting time， strength specimen shape and mechanical property test and production of plaster art experiment project can be finished within 3 hours. The raw materials for the practical courses， experimental apparatus， equipment and instruments， and the experiment content and implementation arrangements， especially the content of analysis and discussion， were introduced in this paper. Through years of construction， the content of the practical course has been constantly improved， and the teaching effect has been recognized by teachers and students. The main content has been transplanted and borrowed from other practical course construction， thus showing a strong universality.

Keywords： materials; graduate student; practical course; experiment teaching

引言

材料科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)分類(lèi)較細(xì)，而不同專(zhuān)業(yè)方向的研究方法和技術(shù)思路可以相互借鑒和啟發(fā)，在當(dāng)前重視學(xué)科交叉的背景下，很多高校為材料研究生開(kāi)設(shè)了通識(shí)課程。其中，實(shí)踐課程是近年來(lái)教改討論中最熱烈的部分，除了對(duì)專(zhuān)業(yè)課程的各種改革建議[1-6]外，還包括開(kāi)設(shè)“英語(yǔ)寫(xiě)作”和“實(shí)驗(yàn)測(cè)試技術(shù)與安全”課程[7]，建立高校+企業(yè)的“雙導(dǎo)師制”、建立公共實(shí)驗(yàn)室和校企聯(lián)合實(shí)踐基地[8-10]、重視兼具有教師和職業(yè)資格的“雙師型”師資隊(duì)伍建設(shè)[11]或完善“雙導(dǎo)師”制[12]、項(xiàng)目式實(shí)踐課程[13]和校外實(shí)踐課程[14]設(shè)計(jì)，等等。同濟(jì)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院從2010年起對(duì)所有專(zhuān)業(yè)研究生開(kāi)設(shè)《材料制備與實(shí)踐》必修通識(shí)課程，主要通過(guò)多種專(zhuān)業(yè)的材料實(shí)驗(yàn)及其共性實(shí)踐知識(shí)學(xué)習(xí)，顯著拓展了學(xué)生的視野。本文總結(jié)了采用石膏材料進(jìn)行建材方向?qū)嵺`教學(xué)的方法和心得體會(huì)。

一、實(shí)踐課程設(shè)計(jì)

（一）設(shè)計(jì)原則

研究生通識(shí)實(shí)踐課程應(yīng)在有限的課時(shí)內(nèi)涵蓋盡可能多的知識(shí)點(diǎn)，并兼顧其系統(tǒng)性、完整性和趣味性，以便其內(nèi)容能夠讓不同專(zhuān)業(yè)方向的研究生留下深刻印象。之所以選擇石膏材料，是考慮了以下幾方面因素：

1. 材料本身具有“通識(shí)性”。不同方向的學(xué)生對(duì)石膏材料都不會(huì)陌生，但對(duì)其具體技術(shù)指標(biāo)和細(xì)節(jié)又不甚了解，即便對(duì)建材專(zhuān)業(yè)的研究生，其在本科階段一般只做與水泥相關(guān)的實(shí)驗(yàn)，多數(shù)并未涉及石膏材料的實(shí)驗(yàn)操作，所以也不會(huì)因“做過(guò)”而對(duì)其失去興趣。

2. 實(shí)踐周期適當(dāng)且內(nèi)容豐富。全部實(shí)驗(yàn)內(nèi)容剛好可以在連續(xù)3個(gè)課時(shí)內(nèi)完成，具體內(nèi)容包括了石膏的標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時(shí)間、力學(xué)試樣成型及測(cè)試等基本性能試驗(yàn)，同時(shí)還包括采用石膏制作裝飾材料的內(nèi)容，實(shí)驗(yàn)工作量飽滿。

3. 實(shí)驗(yàn)設(shè)置便利、經(jīng)濟(jì)。首先，其原材料易得，方便在建材市場(chǎng)采購(gòu)，一般為便于儲(chǔ)運(yùn)的10-15kg小包裝，并且價(jià)廉;其次，所需實(shí)驗(yàn)裝備簡(jiǎn)單，操作安全，除了力學(xué)測(cè)試需要壓力機(jī)外不用其他帶電儀器，只需相應(yīng)的小型工具和器具;同時(shí)，實(shí)驗(yàn)對(duì)其他硬件的要求不高，即便在非建材專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)室（如普通教室）中也能進(jìn)行，只要有自來(lái)水即可，甚至在沒(méi)有專(zhuān)門(mén)的水泥抗壓-抗折試驗(yàn)機(jī)情況下，還可以利用壓力傳感器或拉力計(jì)來(lái)制作力學(xué)測(cè)試裝置。

4. 擴(kuò)展空間大，便于授課教師傳遞不同的科學(xué)或技術(shù)理念。

（二）課程內(nèi)容

1. 實(shí)驗(yàn)材料

建筑石膏，市售，并不要求其為滿足標(biāo)準(zhǔn)的等級(jí)品，可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)判斷其產(chǎn)品等級(jí)，在稍大型的建材市場(chǎng)上通常還能另外購(gòu)置到高強(qiáng)石膏（石膏裝飾線條用其粘縫），前者用于基本性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)，后者用于制作石膏擺件。如無(wú)高強(qiáng)石膏，也可用建筑石膏做擺件。

按照一般材料專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)課程的規(guī)律，教師在購(gòu)得原材料后應(yīng)預(yù)先通過(guò)實(shí)驗(yàn)了解其與課程項(xiàng)目相關(guān)的基本性能，如標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時(shí)間、強(qiáng)度等，每次購(gòu)置的石膏性能差異可能較大。

2. 儀器、器具

實(shí)驗(yàn)儀器包括：凝結(jié)時(shí)間測(cè)試儀和抗壓、抗折試驗(yàn)機(jī)。實(shí)驗(yàn)器具包括：電子秤，40×40×160mm三聯(lián)成型模具，攪拌器（即打蛋器），稱(chēng)量容器，攪拌容器，400×400mm的方形玻璃板，內(nèi)徑50mm×高度100mm的圓柱筒（可用Φ50mm的PVC管截取得到，其內(nèi)徑略小于50mm，可略增加高度以達(dá)到與標(biāo)準(zhǔn)圓柱筒相同的體積，不影響測(cè)試結(jié)果），300mm長(zhǎng)直尺，水杯（一次性塑料杯），滴管，料勺，刮刀等。其中，三聯(lián)成型與擺件成型模具以及各種器具如圖1。澆注石膏擺件的橡膠模具，可從網(wǎng)上購(gòu)得，其形態(tài)豐富。

以上均為建材實(shí)驗(yàn)室的常規(guī)裝備，即便原來(lái)沒(méi)有而重新采購(gòu)其成本也不高，其中最大型的抗壓、抗折試驗(yàn)機(jī)也可用其他壓力機(jī)、萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)等來(lái)代替，只需配備相應(yīng)的抗壓、抗折夾具（網(wǎng)絡(luò)有售）即可。

3. 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目與方法

（1）標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量及凝結(jié)時(shí)間，參照《GBT17669.4

-1999建筑石膏凈漿物理性能的測(cè)定》進(jìn)行。其中的流動(dòng)度測(cè)試器具及操作過(guò)程如圖2。

（2）力學(xué)性能，參照《GBT17669.3-1999建筑石膏力學(xué)性能的測(cè)定》進(jìn)行。

（3）制作石膏擺件，根據(jù)前述試驗(yàn)對(duì)石膏材料的認(rèn)識(shí)，采用橡膠模具成型。

（4）理論知識(shí)，利用各試驗(yàn)項(xiàng)目之間的間隙，介紹石膏的相關(guān)知識(shí)。

（5）課時(shí)安排，按照連續(xù)3課時(shí)3×45min+課間休息20min計(jì)，總時(shí)長(zhǎng)155min，按照時(shí)間順序分為8段，具體安排如表1。

課前在黑板上畫(huà)出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表格以便各小組當(dāng)場(chǎng)展示結(jié)果和開(kāi)展相應(yīng)的討論。

4. 課堂分析與討論內(nèi)容

一般地，討論分析內(nèi)容可首先圍繞實(shí)驗(yàn)條件（溫濕度）、操作過(guò)程、原材料品質(zhì)以及儀器測(cè)量誤差等對(duì)結(jié)果的影響程度和規(guī)律來(lái)展開(kāi)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果的波動(dòng)可從各組展示出來(lái)的測(cè)試數(shù)據(jù)直觀地看出。更深入的討論內(nèi)容還可以包括以下幾個(gè)方面：

（1）石膏材料的可再循環(huán)利用原理。建筑石膏均為β型半水石膏，其硬化的原理是與水反應(yīng)并水化生成二水石膏，而建筑石膏的生產(chǎn)原料也是二水石膏，從其生命周期看是一種循環(huán)過(guò)程，并且由于石膏產(chǎn)品中除了紙面石膏板、加筋石膏板外一般不摻加其他材料，即石膏制品的組成比較單純，便于回收利用（紙、筋板中的紙或筋會(huì)在回收加工的煅燒、炒制過(guò)程中揮發(fā)掉）。所以，石膏是典型的可再生資源。除了天然原料外，目前大量采用脫硫石膏、磷石膏、氟石膏等化學(xué)石膏（工業(yè)廢石膏）作為建筑石膏的生產(chǎn)原料，最能體現(xiàn)“循環(huán)經(jīng)濟(jì)、可持續(xù)發(fā)展”的材料特征。同時(shí)，其生產(chǎn)、煅燒溫度只有120℃左右（其生產(chǎn)工藝稱(chēng)為“炒制”），相對(duì)于另外兩種常用膠凝材料水泥（1450℃）和石灰（1000℃）來(lái)說(shuō)，其生產(chǎn)能耗大幅度降低，相應(yīng)地對(duì)生產(chǎn)設(shè)備的耐火、耐熱等要求降低，進(jìn)而使生產(chǎn)設(shè)備的投入也大幅度降低。

（2）石膏的水化、硬化原理。半水石膏與水反應(yīng)生成二水石膏，結(jié)果形成網(wǎng)絡(luò)晶體結(jié)構(gòu)并產(chǎn)生強(qiáng)度。

（3）測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量的意義及多孔結(jié)構(gòu)的形成原理。根據(jù)石膏的水化原理，讓學(xué)生利用基礎(chǔ)化學(xué)知識(shí)，通過(guò)化學(xué)反應(yīng)式（4CaSO4·1/2H2O+6H2O→4CaSO4·2H2O）計(jì)算石膏完全水化所需的理論用水量（約18.62%），再結(jié)合前述成型時(shí)所用的較大用水量（50%），說(shuō)明石膏材料必須使用超量的水才能滿足拌合與澆筑密實(shí)要求，即滿足工作性，而多余的水分到后期蒸發(fā)，在硬化體內(nèi)部形成致密的微孔，即多孔結(jié)構(gòu)。

（4）石膏制品的調(diào)濕“呼吸”原理。石膏制品的多孔結(jié)構(gòu)及其孔特征賦予其“輕質(zhì)、保溫和可呼吸”等優(yōu)良特性，以其生產(chǎn)的板材裝飾室內(nèi)，可調(diào)節(jié)室內(nèi)濕度，是“智能型+環(huán)境友好型”建材產(chǎn)品。

（5）強(qiáng)度影響因素。材料強(qiáng)度滿足“質(zhì)量定律”，即同類(lèi)材料的密實(shí)度越高，則強(qiáng)度越高。如果石膏的需水量（標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量）較高，則其孔隙率就大，強(qiáng)度相應(yīng)較低。當(dāng)然，原料質(zhì)量也是關(guān)鍵因素，雜質(zhì)較多、或在生產(chǎn)中存在“欠燒（溫度低或煅燒時(shí)間太短）”、“過(guò)燒（溫度過(guò)高或煅燒時(shí)間太長(zhǎng)）”等都會(huì)降低石膏強(qiáng)度。特別地，作為高強(qiáng)石膏的α型半水石膏，其強(qiáng)度之所以較高的主要原因就是其需水量較低，并由此使得水化產(chǎn)物二水石膏顆粒的微觀空間距離更近，所形成的晶體結(jié)構(gòu)更加堅(jiān)固。

這些討論話題的相關(guān)知識(shí)與技術(shù)對(duì)各種材料專(zhuān)業(yè)研究生來(lái)說(shuō)都能夠理解，教師可根據(jù)學(xué)生的學(xué)識(shí)水平、興趣等從中挑選出若干基本知識(shí)點(diǎn)，通過(guò)提問(wèn)來(lái)與學(xué)生互動(dòng)，活躍討論氣氛并引導(dǎo)學(xué)生集中注意力。

5. 課程總結(jié)與考核

一般對(duì)實(shí)驗(yàn)課程的總結(jié)與考核會(huì)通過(guò)《實(shí)驗(yàn)報(bào)告》來(lái)完成，也有研究者創(chuàng)立出新型方法，例如讓學(xué)生通過(guò)PPT匯報(bào)實(shí)驗(yàn)過(guò)程、數(shù)據(jù)處理和收獲，并由學(xué)生相互打分[15]，其優(yōu)點(diǎn)顯而易見(jiàn)，不過(guò)只適應(yīng)于實(shí)驗(yàn)課時(shí)較充裕的情況，多數(shù)學(xué)校還是主要采用《實(shí)驗(yàn)報(bào)告》并將其作為留檔和考核的憑據(jù)。

二、課程建設(shè)體會(huì)

經(jīng)過(guò)多年摸索、不斷完善和調(diào)整，該實(shí)踐課程的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容從早期的單純成型和力學(xué)測(cè)試逐漸增加了標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時(shí)間以及藝術(shù)擺件制備等測(cè)試項(xiàng)目，在實(shí)驗(yàn)工作量不斷充實(shí)的同時(shí)增加了趣味性和探索性;實(shí)驗(yàn)過(guò)程則從最初的一次性理論講解后完成全部實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)變?yōu)榉猪?xiàng)目進(jìn)行并逐項(xiàng)講解實(shí)驗(yàn)步驟、方法和討論相關(guān)問(wèn)題，使得整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程張弛有度，節(jié)奏有序，學(xué)生的每項(xiàng)實(shí)驗(yàn)操作更加精準(zhǔn);討論內(nèi)容也從具體操作方法等最直接和現(xiàn)實(shí)的表象問(wèn)題延伸到石膏的低能耗原料生產(chǎn)與制備、水化硬化及多孔結(jié)構(gòu)的形成機(jī)理、石膏制品的調(diào)濕“呼吸”功能、保溫吸聲功能、可再循環(huán)利用的全壽命周期軌跡等許多深層次的材料學(xué)基本原理，顯著提升了該實(shí)驗(yàn)課程的科學(xué)性和知識(shí)傳播范圍?？己朔绞揭矎暮?jiǎn)單依據(jù)《實(shí)驗(yàn)報(bào)告》演變?yōu)榻Y(jié)合學(xué)生參與討論和實(shí)驗(yàn)關(guān)注度的綜合評(píng)價(jià)模式，并將原來(lái)的普通《實(shí)驗(yàn)報(bào)告》模板改進(jìn)為專(zhuān)門(mén)針對(duì)本實(shí)驗(yàn)的專(zhuān)業(yè)模板。總之，通過(guò)不斷改進(jìn)、完善和優(yōu)化，最終將其打造成為上海市級(jí)精品實(shí)驗(yàn)課程。

經(jīng)歷多屆研究生的實(shí)踐，普遍反映對(duì)該課程留下深刻印象。雖然只是一次實(shí)驗(yàn)課，但因其形式新穎、內(nèi)容豐富、趣味性和知識(shí)性齊備，因此，學(xué)生投入實(shí)驗(yàn)的積極性高、精力集中，收獲頗豐。所制作的石膏擺件被很多學(xué)生放在床頭、書(shū)架上直到畢業(yè)，于是經(jīng)常聯(lián)想起該課程內(nèi)容，延長(zhǎng)了實(shí)驗(yàn)對(duì)學(xué)生的影響周期。

除此之外，該課程在多次學(xué)院組織的對(duì)比聽(tīng)課（不同材料專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)課）活動(dòng)中獲得好評(píng)，其主要內(nèi)容和方法被包括其他材料專(zhuān)業(yè)在內(nèi)的多位教師引入其開(kāi)設(shè)的其他通識(shí)課程，不僅面向本科生、研究生，而且還作為中小學(xué)生普及材料科學(xué)知識(shí)的實(shí)驗(yàn)操作或演示內(nèi)容，顯示出較強(qiáng)的普適性。

三、結(jié)束語(yǔ)

1. 采用建筑石膏材料，在通識(shí)性、內(nèi)容完整豐富、時(shí)間緊湊、經(jīng)濟(jì)便利以及便于拓展知識(shí)等原則基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了適應(yīng)于不同專(zhuān)業(yè)材料研究生的通識(shí)實(shí)踐課程，可在3個(gè)課時(shí)內(nèi)完成標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時(shí)間、強(qiáng)度試樣成型及力學(xué)性能測(cè)試和制作石膏藝術(shù)品等多個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

2. 介紹了設(shè)置該實(shí)踐課程所需的原材料、實(shí)驗(yàn)儀器、裝置和器具以及各實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的內(nèi)容和實(shí)施安排，重點(diǎn)介紹了課堂分析與討論內(nèi)容，設(shè)計(jì)了課程總結(jié)與考核方法。

3. 通過(guò)多年建設(shè)，該實(shí)踐課程的內(nèi)容不斷完善，課程效果得到師生認(rèn)可，主要內(nèi)容被移植和借鑒到其他的實(shí)踐課程建設(shè)中，顯示出較強(qiáng)的普適性。

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