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

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，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？“三课堂 两保障 一课程群”科研反哺教学模式推广以上科研反哺案例仅是科研项目部分内容，已反哺到“道路建筑材料”课程多个知识点，并通过创新小组实验锻炼了理论联系实践能力。事实上，整个项目涉及路面结构设计、现场施工组织管理与检测验收等多方面内容，团队正逐步将该项目反哺于交通工程本科专业“交通基础设施检测与养护管理”课程群中“路基路面工程”“道路工程施工管理”等多个课程，从而帮助学生建立更加综合立体的专业知识体系。高校教师除课程教学外，还承担着国家自然科学基金、国家重第 卷表 科研反哺课堂教学章节及知识点反哺章节对应知识点绪论道路工程材料技术性质与技术标准第二章 无机结合料 第二节 水泥水泥的养护方式、养护温度与时间对水泥水化及强度发展的影响、水泥的性能指标与技术要求第三章 有机结合料 第二节 改性沥青沥青的三大指标、黏度指标及技术要求第七章 有机混合料 第一节 沥青混合料的分类及组成结构沥青混合料的大空隙沥青混合料及 沥青混合料组成结构及级配设计方法 第二节 沥青混合料强度及其影响因素沥青混合料的强度形成机理、界面性质对沥青混合料强度的影响 第三节 沥青混合料的路用性能沥青混合料高温稳定性及评价方法、沥青混合料水稳定性及评价方法、沥青混合料低温抗裂性及评价方法 第四节 沥青混合料技术性质及标准沥青混合料的马歇尔试验技术标准、车辙试验技术标准、水稳定性技术标准、低温抗裂性能技术标准点研发项目、省部级科技项目等课题。这些课题聚焦于解决实际工程问题，均可通过适当简化与梳理，与不同课程具体知识点对应连接，反哺于教学。本教学团队形成了较为成熟的“三课堂 两保障 一课程群”科研反哺教学模式（见图）。实施场景上，科研反哺教学分别实施于理论教学课堂、实验教学课堂及课外科创课堂。理论课堂上，教师将前沿科研成果、科研方法与科学精神融入理论知识教学中；实验课堂上，教师可增设开放性的自主设计创新实验，将科研成果与创新实验相结合；课外科创课堂上，教师可利用校内星火科创计划、大学生创新创业训练计划、挑战杯竞赛等平台带动学生参与科研项目。制度保障上，多样化的科研反哺教学活动和内容案例构成丰富的内部保障基础；在外部保障上，学校制定了鼓励教师探索科研反哺教学的政策制度和评价奖励标准。此外，本课程群教研团队结合专业特色，定期收集整理团队相关科研项目素材，以课程群课程为载体，制作成套体系课程反哺内容，建立科研反哺电子存档库，实时更新，按需调用，真正把科研成果及创新型试验融入教学中，实现教研相长，提高教学活力。图 “三课堂 二保障 一课程群”科研反哺教学模式 以沥青及混合料实验为例开展虚实结合的教学模式.虚实结合教学模式的建设意义以“道路建筑材料”中沥青及混合料实验为例，在实验教学中调研并使用了多媒体及有限元模拟等虚拟仿真技术，并结合线下科研反哺创新实验，开展虚实结合的教学研究。旨在避免机械式演示实验教学，提升学生实验兴趣，增强自主学习能力，提高实践创新能力，同时克服传统实验耗时长、费用高的弊端，给予学生自由的学习和实验操作空间。对于“道路建筑材料”等实践性与应用性较强的工科课程，建设虚实结合教学模式可保证实验教学的顺利开展。“原理讲授 虚拟仿真 实验演练”虚实结合实验教学模式 原理讲授沥青及沥青混合料是现代道路路面结构的主要建筑材料，是“道路建筑材料”课程的学习重点。在原理讲授阶段，教师通过 进行沥青及沥青混合料理论知识讲述，包括沥青的组成、结构和道路工程中应具备的技术性质和要求，以及沥青混合料的类型、结构与路用性能及组成设计。而针对沥青及沥青混合料的性能 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测试方法部分，需讲解实验原理、实验参数的确定依据等，从而为后续实验教学打下坚实基础。虚拟仿真针对沥青及沥青混合料主要技术性能，进行了系列虚拟仿真实验，以帮助学生快速直观地掌握沥青及沥青混合料的主要技术指标测试方法，包括：沥青的针入度试验、软化点试验、延度试验；沥青混合料的拌合成型、马歇尔稳定度试验、车辙试验。整个虚拟仿真系统基于 软件及 进行实验室建模，较高程度模拟了真实实验室环境，并按真实实验设备与仪器的表观性状与功能进行还原。结合团队大量实验数据库，最终实现在计算机上搭建代替线下实验流程的虚拟仿真实验系统（见图）。通过虚拟仿真实验，使学生对真实实验室环境有初步认知，帮助学生学习实验过程中涉及的实验器材、操作步骤、结果处理等。系统由教师下发给学生，并介绍不同应用工程背景（如炎热区高速公路上面层等场景），由学生分组自主选择相应沥青及沥青混合料进行实验模拟，实验结束后，结果以物料图像、实验数据表格及数据曲线等形式呈现。此外，虚拟仿真实验系统还具开源性，可实时更新新型路面材料与工程应用场景的数据库。图 沥青及沥青混合料虚拟仿真实验系统流程图 实验演练实验教学目的是培养学生的操作能力、分析并解决问题能力及创新能力。虚拟实验做得再逼真，也不能完全替代真实操作，如浇模时沥青无法填充边角、沥青混合料试件高度难以调整等。按实验教学“能实不虚、虚实结合”的原则，学生利用虚拟仿真系统对沥青及沥青混合料技术实验进行模拟后，由教师带队进入实验室，按照小组进行线下演练，按照选择的工程应用场景开展相应材料实验。同时，开展科研反哺教学设置开发的开放性创新实验项目，如不同改性沥青性能试验、半柔性路面材料性能试验等，供学生选择。此外，在新冠疫情需开展线上教学情况下，则需将实操过程转为全程实验直播进行，并基于视频回放、微信群答疑等巩固复习。学生完成实验演练后，以小组为单位上交不同的研究性实验报告，报告内容需包含描述常规实验及所选创新实验过程、详细分析实验结果、系统总结实验经验及对虚实结合模式的建议等，教师将重点关注报告的创新性与科学性，最终予以考核。.虚实结合教学模式特点 模式特点搭建虚拟仿真实验系统，与创新实验演练结合，创建了“原理讲授 虚拟仿真 实验演练”虚实结合实验教学模式，其特点及优势如下。（）克服了传统机械式实验教学不足。虚拟仿真实验与创新实验演练结合，学生依据工程现状来进行选择实验材料，扩充了实验教学内容。内容多元化的实验报告也丰富了学生学习成果的考核维度。此外，如遇新冠疫情需开展线上教学，本模式可灵活转换为“原理讲授 虚拟仿真 实验直播”形式以保证实验教学正常开展。（）提高教学效率。虚拟仿真实验系统以其高度仿真的实验室环境，保证学生对于道路建筑材料实验相关器材与流程有准确认知，提高了学习体验感，为线下实验演练节省了原理讲述与器材介绍的时间。而且，对于耗时长、程序复杂的实验，如沥青混合料拌合成型试验等，通过虚拟仿真可大大节省实验时间。（）培养学生创新能力。虚实结合的教学模式重点采取启发式的教学，提高了学生在实验教学中的自主创新性。虚拟仿真实验系统可依据工程背景自主选择相应材料进行实验模块，实验演练阶段可结合科研反哺教学开展创新实验项目，实现了对实验教学的“开放内禀性”的建设。开源性的选择可激发学生兴趣，提高学生在实验中的探索欲。“原理讲授 虚拟仿真 实验演练”虚实结合实验教学模式的应用高校实验教学团队可充分发挥专业实验室优势，利用大量实验数据，搭建虚拟仿真实验系统，丰富实验教学内容。同时可将科研项目实验简化，形成线下科研反哺创新实验项目，与虚拟仿真实验融合，构建虚实结合的实验培养体系，提高学生科研能力。本教学团队形成了“原理讲授 虚拟仿真 实验演练”虚实结合实验教学模式，见图。原理讲授上，任课教师利用 等进行讲解，教学团队则针对 进行动态更新优化。虚拟仿真上，结合信息技术与实验技术共同搭建。信息支持由学校的计算机相关专业技术团队提供帮助，利用编程语言、软件、多媒体技术等技术搭建虚拟仿真实验系统；实验教学团队则对实验室中大量设备信息、实验数据与结果进行汇总，作为虚拟仿真实验系统中的数据来源。而线下实验演练与第 卷实时直播演练共同构成了实验演练环节。在新冠疫情时期无法开展线下实验演练时，可开启实操实时直播，后续将录制视频上传至线上教学平台供学生复习，并建立微信群进行答疑；在学生可进入实验室的情况下，按计划进行虚拟仿真阶段对应的常规实验。此外，本团队在实验演练阶段还创新性加入了基于科研反哺模式下的开放性创新实验项目，并布置研究性实验学习报告，全面培养学生的创新思维与科研能力。图 “原理讲授 虚拟仿真 实验演练”虚实结合实验教学模式 结 论提出的科研反哺与虚实结合两种教学型模式分别在道路建筑材料课程的理论教学与实验教学实践中得到了应用。（）以面向快速公交车道的半柔性路面材料性能创新试验为例，建立了科研成果反哺道路建筑材料课程理论教学对应章节知识点体系，并将部分内容简化设为创新实验教学内容，促进了科研和教学的深度融合，提高了学生科研创新能力与解决实际工程问题的能力，实现了教研相长，使科研价值和教学效果达到最优。（）提出了“三课堂 两保障 一课程群”科研反哺教学模式并进行了应用实践。通过科研反哺教学，把科研成果及创新型试验分别融入理论教学课堂、实验教学课堂与课外科创课堂中，并从内部环境与外部制度进行保障，以课程群课程为载体，制作成套科研反哺课程内容，建立科研反哺电子存档库，实时更新，按需调用。（）以沥青及混合料实验为例，探索了道路建筑材料课程虚实结合实验教学模式。基于多媒体技术与实验数据库搭建了沥青与沥青混合料虚拟仿真系统，突破了传统实验教学模式弊端，扩充了实验教学内容，提高了实验教学效率。此外，该模式在实验演练阶段结合科研反哺教学开展创新实验项目，培养了学生动手操作能力与科研创新能力。（）提出了“原理讲授 虚拟仿真 实验演练”虚实结合实验教学模式并进行了应用实践。教学团队利用 进行实验原理讲授。依托计算机技术和实验专业数据支持，搭建开放性虚拟仿真实验系统供学生模拟。引导学生进行实验演练，完成研究性实验学习报告，并在新冠疫情时期，通过线上直播等保证实验教学顺利开展。参考文献（）：林 健 新工科建设：强势打造“卓越计划”升级版 高等工程教育研究，（）：孙艳娜，洪 玲，孙大权，等 新冠肺炎疫情下高校线上实验教学模式探讨 以“道路工程材料”课程沥清虚拟仿真实验为例 实验技术与管理，（）：韩丽平，姚瑞琪，王渊博，等 科研反哺教学在开放性创新实验中的实践 中国现代教育装备，（）：崔圣爱，符 飞，陈 振，等 土木工程材料课程科研反哺教学研究 以川藏铁路高地温喷射混凝土创新性实验研究为例 实验室研究与探索，（）：孙艳娜，孙大权 实验教学中开展虚实结合的教学模式探讨与实践 以道路工程材料实验为例 教育教学论坛，（）：李 兵，秦丽玮，胡 原，等 虚实结合实验教学驱动生物学卓越教师培养 实验室研究与探索，（）：张 妍，王锡琴 虚拟仿真技术在实验教学中的应用思考 以建筑材料课程为例 教育信息化论坛，（）：范 慧 乌鲁木齐市 专用道路面结构分析及设计 城市道桥与防洪，（）：中国工程建设标准化协会 道路灌注半柔性路面技术规程：北京：人民交通出版社，：张勤芳，王凯英，诸华军，等 生态建材虚拟仿真金课建设 以盐城工学院材料类专业为例 中国教育技术装备，（）：易 红 高校实验教学与创新人才培养 实验室研究与探索，（）：