浅谈“建筑材料分析与测试”教学方法的改革

[摘 要] “建筑材料分析与测试”是土木工程专业理论性和实践性均很强的研究生必修课，主要适用于材料科学与工程、土木工程、土木与水利工程等专业的研究生。在分析该课程教学特点的基础上，针对课程内容庞杂、学生上课枯燥乏味且积极性不高、学生对分析测试技术的原理和理论认识不清及课时量相对较少等问题，结合实际的教学经验，针对性地提出有效措施，如优化课程的理论教学内容、紧跟材料研究方法最新进展、采用灵活多变的教学方式等，旨在培养学生的动手能力和创新能力，提高教学效果和教学质量。

[关键词] 建筑材料分析与测试;教学特点;教学方法;改革措施

[作者简介] 杨永敢（1989—），男，安徽淮北人，博士，合肥工业大学土木与水利工程学院讲师，主要从事混凝土的耐久性、混凝土无损检测研究。

[中图分类号] G642.0      [文献标识码] A    [文章编号] 1674-9324（2021）52-0068-04    [收稿日期] 2021-08-30

一、引言

基础工程是保证人类生产生活正常进行和发展的生命线工程，是国家的主要财富，而建筑材料是基础工程必需的物质基础，更是牵动国家经济增长、社会稳定、国防安全、生态和人居环境改善、扩大人类生存空间等各项建设与发展的先导性、基础性和战略性要素。在世界范围内，混凝土和砂浆等水泥基材料是应用面最广泛和使用量最大的建筑材料，这是由于水泥基材料兼具良好的力学性能和低廉的经济成本，同时原材料来源广泛，能满足大规模工业生产的必要条件。随着经济实力快速发展与国家竞争力迅速提高，我国大宗土木工程材料产量已占全球的50%以上。作为重大基础设施建设的主体材料，混凝土材料性能及其时变性直接影响重大基础工程的服役性能与服役寿命，采用现代微观测试技术能够有效分析其劣化特征，揭示其劣化机理，扩展现代混凝土科学的研究领域。

二、开设“建筑材料分析与测试”课程的目的

一方面，土木建筑物结构越来越复杂化，且服役环境多样化，这对建筑材料的性能提出了新的挑战;另一方面，随着各国基础建设的大规模推进，自然资源短缺和固体废物污染环境的双重压力，导致全球环境问题日益严峻，威胁着人类的生存和生活。因此，绿色建材技术成为研究热点，发展低碳经济、建设低碳社会已经成为我国经济和社会发展的战略目标。综上可知，高性能、功能化、低环境负荷是建筑材料的发展趋势。为适应新趋势，需要深入理解建筑材料的本质，并进一步创新发展。先进的测试技术是理解并发展建筑材料的必要手段，为推动建筑材料行业科学与技术的进步提供基础。

“建筑材料分析与测试”是材料相关学科的重要课程之一，其目标是使学生了解不同测试方法的基本原理[1，2]，熟练掌握建筑材料领域研究过程中常用的分析方法与测试技术，具备综合运用多种分析方法和测试技术进行科研探究的能力[3-5]。在学习这门课之前，要先学习“建筑材料”“水泥基材料化学与物理”“建筑材料物理化学”等课程[6，7]。

“建筑材料分析与测试”课程主要包括：（1）建筑材料的主要种类，如介绍混凝土原材料的各个组分和微观结构，以及水泥基材料的水化机理和基本性能。（2）新拌浆体流变性能测试，如水泥基材料流变学的基本参数和基本模型，流变参数的测试方法及流变仪的测试原理。（3）水化热测试技术，如两种常见量热仪器（等温量热仪和半绝热量热仪）的基本原理;测试样品的制备过程及测试过程中仪器校准和搅拌测量的注意事项;结合实际胶凝体系的水化热实验，讲解实验数据的处理方法。（4）核磁共振谱测试技术，如核磁共振的基本原理，以及弛豫现象的理论与机理;样品的制备方法和测试过程中需要注意的事项。（5）水泥基材料孔结构测试方法，如新拌水泥基材料气孔结构测试方法，硬化混凝土气孔结构分析方法等多种孔隙结构表征手段;压汞法的基本理论及目前三种常用压入体积的方法;样品制备方法、试验操作方法，以及测孔的误差分析;水泥基材料孔结构分析常用的表征参数。（6）微观形貌分析，如扫描电子显微镜二次电子成像（SE）和背散射电子成像（BSE）的原理，以及环境扫描电镜的基本原理。（7）X-CT测试技术，如X-CT系統的主要构成部分及测试原理;X-CT技术应用及注意事项。（8）X射线衍射技术，如X射线的产生、X射线粉磨衍射、物相定性分析和物相定量分析的基本原理;样品制备方法，包括颗粒尺寸要求、装载方式、终止水化方式、样品碳化等。（9）水泥基材料物相的热分析，如热重分析仪器的构成和测试原理;样品的制备方法，包括终止水化及干燥方式、避免碳化的方法、样品量、样品形态等。（10）水泥基材料红外光谱分析，如红外吸收的基本原理、技术指标、测试参数等。综上所述，本课程着重从测试原理、取样/样品制备、测试过程及注意事项、数据采集与结果处理、结果的解释与应用、不同方法对比等几个方面对测试方法进行全面阐释。本课程既阐述测试方法的基本原理，又介绍测试方法的实际操作，结合理论与实践，为研究生的科研探索提供有力支撑。

三、“建筑材料分析与测试”课程的教学特点

1.“建筑材料分析与测试”是一门理论性很强的课程。首先讲授X射线衍射仪、扫描电子显微镜、三位断层扫描仪、差热分析仪等多种测试设备的组成和工作原理，然后讲解测试过程中样品的制备和测试过程，接着详细讲解测试数据分别代表的含义，以及如何进行实验结果数据的处理与分析，让学生从本质上认识各种先进的测试技术，并能正确应用到实际科研与工作中。

2.“建筑材料分析与测试”课程采用理论+实践的模式进行讲授，因此，其也是一门实践性很强的课程。在教学过程中，每讲授一种测试技术，都会和学生一起到实验室对着仪器设备讲解设备的组成、设备的工作原理，并操作一遍测试过程，当测试结束之后，指导学生处理和分析实验数据。通过引导学生主动思考、探究、分析，全方位调动学生的主观能动性，充分锻炼学生的思考能力和分析能力。

3.“建筑材料分析与测试”课程讲授的分析测试方法种类众多，包括XRD、SEM、TG、X-CT、MIP等十多种现代分析测试技术。由于分析测试方法较多，因此，如何侧重讲解不同的分析测试方法是讲课过程中需要考虑的问题。一般而言，对于广泛应用于水泥基材料中的分析测试方法会重点讲解，并且在讲解的过程中注意方法的不重叠及相互之间的联系;此外，要考虑研究生所属的专业和研究方向，针对性地选择分析测试方法进行讲解。

4.“建筑材料分析与测试”课程讲授的分析测试方法偏向于传统，然而，随着科学技术的发展，分析测试方法更新速度加快，新材料的不断出现，新技术的不断涌现，导致新的分析测试技术手段层出叠见。因此，在授课的过程中要及时追踪国内外最新进展，这样既能让学生快速与国际接轨，及时了解传统分析测试方法的技术更新及新方法的应用，又能提高学生对这门课的兴趣。

四、“建筑材料分析与测试”课程存在的问题

笔者已经连续三年教授“建筑材料分析与测试”课程，在教学的过程中发现存在以下几个问题。

1.单纯的书本教学让学生觉得枯燥乏味，导

致上课积极性不高，因此，学生在上课期间经常会昏昏欲睡，提不起精神和兴趣。

2.学生不清楚分析测试技术的原理和理论，

导致在做实验的过程中不知道该如何正确制备测试样品。在做实验的过程中发现，有的学生看到其他学生用某一种检测技术表征某个物质，他也使用这个检测技术，但是却不知道使用这个检测技术干什么。比如，别人用榔头敲水泥基材料试件取样用于做XRD测试，他利用压汞法测试试件孔结构也这样取样。用榔头敲试件取样利用XRD表征物相没问题，因为不管怎么敲打试件都不会破坏物相组成，但是用榔头敲打试件取样做压汞实验，就会破坏试件的孔结构，导致实验结果不准确。在教学过程中发现很多这样的问题，许多学生对使用某种分析检测方法只知其然却不知其所以然。

3.课程的课时量相对较少，只有32课时，然而需要讲解的分析测试方法又比较多，每种分析测试的工作原理、操作步骤、适用范围各不相同，理论部分比较深奥，教学内容庞杂，对学生的理解和消化来说是个挑战。

4.由于教学和科研条件所限，学院不具备课程所涉及的所有分析测试仪器，无法让学生进行部分分析测试方法的实验操作。因此，在学院现有条件下无法全部安排实践教学。

五、“建筑材料分析与测试”课程改革措施

从以上问题不难看出，传统的教学方法和教学内容都受到了强有力的冲击。为培养学生的动手能力和创新能力，提高教学效果，结合我院研究生所学专业和研究方向，从教学内容、教学方法及教学模式等方面进行了教学的改革和探索，提高“建筑材料分析与测试”课程的有效性，改变课程安排不合理、缺乏创新的传统教学模式，逐渐形成以学生为主体、教师为主导，课堂气氛活跃、师生互动频繁的探索式教学模式，充分提高了学生的积极性和创新性。

1.优化课程理论教学内容。“建筑材料分析与测试”属于学科交叉类课程，由于课程的分析测试方法繁多，每种分析测试的工作原理及适用范围又各不相同，此外，分析测试方法的理论部分比较深奥，这对学生的理解和消化来说是个挑战，因此，在教学过程中并不需要将所有课程内容全部讲授给学生，而是考虑研究生所属的专业和研究方向，针对性地选择分析测试方法进行讲解。由于主修这门课的研究生均是从事水泥基材料方向的研究，因此在教学过程中，主要详细讲授广泛应用于水泥基材料中的分析测试方法。对于其他的分析测试方法，则讲授得相对较少。此外，在讲授常用的分析测试方法时，又将讲授重点放在样品的制备、实验结果的分析与处理上，这对于学生来说，将来无论是工作还是科研都非常有用。对于不常用的一些分析测试方法，主要讲解这些仪器的设备组成、工作原理等内容。

2.紧跟材料研究方法最新进展。随着科技的进步，大量先进土木工程材料应运而生，这些先进土木工程材料的出现伴随着新的分析测试技术手段的出现。详细给学生讲述这些先进土木工程材料及相应的分析测试方法，不但能让学生了解分析测试技术领域的前沿信息，而且还能培养学生的科研兴趣，开阔学生的视野。此外，在教学过程中，笔者将自己科研过程中的研究成果及采用的分析技术方法与教学紧密结合，将自己的最新成果融入教学，以科研促进教学，确保教学过程中学生能够认真仔细地听讲，并且能够快速地消化课堂上的知识。比如，在讲授压汞法测试水泥基材料的孔结构时，首先讲解压汞法的历史，然后讲解压汞法测孔的目的是量测出在一定压力下汞进某孔级的汞体积。目前有三种方法量测汞压入体积—电容法、高度法和电阻法，三种方法都使用结构相似的膨胀计。同时，讲解样品的制备，包括取样方法、样品尺寸和样品干燥方法。传统的取样方法包括切割、钻孔取芯和压碎。部分研究人员认为压碎和钻芯取样都可以研究水泥基材料孔结构，而钻芯取样更能减小测试孔结构误差。但大部研究人员认为压碎后取樣时会导致样品出现二次裂缝。在取样结束后立即用乙醇浸泡以中止水化，一般应浸泡24小时以上，取出后在空气中使乙醇充分挥发。采用真空干燥法时，试样放到60℃真空干燥箱中真空干燥48小时（在试样进行烘干时，干燥箱的温度不能高于60℃，防止部分水化产物分解），将干燥好的试样放到膨胀计玻璃测量管内，之后首先进行低压实验，在低压结束后，把充满汞的玻璃测量管置入高压测量槽内，进行高压实验。与压汞仪相连的计算机控制进汞和出汞，并自动记录孔隙率累积曲线和孔径分布微分曲线。尤其要注意的是，在开始测试样品前，必须校正膨胀计，且在进行低压和高压操作过程中，禁止向仪器中加汞及进行其他操作。通过这样的方式，培养学生对分析测试方法与技术的兴趣。

3.灵活多变的教学方式。在教学过程中采用多种教学方法，充分发挥学生的主动性和创新意识，培养学生的科研精神。在进行分析测试方法的理论教学时，采用板书、PPT讲解及动画解说相结合的模式，让学生充分了解其构件组成与工作原理，让学生知其然，更知其所以然。在进行分析测试方法的实践教学时，带学生进入实验室，面对实验仪器设备为学生讲解其组成和工作原理，然后一起制备测试的样品，等测试结束之后，和学生一起分析和处理实验结果，旨在全面锻炼学生的理论知识应用、科学思维和动手能力。针对想继续从事研究的学生，可让其制定研究方案，选择实验方法，进入实验室进行科学实验，对实验结果进行分析和总结，并形成实验报告。在讲解国外的先进分析测试方法时，采用双语教学，使学生不仅能够学到一定的专业知识，还能够锻炼交际能力。通过双语教学，能够借鉴外文教材的教学内容和教学思路，培养学生的全球化视野。在双语教学过程中，可与学生进行简短有趣的互动，增强师生感情，培养学生对这门课程的兴趣。同时，让学生针对自己的研究方向，搜集国内外的分析测试方法，采用问卷调查等方式充分了解学生的学习需求和兴趣点，针对学生提出的建议和意见进行自我调整，增加师生互动和教学效果评价，从而达到有针对性地教学和不断改进教学内容和方式的目的。

4.注重教学效果反馈。在教学过程中要时刻了解学生的学习状态和知识汲取程度。通过课堂交流、课后答疑、学生提建议、学生亲自进行实验操作等环节，了解学生的学习程度。比如，有的学生反映教学过程中缺少与分析测试方法相关的实际工程案例分析。因此，在接下来的教学过程中，笔者注重讲解与分析检测方法相关的实际工程案例，通过实际工程案例分析，让学生更加清晰地认识到分析测试方法的重要性和必要性。此外，有的学生反映在实践过程中，一般都是好几位同学一组，无法保证每个学生都能上手操作，同时，由于实验课程较为固化，学生操作只要按照操作说明进行就行，导致学生无须思考，直接按照操作书进行实验，达不到实践操作的目的和意义。因此，笔者有序地安排每个学生都操作一遍实验步骤，以加深实验印象。

六、结语

随着科技的进步和新材料的发展，在“建筑材料分析与测试”的课程教学中，教师除了讲解多种分析测试方法及手段，还应及时教授国内外最新的分析测试手段，确保学生能够快速与国际接轨。此外，作为“建筑材料分析与测试”课程的教师，应该因材施教，与时俱进，通过引入先进的教学理念和教学方法，培养学生学习的积极性和主动性，如此方能使教学质量持续提高。

参考文献

[1]李少斌，李莉，贾宏葛，等.材料分析测试方法课程教学改革探讨[J].化工时刊，2017，31（9）：51-52.

[2]刘小娟，吴锋景.应用型本科院校《材料现代分析测试方法》教学改革的探索[J].广东化工，2018，45（19）：164-165.

[3]杨新亚.“材料研究与测试方法”的教学改革实践[J].理工高教研究，2006（2）：113-114.

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[5]雷彩红.“高分子材料研究方法”课程教改初探[J].广东工业大学学报（社会科学版），2008（S1）：127-128.

[6]黃琼，朱晓勇，黄新民.《材料分析测试方法》网络多媒体课件的设计与实现[J].电脑知识与技术，2010，6（25）：7092-7093+7096.

[7]张静武，傅万堂，李慧，等.“材料近代分析测试方法”课程的教学改革与实践[J].中国大学教学，2010（4）：37-39.

Discussion on Teaching Methods of Analysis and Testing of Building Materials Course

YANG Yong-gan

（College of Civil Engineering， Hefei University of Technology， Hefei， Anhui 230009， China）

Abstract： Analysis and Testing of Building Materials is a required course for postgraduates majoring in civil engineering with strong theoretical and practical characteristics. It is mainly suitable for postgraduates in material science and engineering， civil engineering， civil engineering and water conservancy engineering and other majors. Based on the analysis of the teaching characteristics of the course， in view of the problems such as the complex content of this course， the boring teaching method， the low enthusiasm of students in class， the poor understanding of the principles and theories of analysis and testing technology， and the relatively small amount of class hours， and combined with the practical teaching experience， this paper puts forward some effective measures to cultivate students’ practical ability and innovation ability and to improve the teaching effect and teaching quality， such as optimizing the theoretical teaching content of the course， keeping up with the latest progress in material research methods， and adopting flexible teaching methods， etc.

Key words： Analysis and Testing of Building Materials; teaching characteristics; teaching methods; reform measures