材料研究生通识实践课程实验教学设计

朱洪波

摘  要：采用石膏材料，在通识、完整、紧凑、经济、便利、趣味以及便于拓展知识等原则基础上，设计了适应于不同专业材料研究生的通识实验课程，在3个课时内完成标准稠度用水量、凝结时间、强度试样成型及力学性能测试和制作石膏艺术品等多个实验项目，介绍了设置该实践课程所需的原材料、实验仪器、装置和器具以及各实验项目的内容和实施安排，并重点介绍了课堂分析与讨论内容。该实践课程经过多年建设，内容不断得到完善，教学效果获得师生认可，主要内容被借鉴到其他的实践课程建设中，显示出较强的普适性。

关键词：材料;研究生;实践课程;实验教学

中图分类号：G642       文献标志码：A         文章编号：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

材料科學与工程专业分类较细，而不同专业方向的研究方法和技术思路可以相互借鉴和启发，在当前重视学科交叉的背景下，很多高校为材料研究生开设了通识课程。其中，实践课程是近年来教改讨论中最热烈的部分，除了对专业课程的各种改革建议[1-6]外，还包括开设“英语写作”和“实验测试技术与安全”课程[7]，建立高校+企业的“双导师制”、建立公共实验室和校企联合实践基地[8-10]、重视兼具有教师和职业资格的“双师型”师资队伍建设[11]或完善“双导师”制[12]、项目式实践课程[13]和校外实践课程[14]设计，等等。同济大学材料科学与工程学院从2010年起对所有专业研究生开设《材料制备与实践》必修通识课程，主要通过多种专业的材料实验及其共性实践知识学习，显著拓展了学生的视野。本文总结了采用石膏材料进行建材方向实践教学的方法和心得体会。

一、实践课程设计

（一）设计原则

研究生通识实践课程应在有限的课时内涵盖尽可能多的知识点，并兼顾其系统性、完整性和趣味性，以便其内容能够让不同专业方向的研究生留下深刻印象。之所以选择石膏材料，是考虑了以下几方面因素：

1. 材料本身具有“通识性”。不同方向的学生对石膏材料都不会陌生，但对其具体技术指标和细节又不甚了解，即便对建材专业的研究生，其在本科阶段一般只做与水泥相关的实验，多数并未涉及石膏材料的实验操作，所以也不会因“做过”而对其失去兴趣。

2. 实践周期适当且内容丰富。全部实验内容刚好可以在连续3个课时内完成，具体内容包括了石膏的标准稠度用水量、凝结时间、力学试样成型及测试等基本性能试验，同时还包括采用石膏制作装饰材料的内容，实验工作量饱满。

3. 实验设置便利、经济。首先，其原材料易得，方便在建材市场采购，一般为便于储运的10-15kg小包装，并且价廉;其次，所需实验装备简单，操作安全，除了力学测试需要压力机外不用其他带电仪器，只需相应的小型工具和器具;同时，实验对其他硬件的要求不高，即便在非建材专业实验室（如普通教室）中也能进行，只要有自来水即可，甚至在没有专门的水泥抗压-抗折试验机情况下，还可以利用压力传感器或拉力计来制作力学测试装置。

4. 扩展空间大，便于授课教师传递不同的科学或技术理念。

（二）课程内容

1. 实验材料

建筑石膏，市售，并不要求其为满足标准的等级品，可以通过实验判断其产品等级，在稍大型的建材市场上通常还能另外购置到高强石膏（石膏装饰线条用其粘缝），前者用于基本性能测试实验，后者用于制作石膏摆件。如无高强石膏，也可用建筑石膏做摆件。

按照一般材料专业实验课程的规律，教师在购得原材料后应预先通过实验了解其与课程项目相关的基本性能，如标准稠度用水量、凝结时间、强度等，每次购置的石膏性能差异可能较大。

2. 仪器、器具

实验仪器包括：凝结时间测试仪和抗压、抗折试验机。实验器具包括：电子秤，40×40×160mm三联成型模具，搅拌器（即打蛋器），称量容器，搅拌容器，400×400mm的方形玻璃板，内径50mm×高度100mm的圆柱筒（可用Φ50mm的PVC管截取得到，其内径略小于50mm，可略增加高度以达到与标准圆柱筒相同的体积，不影响测试结果），300mm长直尺，水杯（一次性塑料杯），滴管，料勺，刮刀等。其中，三联成型与摆件成型模具以及各种器具如图1。浇注石膏摆件的橡胶模具，可从网上购得，其形态丰富。

以上均为建材实验室的常规装备，即便原来没有而重新采购其成本也不高，其中最大型的抗压、抗折试验机也可用其他压力机、万能试验机等来代替，只需配备相应的抗压、抗折夹具（网络有售）即可。

3. 实验项目与方法

（1）标准稠度用水量及凝结时间，参照《GBT17669.4

-1999建筑石膏净浆物理性能的测定》进行。其中的流动度测试器具及操作过程如图2。

（2）力学性能，参照《GBT17669.3-1999建筑石膏力学性能的测定》进行。

（3）制作石膏摆件，根据前述试验对石膏材料的认识，采用橡胶模具成型。

（4）理论知识，利用各试验项目之间的间隙，介绍石膏的相关知识。

（5）课时安排，按照连续3课时3×45min+课间休息20min计，总时长155min，按照时间顺序分为8段，具体安排如表1。

课前在黑板上画出实验数据表格以便各小组当场展示结果和开展相应的讨论。

4. 课堂分析与讨论内容

一般地，讨论分析内容可首先围绕实验条件（温湿度）、操作过程、原材料品质以及仪器测量误差等对结果的影响程度和规律来展开，实验结果的波动可从各组展示出来的测试数据直观地看出。更深入的讨论内容还可以包括以下几个方面：

（1）石膏材料的可再循环利用原理。建筑石膏均为β型半水石膏，其硬化的原理是与水反应并水化生成二水石膏，而建筑石膏的生产原料也是二水石膏，从其生命周期看是一种循环过程，并且由于石膏产品中除了纸面石膏板、加筋石膏板外一般不掺加其他材料，即石膏制品的组成比较单纯，便于回收利用（纸、筋板中的纸或筋会在回收加工的煅烧、炒制过程中挥发掉）。所以，石膏是典型的可再生资源。除了天然原料外，目前大量采用脱硫石膏、磷石膏、氟石膏等化学石膏（工业废石膏）作为建筑石膏的生产原料，最能体现“循环经济、可持续发展”的材料特征。同时，其生产、煅烧温度只有120℃左右（其生产工艺称为“炒制”），相对于另外两种常用胶凝材料水泥（1450℃）和石灰（1000℃）来说，其生产能耗大幅度降低，相应地对生产设备的耐火、耐热等要求降低，进而使生产设备的投入也大幅度降低。

（2）石膏的水化、硬化原理。半水石膏与水反应生成二水石膏，结果形成网络晶体结构并产生强度。

（3）测试标准稠度用水量的意义及多孔结构的形成原理。根据石膏的水化原理，让学生利用基础化学知识，通过化学反应式（4CaSO4·1/2H2O+6H2O→4CaSO4·2H2O）计算石膏完全水化所需的理论用水量（约18.62%），再结合前述成型时所用的较大用水量（50%），说明石膏材料必须使用超量的水才能满足拌合与浇筑密实要求，即满足工作性，而多余的水分到后期蒸发，在硬化体内部形成致密的微孔，即多孔结构。

（4）石膏制品的调湿“呼吸”原理。石膏制品的多孔结构及其孔特征赋予其“轻质、保温和可呼吸”等优良特性，以其生产的板材装饰室内，可调节室内湿度，是“智能型+环境友好型”建材产品。

（5）强度影响因素。材料强度满足“质量定律”，即同类材料的密实度越高，则强度越高。如果石膏的需水量（标准稠度用水量）较高，则其孔隙率就大，强度相应较低。当然，原料质量也是关键因素，杂质较多、或在生产中存在“欠烧（温度低或煅烧时间太短）”、“过烧（温度过高或煅烧时间太长）”等都会降低石膏强度。特别地，作为高强石膏的α型半水石膏，其强度之所以较高的主要原因就是其需水量较低，并由此使得水化产物二水石膏颗粒的微观空间距离更近，所形成的晶体结构更加坚固。

这些讨论话题的相关知识与技术对各种材料专业研究生来说都能够理解，教师可根据学生的学识水平、兴趣等从中挑选出若干基本知识点，通过提问来与学生互动，活跃讨论气氛并引导学生集中注意力。

5. 课程总结与考核

一般对实验课程的总结与考核会通过《实验报告》来完成，也有研究者创立出新型方法，例如让学生通过PPT汇报实验过程、数据处理和收获，并由学生相互打分[15]，其优点显而易见，不过只适应于实验课时较充裕的情况，多数学校还是主要采用《实验报告》并将其作为留档和考核的凭据。

二、课程建设体会

经过多年摸索、不断完善和调整，该实践课程的实验内容从早期的单纯成型和力学测试逐渐增加了標准稠度用水量、凝结时间以及艺术摆件制备等测试项目，在实验工作量不断充实的同时增加了趣味性和探索性;实验过程则从最初的一次性理论讲解后完成全部实验转变为分项目进行并逐项讲解实验步骤、方法和讨论相关问题，使得整个实验过程张弛有度，节奏有序，学生的每项实验操作更加精准;讨论内容也从具体操作方法等最直接和现实的表象问题延伸到石膏的低能耗原料生产与制备、水化硬化及多孔结构的形成机理、石膏制品的调湿“呼吸”功能、保温吸声功能、可再循环利用的全寿命周期轨迹等许多深层次的材料学基本原理，显著提升了该实验课程的科学性和知识传播范围。考核方式也从简单依据《实验报告》演变为结合学生参与讨论和实验关注度的综合评价模式，并将原来的普通《实验报告》模板改进为专门针对本实验的专业模板。总之，通过不断改进、完善和优化，最终将其打造成为上海市级精品实验课程。

经历多届研究生的实践，普遍反映对该课程留下深刻印象。虽然只是一次实验课，但因其形式新颖、内容丰富、趣味性和知识性齐备，因此，学生投入实验的积极性高、精力集中，收获颇丰。所制作的石膏摆件被很多学生放在床头、书架上直到毕业，于是经常联想起该课程内容，延长了实验对学生的影响周期。

除此之外，该课程在多次学院组织的对比听课（不同材料专业实验课）活动中获得好评，其主要内容和方法被包括其他材料专业在内的多位教师引入其开设的其他通识课程，不仅面向本科生、研究生，而且还作为中小学生普及材料科学知识的实验操作或演示内容，显示出较强的普适性。

三、结束语

1. 采用建筑石膏材料，在通识性、内容完整丰富、时间紧凑、经济便利以及便于拓展知识等原则基础上，设计了适应于不同专业材料研究生的通识实践课程，可在3个课时内完成标准稠度用水量、凝结时间、强度试样成型及力学性能测试和制作石膏艺术品等多个实验项目。

2. 介绍了设置该实践课程所需的原材料、实验仪器、装置和器具以及各实验项目的内容和实施安排，重点介绍了课堂分析与讨论内容，设计了课程总结与考核方法。

3. 通过多年建设，该实践课程的内容不断完善，课程效果得到师生认可，主要内容被移植和借鉴到其他的实践课程建设中，显示出较强的普适性。

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