融合科研前沿的《工程材料》创新实验教学模式研究

1 引言

传统土木工程材料课程的实验教学普遍存在内容陈旧、模式单一的问题，主要聚焦于水泥、钢材、沥青等传统材料，难以反映新型材料的最新进展[1]。同时，实验项目多为基础性验证实验，教师预先给出结论，学生按部就班验证已知结果，缺乏探索过程，导致学生被动应付，创新能力难以培养。这种“重理论、轻实践”的教学模式使课程内容更新滞后于学科前沿，无法紧跟“新工科”背景下工程材料领域的新动态，难以满足时代发展对创新型人才的要求[2]。为破解上述困境，高校教学改革亟须将最新科研成果转化为教学资源，将学科前沿知识融入本科实验教学。智能混凝土和透光混凝土是近年材料领域的前沿热点：智能混凝土通过掺入导电纤维或传感元件，使混凝土具有自感知、自调节乃至自我修复等智能特性，与传统混凝土相比在耐久性、自感知等方面表现出独特优势 [3]；透光混凝土则在混凝土中加入大量光学纤维或透明树脂等材料，使之具有高透光率，可在光照下呈现出不同透明度渐变和视觉效果。这些科研前沿成果蕴含着跨学科的新原理和新技术，对于本科生具有极大吸引力。因此，将“智能混凝土”“透光混凝土”等前沿研究成果有机融入《工程材料》课程实验教学，有望激发学生的科研兴趣，培养其科研素养和跨学科思维能力。本文围绕这一思路，从零构建相关实验教学资源，探讨融合科研前沿的工程材料创新实验教学模式及其实施效果。

2 教学设计理念与思路

在教学设计上，本改革以学生为中心，旨在打造基于科研前沿的项目化实验教学。首先，选取“智能混凝土”“透光混凝土”等前沿材料作为实验载体，设计综合性、探索性的实验项目，替代以往单纯验证理论的简单实验。通过引入这些特殊材料的实验，让学生在巩固已有材料基础知识的同时，对比传统混凝土与新型功能材料的性能差异，发现新材料的优势，拓宽知识视野，并在自主思考和探索中培养创新意识 [1]。例如，针对智能混凝土实验，可引导学生思考如何让混凝土“感知”应力或裂缝，将材料科学与传感技术相结合；针对透光混凝土实验，则鼓励学生构想如何赋予混凝土透光这一全新功能，将土木材料与光学原理融合。这种设计注重科研思维的渗透：教师在课堂引入前沿研究背景，提出开放性课题，让学生像研究者一样提出方案、设计试验。而教学思路上强调项目驱动与问题导向：每个实验项目都围绕一个真实科研问题展开，学生需要团队协作完成材料配方设计、制备工艺和性能测试，在解决问题过程中培养跨学科整合能力。教师仅提供必要的指导和安全规范，把更多决策权交给学生，以激发其主动性和创造力。通过这样的教学设计，实现前沿科研内容与本科实践教学的有机融合，构建起理论与实践并重、课堂与科研贯通的创新实验教学新模式。

3 教学实施路径

实验资源构建：本教学改革从零起步搭建实验所需的装置、材料和任务体系。教师依据科研前沿内容自行研制或购置相关实验设备与材料。例如，在智能混凝土实验中，准备碳纤维、导电填料、应变传感器、数据采集装置等资源；在透光混凝土实验中，提供光学纤维束、透明树脂、偶联剂以及光强测试仪器（如分光光度计）等。由于这些实验以往未在本科开设，教师需提前进行小规模试验以验证方案可行性，完善安全操作规程和技术参数，形成完整的实验指导书和评价标准。与此同时，实验场地和仪器需作相应调整，例如购置紫外分光光度计用于透光率定量测试，或在万能试验机上加装电阻测量模块用于检测智能混凝土受力时的电阻变化。通过上述准备，搭建起可供学生动手探究的新实验平台。

实验组织形式：实验教学采用小组项目制，每 5\~6 名学生组成一组，各组承担一个创新实验项目。课程总体安排上，先由教师用 2\~4 学时介绍前沿背景知识与实验原理，再留出约 6 学时供学生开展自主实验，包括方案讨论、材料制备和性能测试，最后用2\~4 学时组织各组结果讨论与成果展示。在实验实施过程中，各小组依据教师提供的基本任务书，自主制定详细的实验方案。例如，透光混凝土组需要决定采用何种透光介质（光纤或树脂）、选择预埋或后穿插光纤的工艺，以及设计试件尺寸形状；智能混凝土组则需规划传感元件的埋设方式（如嵌入压电传感器或掺入导电纤维）、确定混凝土配比及养护方案等。教师指导策略上，教师在各组方案讨论时进行巡回指导，对于学生设计的实验步骤仅做安全性和可行性审核，适当提出建议，尽量不给出标准答案。实验过程中，教师注重过程指导与监管：实时核查学生测得的数据是否合理，对出现明显异常的情况，引导学生分析原因并给予再次试验的机会。如某组透光混凝土试件透光率远低于预期，教师会启发其思考是否光纤分布不合理或气泡缺陷影响，并允许其改进工艺后重做试验。整个实验周期内，教师扮演促进者角色，提供必要技术支持（例如仪器调试指导）和安全监督，同时鼓励各组之间共享经验教训。实验结束后，要求学生独立完成数据处理与分析，并撰写完整的实验报告或项目总结。此外，课程还设置成果展示环节：各小组通过口头汇报或作品展示交流实验成果，包括透光混凝土试件的透光效果演示、智能混凝土试件的自感知响应曲线等，以及设计方案、技术路线、性能数据分析和成本评估等内容。这种组织形式注重培养学生的团队协作和表达汇报能力，并营造良性竞争氛围激励深度投入。必要时，教师还可将自己的科研课题融入实验项目，按照研究思路将不同小组的任务设计成有对比联系的系列实验，让学生在完成课程任务的同时参与简单的科研探究，实现教学与科研的互动融合。

4 改革效果评估与讨论

学生科研兴趣激发：改革后的实验教学显著提升了学生的学习积极性和科研兴趣。以往对实验课缺乏兴趣的学生，在面对智能混凝土、透光混凝土这样新奇材料时，表现出浓厚的动手欲望。课堂反馈显示，大多数学生对于能亲手制作“会感知的混凝土”或“会发光的混凝土”感到兴奋，新颖的实验内容带来了强烈的新奇感。调查问卷结果也表明，超过半数的学生更加认可这种融入前沿技术的教学模式，相比传统实验更愿意投入时间和精力。这与文献报道的类似改革结果一致——通过采用新型材料为主体的实验教学能够大大激发学生的课程兴趣。更有一些富有探索精神的学生在实验过程中提出了深入的问题，例如询问智能混凝土中碳纤维掺量与电阻变化的定量关系，或讨论透光混凝土在建筑采光节能中的应用前景。教师对这类学生给予了积极引导，并将其中表现突出的同学吸纳进课题组参与更深入的科研训练。由此可见，本实验教学改革成功营造了浓厚的科研探究氛围，不仅激发了学生的兴趣，更将部分学生的兴趣转化为真实的科研动力。

跨学科理解与综合素养提升：在创新实验项目的驱动下，学生需要综合运用多学科知识解决问题，跨学科理解能力得到锻炼和提升。智能混凝土实验涉及土木材料与传感器技术、电子测量的交叉；透光混凝土实验融合了材料科学与光学原理。学生在实践中逐步掌握了相关领域的基础知识，例如了解了光纤传光机理、电阻应变效应等，这为其建立跨学科思维提供了契机。更重要的是，由于新型材料实验的研发过程更为复杂、涉及因素更多，实验现象往往需要从多个角度加以分析，这使学生的辩证思考和系统分析能力得到加强。例如，在透光混凝土实验中，学生既要考虑力学性能又要考虑光学性能，在智能混凝土实验中既要保证混凝土强度又要确保传感网络的有效性。这种多维度的思考过程开阔了学生的视野，促使其跳出单一学科框架去审视工程材料问题。这一点在学生报告和课堂讨论中有所体现——很多小组在总结中能够从材料性能、测试方法、工程应用等不同层面展开讨论，显示出更广阔的知识视角和更强的综合素养。可以说，融合前沿科研的实验教学为学生提供了一个小型的“跨学科科研”平台，在完成具体实验任务的过程中，潜移默化地培养了其跨领域的学习能力和解决复杂问题的思维方式。

实践能力与创新思维培养：改革实验强调“从设计到结论”的完整实践经历，全面提升了学生的实践动手能力和科研创新素养。首先，在实验技能方面，学生亲身参与了试件制备、仪器组装调试、数据采集分析等全过程训练。例如，他们学会了按设计配比搅拌浇筑新材料、掌握了光强或电信号的测试方法，并能处理试验中遇到的各类问题（如试件成型缺陷、传感器安装故障等）。这一系列实践操作的训练远超传统验证性实验所涵盖的范围，使学生获得了更丰富细致的实验经验。文献指出，引入类似纤维混凝土这类创新实验后，学生需要经历配合比设计、养护方案选择、仪器搭配与调校、问题诊断解决、数据整理分析乃至学术论文式的结果总结等环节，独立动手要求更高、锻炼价值更大，为实验教学改革提供了高价值的实践平台。本课程的实践也证实了这一点：学生普遍反映通过这些实验“学会了如何发现问题并反复试验改进”，动手能力和实验技巧有了显著提高。此外，在创新思维方面，由于实验问题本身没有标准答案，学生被鼓励提出假设、大胆尝试。例如，有小组在智能混凝土中创新性地加入了导电纤维网作为多点传感网络，取得了比单一纤维掺杂更灵敏的应变感知效果；也有小组在透光混凝土试件中尝试不同直径的光纤组合，以探索透光与力学性能的平衡。尽管有些尝试未必取得预期成效，但学生在自主探索中激发了创造力，体会到科研的尝试 - 失败- 改进过程。这种宝贵的创新实践经历为培养学生的科研素养奠定了基础。综合来看，融合科研前沿成果的实验教学在实践能力和创新思维培养方面效果显著，为学生后续从事科研创新或复杂工程问题解决打下了扎实基础。

5 结语

“智能混凝土”“透光混凝土”等科研前沿成果融入《工程材料》课程实验教学的改革实践表明：将最新研究进展转化为本科教学资源，不仅有效弥补了传统教学内容滞后的不足，激发了学生浓厚的学习和科研兴趣，还在提升学生跨学科理解力、实践动手能力和创新思维方面取得了显著成效。该创新实验教学模式以科研促教学，为土木类专业课程改革提供了一条切实可行的新思路。在实施过程中，我们积累了宝贵经验，例如完善了从项目选题、资源准备到组织指导的全过程方案，验证了前沿技术进课堂的可操作性。当然，本研究仍有改进空间：未来可在更多新型材料（如自修复混凝土、3D打印材料等）上展开类似教学探索，丰富实验项目类型；建立长效机制鼓励教师持续更新教学内容，及时将自身科研成果反哺教学；完善多元化的评价体系，从学生兴趣变化、技能提升、创新成果产出等方面对改革效果进行量化评估，以不断优化教学方案。此外，学院和实验中心应在政策和资源上给予支持，如设立专项经费用于采购新材料和开发配套装置，开设创新实验开放周或竞赛活动激励学生深入探究。总之，将科研前沿融入本科实验教学是一项具有长远意义的改革举措，它为工程材料课程注入了鲜活生命力，顺应了新工科背景下人才培养的需求，值得在更大范围内推广应用。在实践推广过程中，我们也将继续跟踪研究，不断完善改进这一教学模式，努力为培养具有科研素养和创新能力的新时代工程人才做出积极贡献。

参考文献

[1] 李福海 , 靳贺松 , 王江山 . 土木工程材料课程实验创新探讨——以纤维水泥基材料抗拉综合性试验为例 [J]. 实验室研究与探索 ,2020, 39(01): 185-190.

[2] 易超凡 , 李静 . 新工科教育和双碳背景下土木工程材料课程的教学思考 [J]. 教育学刊 , 2024.

[3] Osama Nasir. 智能混凝土：革命性的建筑材料，助力可持续发展 [EB]//sohu.com. 2024.

作者简介： 廖高宇（1991-），男（汉族），人，博士，任职于讲师，研究方向：土木工程材料

南湖学院2025年度院级教学改革研究项目，项目名称：《工程材料》课程中创新实验设计与学生科研能力培养研究。