实验是科学研究的重要手段，实验教学就是教育学生利用实验手段观察现象、发现问题、探索规律、还问题以本质的方法^[1]，是培养学生理论联系实际及创新能力、增强动手能力、提高分析问题、解决问题能力的重要途径。因此，实验教学在本科教学中的重要性不言而喻。传统实验教学以演示性和验证性实验为主，主要是验证理论的正确性或达到理论再现性的目的^[2]。学生完全处于被动局面，缺乏应用的积极性与主动性，不利于学生思维的扩展，很难激发学生的学习兴趣和创新欲望^[3]。

国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010-2020年)中指出，“高等教育要坚持能力为重，优化知识结构，丰富社会实践，强化能力培养，着力提高学生的学习能力，实践能力、创新能力、教育学生学会知识技能，学会动手动脑”。因此，为配合国家教育的改革和发展，创新教育教学观念，深化人才培养模式改革，加快教育创新，加速构建高水平研究型大学的本科教学体系，华南理工大学设立了实验教学改革项目，资助在实验教学中开展设计性实验和综合性实验建设。

土木工程材料作为土木工程等相关专业的重要基础课程，其实验教学质量的高低对学生相关知识的掌握和综合能力的培养有着重要影响。按照学校教学大纲规定，土木工程材料共48个学时，其中课堂教学38个学时，实验教学10个学时。

土木工程材料实验开设水泥、砂、石、混凝土、砂浆、沥青、沥青混合料、钢筋等实验内容。从内容上看，混凝土、砂浆、沥青混合料均适合开设设计性实验，但是混凝土和沥青混合料实验需要使用的原材料多，且学时要求较多，难以在课内安排实验；而砂浆实验所用材料种类和数量相对较少。当数据不理想时，砂浆实验影响因素便于分析，重新调整所用时间短，学时要求较少。

综合上述考虑，在现有教学大纲学时不变的前提下，将砂浆实验改为设计性实验获得了学校的资助。混凝土和沥青混合料也开设了设计性实验，但是以土木工程材料设计性实验选修课的形式进行，供学有余力或者对土木工程材料实验有兴趣的学生选修。笔者以砂浆设计性实验教学改革的方法和效果为例进行详细介绍。

传统砂浆实验教学中，实验设置为2个学时。在教学形式上，教师按实验指导书进行讲解，并提供砂浆配合比及实验操作方法及步骤，学生按照教师的讲解机械地模仿实验过程。在实验设置上，所有的实验都是验证性实验。学生的动手能力及分析问题、解决问题的能力得不到体现。这种教学的结果造成了学生实验目的不够明确，准备不充分，单纯为做实验而实验。也很难将课堂上所学到的理论知识与实验结合起来。缺乏对学生创新能力的培养，使学生技术化，而不是科研型、创新型^[4]。因此，必须改变传统的“实验员准备实验，教师讲解，学生照做”的灌输式实验课教学模式，建立以学生为主体的教学模式，充分调动学生的主动性与积极性。

传统砂浆成分相对单一，但随着科技的发展及环保节能的要求，越来越多的矿物掺合料、外加剂和保水增稠材料将作为功能性组分掺入到砂浆中^[7]，赋予砂浆新的性能，新的砂浆品种也应运而生。砂浆性能朝高性能方向发展，传统的测试方法已经不能满足如今砂浆发展的要求，相关标准在近几年均进行了修订。如《砌筑砂浆配合比设计规程》(JGJ/T 98—2010)中取消了分层度指标，增加了砂浆保水率的要求^[5]；《建筑砂浆基本性能实验方法》(JGJ 70—2009)中增加了砂浆保水性实验、拉伸粘结强度实验，立方体抗压强度实验中每组试块数量由6块变成3块，实验用底模材质也由砖底模变为钢底模或塑料底模等^[6]；《抹灰砂浆技术规程》(JGJ/T 220—2010)中也对各种抹灰砂浆的保水性、拉伸粘结强度等作了新的规定^[7]。

因此，针对以前实验教学中存在的各种不足及砂浆品种和性能检测的发展，在综合分析的基础上，对砂浆设计性实验教学方法进行了改革。

设计性实验的定义是指实验室给定实验目的、要求和实验条件，由学生自行设计实验方案并加以实现^[8]。一个完整的实验过程，应能形成与该实验相关的知识体系，包含文献综述、熟悉和了解与实验内容相关的材料性能、整个实验设计原理和方法、实验过程的影响因素、实验可能的结果、实验过程的操作、结果计算，以及对实验过程出现的现象进行分析总结等^[9]。因此，对于砂浆设计性实验，在以下方面进行了建设。

首先，在实验学时和实验硬件方面做足功课。在总学时不变的基础上，对各部分实验的学时进行了调整，适当压缩了水泥、砂、石实验内容，将砂浆实验扩充为3个学时，保证学生有足够时间进行设计性实验。按照3~4个学生为一组，将各个班的学生分成若干小组，共同完成实验，培养学生的团队协作精神，并根据学生的分组情况补足所用的各种仪器设备，从硬件上满足设计性实验的要求。

其次，认真做好设计性实验的组织和实施。在选题上以砌筑砂浆，抹灰砂浆为主，所有参数根据各种砂浆的使用要求由学生自行设计，设计完成后要求学生在课余时间自行查阅文献和新的标准规范，结合实验室的原材料，自行设计砂浆配合比，并通过教材及教学录像，熟悉实验方法及仪器操作，最大程度地发挥学生的学习主动性。

在实验内容设置上包括了砂浆配合比设计、稠度、表观密度、保水性、抗压强度等基本性能实验，在设计性试验的基础上同时包含验证性实验，提高学生的动手能力。实验中并没有强制将旧标准中的实验进行删除，而是将其作为选做性实验。如砂浆保水性实验中，分层度实验作为选做实验，用于与保水率实验进行比较；砂浆抗压强度实验中，除了采用塑料模具以外，还可以选用红砖、加气混凝土砌块和蒸压灰砂砖等作为基底，以便学生对比研究新旧标准的异同，提高学生分析问题的能力。

最后，在数据分析及实验评价方面进行改进。实验全部做完后，除对数据进行处理外，还要求学生对实验结果进行分析，如强度性能是否达到设计要求，如果不能达到要求，还需分析原因，并写入报告。改变以实验报告册的完成情况为评分依据的模式，对学生在实验过程中的动手能力及团队合作能力及时记录，并作为一项重要组成部分，在最后实验评价中加以体现。这样更能考察学生的动手能力及分析和解决问题的能力。

砂浆设计性实验从2010年开始，在2009级土木工程和水利水电工程专业试点，并根据实际教学效果进行了改进和完善，在2011年开始正式实施。通过几年的教学改革实践发现，学生的学习积极性和实验教学效果明显提高，主要表现在以下几个方面。

(1) 教师集中讲授的内容比以前明显减少，学生实验操作步骤相对更加规范，且在实验过程中提问的次数比以往明显增多，表明学生在实验课前作了较好的准备，发现问题的能力有所提高。

(2) 以往学生做完实验就认为实验结束，基本不会对实验过程或结果进行思考。现在，每组学生都比较看重自己设计的砂浆性能，并相互之间进行比较。在实验教学中经常会碰到学生在规定课时内没有达到设计目标，而要求在课余重新完成实验的情况。

(3) 针对实验结果，学生会通过组与组之间数据进行比较，或通过组内分析的方式，找出实验中的不足，学生分析和解决问题的能力得到了锻炼和提高。

(4) 学生在实验设计方面的能力得到提升，对参加课外科研的兴趣显著提高，每年均有大量学生报名参加材料类的本科生课外科研课题，录取比例大约25%，并且在参加课外科研的学生中很多都在材料类专业的核心期刊中发表过科研论文^[10-12]，并在全国土木工程专业本科生优秀创新实践成果奖等全国性比赛中屡屡获奖。

通过几年的教学实践，表明改革是成功的，不仅仅使学生加深了对知识的掌握，而且锻炼了学生的综合素质，提高了其学习的主动性和对专业的兴趣。结合教学网站的建设，考虑将实验教学资源和实验结果上网，以方便学生学习，促使学生更认真地对待实验，从而进一步提高实验教学质量。