材料成型工艺学：沥青混合料设计与性能调控综合实训课程教案（大学材料科学与工程专业三年级）

材料成型工艺学：沥青混合料设计与性能调控综合实训课程教案（大学材料科学与工程专业三年级）

  本教案面向大学材料科学与工程专业三年级学生，内容深度融合土木工程、化学、力学及智能监测等多学科知识，聚焦现代道路工程核心的沥青混合料成型工艺。课程设计秉持“成果导向”（OBE）与“深度学习”（DeepLearning）理念，以复杂真实工程项目为载体，引导学生从材料设计者与工艺工程师的双重身份出发，完成从原材料认知、配合比设计、成型工艺到性能评价与虚拟仿真的全流程、高阶性实践与研究性学习。本教案共计约6500字，核心在于通过精密的“教学实施过程”设计，实现知识、能力与素养的整合性构建。

  一、课程整体概述与定位

  本课程是材料科学与工程专业“材料成型工艺学”核心课程的重要专业模块，前置课程包括《材料科学基础》、《高分子材料》、《土木工程材料》、《材料力学》及《材料测试技术》。课程旨在破解传统教学中工艺理论与工程实践脱节、各学科知识孤立传授的瓶颈。通过将沥青混合料这一典型复合材料体系作为研究对象，学生将深入理解材料组成、微观结构、成型工艺参数、宏观性能与服役行为之间复杂的映射关系。课程定位为高阶性、创新性与挑战度的综合实训课程，其最终产出不是单一的知识记忆，而是形成一份具备工程可行性、数据支撑充分、体现多目标优化思想的《××公路上面层AC-13沥青混合料全周期工艺方案与性能评价报告》，并完成相应的数字化工艺仿真模型。

  二、学情分析

  本课程教学对象为材料科学与工程专业大三下学期学生。其认知与能力基础表现为：已掌握材料组成-结构-性能的基本关系原理，具备基础的力学性能与物理性能测试知识，能够操作常规的材料实验设备。然而，其短板亦十分明显：首先，缺乏将多学科知识（如流变学、界面化学、损伤力学）综合应用于解决复杂工程问题的经验；其次，对工艺参数的调控逻辑及其对材料最终性能的定量/定性影响缺乏系统性认知，知其然不知其所以然；再次，工程伦理、全生命周期成本及环境可持续性等非技术性因素考量不足；最后，利用先进数字化工具（如离散元DEM、有限元FEA）进行工艺模拟与性能预测的能力几乎空白。因此，教学设计需在巩固其知识基础的同时，重点搭建从理论到复杂实践的桥梁，并通过项目式学习（PBL）驱动其知识整合、创新思维与系统决策能力的飞跃。

  三、核心教学目标

  基于布鲁姆教育目标分类学（修订版），设定以下三维教学目标：

  1.知识与理解维度：

  （1）能系统阐述沥青混合料的组成材料（沥青、集料、矿物填料、添加剂）的关键技术性质及其对混合料性能的贡献机制。

  （2）能深入解析马歇尔击实法、旋转压实法（SGC）、振动压实法等核心成型工艺的原理、设备构成、关键参数（如击实次数、旋转角度、压实功）及其模拟现场压实的物理意义与局限性。

  （3）能建立成型工艺参数（温度、时间、压力/能量）、材料体积参数（空隙率VV、矿料间隙率VMA、沥青饱和度VFA）与路用性能（高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性、疲劳性能）之间的内在关联模型。

  （4）能描述基于性能的沥青混合料设计（Performance-BasedDesign）理念及智能压实、数字孪生等前沿技术在工艺控制中的应用前景。

  2.能力与技能维度：

  （1）工程设计与实验能力：能独立完成AC-13型沥青混合料的马歇尔配合比设计全过程（目标配合比设计、生产配合比设计、验证），并能根据虚拟或实测性能反馈进行优化调整。

  （2）精密操作与数据处理能力：能规范、安全、精准地操作沥青混合料拌和、击实成型、体积指标测定及性能试验（如车辙试验、弯曲梁流变试验BBR）等系列设备，并对海量试验数据进行科学处理、误差分析与可视化表达。

  （3）跨学科分析与应用能力：能运用流变学原理解释沥青胶浆的高温行为，运用界面化学原理解析抗剥落剂的作用机理，运用损伤力学概念分析疲劳裂纹的扩展。

  （4）数字化建模与仿真能力：能利用入门级离散元软件（如EDEM）或有限元软件，建立简化沥青混合料成型过程或力学响应模型，理解虚拟实验对物理试验的补充与指导意义。

  （5）团队协作与项目管理能力：在小组项目中，能有效分工、协作沟通，共同制定实验计划、应对技术难题、管控项目进度，并完成符合工程规范的综合性报告。

  3.素养与价值观维度：

  （1）树立严谨求实、精益求精的“工匠精神”与工程伦理意识，深刻理解“差之毫厘，谬以千里”在道路工程质量与安全中的极端重要性。

  （2）培养系统思维和全生命周期成本意识，在设计时综合考虑性能、耐久性、经济性与环境影响。

  （3）激发对材料成型工艺领域的探究热情与创新意识，敢于对传统工艺提出基于科学依据的优化设想。

  （4）强化团队责任感与学术诚信，在数据记录、报告撰写中坚持真实、客观、规范。

  四、教学重点与难点

  教学重点：

  1.工艺原理与参数关联：重点讲授不同成型方法的内在机理，以及温度、能量输入等核心参数如何通过改变材料颗粒的移动、排列与沥青膜的分布，最终决定混合料的体积结构与性能。

  2.配合比设计与性能验证的迭代过程：强调设计不是一个线性步骤，而是一个“设计-成型-测试-分析-优化”的闭环迭代系统。

  3.多性能目标的平衡与调控策略：指导学生理解高温稳定性和低温抗裂性等往往相互矛盾的性能要求，并通过调整材料组成和工艺参数寻求最优平衡点。

  教学难点：

  1.微观机理的宏观体现：将沥青的粘弹性、集料的级配与形态、界面的粘结强度等微观和介观因素，与车辙、裂缝等宏观病害直观联系起来。

  2.非线性与多变量系统的分析：成型工艺是一个受多重变量交互影响的非线性系统，学生难以直观把握各变量的敏感性和交互作用。需要通过设计对照实验和引入仿真工具来辅助理解。

  3.从实验室成型到现场施工的尺度跨越：理解实验室小型击实仪与现场大型压路机在压实机理上的相似性与差异性，建立实验室指标与实际路面长期性能的相关性认知。

  五、教学资源与环境

  1.硬件资源：沥青混合料实验室（配备电子天平、烘箱、沥青混合料拌和机、马歇尔击实仪、旋转压实仪SGC、马歇尔稳定度仪、车辙试验机、弯曲梁流变仪BBR、低温蠕变仪等）、高性能计算机机房。

  2.软件与数字化资源：

  （1）虚拟仿真软件：沥青混合料配合比设计及性能预测专业软件（如PaveMix虚拟仿真系统）、离散元EDEM软件（教学版）、有限元ABAQUS/ANSYS（基础模块）。

  （2）数据处理软件：OriginLab、MATLAB或Python（用于数据分析和建模）。

  （3）在线课程与数据库：国家精品在线开放课程《道路工程材料》相关章节、美国联邦公路局（FHWA）相关技术文献库、知网/WebofScience学术数据库访问权限。

  3.材料与案例库：不同标号的道路石油沥青、不同岩性与粒径的集料样本、矿物填料、常见添加剂（纤维、抗剥落剂、温拌剂）；典型工程案例视频（包括成功与失败案例）、标准规范（JTGE20，JTGF40）。

  4.学习平台：利用学校网络教学平台（如超星学习通、雨课堂）发布任务书、微课视频、测验、收集作业并进行在线讨论。

  六、教学实施过程（核心环节）

  本课程采用“三阶段、双主线、项目贯穿式”教学模式，共安排48学时（其中理论导引12学时，实验与仿真24学时，项目研讨与汇报12学时）。教学实施过程详细阐述如下：

  第一阶段：情境锚定与知识建构（第1-4周，共12学时）

  本阶段目标：创设真实工程情境，激发学习内驱力；系统讲授核心知识，为项目实践打下坚实的理论基础；完成项目分组与开题。

  实施流程：

  第1-2学时：项目启动与情境导入

  1.案例震撼：播放一段高速公路因车辙、水损害早期破坏而进行大修的新闻调查视频，展示其造成的巨额经济损失与社会交通影响。随后，展示另一段采用先进设计与施工技术、服役状况良好的智慧公路案例。引导学生思考：同为沥青路面，性能天壤之别的根源何在？引出“材料是基础，设计是灵魂，施工是关键”的行业共识，点明“成型工艺”正是连接设计与施工、决定材料最终结构的“关键一跃”。

  2.项目发布：正式发布本课程的核心项目任务——《为华东地区某重载交通高速公路改扩建工程上面层设计AC-13沥青混合料并制定其精细化成型工艺方案》。提供详细项目背景资料：交通量、轴载谱、气候条件（高温多雨）、原路面病害调查、业主对耐久性与降噪的额外要求等。

  3.初步探究与分组：学生自由组成4-5人项目团队，每组成员需涵盖材料、测试、仿真、报告撰写等角色意向。各小组基于已有知识，在平台讨论区提交一份“初始问题清单”和“技术路线构想”，例如：“如何优先保证高温稳定性又不牺牲低温性能？”“SGC和马歇尔方法，我们该以哪个为主？”“是否需要使用添加剂？”

  第3-10学时：核心知识模块化精讲与随堂探究

  摒弃平铺直叙的讲授，采用“问题链”驱动每个知识模块的学习。每个模块均遵循“工程问题-科学原理-技术方法-标准规范”的逻辑。

  *模块一：材料体系与界面（4学时）

  问题链：优质的沥青混合料是“炒”出来的吗？——“料”与“油”如何优选？沥青与石头的“爱情”牢固吗？

  内容：深入讲解沥青的胶体结构、流变特性（复数模量、相位角）及其与温度、荷载频率的关系；集料的级配理论（富勒曲线、贝雷法）、形态、纹理与破碎值；矿物填料的比表面积与“填料-沥青”胶浆的强化作用；界面粘结与剥落机理，抗剥落剂的作用本质。随堂探究：给定三种不同来源的沥青和集料的性能数据表，各小组讨论选择并论证其组合的合理性。

  *模块二：成型工艺原理与设备（4学时）

  问题链：实验室里“锤击”和路上“碾压”是一回事吗？为什么要有这么多压实方法？温度、时间、能量究竟谁说了算？

  内容：对比分析马歇尔击实法（冲击-搓揉）、旋转压实法SGC（剪切-揉搓）、振动压实法（振动-减小内摩擦）的力学原理、发展历程与适用性。深入剖析“压实曲线”的物理意义，讲解如何从曲线中识别混合料的工作性与压实特性。详解拌和与成型温度场的控制科学。随堂探究：观看马歇尔击实和SGC旋转压实的操作视频，分析两种方法形成的试件内部颗粒排列与力链分布的潜在差异。

  *模块三：体积指标与性能体系的桥梁（4学时）

  问题链：一组“百分比数字”（VV、VMA、VFA）如何预言一条路的命运？高温变软、低温开裂、水侵蚀、累到疲劳——我们如何“考试”？

  内容：系统阐述体积设计法（Superpave核心）的哲学，详解各体积指标的计算、意义与相互制约关系。讲授关键路用性能试验：车辙试验（高温稳定性）、弯曲梁流变试验（低温抗裂性）、浸水马歇尔与冻融劈裂试验（水稳定性）、四点弯曲疲劳试验（耐久性）。建立“工艺参数→体积指标→性能指标”的定性/半定量关系矩阵。随堂探究：给出某混合料设计不合格的体积指标数据（如VV过低，VMA不足），小组讨论可能的原因（材料？级配？工艺？）及调整方向。

  第11-12学时：项目开题与方案预审

  各小组在深入学习后，修订并正式提交《项目技术方案书（预审版）》，内容包括：详细的材料初选方案、拟采用的成型工艺方法及理由、拟进行的性能试验清单、初步的仿真分析计划、任务分工与时间节点。教师组织课堂答辩，各小组互评，教师重点点评技术路线的可行性与创新点，驳回不合理设想，引导方案优化。此环节旨在培养学生工程规划能力。

  第二阶段：深度探究、实验仿真与迭代优化（第5-10周，共24学时）

  本阶段目标：学生在“做中学”、“研中学”，通过亲手实验、虚拟仿真、数据分析，亲身经历完整的产品研发与优化流程，攻克教学重点与难点。

  实施流程：

  第5-8周：实验循环一：基准配合比设计与成型（12学时）

  1.实验准备与安全培训（2学时）：严格进行实验室安全规程、设备操作规范、应急处理培训。学生签署安全承诺书。

  2.原材料性能复测（2学时）：各小组对领用的沥青、集料、矿粉进行关键指标验证实验（如沥青三大指标、集料筛分、密度），确保与设计前提一致，培养严谨作风。

  3.目标配合比设计与拌和（4学时）：依据规范，采用图解法或试算法进行矿料级配设计。计算不同油石比（如4.0%，4.5%，5.0%，5.5%，6.0%）。在教师指导下，操作沥青混合料拌和机，严格控制拌和温度与时间，制备不同油石比的混合料。

  4.试件成型与体积指标测定（4学时）：分别使用马歇尔击实仪和旋转压实仪（SGC）成型系列试件。强调对温度、击实次数/旋转角度的精确控制。冷却后，精确测定试件的毛体积密度、理论最大密度，计算VV、VMA、VFA等关键体积参数。此阶段核心：引导学生对比两种成型方法所得试件的外观、高度、密度差异，绘制不同油石比下各体积指标的变化曲线图，初步确定最佳沥青用量范围（OAC）。体会成型方法对设计结果的显著影响。

  第9周：仿真介入与机理深化（4学时）

  在获得初步实验数据后，引入数字化工具，深化对微观机理的理解。

  1.离散元（DEM）仿真入门（2学时）：在计算机房，教师演示如何用EDEM软件建立简化的二维或三维沥青混合料模型（将集料简化为球形或多面体颗粒，沥青简化为颗粒间的粘结键）。模拟振动压实过程，观察颗粒的运动、重排和力链网络的演变。学生小组调整仿真中的参数（如颗粒形状、摩擦系数、振动频率），观察对最终压实密度的影响。

  2.性能预测与有限元（FEA）初探（2学时）：介绍如何使用专业软件（如PaveMix）或基于简化模型，将实验室测得的材料参数（如沥青动态模量）输入，预测混合料在标准荷载下的力学响应（如应力应变分布）。初步了解有限元分析在预测车辙深度或疲劳寿命方面的应用前景。此阶段核心：建立“物理实验获取参数→数字模型揭示机理→仿真预测辅助决策”的现代研究方法认知，破解微观机理理解的难点。

  第10周：实验循环二：性能验证与方案优化（8学时）

  1.性能试验（6学时）：在OAC附近选择1-2个油石比，成型足量标准试件，进行核心性能试验：车辙试验（评价高温稳定性）、浸水马歇尔试验（评价水稳定性）。有条件的小组可观测低温弯曲试验或间接拉伸试验。学生需规范操作、精准记录数据（如车辙动稳定度DS、残留稳定度MS0）。

  2.数据分析与方案迭代（2学时）：各小组汇总所有实验与仿真数据。面对“车辙动稳定度达标但残留稳定度稍欠”或“各项性能均衡但成本较高”等真实工程中常见的多目标冲突问题，开展小组研讨。教师引导学生运用“鱼骨图”、“决策矩阵”等工具分析原因：是级配偏细？沥青用量偏高？还是成型压实功不足？进而提出优化方案：例如，微调级配曲线中关键筛孔的通过率、考虑添加0.3%的木质素纤维以增强高温性能与抗水损能力、或调整压实工艺的温度区间。形成《优化方案设计书》。

  第三阶段：综合集成、成果凝练与迁移评价（第11-12周，共12学时）

  本阶段目标：整合全课程学习成果，形成综合性报告并进行高水平答辩，实现知识的综合应用与迁移，完成最终评价。

  实施流程：

  第11周：报告撰写与成果集成（6学时）

  1.报告框架指导（1学时）：教师讲解高水平工程报告的结构、逻辑与规范，强调问题导向、数据支撑、逻辑严密、结论明确、格式规范。

  2.小组协作撰写（5学时）：各小组分工协作，撰写完整的《项目综合报告》。报告必须包括但不限于：项目背景与要求、材料选择与论证、配合比设计详细过程（含级配曲线图）、成型工艺参数确定依据、体积指标与性能试验数据汇总及分析（大量图表）、仿真过程与结果分析（附关键截图）、优化方案与论证、全生命周期成本与环境影响简要分析、结论与建议。报告需体现从“初始方案”到“优化方案”的决策逻辑。

  第12周：成果答辩、评价与迁移（6学时）

  1.模拟答辩准备（2学时）：各小组制作答辩PPT，进行预演。教师与助教提供辅导，强调答辩技巧：突出重点、可视化表达、清晰回答提问。

  2.最终答辩会（3学时）：举办正式的项目答辩会，邀请土木工程学院道桥专业教师或企业工程师作为特邀评委。各小组进行15分钟汇报，10分钟问答。问答环节尖锐深入，聚焦技术细节、方案合理性及创新点。

  3.多维评价与课程总结（1学时）：答辩后，依据评价量规（见第七部分）进行教师评价、同业评价（小组互评）与自我评价。教师进行课程总览，将AC-13沥青混合料的经验，迁移到其他类型混合料（如SMA、OGFC）的工艺思考中，并展望未来基于性能的设计、智能压实、再生技术等前沿方向，引导学生建立开放的、持续学习的学科视野。学生在平台提交最终的个人学习反思报告。

  七、教学评价设计

  本课程采用“过程性评价与终结性评价相结合、定量与定性相结合、多元主体参与”的综合评价体系。

  1.过程性评价（占总评50%）：

  *学习参与（10%）：线上平台活跃度（提问、讨论）、课堂互动表现。

  *实验/仿真操作（20%）：通过操作规范检查表、原始数据记录本的规范性、安全意识进行多次评价。

  *阶段性成果（20%）：“初始问题清单”、“项目技术方案书（预审版）”、实验数据初步分析报告、仿真练习报告。采用量规评分，侧重科学性、逻辑性与规范性。

  2.终结性评价（占总评50%）：

  *项目综合报告（30%）：依据详细的报告评价量规（内容完整性30%、数据准确性与分析深度30%、逻辑结构与论证力度20%、创新性10%、格式规范10%）进行评分。

  *最终答