面向“中國制造2025”的土木工程材料專業人才培養模式的探索與實踐

張 雄, 劉斯鳳， 楊正宏

(同濟大學 材料科學與工程學院， 上海 201804)

0 引 言

《中國制造2025》秉承“創新驅動、質量為先、綠色發展、結構優化、人才為本”的宗旨；“工業4. 0”是將大數據和物聯網相融合后在生產中大量使用，并實現由自動化向智能化的轉變。

立國之本、興國之器、強國之基當屬制造業，它也是國民經濟的主體。自18世紀中葉以來，世界強國的興衰史和中華民族的奮斗史一再證明，沒有強大的制造業，就沒有國家和民族的強盛。打造具有國際競爭力的制造業，是提升我國綜合國力、保障國家安全、建設世界強國的必由之路。

改革開放以來，我國制造業已得到了持續快速發展，并建成了門類齊全、獨立完整的產業體系，有力推動了工業與現代化進程，顯著增強了綜合國力，支撐著世界大國地位[1]。然而，與世界先進水平相比，我國制造業仍然是大而不強，在自主創新能力、資源利用效率、產業結構水平、信息化程度、質量效益等方面差距較大，轉型升級和跨越發展的任務緊迫而艱巨。

當前，新一輪科技革命和產業變革與我國加快轉變經濟發展方式形成歷史性交匯，國際產業分工格局正在重塑。此時，必須緊緊抓住這一重大歷史機遇，按照“四個全面”戰略布局要求，實施制造強國戰略，力爭通過3個10年的努力，到中國成立100年時，把我國建設成為引領世界制造業發展的制造強國，為實現中華民族偉大復興的中國夢打下堅實基礎。而實現“中國制造2025”偉大目標的關鍵在于人才[2]。而兼具培養社會需要的專門人才、科學研究和服務社會的三大職能的高等學府，其首要任務是培養專門人才。

中國作為人口大國，建筑業和基礎設施建設正蓬勃發展，土木工程占有極為重要的地位，而土木工程材料是一切工程的物質基礎，土木工程材料不但種類繁多、性能因材性各異、價格因性能不同相差懸殊，但卻在土木工程中用量巨大。因此，正確選擇土木工程材料并合理使用它，對工程的安全、實用、美觀、經濟等均具有重大意義。

在我國現代化建設中，需要大量的以“土木工程材料”為專業方向的技術人才，以及掌握“土木工程材料”相關知識的房屋建筑、地下、橋梁、測量、管理、機械和其他專業的高水平人才[3-6]。作為知識的搖籃，大學理應承擔面向未來中國制造業的專門人才的培養。多年來，土木工程材料方向在自身專業人才的培養中積累了豐富的經驗，但如何面向“中國制造2025”和“工業4.0”的需求，培養復合型專門人才，亟需探討和具體落實。

1 努力拓展各工科專業知識體系

沒有材料就沒有工學。美、日等發達國家的大學基于這樣的認識，為所有工科專業的大學生，甚至文科設置材料概述課程。在制造業尤其發達的德國，非常重視通識教育，而土木工程材料更是受到重視，幾乎作為所有與土木、建筑有關的學生的必修課。我國在這方面尚有很大差距。而土木工程材料種類繁多。根據材料的來源、功能、成分的劃分，將使土木工程材料課程的內容異常寬泛；又由于材料及其性能間的差異，將使課程各章節之間缺乏系統性和邏輯性，極大地增加了教和學難度[7]。為滿足2025中國制造和工業4.0對土木工程材料的需求，將從以下方面進行建設。

因為土木工程材料涵蓋了有機、無機和復合材料，及其順應時代進步的先進土木工程材料的進展，涉及的專業領域包括房屋建筑、地下、橋梁、管理、測量、機械、環境等所有工科專業[8-12]。針對所有工科學生開設“土木工程材料”系列通識課。這些通識課包括“土木工程材料”“建筑功能材料”“建筑結構材料”“住宅產業化預制混凝土構件”等。

“土木工程材料”是土木工程建筑類非材料專業的專業基礎課，為土木、地質工程、港口航道與海岸等專業的必修課。著重介紹土木工程材料的基本知識和基本理論，讓學生學會如何正確認識、合理選擇與使用常用材料，為學習有關后續專業課和今后從事與土木工程及其材料與技術有關的研究打下基礎。

學生在初步了解“土木工程材料”的基本知識后，需要對結構材料和非結構材料進行系統地學習，因此，“建筑結構材料”和“建筑功能材料”為后續開設的通識課。“建筑結構材料”涵蓋了結構材料的組成、結構、外界因素等對材料性質的影響；介紹了建筑結構材料的組成與結構、性能與主要技術指標，以及各主要性質間的相互關系，主要建筑結構材料的使用指南與技術規范、制備與正確應用方法；使學生能根據工程性質和環境特點合理選用材料；能根據基礎理論初步解決建筑結構工程中的材料問題。

“建筑功能材料”著重介紹與建筑使用功能相關的材料名稱、分類方法、基本功能、作用原理、生產工藝方法、檢測標準和應用范圍；建筑功能材料的原材料、配制和生產工藝、產品檢驗方法和應用技術；防水材料、防腐材料、防火材料、絕熱材料、裝飾材料和綠色建材等的基本性能要求；原材料性能，生產工藝，檢測方法和評價指標，以及應用技術和應用效果。教師在講授本課程時，理論聯系實際，并努力反映國內外先進技術或理念、研究成果等，使學生了解最新的發展動態。

為減少建筑垃圾和揚塵污染的裝配式建筑摒棄了傳統粗放落后的建筑生產方式，為綠色建筑的發展提供了保障，未來將在中國得到廣泛推廣。“住宅產業化預制混凝土構件”課程就是應運時代的發展進步而開設的系列講座，為學生展示世界最先進的建筑工業化制備、技術、工藝、施工、應用與管理方法，并為學生提供最前沿的材料信息。

2 培養土木工程材料精細化制造的高級專門人才

與土木工程材料相關的實驗課程是使土木工程材料的理論和實踐緊密結合的重要組成部分[5]，直接影響到學生對該課程的學習興趣。實驗課程通常安排在理論知識講解完成之后馬上進行。通過實際操作，學生可以在實際操作中，重溫并理解理論知識體系，并形成對應關系，這樣有助于學生加深課堂知識印象、強化概念，可以提高學生的動手能力、思考能力，以及解決問題的能力。

土木工程材料實驗課程包含材料的基本性能實驗，主要包括材料的真實密度、表觀密度、容積密度和吸水率、孔隙特征的測試與表征，看似簡單的實驗，關鍵需要學生耐心細致的觀察與思考；水泥稠度、凝結性能、體積安定性實驗，讓學生對水泥各項基本性能有更具體的認識以及明確的意義；水泥膠砂強度、混凝土成型與強度實驗讓學生明白水泥標號、混凝土強度等級之間的關系，以及水泥作為水硬性膠凝材料具體含義；鋼筋的拉伸、彎曲試驗的目的是測試鋼筋在拉伸過程中應力和應變關系曲線，以及下屈服強度、抗拉強度、斷后伸長率指標，以判定鋼材的質量；石油瀝青針入度、延度、軟化點試驗的目的是讓學生明確石油瀝青的粘滯性、塑性、溫度穩定性等基本性能的表征方法，并以此判定石油瀝青的牌號。

實驗以3或4人的小組為基本單位，教師可以建議學生分工完成每一個實驗。首先推選出小組組長，實驗步驟和順序的掌控由小組長完成或協商指定專人負責，再由小組其他同學自由選擇自己要完成的實驗任務，最后的實驗數據大家共享，但數據的處理和實驗心得必須獨立完成。

動手實驗之前，每位學生必須了解實驗內容和實驗步驟，學會自己認知實驗目的、材料、實驗專用設備、試樣制備、取樣方法和測試步驟，并學會制定實驗初步計劃。

實驗過程中允許組與組學生進行數據比較，以明白自己小組實驗數據的差異所在，由所在的小組集思廣益，找出出錯的原因，并進行再次實驗以更正錯誤。

土木工程材料實驗最大的問題是實驗室衛生的打掃。為保證教學實驗室的衛生，并為后一組學生的實驗提供便利，教師可以通過檢查每個小組的實驗衛生合格后，再簽字的方法，督促學生做到愛護儀器設備、維護實驗室衛生，培養學生替他人著想的習慣。

在實驗教學過程中，使學生明白建立各項標準的意義，土木工程材料配制前選材的精細程度和標準會直接影響后面試件制作的質量，以及影響后面施工、工程質量；精準的制備工序直接影響構件的質量；嚴格的質量控制是建筑質量的根本保證。通過實驗教學，可以鍛煉學生們的團隊分工、協作意識，使學生明白，精誠團結與合作得以提高做事效率。

3 土木工程材料教學評價體系的建立

好的教學和評價方法是師生雙方共同約定的行為體系。教學方法應服務于通識課的教學目的和教學任務的要求。常規的人才培養模式主要是采用將各分類學科的知識分開傳授給學生的方式[13]，通過課堂講授對學生進行知識灌輸，使學生成為儲存知識的容器，卻忽視了理論如何出自實踐、實踐如何驗證理論等學習能力的培養，忽視了促進學生個性、創造性和潛能發展的培養。

教學的目的不是考核，而是讓學生掌握更多創新的知識和能力，考核則在于對教學效果和學生的掌握進行全面評價，而非單依靠考試卷進行考核。新的教學評價體系體現在教學的各個環節。

(1) 互動教學環節的考核方法。學習結果根據土木工程類的課程不同而定，在掌握各種不同土木工程材料的性能、應用范圍的基礎上，將其運用于土木工程、建筑設計中，根據要求進行房屋、零件等選擇材料等等。即基于土木工程材料學習目的的培養。

為增加學生的學習興趣，互動教學模式是貫穿面向“中國制造2025”的土木工程材料專業人才培養模式的主要教學方法，具體包括老師課堂授課、學生課后預習、資料查閱，以及課堂匯報等，教師觀察每個環節中學生的表現進行評分。

(2) 分組討論模式。為了使學生更多融入互動自主的學習，學會更為積極的思考問題，并解決問題，課堂上分組討論是比較好的一種教學方法。討論過程中，教師針參與并組織學生展開討論，每次的課堂討論，學生根據自己所學課程的內容自由發揮。對于積極開動腦筋的學生予以肯定和表揚。

(3) 教學效果評價。教學方法的評價手段多種多樣。有考試、演講、讀書報告、小組討論、布置作業、專家評分、相互評價、課程設計、課堂提問等等[14-15]。

在本培養模式的互動教學中，老師通過提問和學生的課堂匯報，觀察學生課后預習、資料查閱情況。此外，在小組討論過程中，可以觀察每個學生的發言情況進行評價。

最后是課后小課題創新和設計。可以讓學生自由分組，要求學生根據自己對土木工程的興趣，選擇某一類建筑，進行材料賦予，并解釋原因，再通過答辯的形成進行匯報。

通過以上形式考核，以培養學生的創造力、獨立解決問題的能力、專業技能、溝通能力、小組配合能力、終身學習能力。促使并幫助學生加強自己所學專業與土木工程材料專業的緊密聯系，拓展他們的學習視野。

4 實踐成效

經過將近2年的建設，面向“中國制造2025”的土木工程專業人才培養模式正在取得初步成效。① 已開設“土木工程材料”“建筑功能材料”“建筑結構材料”3門通識課程，構建了全能型、專業型的材料人才培養模式；并結合當今社會可持續土木工程材料發展方向，為全校工科學生開展了“綠色建筑”系列講座，開拓本科生的視野，首次前來聽講座的學生就達到了100多人，深受學生好評；② 結合教學、科研與工程實踐，撰寫的教材“裝配式建筑構建生產與應用技術”即將出版。③ 建立起以中青年教師為主導的教師團隊。④ 土木工程材料培養體系的建立和完善保證了“材料科學與工程”專業在全國工程教育專業認證中順利通過。

5 結 語

“中國制造2025”土木工程材料專業人才的培養模式涵蓋了原材料的來源及其質量控制、制備工藝、性能特點及其表征方法、應用，以及使用社會可持續發展相關等課程的設置。只有通過全方位的課程設置，才能滿足“中國制造2025”和“工業4.0”需求的土木工程材料專業的精準型高級專門人才的培養是一個任重道遠的工作，同時還需要學校、教師、學生不斷努力轉變思想，并輔以強烈專業意識的注重細節培養，才能達成。

參考文獻(References)：

[1] 李拓宇, 李 飛, 陸國棟. 面向“中國制造2025”的工程科技人才培養質量提升路徑探析[J]. 高等工程教育研究, 2015(6): 17-23.

[2] 周海銀. 高等教育如何適應“中國制造2025”[J]. 山東師范大學學報(人文社會科學版), 2015,56(4):119-124.

[3] 王衛東, 彭立敏, 余志武，等. 土木工程專業特色人才多元化培養模式研究與實踐[J].高等工程教育研究, 2015 (1):144-148.

[4] 林 峰,顧祥林,何敏娟. 土木工程特點與土木工程專業人才的培養模式[J]. 高等建筑教育,2006, 15(1):26-28.

[5] 金生吉，白 泉，徐金花，等. 地方院校土木工程專業實踐教學培養方案改革與實踐[J]. 高等建筑教育, 2013, 22(2):109- 113.

[6] 江學良, 胡習兵, 陳伯望，等. 專業認證背景下土木工程專業人才培養體系探索與實踐[J]. 高等建筑教育,2015,24(1):29-35.

[7] 程云虹. “土木工程材料”課程教學研究[J]. 高教學刊, 2015 (4):27-28.

[8] 錢紅萍, 李書進, 蔣曉曙. 基于工程素質與創新能力培養的“土木工程材料”教學改革實踐[J]. 常州工學院學報, 2011,24(6):85-88.

[9] 安明喆, 余自若, 張 樺，等. 土木工程材料教學中學生實踐能力的培養[J]. 高等建筑教育, 2010, 19(1):102-105.

[10] 蔣 慧, 黃小林, 王 榮，等. 基于“卓越工程師教育培養計劃”的土木工程材料課程實踐教學研究[J]. 高等建筑教育, 2014, 23(4):152-154.

[11] 曾志勇. 基于創新能力培養的“土木工程材料”課程教學改革探索[J]. 臺州學院學報, 2011,33(3):82-86.

[12] 汪 峰，張國棟，楊 俊. 基于社會需求的土木工程專業復合型創新人才培養模式研究[J]. 當代教育理論與實踐, 2013,5(4):63-66.

[13] Rui Xu. Chinese Mainland Students’Experiences of Teaching and Learning at a Chinese University: Some Emerging Findings[C]∥The BERA 2004 Conference, UMIST, Manchester，15th-18th, 2004:1-19.

[14] 袁 慧, 于兆勤, 秦 哲. 新形勢下培養提高工科學生工程實踐能力的認識與實踐[J]. 高教探索, 2007(2):61-63.

[15] 劉斯鳳, 徐小燕. 中芬教學方法比較[J]. 三峽大學學報(人文社會科學版),2014(12): 111-112.