《土木工程材料》模塊化課程構建與實踐

汪洋 張勁松 王艷麗 王青

摘要：以多年《土木工程材料》課程教學實踐為前提，以合肥學院模塊化教學改革為背景，探索《土木工程材料》課程模塊化改革如何適合應用型本科高校的辦學指導方針，其中重點探討了模塊化內容、模式、方法及其具體實施和實際效果，為本課程以及土木類其它專業基礎課和專業課的教學模式改革和教學內容優化提供借鑒和參考.

關鍵詞：模塊化課程;能力培養;工程實踐;CDIO工程教育

中圖分類號：G642.0? 文獻標識碼：A? 文章編號：1673-260X（2019）08-0138-04

0 引言

隨著我國工業化發展，在生產、服務等領域，對面向一線、掌握一定操作技能的應用型人才的需求愈加迫切，這對地方高校的人才培養提出了新的要求.

合肥學院作為應用型本科院校，正在進行卓有成效的模塊化課程改革.所謂模塊化課程，指對現有的課程進行重新組織，注重以能力本位課程觀為指導，重構新的課程體系，聚焦應用型人才培養目標，設定多個考核單元，訓練學生具有較強的實踐能力、學習能力以及分析解決問題的能力[1].

在這樣的背景下，通過遵循模塊整合理念，建立了《土木工程材料》課程模塊，設置核心任務驅動、對相應內容分解重組等，使各子模塊之間相對獨立也互相貫穿.近年來經過多輪嚴謹細致的組織實施，較好地實現了模塊化所要達到的基本目的，同時也有效地改善了本課程傳統教學模式所固有的一些缺陷.

1 模塊課程建設思路與目標

1.1 傳統課程教學存在的問題

《土木工程材料》是“大土木”背景下一門重要的專業基礎課，在土建類人才培養教學體系中占有重要地位.

傳統教學方式存在的問題主要有：（1）理論教學偏重于基本的內容體系，結構單一，平鋪直敘，各部分內容之間相互割裂，教材編排過于理論化，和工程實際脫節，缺少前沿性知識.這是典型的以學科為導向的課程體系，教學模式不適合應用型本科高校以專業能力為導向的指導方針，課程的能力輸出效果不甚明顯[2].

（2）實驗教學環節，由于受學時數限制，大都只能夠開展水泥、混凝土、瀝青等主要材料的基礎實驗，一些用量越來越大的新材料被忽視;實驗課和理論課內容不連貫，和實踐應用聯系不緊密.學生按照既定步驟完成的實驗，只起到一個增強動手能力的目的，與建筑施工的設計、探究型內容不相一致，不利于學生的工程素質鍛煉.

（3）學習成績衡量僅憑期末的一紙試卷，量化指標過于直接單一.本課程教材內容多數是文字描述，但每字每句表達的都是靈活多變的施工工程，平時思維僵化的學習方式對應期末機械刻板的試題測評，即便取得高分，也很難說獲得了好的效果.

1.2 模塊改革思路

為了克服傳統教學模式諸多弊端，模塊課程在教學進程中，力求確立以學生為中心，轉變思路，由“本課程需要講授哪些內容”轉變為“本模塊能使學生具備哪些能力”.

通過對建筑施工企業的調研，以及參考用人單位反饋的調查信息等，確立了以學生工程應用能力輸出作為模塊課程教學的指導思想，并進一步細化了“土木工程材料”模塊對于應用能力培養所承擔的任務，由此在模塊內容上進行相應的重組.

具體的實施階段，在模塊課程的內容設置上，突出工程施工管理技能知識;課堂教學方面，強化工程案例特別是工程事故反面案例的展示;課后自主學習時間，由簡單的書本復習轉變成以特定任務驅動的理論實踐相結合模式;學習效果評價，由單一的考試成績轉變為全過程的多元化考核等等.

1.3 模塊教學目標

模塊的基本目標要使學生掌握主要土木工程材料的性質、用途、制備和使用以及檢測和質量控制方法，并了解材料性質與材料結構的關系和性能改善的途徑，獲得有關土木工程材料的性質與應用的基礎理論.

要求學生在掌握各種材料的技術性質和應用特點基礎上，具備如下方面的能力：了解材料的設計參數、掌握材料的施工工藝、熟悉材料成本控制、新材料應用等等，總體而言，整個教學過程強調理論與實踐的無縫對接、緊密結合.

模塊教學宗旨在于培養學生的工程應用能力.通過模塊學習，應了解材料與設計參數及施工措施選擇的相互關系，從而能夠針對不同工程項目要求，合理選擇材料品種，揚長避短，靈活使用.

2 模塊課程改革核心內容

2.1 模塊內容重新組織

《土木工程材料》模塊內容由理論課、基礎實驗和綜合實驗三部分構成，課余安排自主學習時間60學時，模塊實施進程中重視學生的自主學習，由下述可知，本模塊具體操作中，60學時的自主學習時間，學生都得到了充分的利用.

實施過程中，執行N+2考核模式.所謂2，指的是期末考試和課堂筆記（或課程總結、讀書筆記等）這兩項，分別占比50%、10%，而其余40分則體現在N，包含若干個過程考核環節.期末考試題在已建立的試題庫中抽取，以案例分析為主考內容，除了基本概念外其它無需死記硬背，以知識的靈活掌握和工程應用為考核目的;筆記分兩次檢查，第一次課堂突擊檢查，在課程進行到三分之二時進行，通過查閱筆記、書本和針對性提問等方式，了解學生的課堂聽課情況和課下預習復習情況.第二次為補充檢查，期末進行.基礎實驗和綜合實驗放在一起單獨計算成績.

本模塊教學團隊老師均具有碩士及以上學位以及教學工程雙師資格，理論教學和實驗指導老師配置合理.

在經過模塊重組整合后，使得內容相對獨立又互相交叉，形成一種綜合性的內在關聯（圖1），圖示下半部分的方框和線條代表每一個任務模塊和傳統體系內容的聯系，可以看出，重組后的各個任務子模塊，都幾乎涉及或覆蓋到傳統課程體系的所有內容，形成一種多維、立體學習模式.其中綜合實驗以基礎理論和基礎實驗為前提，把綜合性前沿性理論和設計性創新性實踐二者結合起來.

模塊內容重新組合構建以后，梳理得出三大核心任務，分別是“普通混凝土配合比設計”、“材料應用設計及技術經濟分析”和“建筑節能（墻體節能）專題研討”，視作三個獨立的任務模塊.安排40分的過程考核（即前述N+2中的N）量化學習效果，充分實現課內和課外、書本上基礎內容和前沿知識的結合，更重要的是，這三項任務，都充分體現了理論和實踐的完美融合，具體如下.

2.2 普通混凝土配合比設計

普通混凝土配合比設計是本課程模塊最重要的內容.具體操作過程是，課前布置預習關于普通混凝土的基本知識，課堂上講解并歸納總結組成材料、三項主要技術性質、配合比設計步驟等基本內容，進而給學生提供典型的例題自學并答疑，在此基礎上，進行普通混凝土配合比設計課堂測驗，測驗分數計入過程考核成績，測驗出現的典型錯誤在課堂上有針對性講解，測驗中每位學生得出的初步配合比設計參數在隨后的基礎實驗中使用，做到與實驗無縫對接，在實驗中得出實驗室配合比和施工配合比，寫出實驗報告.經過這樣一個綜合過程，使學生靈活掌握該部分內容（圖2）.

緊接著，在自主學習時間段，要求學生根據興趣，選做如下三項題目其中的一項.題目一，查閱資料，寫出智能混凝土專題報告;題目二，就近參觀混凝土攪拌站，了解實際配合比設計操作模式和商品混凝土的生產工藝，寫出調查報告;題目三，利用學過的C語言或VFP，嘗試編制混凝土配合比設計的小程序（學生自己編制的軟件，雖然不夠完善，卻能夠使之更加深入理解配合比設計的過程和關鍵步驟，更接近于工程實踐）.

2.3 材料應用設計及技術經濟分析

通過學習林林總總的材料，對各品種材料的技術性質、應用特點有了一定的認知，以此為基礎，給學生布置一個綜合設計題，把學過的零散知識串聯起來.題目是：130平米建筑面積的內部未分割毛坯住宅，從各類建筑材料（主要是功能材料和墻體材料兩大類）選用的角度實現總體設計，要求調研建材大市場，并充分查閱網上相關資料，折算出使用面積，繪制平面圖，劃分四室兩廳的房間單元尺寸作為后面的計算依據，提供高檔（約50萬，包含硬裝和軟裝）和低檔（約10萬）兩種方案，并從技術經濟角度加以分析比較，列出各種材料的名稱、用量、單價、合價、技術指標等參數.

學生通過網上查找資料做好知識儲備，再到裝飾材料大市場調研.最后畫出平面圖（或效果圖），寫出調研報告和設計報告.

本課程材料分三大門類，即結構材料、墻體材料和功能材料，通過上述兩個任務的訓練，使模塊中理論和實驗實踐有效銜接，使學生對這三大類材料有了深入和綜合的認識.

2.4 建筑節能（墻體節能）專題研討

學生以后從事建筑的設計、施工、管理等無論哪方面，建筑節能都是一個繞不開的課題，教材的基本知識體系中涉及到新型墻體材料和墻體節能的一些內容學完以后，布置一個關于建筑節能的專項訓練，如果說任務二體現出專業知識的橫向廣度，則此項任務體現出專業知識的縱向深度，具有研究性學習的性質.具體實訓過程是，先介紹關于建筑節能的技術和管理兩個方面理論體系，重點介紹其中的墻體節能部分，讓學生自主選擇感興趣的知識點，課下登陸圖書館數據庫查閱論文，從指定的關鍵詞中檢索出最新論文，其中英文論文不少于5篇，且要求均出自ASCE（美國土木工程師協會）期刊，寫出專題總結報告.

緊接著，依托本系建筑節能實驗室和建筑節能研究所，以及近年來本模塊團隊老師關于建筑節能方面的科研項目（縱向項目如“典型外墻外保溫系統缺陷分析及耐久性研究”，橫向項目如“合肥市節能住宅模式調查”等），準備了“建筑圍護體傳熱系數和保溫效果檢測”“利用紅外熱像儀現場檢測建筑物熱工缺陷”“太陽能光-電、光-熱和光-光利用實驗”等綜合課題，要求學生自主開展實驗，并嘗試用英文寫出實驗報告.

專題訓練獲得了較好的實施效果.例如“利用紅外熱像儀檢測熱工缺陷”實驗小組，首先熟悉了教材中的墻體材料內容，了解節能墻體中外墻外保溫構造，進而直接就地選取本班上課所在教學樓的外墻外保溫為研究對象，這棟樓的保溫層是玻化微珠保溫砂漿，該構造近年來產生很多的缺陷如裝飾面層剝落、吸濕嚴重等.通過學生現場實測、數據處理、結果分析等，編寫實驗報告，報告中為學院教學樓外墻的修繕修復提出了建設性的意見，頗具現實意義.

本任務是體現學生自主學習能力的重要環節，讓學生認識到理論知識對于指導工程實踐和解決實際問題的重要性，將所學知識充分結合實際.

3 模塊教學改革保障措施

3.1 有效的教學組織與實施

本模塊改革前已具備多年的教學經驗，積累了完備的教學資料.在多媒體資源開發方面，準備了四個層次的課件，分別是：和教材同步的基本理論體系課件、以圖片和視頻為主的案例課件、雙語課件和英文課件，在模塊化教學實踐中，主要用到前三種，英文課件提供給部分學有余力且英文水平高對英語感興趣的學生自學.

讓有限的理論課時間高效利用從而保證課堂教學效果，是本課程模塊最終取得成效的前提和保證.課堂教學重點關注兩個方面：

（1）課堂上保持開放性思路，內容廣泛聯想.比如“石灰”章節，以于謙的《石灰吟》作為開篇，這首詩映照了石灰的原料、生產工藝、形態顏色等;“混凝土水灰比”章節，闡述W/C和W.C.的區別，順帶描述一個外國牧師把WC（Water Closet）理解成WC（Wayside Chapel）從而產生反串效果的幽默小品;“硅酸鹽水泥”章節，教學中擴展PS的多種意思，除了有本課程中礦渣水泥Portland Slag Cement、聚苯乙烯Polystyrene，還有其它的Photoshop， Postscript等.這樣的內容拓展，讓學生在輕松愉悅中活躍思維，加深印象.

（2）課堂上注重知識點的對比、類比和綜合.比如，由于材料的體積膨脹而產生的危害及引發的工程事故，表現在材料抗凍性、石灰水化、水泥體積安定性、大體積混凝土、硫酸鹽侵蝕、混凝土堿骨料反應等方面，要求學生對比歸納各表現形式、產生原因、引發后果、防治措施等，老師提供事故案例，讓學生從反面教材中加深印象，培養從業責任心.

3.2 借鑒與融合CDIO工程教育模式

CDIO工程教育模式是近年來國際工程教育改革的一項重要成果，CDIO代表構思（Conceive）、設計（Design）、實現（Implement）和運作（Operate），它讓學生以主動的、實踐的、課程內容之間有機聯系的方式學習工程.CDIO培養大綱將工程類畢業生的能力分為工程基礎知識、個人能力、人際團隊能力和工程系統能力等四個層面[3].

本課程模塊核心任務的學習過程，完整體現了CDIO學習理念.前述三個任務模塊，首先要求學生根據所學基礎內容構思項目，再通過各種自主學習手段，組建工作團隊，熟悉并開展項目，輔之以實驗實踐環節實現項目預期要求，最后以文本文檔等形成最終成果（圖3）.

在這樣的CDIO全過程中，通過引導性、體驗性的學習過程，進一步培養學生的自學/溝通/協作能力，增強執業技術能力，提高從業職業道德，適應社會對應用型人才的需求[4].

3.3 對比與參考國外教學質量控制方法

通過筆者在美訪學期間旁聽北亞利桑那大學（NAU）4門土木類的專業課，并和任課老師有深入細致的交流等，發現此校專業課教學和我們的模塊化教學有很多相似之處.其教學大綱和課程描述，和我院模塊大綱和模塊描述基本一致，筆者詳細閱讀了其專業課學生的“網上評教”系統，也和我院模塊教學評教系統相似，但NAU所設計的問題更加深入具體，學生的參與積極性更高，學生留言中有更多的評價、感悟、建議等等.

NAU老師設定的評分標準每門課有所差異，但基本思路也都是期末考試加過程考核，很多老師對課堂測驗（quiz）環節比較重視;一些上大課的專業基礎課老師對考勤環節（Class Participation and Attendance）量化分值占比較高;雖然最終成績評定是五分制（ABCDF），但老師中間計分都是按100分或1000分計算，顯示出其嚴謹細致的態度;學生的過程成績在教學系統中從學期開始到結束同步顯示，每個學生隨時能夠看到進度分數從而能夠及時補缺補差;老師盡心盡力做Teaching、Research和Services三大任務，他們把自己的工作比喻為Juggle，意思是一種雙手拋接3個小球的雜耍，以此來形容事務繁忙停不下來的一種狀態，令人感觸頗深，體會到美國高校老師的工作壓力.

借鑒NAU的教學管理方法，在本模塊課程的教學實踐中，設置了課堂測驗環節，強化課堂管理，學生平時成績充分細化，并通過班級群定期向學生發布，使之實時了解自己的過程考核情況.課程模塊中的雙語教學、核心任務中指定英文論文閱讀、部分學生用英文提交作業實驗報告等任務設置，通過對比國外教學，也深感有必要進一步強化.本模塊所屬專業培養方案的能力矩陣中，要求學生具備專業英語熟練的閱讀和書面表達能力，更好地適應“新工科”的時代特色，同時也符合本校應用型和國際化的辦學宗旨.

3.4 建立并完善嚴格的過程考核機制

經過內容重組后的三項主要任務模塊，都體現了對網絡資源的充分利用.三項任務均要求學生在自主學習時段查閱網絡資料，這些資料除了圖書館寶貴的中英文數據庫資源，如知網、ASCE等，還有日常使用的因特網，學生普遍關注互聯網的娛樂功能，迫切需要重視培養學生的互聯網學習思維[5].

三項任務模塊都實現了多種學習手段并重.使課堂和課后相結合;被動學習和自主學習、理論課和實驗課相結合;使基礎理論教學結合學術前沿[6]，等等.

三項任務模塊提升了學生的綜合能力.如主動分析并掌握問題重點的能力，思考及分析個案的能力，表達個人觀點的能力，通過討論找出最合適的解決問題的方法的能力，團隊協作能力，理解綜合能力，工程實踐應用能力，溝通表達能力，開拓創新潛質等等[7].

要實現這些目標，僅靠最后一次期末考試無法衡量，需要把目標控制轉變為過程控制.過程考核可以說遍布整個教學過程，除了過程測驗、小論文、設計報告等書面成果以外，考勤、課堂表現、課堂回答問題、課下討論問題、自主學習檢查等情況也隨時記錄，并按權重計分.經過這樣全方位、多角度考核環節的分數量化，給學生以壓力和動力.理想情況是通過合理的考核機制，使最終的成績評定，能夠準確客觀地反映每一個學生在本模塊上所花時間和學習效果.

4 結語

專業素養是一個長期累積的過程，本模塊開設在大一下學期，彼時學生還沒有建立起系統的專業認知，思路仍停留在基礎課的學習階段，這就需要師生共同付出更多的精力.

模塊化實踐過程使教師的能力和責任心得到加強.對授課內容理解更加清晰和深入，通過帶領學生參與更多的橫向工程實踐和縱向研究項目，從理論和實踐兩方面提高了教師自身的綜合業務能力，達到學院注重“雙能型”師資隊伍建設的要求.

在模塊教與學這樣一對相互依存的矛盾中，個人認為當前主要薄弱環節在于學生的學習能力和態度，本模塊教學的各種過程操作，其實際效果受制于學生的先天能力、自覺性主動性、英文水平等因素，現實情況是，少部分學生并沒有適應我們模塊化教學的高標準嚴要求，如何使學生在課上“坐到前排來，把頭抬起來，提出問題來[8]”，課下認真積極主動、不抄襲不偷懶，成為需要正視并亟待解決的問題.

希望在今后持續的模塊化教學實踐過程中，通過師生共同努力，取得更加顯著的成果.

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參考文獻：

〔1〕余國江.課程模塊化：地方本科院校課程轉型的路徑探索[J].中國高教研究，2014，（11）：99-102.

〔2〕余國江，秦遜.應用型本科的特征和屬性[J].應用型高等教育研究，2016（3）：13-19.

〔3〕P. J. Armstrong. The CDIO Syllabus： Learning Outcomes For Engineering Education[J]. Rethinking Engineering Education. Springer， Boston， MA （2007）：654 -659.

〔4〕周艷華，吳勇翀，彭劍.CDIO工程教育模式在《土木工程材料》中的應用研究[J].教育現代化，2017，4（14）：51-54.

〔5〕劉書軍.淺議高校土木工程類課程教學方法創新[J].科技教育，2016（31）：112-114.

〔6〕董素芬.土木工程材料課程教學創新切入點初探[J].黑龍江教育，2016（3）：13-14.

〔7〕陳先華，高英，黃曉明，等.以雙語教學為契機的土木工程材料課程教學改革探析[J].陜西教育，2014（2）：74-76.

〔8〕陳寶生.教育部：全國高等學校本科教育工作會議[EB/OL].（2018-06-22）.[2019-01-05].http：//www.gov.cn/xinwen/2018-06/22/content_5300334.htm.