新工科背景下融合OBE的土木工程材料教學探索與實踐

李志鵬 張津瑞 楊榮偉 朱海濤

[摘 要] 我國土木工程基礎設施的大力建設帶動了新型土木工程材料及工藝的迅速發展。當前“土木工程材料”課程存在教學內容陳舊，新材料、新技術、新工藝的發展更新緩慢的問題，導致學生對建材試驗課程的學習興趣不高、實際的教學效果不佳等問題。基于新工科發展背景，融合OBE理念，從五個方面提出了若干改革創新舉措：將新型土木工程材料和實驗技術與教學內容有機結合，延伸和豐富教學內容，真正讓學生動起來、忙起來;將專業設計大賽和大學生創新創業項目融入實驗課程中，著力提升學生分析和解決工程問題的能力;將虛擬現實等信息化技術應用到實驗課程之中，有效解決部分學生參與度不高的現狀，最終實現培養新工科背景下實踐和創新型人才的目的。

[關鍵詞] 土木工程材料;新材料和實驗技術;虛擬現實技術

[基金項目] 2020年度天津大學新工科人才培養平臺“智能建筑與建造人才培養平臺”

[作者簡介] 李志鵬（1982—），男，山西大同人，工學碩士，天津大學建筑工程學院工程師，主要從事綠色混凝土試驗技術研究。

[中圖分類號] G642.0 [文獻標識碼] A [文章編號] 1674-9324（2022）09-0089-04 [收稿日期] 2021-09-06

一、背景

“土木工程材料”課程屬于土木工程專業課程中的核心課程，是構成整個土木工程項目的基石。當前，一些學者對“土木工程材料”課程進行了教學改革探討，主要集中在如何解決土木工程材料課程課時少、教學內容繁雜、提高學生的參與度以及調動學生自主學習的能力等方面的問題。劉冰宇等人結合“三創”教育對土木工程材料課程進行創新，旨在激發學生的創新能力[1]。時國松等主張采用項目驅動法進行土木工程材料課程改革，提出改變課堂考核機制，從創新驅動和任務驅動兩大方向著手課程改革[2]。曲廣雷等人結合“雨課堂+PBL”的教學模式，對土木工程材料課程進行了教學改革與實踐，旨在探索契合工程教育專業認證“解決復雜工程問題”理念的教學方法，豐富工程教育理論，提供一種簡單、可行的“土木工程材料”課程教學方法[3]。

總之，“土木工程材料”課程的特點在于知識面廣泛、理論與實踐緊密結合。當前，新工科建設和“工程教育專業認證”稱為熱點問題，新工科是一種新的工科形態，是對教育理念、專業結構、培養模式、教學質量、發展體系的提升;工程教育的OBE（Outcomes-Based Education）理念堅持以成果為導向、以學生發展為中心、持續改進的現代工程本科教育教學理念，為新一代工科的教學落實工作提供了重要參考[4]。高校從事工科專業教育教學改革發展應以我國新工科教育理念實踐為發展牽引，嘗試積極探索新的工科教學模式。

二、課程教學現狀分析

“土木工程材料”課程涉及理論教學和實驗教學，其教學目標是讓學生熟練掌握土木工程材料的基本概念及原理;熟練掌握土木工程材料性質與材料結構的相關關系;了解土木工程新材料及實驗新技術。本文從教學內容和教學方法兩個方面對“土木工程材料”教學實踐現狀進行分析。

（一）教學內容

在課堂教學中，“土木工程材料”課程主要講授土木工程材料基本性質，無機膠凝材料、水泥混凝土、水泥砂漿、建筑鋼材、木材、建筑高分子材料等材料性質與材料結構的關系，各種材料的力學性質、測定方法及影響因素。隨著土木工程新材料、新技術不斷地更新迭代，“土木工程材料”課程以介紹傳統土木工程材料的基本理論知識為主，內容偏于陳舊且時效性差，導致學生對新型土木工程材料了解較少，對傳統課堂內容的興趣不高。

課程的實驗教學包括土木工程材料的基本性質實驗、水泥實驗、無機膠凝材料實驗、水泥砂漿質量指標檢測及配合比設計實驗、新拌混凝土和易性及強度檢測實驗、鋼筋力學性能實驗、石油瀝青實驗等。這些實驗教學項目按照預先分配的課時分散進行，試驗課程涉及的試驗偏于單一，不適合學生進行整體試驗內容的了解，所學內容未能形成一個整體，同時也缺乏對實驗新技術的了解。

因此，在當今新工科建設背景下，結合工程教育OBE理念，開展“土木工程材料”課堂教學和實驗教學內容的創新與實踐是十分必要的。

（二）教學方法

“土木工程材料”大多通過各種多媒體電子課件形式進行課堂教學，以任課教師主動講解和學生操作課堂演示內容為主，學生被動接受所學知識，課堂教學枯燥無味，課堂教學以任課教師為指導主體，學生被動接受灌輸，缺少課堂師生互動，學生自主學習知識的積極性不高，不利于知識的掌握與專業培養。試驗課程的教學內容相對陳舊，教學內容繁雜，知識點眾多，而學時有限，教學任務量大。建筑材料領域的新材料及新工藝未能在日常的試驗教學課程中體現出來，特別是建筑材料試驗課程，并未針對新型土木工程材料編制并設計相應的試驗課程;同時建材試驗課程目前沒有進行過相應內容的更新，導致學生在實際學習的過程中興趣不高。在新工科背景下建筑領域與互聯網技術的融合也勢在必行，如何將互聯網技術與傳統的混凝土技術進行有機結合實現智能建造的目的，也是目前試驗課程改革的一個方向。

三、教學改革與創新

基于以上存在的問題，結合新工科建設和工程教育改革理念，從五個方面提出了改革舉措，形成了“土木工程材料”課程改革思路（如圖1所示）。

（一）將土木工程新材料納入課堂教學中

隨著新材料的不斷發展，可以將土木工程新材料納入課堂教學中。在土木工程領域應用較為成熟的新型材料有：透水混凝土、自修復混凝土材料、FRP復合材料、高強混凝土等。

本文以透水混凝土、自修復混凝土材料為例進行講解。透水混凝土是一種無細骨料的多孔、輕質結構[5]，透水性和透氣性良好，能夠有效緩解城市內澇，改善城市生態環境。透水混凝土一般多用在輕交通情況下，例如人行道或者小區路面[6]。自修復混凝土是混凝土向智能化發展的產物。混凝土在外力或者環境作用下會產生裂縫，影響使用壽命。自修復混凝土能夠將分泌出的黏結液滲透到裂縫中，使其裂縫重新愈合，實現恢復甚至提高混凝土性能的效果[7]，確保混凝土結構安全并延長使用壽命。美國伊利諾伊大學的ATRE實驗室在混凝土橋面上使用脆性管和密封膠進行橫向收縮裂縫現場控制和修復，發現由于修復膠黏劑彈性模量低，相比未開裂前，裂縫愈合區表現出更大的變形能力[8]。

以上土木工程新材料可以采用線下和線上教學相結合的方式，學生在線上完成相關知識的學習，線下可以以研討的方式讓學生展現所學知識，并討論新材料的特點及應用領域，增強學生學習的主動性。

（二）將先進實驗技術體現在實驗環節中

先進的實驗技術為土木工程材料發展注入了強心劑。隨著我國工業4.0建筑過程工業化深入推廣，建筑施工信息技術正朝著工業信息化和全自動化的方向快速發展[9]。3D打印混凝土在建造過程中實現了無模板應用，同時不需要機械振搗，減少了對人力資源和資金的需求，推動了建筑行業的自動化生產。3D打印混凝土技術按照數字模型成型的行進路徑，將水泥基材料作為打印材料，通過層層堆疊，最終形成三維結構或者構件的技術。在“土木工程材料”實驗教學中，可以有機結合土木工程實驗材料新技術，采用線上線下相結合的方式，線上讓學生了解土木工程材料實驗新技術的概念及基本原理，線下豐富和拓展實驗教學內容，真正讓學生動起來、忙起來。

（三）以賽促教，賽教融合，提升教學質量

大賽為大學生量身打造科技實踐創新平臺，不斷加強培養大學生的科學創新精神和社會科學素養，提升工程師的實踐創新能力，促進校際的科技文化交流。以賽促教，賽教融合，可以提升教學質量。結合每年舉辦的3D打印混凝土龍舟大賽，通過比賽提升學生的土木工程材料方面的理論水平與實踐能力。在參賽過程中，通過混凝土配合比性能設計檢查環節，考查參賽學生3D打印混凝土設計方案的合理性、科學性、經濟性和適用性;考查參賽學生的理論基礎、掌握成熟程度和綜合動手操作能力;通過動手操作和技能訓練環節，考查參賽學生動手操作的規范性、熟練程度及現場凝土配合比性能調整的主動應變能力;通過拌合物工作性能預估評價檢查環節，考查參賽學生設計所得新型的拌合物混凝土綜合工作性能與期望結果之間的性能匹配合理程度、操作規范性、分析嚴謹性和理論科學性。大賽充分鍛煉了參賽學生的語言溝通表達能力和團隊協調合作意識。該大賽對大學生土木工程材料實踐能力的培養有極強的推動作用。

此外，由教育部無機非金屬專業教學指導委員會主辦的全國大學生混凝土材料設計大賽極具創造性和挑戰性。積極動員學生參加此大賽，能夠提高學生的土木工程材料領域的理論水平與綜合實踐能力。通過專業知識筆試、配合比設計及試驗操作三方面，綜合考查學生的土木工程材料基礎理論知識及混凝土配合比自主設計等應用能力。通過參加此大賽，可以提升學生的動手和創新能力、運用專業知識和相關工具解決問題的能力，這些能力的提升也符合新工科建設思想及工程教育OBE理念。

（四）與大學生創新創業訓練計劃項目高效結合

高校創新創業教育改革是中央高校教育教學改革的突破口和重中之重[10]。將全國大學生高校創新創業實踐訓練項目與“土木工程材料”的實驗教學各個環節高效緊密結合，在任課教師的專業指導下，讓廣大學生更加能夠主動地積極投入實踐教學中。這種全新的課堂實踐教學方式能夠有效引導學生主動進行思考，在教學實驗中如果學生發現到了問題，能夠及時地和實驗教師一起進行交流探討。在開展創新創業實踐訓練項目中，鼓勵學生提前接觸各類科研項目，走進實驗室，協助研究生開展科研實驗，能夠充分調動學生參與各類科研活動的興趣，積極培養大學生的實踐能力。

（五）實驗教學與虛擬現實等信息化技術有機結合

實驗教學是“土木工程材料”教學課程的重要環節，但由于實驗室教學客觀條件的限制，通常是由任課教師親自進行課堂講解、演示，或者教師播放一段課堂相關實驗教學視頻后，由6～8名學生組成主導小組共同開展課堂實驗，這種教學模式導致課堂實驗往往由個別同學主導進行，部分學生的實驗參與度不高，很難通過整個課堂實驗教學步驟來加深對實驗基礎知識的深入理解。可以將虛擬現實等信息化技術與實驗教學有效結合，首先嘗試采用“一人一機”的教學形式讓學生進行模擬實驗操作，確保每位實驗學生對具體實驗教學目的、方法、步驟和結果數據分析等內容有充分的了解后，再開展實體性實驗。這樣不僅可以保證讓每位學生對所完成的實驗做到心中有數，也可以有效避免因學生實驗操作不熟練而導致的各種安全隱患。

在當今新工科體系建設和工程教育專業認證發展背景下，本文基于教學內容和教學方法進行了“土木工程材料”的教學現狀分析。接著基于新工科融合OBE，提出了改革舉措：將土木工程新材料和實驗新技術納入教學中，延伸和豐富教學內容，真正讓學生動起來、忙起來;將專業設計大賽和大學生創新創業項目融入實驗課程中，著力提升學生分析和解決工程問題的能力;將虛擬現實等信息化技術應用到實驗課程之中，有效改善部分學生參與度不高的現狀，同時也改善教學內容繁多課時緊張的現狀。通過“土木工程材料”課程的教學改革，可提高教學質量，實現培養新工科背景下實踐和創新型人才的目的。

參考文獻

[1]劉冰宇，楊光.基于“三創”教育的《土木工程材料》課程教學改革探索[J].創新創業理論研究與實踐，2018，1（10）：34-35.

[2]時國松，王巍浩，齊彥萌.土木工程材料課程項目驅動法教學改革[J].智庫時代，2019（28）：164-165.

[3]曲廣雷，仲玉俠，常廣利，等.基于“雨課堂+PBL”的“土木工程材料”課程教學改革與實踐研究[J].科技與創新，2021（15）：162-163.

[4]顧佩華.新工科與新范式：概念、框架和實施路徑[J].高等工程教育研究，2017（6）：1-13.

[5]易晨光，譚燕，張維維，等.透水混凝土的透水性能試驗研究[J].混凝土，2021（1）：110-114.

[6]張國強.透水混凝土試驗性能研究[D].廣州：廣州大學，2018.

[7]劉鵬，賈平，周宗輝，等.自修復混凝土研究進展[J].濟南大學學報（自然科學版），2006（4）：287-291.

[8]MJL García， A M Camarasa. Repair and prevention of damage due to transverse shrinkage cracks in bridge decks[J]. Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering，1999，3671（3）：253-256.

[9]張超，鄧智聰，侯澤宇，等.混凝土3D打印研究進展[J].工業建筑，2020，50（8）：16-21.

[10]劉貴芹.深化高校創新創業教育改革進一步提高人才培養質量[J].中國高等教育，2016（21）：5-7.

Exploration and Practice of the Teaching of Civil Engineering Materials Course with OBE Concept under the Background of “Emerging Engineering Education”

LI Zhi-peng， ZHANG Jin-rui， YANG Rong-wei， ZHU Hai-tao

（School of Architecture and Engineering， Tianjin University， Tianjin 300350， China）

Abstract： The vigorous construction of civil engineering infrastructure in China has led to the rapid development of new civil engineering materials and technology. At present， there are some problems in the course of Civil Engineering Materials， such as the outdated teaching content， the slow updating of the development of new materials， new technologies and new processes， which leads to students’ low interest in the study of the Building Materials Experiment Course and the poor teaching effect of the course. Based on the development background of “emerging engineering education” and the OBE concept， this paper puts forward several reform and innovation measures from five aspects： organically combining new civil engineering materials and experimental technology with the teaching content， extending and enriching the teaching content， and really making students busy in study; integrating the professional design competition and college students’ innovation and entrepreneurship projects into the experimental courses to improve students’ ability to analyze and solve engineering problems; applying virtual reality and other information technologies experimental courses can effectively solve the current problem of low participation of some students， and finally achieve the goal of training practical and innovative talents under the background of “emerging engineering education”.

Key words： Civil Engineering Materials; new materials and experimental technology; virtual reality technology