新工科背景下“土木工程概論”課程模塊化教學模式探索

向 澤， 宋 娟， 楊期柱， 賀海斌

(邵陽學院 城鄉建設學院， 湖南 邵陽 422000)

“工業4.0”給工程教育帶來了新挑戰和新機遇，未來工程教育要解決專業技能知識的局限問題，將人文情懷融入科學技術，實現知識、素質與能力的平衡，提高綜合水平。“新工科”是我國工程教育在新經濟與新技術方面提出的重要對策，培養應用型創新人才已成為“新工科”建設的核心目標，而實現該目標的基礎和關鍵在于課程教學。

“土木工程概論”是學生了解土木工程專業知識的首要課程，對學生樹立正確的工程思維具有重要作用。傳統的“土木工程概論”課程教學模式具有教學目標不明確、教學內容固化及教學方法單一等諸多弊端，缺乏對學生主觀意識的引導，限制了學生的創新思維，嚴重地阻礙了土木工程應用型創新人才的培養。因此，探索新的“土木工程概論”課程教學模式已成為“新工科”土木專業課程教學創新的關鍵課題。

隨著高等教育的多元化發展，應用型高等院校快速崛起，模塊化教學模式以一種新型教育理念進入高等教育領域。應基于教學目標，按照模塊化教學思路重構教學內容，將知識、能力與素質融入各個模塊，并借助適當的教學方法，充分調動學生積極性，提高學生的創新思維、團隊協作意識及批判反思精神，加深學生對土木工程建造屬性的科學認識。作為傳統工科專業的典型，土木工程專業因受到傳統教學模式與固定思維范式的影響，模塊化課程教學改革并不深入。本文面向“新工科”建設目標，對“土木工程概論”課程教學目標、教學內容以及教學方法等進行改革，探索以學生為中心的模塊化教學模式，引導學生積極思考，培養其工程意識和創新思維，塑造其精益求精、追求卓越的職業工匠精神，以推動土木專業課程教學的高質量開展，對促進工程教育專業認證和提高土木工程應用型創新人才培養質量具有較大意義。

一、“土木工程概論”課程教學現狀

質量為王，標準先行，教學標準是改善教學質量的重要前提和基礎。根據圖1所示的“新工科”課程建設理念[1-2]，目前我國高等院校的“土木工程概論”課程教學存在多方面不足，難以滿足新時代工程教育的可持續發展及應用型創新人才的培養要求。

圖1 “新工科”課程建設理念

(一)教學目標脫離應用型人才培養方案

傳統“土木工程概論”課程教學目標的制定是學科導向的，土木工程專業是根據學科劃分設置的，教學模式用于解決確定的及顯性的問題，專業知識注重學科知識框架的整體性，教學目標強調學科需求，而對實際需求考慮不足，通常不考慮畢業要求或培養目標。這也導致學生甚至教師對“土木工程概論”課程認識片面，缺乏對創新意識、工程思維及工匠精神培養的重視。

林健等基于“新工科”背景下的普渡大學工程教育創新建設，提出專業課程的教學目標除了專業基本技能的知識要求外，還應該加強挖掘專業知識傳授過程中的人文元素，以提高學生的職業精神等綜合素質[3]。王儀等基于模糊綜合評價理論，構建了以應用型創新人才培養方案為導向的教學目標達成度模糊綜合評價體系，能幫助發現支撐培養方案指標的“土木工程概論”課程教學目標的不足[4]，有效促進教學質量的持續提升。Qin等以實際土木工程應用為出發點，制定了“土木工程概論”課程教學目標[5]，有助于土木工程應用型創新人才的培養。

(二)教學內容固化

傳統的“土木工程概論”課程教學內容通常固定不變，是基于教材設置的，與畢業要求并無直接關聯。“土木工程概論”課程教學內容過分注重知識框架的整體性，而缺乏多學科多專業的交叉融合，難以訓練土木工程專業學生的創新思維。“土木工程概論”課程教學走進了講授局限于教材的怪圈，與信息時代高速發展的土木工程新知識嚴重脫節。

周新剛等基于畢業要求的內涵指出：根據畢業要求，不僅可以確定“土木工程概論”課程教學內容是否達到標準，還可以核查教學目標是否恰當[6]。據此構建的土木工程專業課程矩陣才能使“土木工程概論”課程教學目標符合畢業要求，實現課程教學內容支撐起畢業要求的目的。鄭娟等針對“新工科”背景下應用型本科土木工程專業課程開展了教學創新，認為學生除了學習土木工程專業的知識外，還應加強對哲學藝術等人文情懷的培養，以實現工程教育的高素質人才培養目標[7]。面對大數據時代土木工程的發展，張嬋韜等指出“土木工程概論”作為土木工程專業基礎課程，其教學內容需適應時代的發展趨勢，提高學生培養質量[8]。

(三)教學方法單一

傳統“土木工程概論”課程教學為“填鴨式”的灌輸型模式，課程知識主導課堂，教師是知識傳輸的權威，而學生為知識接收的工具。課堂教學只是為了完成知識復制，嚴重降低了課堂教學質量。這種課堂扼殺了學生的高階能力，忽視了深度思維在事物改造中的功效。重教輕學，師生溝通機制不靈活，是傳統教學模式下的典型弊病，至今仍占主導地位，不利于“新工科”建設目標的實現。

Sherif等針對2016—2017學年的三個土木工程本科班級，嘗試運用以學生為中心的教學方法，以提供更多有意義的學習機會，加強學生對教學內容的理解，并通過期中小組訪談和期末調查收集學生的反饋，評估新教學方法的效果。結果表明，新教學方法有效地提高了學生的創新思維等綜合能力[9]。徐亞利基于模塊化教學創新思路，開展了合肥學院土木工程專業課程模塊化教學模式研究，有效融合了知識與創新，提高了土木人才的綜合素質[10]。為改變學生被動接收知識的現狀，孟萍提出將工程案例引導式教學方法應用于課堂[11]，重視方案的思考過程及解決問題的方法，培養學生的創造力和想象力。程思嫄等針對土木工程專業實踐性強的特性，開展了研究并指出：工程案例教學方法能夠提高學生自主解決問題的水平[12]。陳春來等結合教學過程中“以學生為本”的思想，對“土木工程概論”課程教學方法進行了創新研究，提出了理論聯系實踐的工程案例教學方法[13]。陳卓異等針對“土木工程概論”課程提出了中英雙語教學模式[14]，前沿化教學內容，使教學與國際化人才需求接軌，體現了工程教育的可持續化發展。

土木工程作為典型的傳統工科，尤其需要創新發展。雖然土木工程專業的部分課程已有面向“新工科”建設的教學改革研究與實踐，但“土木工程概論”課程這方面的深入研究仍極為缺乏。因此，亟需基于“新工科”建設目標，探索“土木工程概論”課程模塊化創新教學模式，提升課程教學質量，為培養土木工程應用型創新人才奠定基礎。

二、模塊化教學模式

應基于“新工科”建設目標，以學生能力培養為導向，對“土木工程概論”課程教學目標、教學內容以及教學方法進行改革，形成高質量的模塊化教學模式，推進“新工科”建設。

(一)明確新工科課程教學目標

“新工科”建設需要切實做好人才的需求調研，根據市場需求確定土木工程人才培養方案和畢業要求，然后再修訂“土木工程概論”課程教學目標。“土木工程概論”課程的教學目標應以構建專業基礎知識框架、培養工程思維以及樹立社會責任感為主。

在“新工科”形式的驅動下，“土木工程概論”課程應引導學生主動了解和發現市場應用，做到多學科交叉融合，讓學生認識當今土木工程發展趨勢及行業需求，培養其專業興趣，引導學生自主學習，為后續課程學習打下堅實基礎。模塊化教學模式將基于“新工科”土木工程應用型創新人才能力培養要求，以行業需求為導向，制定“土木工程概論”課程教學目標，從多角度提升學生的綜合素質，特別要注重其創新意識的培養與工匠精神的塑造，為培養土木工程應用型創新人才奠定基礎，使“新工科”建設與“課程思政”建設產生協同效應。

(二)重構教學內容

為合理地確定課程教學內容，教師需要根據制定的課程教學大綱，鉆研國內外高等院校同學科專業的課程教學內容；基于學校辦學理念，重新構建課程教學內容，讓知識點更豐富、新穎，使重難點突出，以實現理論學習與工程實踐的結合。

“土木工程概論”課程教學內容應圍繞教學目標展開，對教學章節內容進行細化與重組，將教學內容模塊化(如表1)，分為緒論、土木工程材料、基礎工程等七個內容模塊，而將土木工程施工、工程防災減災(如抗風抗震等)、學科發展前沿等知識點科學合理地融入相應的內容模塊。每個內容模塊與相應的教學目標對應，構成知識點—教學目標的相關性矩陣，以保證“土木工程概論”課程教學目標的達成。要完成教學內容、實現教學目標，關鍵在于建立能有效提升學生創新能力、塑造其工匠精神并與教學模塊內容直接相關的土木工程案例庫。

表1 模塊化教學模式

當今，技術發展極為迅速，大量新事物伴隨新技術不斷涌現。因此，“新工科”概念被應時提出，強調注重多學科創新融合來適應新發展；課程教學需要密切關注產業規劃，融入技術創新。“土木工程概論”課程的教學內容應結合實際土木工程，如港珠澳跨海大橋、青藏鐵路及疫情期間火速建造的方艙醫院等真實工程項目，加強專業知識和科學技術的創新融合：應用最新的技術發明及研究成果，如新型建造材料、施工方法、BIM技術、3D打印以及智能監測等，持續豐富課程教學內容。由于科學技術的高速進步，新的知識大量呈現，很多知識在“土木工程概論”教材中已無法同步，需及時豐富課程內容，確保課程教學內容的先進性。“土木工程概論”課程的教學內容涵蓋土木工程多項基礎設施，需要根據時代發展持續更新。如，在開展課程教學時，基于“交通強國”戰略的推進，在道路工程模塊增加了交通工程相關知識點；基于可持續發展的綠色建造理念，引入超高性能混凝土(UHPC)及耐候鋼材在土木工程中的應用；隨著跨海超級工程的建造，增加了深海橋梁墩臺及基礎工程的局部沖刷內容介紹；隨著人工智能技術在土木工程領域中的創新應用，將信息技術融入各項土木工程單體設施的建造過程中，如人工智能機器人在橋梁工程檢測中的應用、智能優化理論在土木工程設計中的應用推廣等。

模塊化教學模式將基于“新工科”建設下的“土木工程概論”課程教學目標，模塊化教學內容，并根據土木工程發展前沿、身邊工程項目及當前媒體熱點等持續更新教學內容，開拓學生思維，培養創新意識。

(三)多樣化教學方法

教學方法是“土木工程概論”課程教學改革的重點，是落實教學目標和適配教學內容的關鍵。“新工科”建設特別強調研究型教學方法而不是灌輸型教學方法。知識的傳授應將單向教育轉變為雙向或多向互動，使得知識在師生之間多向傳輸，提高知識傳遞的效率；思考是創新的關鍵，思維的活動應將傳統的“句號式”課堂升華為新型“問號式”課堂。教師應該激發學生自主思考，對知識產生“問號”，而學生應該進一步變“問號”為“句號”。師生間的情感活動應融入知識課堂，這樣不僅能增加情感交流，更能引起學生的課堂興趣。此外，引入開放式課堂能高效協調時間、空間和教學內容。時間上將課堂向課外進一步延伸，空間上將教室拓展至圖書館或土木工程實驗室等，而內容上則突破教材限制，充分利用網絡化資源。這樣，學生可以基于“土木工程概論”課程知識，不斷提升自主學習的能力。

模塊化教學模式將基于“新工科”建設目標，重點探索適應“新工科”應用型創新人才培養的“土木工程概論”課程的模塊化教學方法，對每個模塊的教學內容配套工程案例進行講授，以案例驅動教學。同時，對于課程內容較多的模塊，可采用翻轉課堂進行教學，充分調動學生課外學習知識的積極性，提高課堂的學習效率；對于章節知識點有鮮明特征的內容，可通過對比分析的教學方法，引導學生主動思考，培養其自主創新的能力，如橋梁工程與建筑工程的力學原理、橋梁工程設計與道路工程設計的關聯性等；而對于日常生活中常見的工程問題，可以問題導向的方式開展分組討論，培養學生自主解決問題的能力，如石膏粉刷的墻壁開裂、基礎沉降導致的墻體開裂等。基于教學內容特點采用多樣化的教學方法，可以培養學生的工匠精神，激勵學生不斷提升自身綜合素質，每個內容模塊所對應的主要教學方法如表1所示。

“土木工程概論”課程教學方法注重將教學內容以創新豐富的方式展現出來，針對教學大綱的每個教學內容模塊，結合新時代土木綠色低碳建造、工業化裝配式結構、綜合管廊、高性能工程結構、BIM技術、3D打印、智慧城市與智能交通等創新技術，建立經典土木工程案例庫并持續更新，將案例反映的工程建造過程、人文倫理以及社會責任感等信息傳輸給學生，以達到預期教學目標。

三、結語

在“新工科”建設背景下，結合工程教育專業認證，通過提出“土木工程概論”課程的模塊化創新教學思路，探索與高等教育理念、工程建造機理以及社會發展規律相符的新課程教學模式。在新的模塊化教學模式下，課程教學將打破學科結構，直面社會需求，實現多學科知識的交叉融合；學生將打破傳統應試方式，立足學生的綜合能力培養。“土木工程概論”課程模塊化教學模式，真正彰顯了“新工科”背景下的“新”，融合了專業知識和創新能力，有利于提升學生認知水平和綜合能力，并能為其他工學類專業課程的教學改革提供借鑒。