以新工科需求為導向的土木工程實踐課程改革
——以土木工程材料課程實踐環節為例

崔 冬，徐志洪，賴建中

（1.南京理工大學 理學院，南京 210094；2.南京理工大學 材料科學與工程學院，南京 210094）

人類社會已經進入了一個前所未有的科技創新活躍階段。習近平總書記曾經在2016 年舉辦的全國高校思想政治工作會議上指出，“我們對高等教育的需要比以往任何時候都更加迫切，對科學知識和卓越人才的渴求比以往任何時候都更加強烈”。近年來，教育部立足于“中國制造2025”“大眾創業、萬眾創新”等重大發展戰略，主動應對新一輪的科技變革與產業革命，開展新工科建設[1-2]，力爭成為全球新一輪工程教育改革的先導者與引領者。新工科高校建設“三部曲”——“北京指南”“復旦共識”“天大行動”的陸續提出，更是直接聚焦未來新興行業領域，開辟工程教育改革新征途[3]。在新工科建設的大背景下，探索工程人才的培養規律，創新工程人才的培養模式，構筑工程人才的素質框架，已然成為國內高校工科教育急需解決的重要課題。

作為人類作用于自然環境的重要活動之一，土木工程是舉足輕重的國民經濟支柱型行業。如今，將可持續發展的思想納入土木工程行業的建設與發展中，實現經濟社會與自然環境的協調統一，更是成為當前土木工程行業的關注熱點和發展趨勢，同時也對土木工程專業培養的畢業生質量提出了更高的要求。在新工科建設思想的戰略指導下，國內高校應優化土木工程專業的人才培養模式，構建體系化的實踐教學管理機制[4]，從人才培養方案的修訂著手，積極推動專業建設、校企合作和產教融合，對土木工程專業進行全面的教學改革，其中，也包括對于課程教學中的實踐環節進行深度改革[5-6]。

一、土木工程實踐課程的教育現狀與改革必要性分析

作為國內高校工科土木建筑類各專業的基礎課程之一，土木工程材料課程，其教學任務是向學生闡述土木工程材料的基本理論，讓學生明確工程材料的組成要素、制備工藝、組織結構與宏觀性能的構效關系；使學生掌握常見土木工程材料的性能指標、檢測手段及其應用場景等基礎知識及專業技能[7]。長期以來，國內工科高等教育存在著不同程度上的理論與實踐分配不均衡問題。具體表現之一是，在土木工程專業的人才培養方案和教學設計環節，對于實踐本身缺乏足夠的重視，理論占比大，實驗教學的課時相對不足。但是，從學生的知識框架或者是專業需求上來看，土木工程專業的學生畢業后主要從事的設計規劃、工程管理及健康監測等就業方向，其實都是更加注重于實用性的。在這種客觀情況下，書本中的理論知識固然重要，但更為關鍵的是要學以致用。國內學生的操作能力相對薄弱，這是不爭的事實。因此，必須從課程設計這一源頭上加以修正。另外，在現有實驗課程的安排中，驗證性實驗居多，其設置初衷主要是為了支撐教材結論，而非引導學生思考。實驗教學方法比較簡單，方式也較為單一，主要由指導教師直接進行操作演示。課堂氛圍靈活性差，師生互動少，學生的學習積極性難以充分調動，對于學生操作能力的培養達成度更是嚴重不足。此外，還存在實驗考核評價機制不合理、實驗教學內容滯后于現代工程技術的實際發展等弊端。上述問題的存在，都直接阻礙了符合新工科內涵的土木工程專業高質量人才的培養。

因此，需要對現有的實驗教學方式進行改革，將教學任務由單一型目標轉變為復合型目標，保持與現代土木工程技術的同步發展。經過長期探索，結合土木工程專業主干課程實踐環節的內容及特點，將存在關聯或相似性高的課程實驗進行整合、歸納，將傳統的驗證性實驗優化為綜合的開放性實驗，并引導學生積極開展以發明創造為目標的研究型實驗，深化實踐課程改革，建設實踐教學平臺。接下來，以土木工程材料課程為例，闡述以新工科發展需求為導向的土木工程專業課程教學實踐環節的實施路徑。

二、土木工程專業實踐課程改革與平臺建設的實施路徑

作為一種全新的工程教育理念，新工科建設的落足點，是培養具備嚴謹求實特征、批判性思維、全球化視野、善于溝通與交流等核心競爭力，能夠適應甚至引領未來工程發展的復合型人才，可以做到自主學習、終身學習，守正創新，追求卓越。基于新工科的理念內涵，主要嘗試從課程內容、實驗平臺、管理機制和工程實踐等幾個方面深入開展實踐環節的教學改革與創新探索。

（一）脈絡清晰，凝練多層次的實踐教學課程內容

首先，要在有限的實驗課時內，盡可能讓課程內容結構完整、脈絡清晰，需要在現有的實驗內容中進行挑選，合理布局，統籌安排。具體來說，應當加強基礎實驗的教學內容[6]，保證有關常規材料性能試驗的課時數是充足的。比如水泥標準稠度用水量測試、普通混凝土拌合物和易性測試等，這些實驗項目作為基礎內容需要強化，而那些相對耗時較長的實驗項目，比如水泥體積安定性測量、水泥凈漿凝結時間測量等，就可以考慮在課堂上以倍速播放實驗視頻，將實際操作與多媒體手段相結合，保證實驗過程的完備性，同時也提升了課堂效率。另外，考慮到某些實驗的相似度比較高，可以進行合理的歸并、刪減。比如混凝土用骨料試驗，無論是細骨料——粒徑小于4.75 mm 的砂，還是粗骨料——粒徑大于4.75 mm 的石子，其篩分析、表觀/堆積密度等試驗的測定方法是類似的。因此，學生只需系統地學習細骨料的篩分實驗，即可掌握重點內容。

其次，化零為整、舉一反三，考察學生綜合能力。可以考慮將幾個有內在關聯的實驗內容，整理成一個完整的設計綜合型實驗[6]。例如，普通混凝土配合比設計試驗，這一實驗涵蓋了土木工程材料課程中相關章節的多個知識點，如混凝土用骨料性能、混凝土拌合物試樣制備、拌合物和易性測定及立方體抗壓強度檢驗等多項內容，原則上可以整合成一個連貫性很強的綜合型實驗。在具體的教學過程中，由于是已經講解過的知識點，指導教師無需親歷親為，可以只進行必要的口頭提示，提供實驗裝置、場地和源材料，由學生為主體完成實驗環節。這樣的教學模式，不但提升學生的參與度、活躍課堂氣氛，對于培養學生統籌兼顧的全局觀念也大有裨益。

再者，把握科技脈搏，增設智能制造內容。在“科教興國”“智能強國”的時代背景下，新產品、新技術不斷問世，為我國科技創新和經濟社會發展添薪助力。為了適應當今社會和新興產業對于高技能復合型人才的迫切需求，“增材制造技術應用”已于2019 年6 月被教育部納入新增專業名錄。俗稱“3D 打印”的增材制造技術，是一項通過計算機輔助軟件設計與材料加工成型數控系統，將金屬、陶瓷和塑料等源材料層層堆疊，從而搭建出實體結構的制造技術，有著“能夠引領產業變革的顛覆性技術之一”的美譽，目前在生物醫藥、服裝服飾、集成電路、房屋建筑及航空航天領域都有所應用。結合大數據研究與人工智能系統，可以實現復雜產品的多功能集成優化設計，更是為增材制造技術在材料、工藝、結構和性能等方面的跨越式發展提供支撐。增材制造領域的復合型人才需求日益增加[8]，但是，增材制造專業領域現有的課程體系，主要是在原本相近專業的基礎上增設的，人才培養規模總體偏小，理論與實踐環節的教學比例協調性不足，培養出來的畢業生與企業需求有一定脫節，現階段還無法滿足社會、行業的需求。另外，如果想要建設出一個真正意義上完備的實驗操作平臺，考慮到增材制造領域種類繁多，需要購置大量價格不菲的軟、硬件設施，這對絕大多數的院系來說，是無法獨立支撐的。因此，有限的實驗室條件，直接導致增材制造專業的實踐教學體系不夠完善。鑒于增材制造對于專業教學設備需求的特殊性，在進行課程體系建設時，更需要通盤考慮理論內容與實踐環節的協調與均衡，考慮社會、行業與企業的人才需求，讓學生在掌握增材制造基礎理論知識與實踐技能的同時，具備應對不同崗位需求的定制化技能，真正實現人才的個性化培養。

（二）開放共享，打造創新型的實踐教學實驗平臺

工科專業的實驗實訓平臺，通常對于開放時間有著嚴格的規定，一般只在教學期間對外開放，要求學生在規定的時段完成實驗項目，這就導致學生所開展的實驗工作往往缺乏深度，只是一味地模仿，一定程度上抑制了學生的發散思維，扼殺了學生的求知欲，也不利于學生創新意識和實踐能力的培養。為了營造出自由的學術氛圍，在保障日常實驗教學的前提下，打破封閉狀況，統籌安排實驗時間，對于實驗室管理與實驗教學都進行了改革，嘗試打造出開放、共享和創新型實踐教學實驗平臺。

安全有序是高校實驗室日常運行的重點。如何建立健全高校實驗室的安全保障體系，在確保安全的大前提下保質保量地完成各項實驗教學任務，已經成為高校實驗室管理部門的工作重點。在實驗過程中的任何一個環節里，任何人的安全意識都必須貫徹始終。學生經過實驗室安全教育與培訓后，可根據實際情況選擇感興趣的課題，全天候地進入到實驗實訓場所，充分使用設備資源。鼓勵行有余力、興趣盎然的學生參與到教師的科研項目中，將科學研究成果轉化為實踐教學內容，以研促教。比如，鼓勵學生參與教師的混凝土結構耐久性研究課題，了解混凝土中氯離子侵蝕、堿-骨料反應及碳化與鋼筋銹蝕等耐久性指標，這樣可以讓學生更加深刻地理解鋼筋混凝土結構耐久性研究的重要性。此類創新型研究活動，作為課堂教學的拓展與延伸，也是學生科學思維培養的重要環節，能夠激發學生對于從事科研工作的濃度興趣，對于學生的職業生涯規劃產生潛移默化、潤物無聲的影響。

同時，以“蘇博特”杯混凝土材料設計大賽、“挑戰杯”科技學術競賽和“互聯網+”創新創業大賽等活動為載體，鼓勵學生積極參與各類創新創業賽事，并提供研究項目供學生挑選，經由各類型學術競賽與創新創業大賽，以賽促學，培養學生的創業創新精神和團隊協作意識。可供選擇的研究課題所涉范圍廣泛、層次豐富，比如，醫療與醫技保障功能綜合集成的方艙醫院，是如何在短短幾日內交付竣工，體現“中國速度”的？如何將大數據和BIM 技術結合，做好工程造價信息化的頂層設計，提升工程造價管理績效？再比如，聚焦“碳達峰”“碳中和”戰略目標，開展混凝土與水泥制品全行業的低碳轉型研究，以科技創新為能源轉型保駕護航。結合工程事故案例，如上海長寧區廠房“5·16”坍塌重大事故、福建泉州欣佳酒店“3·7”房屋坍塌事故和湖南長沙望城區“4·29”居民自建房倒塌事故等，向學生強調材料性能對于工程結構質量的重要性，讓學生學會在專業技能與日常生活、生產實踐之間建立聯系，并以此為契機做好價值引領，塑造學生的社會責任意識與職業道德規范。

（三）智慧課堂，構建體系化的實踐教學管理機制

為了培養出適應未來需求的卓越工程科技人才，努力建設智慧型實踐教學管理平臺，構建體系化的實踐教學管理機制。由于土木工程材料課程內容繁多、體系冗雜，因此在實際教學時，教師要格外注重授課內容的精細化，提質去量，梳理脈絡，精心組織，將核心內容和重點內容充分展現出來，方便學生進行主次分明、詳略得當的學習。而想要深入推進土木工程專業實驗教學環節和工程實踐的改革，首先需要構建出一支年齡布局合理、學緣結構均衡，基礎扎實、技藝精湛、責任心強及認真負責的師資隊伍；同時在不同層次的實驗教學中，注重不同專業、年齡層次的教師搭配，充分發揮資深教師的經驗優勢與青年教師的富有激情和創新精神，多專業交匯、多層次融合，形成一門課程，多名教師協同授課、相互補充和相互促進的教學模式。

重視利用智慧教學媒介的優勢，推動實驗實踐教學的信息化與智能化，促進實驗教學與過程管理的深度融合，完善從網絡選課、教學管理、安全教育與培訓、微課講解和實踐操作到課程考核與評價等全方位、一體化的實踐測評體系與教學管理機制，打造輻射課內與課外、線上與線下的智慧型、體系化的工程教育實踐教學綜合管理系統。高度信息化的管理水平，在一定程度上也將有益于推動高校工程教育實踐教學管理機制更加豐富的內涵建設。

（四）知行合一，開展零距離的工程實踐教學活動

在“產學研”深度融合、協同育人的指導思想下，土木工程材料課程應該調整授課內容的分配比例，在確認聽課學生已充分理解理論專業知識、掌握操作技能后，可適當增加與實際生產密切關聯的實踐環節。讓學生能有機會零距離地接觸到實際工程。比如，在墻體材料的實踐教學環節，可組織學生到建筑施工現場進行參觀、調研，不僅讓學生見識到磚、砌塊和板材等墻體材料，還可以進一步了解到應根據當地的資源優勢和環境因素，因地制宜、因天制宜地進行墻體材料的挑選。例如，我國南方地區工裝建筑的墻面材料要多考慮防潮防水、耐候抗壓性，而北方地區工裝建筑的墻面材料要多考慮保溫隔熱性。這種專業知識講授與工程實際生產相互促進、交叉滲透的工程實踐教學模式，彌補了單純課堂教學的不足，大幅度提升了總體的教學效果。

“大廈之成，非一木之材也；大海之闊，非一流之歸也”。在高等院校工科專業的人才培養中，校內教師由于缺乏實際生產與試樣設計的實戰經驗，無論采用何種教學方式，其實也很難精準把握企業需求，這就需要高校與企業層面通力合作、共同發力，協同培養兼具專業技能和創新精神的綜合型人才。首先，高校應支持并鼓勵專任教師參與到企業項目的實際開發中，近距離接觸生產線，積累生產經驗，促進學校與企業的深度融合。一方面，這將有助于科技成果向實際生產力轉化；另一方面，也為專任教師培養符合新工科建設需求的應用綜合型人才提供源頭活水。其次，高校應主動聘請具有豐富施工經驗的工程技術人員，作為學校兼職教師定期開辦講座，也可以參與到日常教學中；并與校內專任教師協力合作，修訂人才培養方案；共同打造工程專業實驗實訓基地，為增材制造卓越人才教育培養提供物質基礎和技術保障。最后，高校應積極接洽發展方向融合點多且融合度高的相關企業，保持長期穩定的合作關系，定期組織師生走入企業調研，熟悉企業生產規范，了解合作企業的文化及運營流程；開闊眼界、增長見聞，提升學生的應用能力與就業競爭力。

三、結束語

新工科建設如火如荼，對于我國高校工科教育與土木工程專業人才培養提出了新的要求。以土木工程材料課程為例，對土木工程專業的實踐教學環節進行深度改革，凝練課程內容，打造實驗平臺，構建管理機制，開展工程實踐，不斷升級符合新工科建設內涵要求的教學新方法、教育新途徑，在強化基礎實驗的前提上增加綜合型、探索型實驗，并與新興技術結合，鼓勵學生以賽促學，兼顧基礎專業技能與創新實踐能力的全面提升，為培養符合新工科建設需求的高素質人才提供有力保障。