基于科教協同理念的土木工程材料課程教學改革實踐

曾 剛，李 崢，王元元，徐福衛

(湖北文理學院 土木工程與建筑學院，湖北 襄陽 441053)

人才培養、科學研究、社會服務、文化傳承創新、國際交流與合作是國家和社會賦予高校的主要職能。立德樹人是中國特色社會主義教育事業的根本任務，也是高校的時代使命。教學和科研是高等院校的永恒話題，對高校教師而言，教學是立身之本、科研是發展之道。對于人才培養而言，教學和科研關系密切，二者相輔相成[1]。從根本上說，科研是探索未知的世界，是教學的“源”；教學是繼承已知的知識、技能和經驗，是科研的“流”。柏林大學創始人威廉·馮·洪堡指出，大學科研是直接服務于教學和人才培養，并把科研和教學相結合的理念作為柏林大學的教學基本準則。錢偉長先生的“拆圍墻”理論指出，大學必須拆除教學與科研之間的高墻，教學沒有科研做底蘊就是沒有觀點的教育、沒有靈魂的教育。

高等教育以能力和素質培養為核心。湖北文理學院土木工程專業人才培養方案中培養目標包括具備較扎實的專業理論知識、較強的工程實踐創新能力和一定的科研素養。理論知識、創新能力和科研素養三方面的要求是相互關聯的，如圖1所示。在課堂教學過程中應充分發揮科研的育人功能，促進科研與教育相結合，著重培養學生的科學精神、創造性思維和科研能力[2]?？平倘诤鲜窍冗M的教學理念，是高校人才培養的戰略選擇[3-4]。吳愛華等[5]認為實施科教結合協同育人行動計劃對于推動人才培養水平和創新能力提升有積極成效。因此，開展科教協同理念應用于專業人才培養的探索和實踐是一件非常有意義的工作?？平倘诤蠀f同育人還存在將學科特色、科研成果與育人情懷有機融入教學、教材、課堂的路徑不暢通，最新的科研成果并沒有完全融入課堂教學中，導致所培養的畢業生工程實踐創新能力欠缺[6-7]等問題。

高校教師不僅要讓學生掌握課程基本理論，更應該培養學生的自主學習和創新能力。文章以土建類專業必修課土木工程材料課程為例，針對科教協同理念用于課程教學改革實踐進行了探討。將科研項目、科研活動引入課堂教學和學生學習過程中，以提升學生學習興趣，開闊學生學術視野為目的，提出“理論知識、創新能力、科研素養”三位一體教學目標，以培養有扎實理論基礎、良好創新能力及較好科學素養為育人目標。通過在教學中不斷融入科學研究的思維、方法和成果，探索實踐出一套緊跟時代發展，培養優秀土建類專業人才的教學模式。結合任課教師所承擔的工程服務及科研項目，將工程實際融入土木工程材料課程實踐中，在講好教材基本理論的同時，延伸學科發展前沿和工程熱點問題，開闊學生的眼界和視野，提升學生的學習興趣和動力。在課堂教學中強調職業道德、刻苦鉆研、科學嚴謹等意識，培養學生良好的學習習慣；積極引導和指導學生參加教師的各種課題，強化學生發現問題、分析問題和運用所學解決工程實際問題的能力，培養學生的科學素養和實踐動手能力。

圖1 湖北文理學院土木工程專業培養目標

一、土木工程材料課程性質及教學困境

(一)土木工程材料課程定位

土木工程材料是一門主要研究各種建筑材料的組成、構造、生產與加工方法、技術性能、質量檢驗及如何選用的學科[8]。課程教學內容涉及材料的基本性質、氣硬性膠凝材料、水泥、混凝土與砂漿、墻體材料、建筑鋼材、木材、石材、瀝青與防水材料、合成高分子材料、絕熱材料與吸聲材料，以及建筑裝飾材料等[9]。通過該課程的學習使學生掌握常用土木工程材料的基本性質、技術性能、質量控制要求及檢測方法，了解材料的制備、性質與結構的關系，以及性能改善的途徑，能針對不同工程要求正確合理地選用材料，為畢業后在材料的選擇、優化設計、施工和管理打下基礎[10]。課程教學目標是讓學生掌握基礎理論、專業知識、專業技能和綜合能力所需的相關知識，達到知識、能力和素養的全面培養，教學目標具體如圖2所示。

圖2 土木工程材料課程教學目標

(二)土木工程材料課程特點

土木工程材料種類繁多，課程內容相對龐雜，概念術語多[11]。如無機膠凝材料中的氣硬性膠凝材料有石膏、石灰、水玻璃和菱苦土四種，而有機膠凝材料包括瀝青、樹脂、橡膠等。通用硅酸鹽水泥按混合材料的品種和摻量分為硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥、礦渣硅酸鹽水泥、火山灰硅酸鹽水泥、粉煤灰硅酸鹽水泥、復合硅酸鹽水泥。

定性的文字性描述或經驗規律的結論較多[12]。如同一種材料的孔隙率越大，其密實度越低，材料的表觀密度越小，強度越小。材料的開口孔隙率越高，其耐水性、抗滲性、抗腐蝕性能越差。

實踐性與綜合性強[12]。土木工程材料是指工程建設中所使用的各種材料及其制品的總稱，是決定建筑物結構設計形式和施工方法的重要因素，課程所涉及的各種材料與實際工程聯系極為緊密。

(三)土木工程材料課程教學困境

目前，土木工程材料課程在教學中存在教學內容跟不上新材料、新工藝、新技術和新規范的更新速度，教材內容滯后于實際；理論教學和實踐應用脫節；教學內容枯燥乏味，學生學習興趣不濃，學習主動性不強等問題[13]。對于教材和教學內容滯后于實際的問題通過引入教師的科研項目和科研成果可有效緩解；通過介紹教師主持或參加的社會服務及生產實踐性項目可以實現理論知識和工程實踐應用的有效銜接；在教學過程中通過采用問題為導向、啟發性和研究性教學方法可提高學生的學習興趣和學習主動性。

二、科教協同理念下的土木工程材料課程教學改革

根據土木工程材料課程定位、課程特點及教學困境，在深化科研工作促進教學改革的指引下，從科研工作凝練轉化為育人素材和資源的銜接點、課程教學中挖掘科研工作與專業知識的切入點、科教協同理念的實施路徑、科教協同理念實踐效果等方面分別闡述，深入探討科教協同教學理念在土木工程材料課程教學中的應用和實踐。

(一)科研工作轉化為教學素材的銜接點

土木工程材料課程一般包括理論教學和實驗教學兩部分。理論教學中關于科研活動或科研成果轉化為育人資源的銜接點有：講解學科領域的基礎知識、研究現狀和前沿動態發展趨勢，用科學的思維、嚴謹的態度、嚴密的邏輯講解知識點，熏陶感染學生，吸納學生參與教師的縱向橫向等各級各類研究課題，指導學生參加學科競賽活動，申報大學生創新創業項目，指導學生撰寫學術論文，面對面交流學習成果和成效。實驗教學過程中的銜接點有：組織學生參觀實驗室等科研場所，指導學生設計實驗方案，在完成驗證性實驗的基礎上開展探索性實驗，組織學生到建材市場、混凝土攪拌站、構件制作廠、施工場地等地開展現場調研。這些都可以考慮深入挖掘并凝練轉化為教學素材和育人資源。

(二)課堂教學理論知識與科研成果切入點

引入教學大綱之外的教學內容需謹慎，要妥善選擇好教學切入點，控制好專業發展新成果引入的深度和廣度[14]。如果科研成果引入得太專業太深奧可能適得其反，不利于提升課堂教學質量。一方面，如果忽視了本科生的基本學情，知識點太深太難會占用較多課時，甚至會使學生有退怯畏懼心理，從而失去學習信心；另一方面學術性太強使授課成了學術報告，使得部分學生對課程的學習興趣降低?？平虆f同理念和課堂教學的切入點，不僅要將土木工程材料學科最新研究成果和發展方向傳授給學生，激發專業學習興趣和自我成才的動力，而且要讓學生對教學內容感興趣、愿意聽并且聽得懂。因此，在教學方法選擇、教學方案設計時要深入思考，在教學過程實施中要適時根據學生課堂參與度、學生的學習熱情等作相應調整。

(三)科教協同的教學實施方式

在講解土木工程材料重要性時，采用問題式教學方式引入A structural engineer who is ignorant about the “ins and outs” of the civil engineering materials can never be a competent designer這句話的翻譯。中文的意思是不知道土木工程材料的來龍去脈,就只能是一位不稱職的土木工程師。進一步讓學生思考為什么說不懂土木工程材料的土木工程技術人員是不稱職的。材料是土木工程的物質基礎，材料費一般占工程造價的50%～60%，選擇物優價廉的材料對降低工程造價、節省建設投資意義重大。材料也是建筑物的質量基礎，是決定其結構設計形式和施工方法的重要因素，進一步加深學生對課程的重視。因此，學好土木工程材料課程對于一個合格的土木工程職業人員是非常重要的。

土木工程材料的發展歷史是人類文明進步和生產力水平不斷提高的見證，是人類在生產活動中不斷探索實踐中的選擇。采用啟發式教學介紹土木工程材料的發展史，歷經古代、近代和現代三個階段，表明了事物發展是前進性與曲折性的統一，要用發展的眼光來看待問題，鼓勵學生要敢于創新，勇攀高峰。正確看待挫折和失敗，對學生正確認識事物發展的曲折性和前進性有重要意義?？蓴U展延伸到中國共產黨是歷史和人民的選擇，引導學生樹立遠大理想和愛國主義情懷，激發學生勇敢地肩負起時代賦予的光榮使命。

講解土木工程材料發展方向時，給學生布置開放性作業，即以小組為單位查閱文獻和相關資料論述土木工程材料未來發展前景和趨勢。每個小組根據完成的調查報告展開互動交流，教師作點評總結。通過資料搜集、文獻總結、小組合作、互動交流的方式提高學生課堂參與度和學習熱情。

講解鋼筋混凝土的起源時，通過故事引入其發明者既不是工程師，也不是建筑材料專家，而是一位園藝師。他從打碎的花盆里花木根系縱橫交錯將松軟的泥土牢牢連在一起的發現中得到啟發，將鐵絲仿照花木根系編成網狀，然后與水泥、砂石攪拌砌花壇，有效避免了花壇被游客踏碎。通過這個案例引導學生要主動思考探索，養成觀察自然現象的習慣，培養觀察事物的興趣和能力，鍛煉創新能力，主動去調查、去體驗、去探索分析，這樣才能全面、細致、深入地了解事物，才能透過事物的表面抓住事物的本質。

講解土木工程材料標準時，采用案例教學法引入偷工減料豆腐渣工程致使發生工程事故，強化學生對標準重要性的理解。進一步介紹標準的知識點，土木工程材料標準規范是對材料產品統一制定的技術要求和執行標準，其內容主要包括：產品規格、分類、技術要求、檢驗方法、驗收規則、標志、運輸和儲存注意事項等。它一方面可促進企業加強管理，提高生產率，保證產品質量；另一方面，使用部門應當按標準選用材料，使設計和施工標準化，從而加快施工進度，降低工程造價。同時，技術標準也是生產和使用單位對產品質量進行驗收、確認產品質量是否合格的依據。工程從業人員在設計、研發或施工時必須養成嚴格遵守國家、行業或地方各種標準規范的習慣，強化學生遵紀守法意識，牢記土木工程師的社會責任感和使命擔當。

結合課程教學內容和教師所承擔的各類課題項目，尋找讓學生參與各課題的切入點，將科研工作滲透到課堂教學和學生學習過程中，通過理論與實踐結合，一方面讓學生將理論知識運用到實際工程問題中；另一方面鍛煉學生發現問題、思考問題和解決問題的能力，培養學生的綜合素質和創新能力。在教師主持的磷石膏改性及其資源化利用項目中，帶領學生去磷化工廠磷石膏堆場實地調研，在了解到作為大宗固體廢棄物的磷石膏的快速減量消納是工廠復工復產的前提時，學生興趣得到激發，對磷化工廠的生產設備、技術工藝和生產流程產生了一定的興趣。講解了磷石膏的性能與技術要求，介紹了項目的研究目標、研究內容及研究方案，學生在參加磷石膏改性固化劑研發時，掌握了固化劑的組成材料及配方、作用原理。在道路建筑材料和墻體材料中實現資源的合理化利用是磷石膏快速減量消納的主要方式。磷石膏在道路工程中作為墊層能有效解決磷石膏遇水軟化導致耐久性、耐候性差的問題，而磷石膏改性制免燒磚應用于墻體材料中，學生需要掌握原料配比、攪拌成型、養護、力學性能測試等全部流程和注意事項。通過參與科研項目，學生對課堂所學的磷石膏生產工藝與品種、水化與硬化、基本性能、技術要求及應用有了更深刻的理解，科研素養和創新能力得到同步提升。

實驗教學環節主要訓練學生材料性能檢測常用試驗儀器設備的操作，培養學生的實踐動手能力、團隊合作意識及愛護公共財物的良好習慣。對于成績優異的學生在完成驗證性項目后可進一步開展綜合探索性項目，理論聯系實際，更好地鞏固課堂所學，強化學生利用試驗手段解決工程技術問題的能力，提高其綜合素質。

講解通用硅酸鹽水泥時以生態文明為切入點，引導學生樹立正確的生態環境觀。硅酸鹽水泥摻加不同比例的粉煤灰、爐渣等大宗固體廢棄物材料，不僅可以增加固廢材料的消納方式和出路，還可以改善水泥的性能，既變廢為寶，又可為創建“資源節約，環境友好”社會作出應有貢獻。日愈嚴重的全球十大環境問題對社會提出了巨大挑戰，作為環境保護的主力軍，青年學生要堅信綠水青山就是金山銀山，努力學習，積極探索，勇于擔起重任，找尋合理可行的解決方法，為建設美麗中國而奮斗。

三、科教協同理念下土木工程材料課程教學實踐與改革成效

圍繞“理論知識、創新能力、科研素養”三位一體的教學目標，在課堂教學中突出了科研工作在人才培養中的重要作用，實現了科研與教學協同育人的融通。通過科教協同理念的探究與實踐使學生在理論知識、創新能力、科研素養等方面得到了較大進步，學習興趣提高，課堂參與度提升，互動氛圍更濃，學習主動性和自主學習能力更強，學習的目的性更加明確，從被動接受知識的狀態轉變成自主學習，對于課堂教學內容的理解顯著增強，鞏固并夯實了專業理論知識，理論聯系實際、理論應用于實際做得更好。學生參加科技創新活動積極性更高，創新意識增強，且更加熱愛創新，實踐動手能力及創新能力有明顯提高?；诳平虆f同理念，在教師的帶動和引領下，學生從事科學研究的興趣有所提高，學術視野有所開闊，激發了做科研的興趣和潛力。學生在教師的鼓勵、支持和指導下更早接觸科研活動，在文獻資料檢索、項目背景調研、實驗方案設計、項目申報、學術論文撰寫等方面有了全方位針對性訓練和培養，學生發現問題、解決問題的能力得以提升，不斷養成了良好的科學思維習慣，以及求真務實、踏實嚴謹的研究，學生身心得到全面發展。學生的科研實踐水平和能力逐步提高，科研素養等綜合素質更強，參加專業相關學科競賽，公開發表論文、申請專利、申請軟件著作權、申請大學生創新創業項目的人明顯增多。

根據對教學試點班級科教協同理念實施效果的信息收集和跟蹤調查。試點班級學生共47人，土木工程材料課程及格率為100%，與上一屆教學班級考試結果對比，最高分及平均成績均有所提高，學生參加各類學科競賽人數占全班總人數的70%，學生申請大學生創新創業項目7項，獲批立項大學生創新創業項目5項，其中國家級大學生創新創業項目2項，公開發表論文10篇次，申請國家實用新型專利3件，試點班榮獲校級“優良學風班”榮譽稱號。統計結果表明，科教協同理念在試點班級土木工程材料課程教學中取得了良好的教學效果，可啟迪學生的科研思維，強化知識應用和創新能力培養。

四、結語

湖北文理學院土木工程與建筑學院土木工程材料課程教學團隊，把握科教協同理念的深刻內涵，對于科研工作凝練轉化為育人資源的銜接點、研究成果與專業知識的切入點以及科教協同理念的實施路徑等進行了探究，提出的“理論知識、創新能力、科研素養”三位一體的教學模式收效顯著。

教育者先受教育，讓教師更好承擔起學生健康成長指導者和引路人的責任。高校教師要不斷提升育人水平，讓學生掌握課程的基本理論知識，更應該通過教學培養學生的自主學習和創新能力。在教學中不斷融入科研思維、方法和成果，培養學生運用課堂所學知識解決工程實際問題，強化學生發現問題、分析問題、解決問題的能力，培養學生的科學素養和實踐動手能力。

科教協同理念不僅增強了教學團隊教師教學水平和科研能力，而且提升了學生專業技能和綜合能力?；诳平虆f同育人理念，通過科研工程實踐和教學的相互結合，互相促進，達到了教學與科學研究的和諧統一，增強了學生學習的主動性和課堂參與度，強化了對學生知識應用、創新能力和科研素養的培養，為學生畢業后較快成為適應新時代新形勢下土建類專業人才打下了基礎。