“新工科”背景下高校“土木工程材料”課程教學創新性研究

朱婧 徐方

摘?要：在當今全球第四次工業革命的科技浪潮中，在我國“新工科”體系建設與促進學科交叉融合發展背景下。本研究通過針對“土木工程材料”課程的特點及教學現狀，從教學模式、知識體系、考核標準、創新改革等多個方面進行持續優化改進。按照人才成長規律改進人才課程培養機制，加快培養出符合國家科技人才培養要求和社會需要的工程綜合型專業人才，為加快建設成教育強國、科技強國、人才強國提供不竭動力。

關鍵詞：新工科；創新；土木工程材料；學科交叉；專業人才

2013年德國提出工業4.0后，以深度網絡化、綠色資源化、高度智能化、個性化工業定制及人工智能等為主要特征的第四次工業革命正在以前所未有之勢逐漸達到全球化。人工智能、虛擬現實、3D打印、物聯網、基因工程等一系列新興技術領域不斷突破其瓶頸，從而刷新甚至顛覆了人類對傳統制造工業的認知。我國隨后提出了以網絡化、智能化、數字化制造為發展趨勢特點的《中國制造2025》，將制造工業的發展與現代化網絡信息技術進行高度融合，為工程行業的新發展提供了新方向。本文以第四次工業革命、“新工科”建設為研究背景，以“土木工程材料”課程為對象，主要研討了“土木工程材料”課程特點、現狀、建議、創新改革等內容［1］。

1?傳統“土木工程材料”課程特點及地位

“土木工程材料”課程是土木工程、安全工程、管理等工程類專業的必修課程之一，該課程含有大量工程類材料基礎專業知識，涉及范圍較廣、綜合性知識較多、理論與實踐結合較強，該課程涉及工程材料的發展、各個材料的基本性質與用途，其中包括凝膠復合材料、普通木材、金屬與非金屬材料、有機與無機化學材料、普通硅酸鹽混凝土、瀝青混凝土等諸多內容。

目前高校在工程類學生專業培養方案中，“土木工程材料”課程都占據著不可撼動的地位，中國地質大學（武漢）工程學院的學生培養計劃中，“土木工程材料”課程共48學時，其中，理論教學共安排12周，平均每周安排1～2節理論課，實驗課教學為7次，按照實驗類型依次排課，占比為14學時，理論課程與實驗課程相結合。

工程材料是建筑物的重要組成部分，建筑物的使用年限很大一部分受到材料的影響［2］，因此選取合適的材料可以達到事半功倍的效果。同時，隨著復雜工程的逐漸增加，也推動了“土木工程材料”的創新發展，兩者是緊密相連的?！巴聊竟こ滩牧稀弊鳛槿瞬排囵B方案中的專業核心課程之一，人才培養的高要求也對課程教學提出了更高的要求。因此，針對該課程進行“新工科”的培養理念與教學改革的探索，對工程類專業的教學改革具有重要指導意義。

2?“土木工程材料”課程教學現狀及建議

2.1?傳統理論教學方式缺乏活力

目前大多數高校的專業課教學方式仍基于傳統的多人數式教學，教師過于注重課本中專業知識的傳播，忽略了對學生接收能力的培養，再加上“土木工程材料”課程內容較多、內容較散、客觀敘述性強，課堂缺乏積極性與趣味性，學生主動學習能力差，很容易對知識的理解與實踐應用能力產生負面效果。

在實驗課程方面，課程的實驗教學包括不同鋼筋的力學性能檢測實驗、水泥砂漿配合比優化設計實驗、建筑材料的基本性質實驗、混凝土強度檢測和易性實驗、膠凝材料力學性能實驗等?？紤]到實驗安全性、參與人數密度大等諸多問題，有些課程只是教師進行簡單示范，未必能夠較好地培養學生的實踐動手能力與創新性思維。

建議：高校要進行教學創新，可以嘗試研究討論式教學、翻轉課堂、線上教學、小班教學等新教學方式。我校在進行線上教學時主要采用雨課堂學習平臺，課上可以實現多元化教學，相比于傳統板書講述，信息化的教學更加方便。利用網絡學習平臺，學生可以登錄平臺提前進行課件預習。網絡平臺還可以實現線上教學答疑和遠程管理，課下師生可以通過學習平臺進行不定期的學習復盤等。借助雨課堂平臺進行的“土木工程材料”課程，師生反饋效果較好。

在傳統實驗教學中，實驗室也只能在指定時間由教師的帶領才能使用，為了培養學生動手能力和增加分析與思考的時間，實驗室采取開放式措施。為合理利用實驗室資源，提高利用率，重新制定了實驗室使用制度和實驗室管理規定，實施了實驗申請預約和實驗計劃審批制度，實現了實驗時間、空間、項目、設備和指導的全面開放［3］。在保證一次性進入實驗室人數2人以上、提高安全防護意識、且滿足前提規則后，實驗室在教學期間24h對學生開放，開放式的實驗大環境可以打破課時限制，學生可以自主合理地安排實驗時間，對于感興趣且有創新想法的實驗可以多次進行，不僅滿足了創新技術產生的硬性條件，還滿足部分虛擬仿真實驗與現實實驗相結合，真正做到了模擬與實踐的融會貫通。

2.2?理論教學與實際行業對接不足

我國在公路、鐵路、橋梁、隧道、房屋建設等一系列大規?；A建設中穩居世界前列，建筑行業不僅大力推動發展了一大批新的施工工藝、技術和新型建筑材料，也產生了相對應的新施工管理方法和理論。

一方面，由于目前理工科類高校中工程教材通常采用經典教材，高校理論教材遠遠滯后于工程實際，新技術、新工藝、新材料的發展在課本中更新也較為緩慢。單以工程專業教學大綱“土木工程材料”作比較，常用的課本中常見的膠凝材料類混凝主要有普通硅酸鹽混凝土、石膏混凝土、瀝青混凝土等，與實際工程中的混凝土聯系緊密但還遠遠不夠。比如目前工程中較為新型的混凝土材料主要有輕質混凝土、自密實混凝土、粉煤灰含量較高的混凝土等。目前創新性工程智能材料有壓磁材料、光導纖維、碳纖維智能材料等［4］；目前使用較為成熟的新型工程材料有：超高性能混凝土、液態金屬、3D材料、保溫防火保溫板、抗滲水混凝土、修復型膠凝材料、過硫磷石膏礦渣混凝土等［5］。

另一方面，區域性工程項目的技術壁壘導致學生專業性技術發展不全面。例如在我國西南地區，多以山地丘陵為主要地貌，地形高差也較為懸殊，地質情況較為復雜，相比于我國中部地區，以平原為主，地形高差起伏不大，地質情況相對簡單，區域工程也勢必符合當地地質情況而生，由此產生的工程類型可能會存在較多的差異，會導致學生在工程認知方面存在不足。這些都在一定程度上阻礙了人才培養的全面化、綜合性發展。

建議：在教學與研究過程中需要合理地引用當前工程項目中的新工藝、新技術、新方法，適當地淘汰教材中的舊技術、舊工藝，遵循課程教學聯系當前施工新技術的教學原則，以施工實際為導向全方位引起教學的重點，有利用減少學生與施工實際接觸較少形成的壁壘，從而從教材方面先行，達到事半功倍的教學效果。

在了解并學習常見的工程材料外，同時提高課程中對新材料的敏感度，在課堂教學中適當引入一些建筑行業的新型材料，讓學生先在課下通過不同途徑尋找目前工程行業發展已經投入生產、即將投入生產的新材料，在課上讓同學講解新材料的特點及應用領域，進行展示后同學互相進行交流，這樣不僅可以將被動接受式學習轉換為主動探討式學習，可以增強學生學習的主動性、趣味性，還可以有效激發學生的探索興趣、學習興趣、思考問題的能力。

2.3?課程評價考核量化不足、可操作性不強

目前，高校理論實踐課課程考查方式主要有平時成績計分、課堂參與出勤率、單元測試、隨堂測試、課后作業、學習報告、理論試卷考查、論文考查等。課程考查方式層出不窮，為多元化考核提供了參考依據。

原本考查課程的方式僅體現在對學生理論知識的考核，其考查標準過于單一。通過考試與實驗兩部分為參考依據，不能完全體現出學生的創新能力。通過課堂檢測、小組類型的課堂展示、課后作業均不能有效地反應學生的課程學習與掌握情況?？己藰藴实母淖兪菫榱诉m應“新工科”的建設要求而進行的匹配性改革，但制定出合理的課程考核標準需要進行科學的評價方法。該標準的制定不僅是學科建設與教學改革的重要任務，也是“新工科”教學的重要體現之一。

建議：現擬采取一種考核標準多元化的方法，結合“新工科”教學培養理念，從知識掌握能力、綠色環保創新性思維能力、實踐操作能力、項目完成情況、課程論文幾個方面進行考核、校準多元化的評價，從理論、創新思維、動手能力、結合實際、創作能力多方面出發，在檢驗中進行學習總結并加強鍛煉。多元化的考核標準優點是可以較好地體現出學生在課程學習后的知識積累量，缺點是考核內容偏多，側重點可能會突出不明顯。因此，考核標準還需要繼續完善，達到相對科學、合理、符合學生的比例標準后進行考核，例如標準的實施需要結合課程同時進行，這樣可以有效避免學生結課后考核任務較多產生負面影響。因為學生思維能力與寫作能力具有先天差異性明顯這一特點，創新思維與論文的考核占比應相對較少。同時，動手能力與理論學習能力占比應在中等范圍，學者認為，應突出學生結合工程實際的能力，學生在校學習專業理論知識后應為實際工程而出發。課程進程中以及結束后，教師及時給予學生針對性的建議，以有效建議促進學生進步和促進學生教學反思，進而達到檢驗的目的性、有效性。

優化學生對課程教師評價體系，較多高校目前尚未特別關注學生對教師的課程評價。評價通常以問卷形式進行，問卷的形式缺乏真實性、客觀性，單一的評價方式會在一定程度上限制了教師的教學方式，因此，各高校需要建立科學的課堂、課下質量評價；完善教學質量評價的指標體系，從不同角度出發，不同課程采用不同的評價指標［6］；建議教學質量評價的信息反饋機制，定期定量地進行評價正反饋。

3?“土木工程材料”課程的創新改革

3.1?基礎學科交叉的理論優勢

多學科交叉是目前高校培養應用型、復合型、創新型人才的重要體現之一［7］。本次學科交叉將化學專業、物理專業的課程理論知識融入“土木工程材料”課程的水泥、石膏、混凝土、瀝青、石灰等章節，從化學工藝、反應機理和物理性質角度出發，跳出傳統的知識框架，更加深入地了解各材料物理特點、化學反應機理形成工程材料的完整體系，深入了解各材料特性，形成膠凝材料的機理；促使學生能夠自主運用化學物理專業相關理論知識掌握工程材料的基本性能以及技術特征，并能夠在以后的實際施工應用中多角度分析其機理。交叉學科下的新課程可以充分擴展學生視野，培養學生的創新能力。同時，引導學生將我國土木工程行業發展需要和可持續發展理念相融合，培養學生的社會責任感和專業情感，促使學生探索出對“土木工程材料”的創新和優化設計方法，培養高素質綜合型人才。

3.2?實驗教學與虛擬現實等信息化技術相結合

隨著我國工業信息化、自動化的深入推廣，新時代的建筑施工技術也正朝著該方向發展。中國地質大學（武漢）不但擁有安全工程、土木工程等一流學科，還擁有“雙一流”建設學科，分別是地質學、地質資源與地質工程等。我院教師還自主研發了“新奧法隧道施工工法虛擬仿真實驗”等多種新型模擬仿真實驗平臺，不僅可以實現高度模擬真實的工程施工條件，還能對設定的實驗數據進行理論推導分析，評估實驗的可行性與風險性、預測實驗的結果等。因此，我校在引導學生進行科技創新與產業結合方面、學科深化理論研究方面、虛擬現實、仿真模擬實驗方面具有潛在優勢。利用虛擬仿真實驗與課程教學結合，可以有效增強教學的直觀性、生動性和豐富性，避免危險實驗；能夠達到污染實驗綠色化、操作盲區可視化、長時實驗短時化、大型實驗簡要化，可以幫助學生更好地去探索工程實驗類學科實驗知識，提高整體學科素養。在“土木工程材料”實驗課教學中，實驗教學可以結合工程材料方面的已生產創新成果的新材料［8］。在線上進行教學是要確保讓每位學生在做模擬實驗前都能夠提前進行預習。線下由任課教師親自進行課堂講解、演示、豐富和拓展實驗課程的教學內容，讓學生親自動手參與，教師與學生進行實驗討論。在培養動手能力的同時，不斷促進創新思維的形成。讓學生真正做到學習有所依據、學時有所思考，學后有所收獲。

3.3?創新創業、挑戰杯等賽教融合

學校積極舉辦或組織參與相關的大學生創新創業實踐培訓、挑戰杯、結構大賽等創新性項目，比賽的內容可以與“土木工程材料”理論課程以及實驗教學環節高效緊密結合，即實現了教學內容可操作化，還鍛煉并增強了學生的創新性思維能力。大賽組隊鼓勵不同學院、不同專業、不同年級學生交叉組隊參賽，目的就是讓大多數學生更積極地參與大賽項目，實現各學科、各年級的學生優勢互補，用比賽的形式激發學生的創新思維，提升學生“土木工程材料”方面的理論水平，激發學生的創新思維，營造濃厚的科技交流學習氛圍，不斷加強大學生科學創新精神和社會科學素養的培養。此外，小組有專業教師進行指導，如果學生在參賽期間有了新的創意想法，也能夠及時地和實驗教師一起進行交流探討。

結語

在“新工科”工程專業方向，各工科類院校研究的重點是如何培養新形勢下的土木工程專業高素質復合型人才，怎樣可以有效提高學生解決工程問題的實踐能力［9］。本文主要在課程教學方法上進行研究與探索，研究注重以學生為主導地位，學生自主學習、提前預習、課下復習，線上線下教學相結合的學習方式，通過虛擬仿真實驗加強實踐操作能力，通過課程報告、相關創新性比賽增強實踐操作。為工程行業發展凝聚新興力量，為社會主義現代化強國的發展培養更多具有創新能力、實踐能力和國際競爭力的工程專業技術人才。此次土木類學生在“土木工程材料”課程理論知識體系方面與實踐能力提升方面的探索對于培養應用復合型人才具有重要意義。

參考文獻：

［1］趙穎，丁衛，劉瑤，等.基于CDIO教育理念的土木工程專業材料力學實驗教學改革［J］.山西建筑，2018，44（08）：241242.

［2］安明喆，吳萱，潘雨.土木工程材料課程教學內容改革［J］.高等建筑教育，2006（02）：8992.

［3］李宏斌，宇云飛，孟志良.新工科背景下土木工程專業試驗課程教學改革——以土木工程材料課程試驗為例［J］.河北農業大學學報（社會科學版），2020，22（05）：115120.

［4］凌競遠.土木工程材料新進展及其應用［J］.現代職業教育，2021（28）：164165.

［5］李志鵬，張津瑞，楊榮偉，等.新工科背景下融合OBE的土木工程材料教學探索與實踐［J］.教育教學論壇，2022（09）：8992.

［6］張威，賈建鋒，李昱穎.學科評估視域下高校教師評價體系：改革動因、要素構成和體系建構［J］.現代教育管理，2022（09）：8493.

［7］錢凱，吳優，劉兵，等.互聯網時代多學科交叉融合土木類專業課程體系實踐與研究［J］.中國新通信，2022，24（10）：146148.

［8］趙亮，姚爽，李永強.“新工科”背景下《土木工程材料》教學改革與實踐探討［J］.河南建材，2019（04）：273274.

［9］杜巖，謝謨文，劉彩平，等.土木工程新工科人才培養探索與實踐［J］.高等理科教育，2021（05）：8185.

基金項目：全國青年教師教育教學研究課題（2018?QNJ032）

作者簡介：朱婧（1982—?），女，漢族，湖北武漢人，碩士，講師，研究方向：土木工程材料課程教學研究。