新工科建設(shè)背景下水利類專業(yè)建筑材料課程模塊化教學(xué)模式探索

姜春萌，李雙喜，宮淼淼，宮經(jīng)偉

（新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院，新疆烏魯木齊 830052）

新工科是基于新一輪技術(shù)革命和產(chǎn)業(yè)變革時(shí)代背景，以“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”為核心內(nèi)容的工程教育新方向，深化課程教學(xué)改革是新工科建設(shè)的重要突破口[1]。建筑材料是水利水電工程、農(nóng)業(yè)水利工程、工程管理等水利類專業(yè)課程體系中的一門技術(shù)基礎(chǔ)課，其教學(xué)內(nèi)容主要包括無機(jī)非金屬材料、金屬材料、有機(jī)材料和復(fù)合材料等，課程內(nèi)容復(fù)雜、工程實(shí)踐性強(qiáng)，與學(xué)生科學(xué)思維、實(shí)操能力及工程意識(shí)聯(lián)系緊密，是培養(yǎng)高質(zhì)量應(yīng)用型人才和落實(shí)“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”的重要學(xué)科之一[2]。

在傳統(tǒng)教學(xué)模式下，建筑材料課程具有內(nèi)容繁多、知識(shí)點(diǎn)分散、實(shí)驗(yàn)占比高、講授方式單一和課時(shí)數(shù)偏少等特點(diǎn)，學(xué)生普遍存在“理論知識(shí)強(qiáng)記憶”“實(shí)踐應(yīng)用難理解”等問題，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)熱情不足、工程認(rèn)知不深入，難以達(dá)到新工科建設(shè)背景下“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”提出的目標(biāo)能力要求[3]。針對(duì)以上問題，本文擬從水利類專業(yè)建筑材料課程特點(diǎn)出發(fā)，圍繞課程結(jié)構(gòu)、教學(xué)體系、授課方法、評(píng)價(jià)模式等方面開展探索，提出符合新時(shí)代卓越工程師培養(yǎng)目標(biāo)的教學(xué)改革方案，為高校課程教學(xué)模式改革提供參考。

1 水利類專業(yè)建筑材料課程任務(wù)與特點(diǎn)

1.1 課程任務(wù)

水利類專業(yè)建筑材料課程內(nèi)容主要包括建筑材料基本性質(zhì)、無機(jī)膠凝材料、水泥混凝土、建筑砂漿、瀝青及瀝青混合料、建筑鋼材、墻體材料、屋面材料、防水材料、絕熱材料、吸聲材料及裝飾材料的基本理論與實(shí)驗(yàn)技能，其中水泥、水泥混凝土、瀝青及防水材料等內(nèi)容是水利類專業(yè)課程教學(xué)的重點(diǎn)。此外，建筑材料實(shí)驗(yàn)是本課程的重要教學(xué)環(huán)節(jié)，通過實(shí)驗(yàn)操作和數(shù)據(jù)分析，可以加深學(xué)生對(duì)材料科學(xué)的感性認(rèn)知以及對(duì)工程項(xiàng)目的深入理解，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)操技能、科學(xué)素養(yǎng)和解決工程實(shí)際問題的能力[4]。

建筑材料是水利類專業(yè)的基礎(chǔ)性課程，凡從事工程建設(shè)領(lǐng)域的相關(guān)人員均需要具備一定的建筑材料知識(shí)儲(chǔ)備。本課程通常在本科第3 學(xué)期或第4 學(xué)期開設(shè)，教學(xué)前要求學(xué)生掌握高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理、材料力學(xué)等基礎(chǔ)知識(shí)。課程教學(xué)結(jié)束后，學(xué)生應(yīng)掌握工程常見建筑材料的基本物理力學(xué)性能、工程應(yīng)用范圍、設(shè)計(jì)計(jì)算理論以及規(guī)范實(shí)驗(yàn)方法。此外，本課程內(nèi)容與水工鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、水工鋼結(jié)構(gòu)、水工建筑物等后續(xù)課程密切相關(guān)，因此在水利類學(xué)科人才培養(yǎng)體系中具有重要的基礎(chǔ)性地位。

1.2 課程特點(diǎn)

水利類建筑材料課程知識(shí)體系龐雜、基礎(chǔ)性要求較高，涉及的材料種類和材料性質(zhì)內(nèi)容繁多、分散。例如水泥、瀝青、石灰、混凝土、鋼筋等，每種材料的邏輯關(guān)系較差，導(dǎo)致各章節(jié)間的課程關(guān)聯(lián)度不高。本課程是一門既要求掌握理論知識(shí)又強(qiáng)調(diào)實(shí)踐應(yīng)用的專業(yè)學(xué)科，盡管教材中少有復(fù)雜難懂的數(shù)學(xué)公式和邏輯推理，但涉及較多物理、化學(xué)、力學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科知識(shí)，綜合性、理論性較強(qiáng)，要求學(xué)生具備一定的基礎(chǔ)知識(shí)和較強(qiáng)的理解能力，同時(shí)對(duì)于授課教師的知識(shí)儲(chǔ)備與講授技巧也提出很高要求[5]。此外，建筑材料課程具有鮮明的實(shí)驗(yàn)學(xué)科特點(diǎn)，各章節(jié)理論知識(shí)均配有相關(guān)實(shí)驗(yàn)任務(wù)，例如水泥的凝結(jié)時(shí)間與標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量實(shí)驗(yàn)、骨料的密度及顆粒級(jí)配實(shí)驗(yàn)、混凝土拌合物系列實(shí)驗(yàn)以及硬化混凝土的物理、力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)等，對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力和規(guī)范意識(shí)具有較高要求。然而，對(duì)于國內(nèi)水利類本科院校開設(shè)的建筑材料課程，其理論教學(xué)多為30～40 個(gè)課時(shí)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)為8～14 個(gè)課時(shí)，相比于其他基礎(chǔ)技術(shù)學(xué)科，課時(shí)量偏少。

2 建筑材料傳統(tǒng)教學(xué)現(xiàn)狀與存在的不足

2.1 教學(xué)模式單一，課程交互性不強(qiáng)

建筑材料課程體系至今已沿用三四十年，教材、培養(yǎng)方案以及知識(shí)結(jié)構(gòu)較為陳舊，傳統(tǒng)教學(xué)模式以教師講授基本知識(shí)點(diǎn)、演示實(shí)驗(yàn)流程為重點(diǎn)，課程教學(xué)過程中的材料基本概念、物理化學(xué)性質(zhì)、力學(xué)及耐久性能、用途范圍，以及實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中的實(shí)驗(yàn)流程、操作要點(diǎn)、計(jì)算公式等都需要機(jī)械記憶，仍以“教師講授、學(xué)生實(shí)踐”的先學(xué)后用模式為主，建筑材料與工程實(shí)際相結(jié)合的案例分析和知識(shí)講解較少，未能建立成熟的課程交互機(jī)制[6]。盡管教師可將PPT、實(shí)驗(yàn)視頻等作為授課媒介，但由于本課程與材料生產(chǎn)端、工程應(yīng)用端結(jié)合緊密，致使學(xué)生對(duì)部分概念理解起來比較困難，難以調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性。此外，隨著我國水利工程的快速發(fā)展，超級(jí)工程項(xiàng)目建設(shè)逐漸增多，超高性能材料應(yīng)用越發(fā)廣泛，由此衍生的工程和科研新問題廣受關(guān)注，而現(xiàn)階段課程講授內(nèi)容難以及時(shí)跟上新時(shí)代工程發(fā)展方向。在建筑材料技術(shù)發(fā)展迅速、特種新型材料大量出現(xiàn)、工程應(yīng)用領(lǐng)域愈發(fā)細(xì)化的趨勢(shì)下，由一位教師全程授課的模式難以對(duì)不同建筑材料特性進(jìn)行深入、科學(xué)講解。

2.2 課堂講授占比高，實(shí)踐聯(lián)動(dòng)性差

建筑材料課程教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)仍以教師課堂講授為主，學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)操作占比較低。實(shí)驗(yàn)教學(xué)是本課程的重要環(huán)節(jié)，通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)操和結(jié)果分析，可以豐富學(xué)生感性認(rèn)識(shí)、提高學(xué)生科學(xué)實(shí)驗(yàn)技能，進(jìn)而培養(yǎng)其解決工程實(shí)際問題的能力[7]。目前，課程大綱制定的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容局限于規(guī)范方法下的建筑材料性能測(cè)試，實(shí)現(xiàn)順序多為教師講授實(shí)驗(yàn)步驟與操作要點(diǎn)，學(xué)生機(jī)械記憶、記錄數(shù)據(jù)、書寫報(bào)告，該模式無法調(diào)動(dòng)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的積極性。另外，傳統(tǒng)的建筑材料實(shí)驗(yàn)課程僅圍繞材料基本性質(zhì)展開實(shí)驗(yàn)，例如骨料物理力學(xué)指標(biāo)測(cè)試、水泥混凝土配制、拌合物實(shí)驗(yàn)和基本力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)等，其類型仍以基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)、驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，基于課程內(nèi)容的探索性實(shí)驗(yàn)、創(chuàng)造性實(shí)驗(yàn)、綜合性實(shí)驗(yàn)占比極低，與材料密切相關(guān)的結(jié)構(gòu)性能、施工工藝等知識(shí)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中未體現(xiàn)，致使實(shí)驗(yàn)教學(xué)未發(fā)揮培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐操作能力的重要作用[8]。

2.3 考核方式單一，學(xué)生獲得感低

傳統(tǒng)的建筑材料課程考核方式以期末考試為主，綜合考慮平時(shí)作業(yè)、課堂表現(xiàn)與出勤率、實(shí)驗(yàn)報(bào)告完成情況，期末考試成績(jī)等，給出最終評(píng)分，其中各項(xiàng)指標(biāo)的占比根據(jù)授課教師的要求略有不同。盡管此種方式涉及了課程學(xué)習(xí)的幾個(gè)方面，但仍未實(shí)現(xiàn)全過程考核，難以反饋教學(xué)效果，未有效調(diào)動(dòng)學(xué)生的創(chuàng)造性，未增強(qiáng)學(xué)生的參與感。比如，期末考試成績(jī)占比較大，學(xué)生通過期末臨時(shí)記憶課程知識(shí)也能取得不錯(cuò)的成績(jī)；實(shí)驗(yàn)課程評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)僅以實(shí)驗(yàn)報(bào)告為主，缺乏過程考核，對(duì)于分組條件下不同學(xué)生的完成情況、貢獻(xiàn)程度無法有效區(qū)分，影響了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情；無論期末考試、平時(shí)作業(yè)，還是實(shí)驗(yàn)報(bào)告，均為靜態(tài)性文字材料，難以有效表征課堂和實(shí)驗(yàn)過程中各章節(jié)內(nèi)容的差異化特點(diǎn)，對(duì)學(xué)生綜合分析能力、科研思維以及表達(dá)能力等方面的評(píng)價(jià)不到位，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)獲得感較低。

3 建筑材料課程模塊化教學(xué)模式探索

3.1 基于“項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)、模塊教學(xué)”的課程體系優(yōu)化

項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)是指將教學(xué)內(nèi)容劃分為不同子模塊，將理論知識(shí)融入各個(gè)教學(xué)模塊的完成過程中，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐相結(jié)合的一種教學(xué)模式[9]。如表1 所示，根據(jù)課程內(nèi)容特點(diǎn)，以梯度化、差異化方式展開建筑材料教學(xué)方案實(shí)施，將教學(xué)內(nèi)容劃分為5 個(gè)模塊，由擅長(zhǎng)相關(guān)領(lǐng)域的不同教師負(fù)責(zé)對(duì)應(yīng)項(xiàng)目的理論教學(xué)、實(shí)驗(yàn)演示和項(xiàng)目競(jìng)賽等工作，并在此過程中針對(duì)性地融入虛擬仿真、翻轉(zhuǎn)課堂等教學(xué)手段。通過這種“項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)、模塊教學(xué)”的課程體系優(yōu)化，重新梳理知識(shí)點(diǎn)，圍繞項(xiàng)目需求設(shè)計(jì)理論和實(shí)操課程內(nèi)容，將傳統(tǒng)教學(xué)相互割裂的理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行融合，打破二者學(xué)時(shí)上的限制，逐步形成自上而下、自下而上雙向發(fā)力的教學(xué)格局[10-11]。

表1 基于項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的模塊化教學(xué)內(nèi)容及時(shí)間安排

3.2 圍繞“理論—實(shí)訓(xùn)—競(jìng)賽”模式的教學(xué)方法創(chuàng)新

改變學(xué)生傳統(tǒng)學(xué)習(xí)過程中“先學(xué)后用”的模式，在不同教學(xué)模塊內(nèi)實(shí)現(xiàn)理論學(xué)習(xí)和實(shí)踐操作的同步進(jìn)行，并將精心設(shè)計(jì)的競(jìng)賽單元有針對(duì)性地嵌入主要教學(xué)模塊。通過這種“理論—實(shí)訓(xùn)—競(jìng)賽”模式的教學(xué)方法創(chuàng)新，學(xué)生可將課堂上學(xué)到的理論知識(shí)及時(shí)應(yīng)用于實(shí)踐，并且在應(yīng)用過程中實(shí)現(xiàn)理論知識(shí)的進(jìn)一步鞏固和加深理解，能夠有效提升學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和成就感[12]。此外，由具有不同專長(zhǎng)的教師負(fù)責(zé)課程講授，將科研課題知識(shí)穿插到本科教學(xué)課堂中，并通過以綜合性、探索性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容為主的學(xué)科競(jìng)賽，激發(fā)學(xué)生對(duì)建筑材料課程的學(xué)習(xí)熱情，提高學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的綜合運(yùn)用能力，能夠培養(yǎng)學(xué)生的發(fā)散思維和主動(dòng)思考問題的習(xí)慣，提升其科學(xué)素養(yǎng)，最大限度激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性和科學(xué)探究能動(dòng)性[13]。

3.3 緊貼“材料+結(jié)構(gòu)+施工”的跨學(xué)科聯(lián)動(dòng)實(shí)踐

新工科建設(shè)著眼于培養(yǎng)面向未來的卓越工程創(chuàng)新人才，其內(nèi)涵表現(xiàn)為學(xué)生能夠利用理論知識(shí)指導(dǎo)工程實(shí)踐，并通過工程實(shí)踐進(jìn)一步驗(yàn)證理論知識(shí)。為此，設(shè)計(jì)多學(xué)科聯(lián)合、多方參與的開放式教學(xué)實(shí)踐平臺(tái)，以單元競(jìng)賽為載體，融入多學(xué)科課程知識(shí)，構(gòu)建“材料+結(jié)構(gòu)+施工”全鏈條工程人才素質(zhì)培養(yǎng)模式，全面提升水利類專業(yè)學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力。例如，在競(jìng)賽單元4（見表1）開展閘墩建造設(shè)計(jì)競(jìng)賽，需要學(xué)生在建筑材料課程內(nèi)容的基礎(chǔ)上，自行查閱、學(xué)習(xí)教師提供的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、水工建筑物和水利工程施工等相關(guān)知識(shí)并開展設(shè)計(jì)計(jì)算，然后在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)完成支模板、綁鋼筋、澆混凝土、養(yǎng)護(hù)拆模等完整施工工序，該過程實(shí)現(xiàn)多學(xué)科交叉聯(lián)動(dòng)，有助于解決工程卓越人才、創(chuàng)新人才培養(yǎng)過程中存在的工程應(yīng)用環(huán)節(jié)薄弱、理論和實(shí)踐脫鉤、興趣驅(qū)動(dòng)不足等問題[14]。

圖1 混凝土材料設(shè)計(jì)競(jìng)賽

3.4 開展“多時(shí)段、多元化、多維度”的課程考核評(píng)價(jià)

傳統(tǒng)的建筑材料課程考核方式較單一，評(píng)價(jià)結(jié)果難以反饋真實(shí)教學(xué)情況，對(duì)學(xué)生難以產(chǎn)生激勵(lì)效果。為此，在“項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)、模塊教學(xué)”體系、“理論—實(shí)訓(xùn)—競(jìng)賽”方法和“材料+結(jié)構(gòu)+施工”實(shí)踐的基礎(chǔ)上，提出多時(shí)段、多元化、多維度的課程考核評(píng)價(jià)方法，成績(jī)分?jǐn)?shù)評(píng)價(jià)占比如圖2 所示。其中，多時(shí)段是指在不同教學(xué)模塊下的理論、實(shí)訓(xùn)和競(jìng)賽單元中對(duì)學(xué)生的參與和表現(xiàn)情況量化賦分，多元化是指通過競(jìng)賽答辯、期中測(cè)試、翻轉(zhuǎn)課堂授課、結(jié)業(yè)論文等多種方式對(duì)學(xué)生課程知識(shí)掌握情況進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，多維度是指在評(píng)價(jià)方法中加入學(xué)生合作能力、表達(dá)能力、寫作能力、創(chuàng)新能力、動(dòng)手能力等多種軟性考核指標(biāo)，并且引入小組互評(píng)、師生共同參評(píng)等機(jī)制，實(shí)現(xiàn)課程評(píng)價(jià)體系的真實(shí)性和全面性，對(duì)于教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成具有更加積極的反饋[15]。

3.5 適應(yīng)“新工科人才培養(yǎng)需求”的教學(xué)持續(xù)改進(jìn)

將以上基于項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的建筑材料模塊化教學(xué)模式在新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)2020 級(jí)水利水電工程專業(yè)課程教學(xué)中運(yùn)行1 個(gè)學(xué)期，通過期末成績(jī)、項(xiàng)目報(bào)告、實(shí)操表現(xiàn)、問卷調(diào)研等方式對(duì)教改效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，建立課程教學(xué)的持續(xù)改進(jìn)機(jī)制，如圖3 所示。評(píng)價(jià)結(jié)果表明，與傳統(tǒng)教學(xué)班級(jí)對(duì)比，采用本教學(xué)模式的班級(jí)成績(jī)有明顯提高，學(xué)生學(xué)習(xí)積極性明顯提高，對(duì)于理論知識(shí)和實(shí)驗(yàn)操作的理解更加透徹。此外，在項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)模式下，積極引導(dǎo)學(xué)生參與基礎(chǔ)科研課題實(shí)施，學(xué)期結(jié)束前實(shí)施教學(xué)改革的班級(jí)成功申報(bào)大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目3 項(xiàng)（自治區(qū)級(jí)1 項(xiàng)、校級(jí)2 項(xiàng)），以學(xué)生為第一作者發(fā)表學(xué)術(shù)論文2 篇。需要指出的是，此教學(xué)模式也存在一些不足之處，有待在實(shí)踐教學(xué)中持續(xù)改進(jìn)。例如：（1）競(jìng)賽單元模式需將班級(jí)學(xué)生分為6～8 人的項(xiàng)目小組，部分學(xué)生在項(xiàng)目完成過程中無法發(fā)揮作用，今后需要明確成員角色，更加科學(xué)地設(shè)計(jì)競(jìng)賽內(nèi)容與項(xiàng)目分工；（2）在閘墩設(shè)計(jì)制作的交叉實(shí)踐競(jìng)賽單元中，對(duì)于設(shè)計(jì)規(guī)范性要求偏高，導(dǎo)致材料、設(shè)計(jì)和施工三個(gè)部分的精力分配和時(shí)間分配不合理，今后需對(duì)此設(shè)計(jì)過程進(jìn)行簡(jiǎn)化，明確以培養(yǎng)學(xué)生對(duì)多學(xué)科知識(shí)的綜合運(yùn)用能力為主要目標(biāo)。

圖3 建筑材料課程教學(xué)改革技術(shù)路線

4 結(jié)語

建筑材料是水利類工程專業(yè)的重要基礎(chǔ)課，其教學(xué)質(zhì)量直接關(guān)系水利工程專業(yè)卓越工程師培養(yǎng)計(jì)劃的達(dá)成效果。本文針對(duì)傳統(tǒng)課程教學(xué)中存在的不足，以新工科背景下創(chuàng)新人才培養(yǎng)需求為導(dǎo)向，提出以“項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)、模塊教學(xué)”模式為基礎(chǔ)、以“理論—實(shí)訓(xùn)—競(jìng)賽”體系為方法、以“材料+結(jié)構(gòu)+施工”實(shí)踐為導(dǎo)向、以“多時(shí)段、多元化、多維度”評(píng)價(jià)為目標(biāo)的教學(xué)改革思路，并圍繞新工科建設(shè)內(nèi)涵對(duì)其進(jìn)行持續(xù)改進(jìn)。實(shí)踐表明，該教學(xué)模式下學(xué)生專業(yè)知識(shí)水平、實(shí)操動(dòng)手能力均得到有效提升，科研創(chuàng)新意識(shí)增強(qiáng)，學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性大幅提高，取得了初步的教學(xué)成果，可為其他高校課程改革提供參考。