“工程材料”課程在新工科背景下的教學(xué)改革

徐 怡，王 琳，趙素晶，韓 林

（河海大學(xué) 力學(xué)與材料學(xué)院，江蘇 南京 211100）

引言

2016年，新工科概念提出后，教育部高教司經(jīng)過反復(fù)研討、調(diào)研和論證，于2017年正式推出“新工科”計(jì)劃，并先后形成了“復(fù)旦共識(shí)”“天大行動(dòng)”“北京指南”的新工科建設(shè)“三部曲”［1］。按照教育部的部署，工科優(yōu)勢(shì)高校組、綜合性高校組和地方高校組都積極響應(yīng)與啟動(dòng)新工科建設(shè)戰(zhàn)略［2-4］。在此背景下，高等教育迎來新的機(jī)遇與挑戰(zhàn)，課程教學(xué)改革勢(shì)在必行。

河海大學(xué)“工程材料”課程是自1952年學(xué)校創(chuàng)辦建筑材料教研室以來，面向全校水利工程、土木工程、水務(wù)工程、農(nóng)田水利工程、港口航道工程、交通工程、給排水工程、力學(xué)、材料以及工程管理等多學(xué)科專業(yè)方向?qū)W生開設(shè)的學(xué)科平臺(tái)課。課程在建設(shè)過程中，強(qiáng)化學(xué)生的價(jià)值塑造，全面推進(jìn)課程思政建設(shè)；在理論教學(xué)中，緊密結(jié)合行業(yè)發(fā)展前沿，不斷改進(jìn)教學(xué)方法，更新教學(xué)內(nèi)容，完善新工科人才培養(yǎng)知識(shí)體系；在實(shí)踐教學(xué)中，突破傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，按層次遞進(jìn)，依托科教融合實(shí)踐平臺(tái)和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)平臺(tái)，強(qiáng)化學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。2021年，課程獲批江蘇省首批一流線下課程。

一、新工科背景下“工程材料”課程教學(xué)改革目標(biāo)

河海大學(xué)是以水利為特色、工科為主、多學(xué)科協(xié)調(diào)發(fā)展的教育部直屬全國(guó)重點(diǎn)大學(xué)，我們的課程結(jié)合學(xué)校“中國(guó)靈魂、國(guó)際視野、河海特質(zhì)”人才定位，以“厚基礎(chǔ)、強(qiáng)實(shí)踐、重創(chuàng)新、能創(chuàng)業(yè)、河海特質(zhì)”的人才培養(yǎng)為目標(biāo)。以“工程材料”課程為例，具體如下。

1.知識(shí)目標(biāo)。掌握工程中涉及的常用工程材料的類型、技術(shù)性質(zhì)和工程應(yīng)用，掌握材料的成分、構(gòu)造、生產(chǎn)過程等對(duì)其性能的影響，掌握各項(xiàng)性能間的有機(jī)聯(lián)系等專業(yè)知識(shí)與技能。

2.能力目標(biāo)。以知識(shí)、能力、素質(zhì)兼?zhèn)錇槟繕?biāo)，結(jié)合工程實(shí)際案例分析和科技前沿探討，重點(diǎn)提升學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、獨(dú)立思考能力和挑戰(zhàn)創(chuàng)新能力；通過分組討論與團(tuán)隊(duì)實(shí)踐等教學(xué)環(huán)節(jié)實(shí)施，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力和溝通交流表達(dá)能力，培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神。

3.價(jià)值目標(biāo)。秉持致高、致用、致遠(yuǎn)的教育理念，以服務(wù)水利、土木等行業(yè)為目標(biāo)，展現(xiàn)我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的巨大成就以及工程材料技術(shù)的飛速發(fā)展，使學(xué)生樹立獻(xiàn)身祖國(guó)工程建設(shè)的愛國(guó)主義情懷和促進(jìn)科技發(fā)展的遠(yuǎn)大理想，培養(yǎng)學(xué)生勤奮刻苦、精益求精、實(shí)踐創(chuàng)新的工匠精神。

二、課程教學(xué)改革要解決的問題

傳統(tǒng)課程以基本知識(shí)點(diǎn)講授為主，未滿足“兩性一度”的“金課”要求，課程與教學(xué)改革要以工程實(shí)際為背景，以工程技術(shù)為主線，以科技前沿為驅(qū)動(dòng)，調(diào)整知識(shí)結(jié)構(gòu)和教學(xué)目標(biāo)，培養(yǎng)適應(yīng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求、有國(guó)際視野、有探索精神、有創(chuàng)新意識(shí)和實(shí)踐能力的新工科專業(yè)人才。

目前，課程與教學(xué)改革要將課程思政教育深度融入課程教學(xué)的各方面，潤(rùn)物無聲，以立德樹人的核心目標(biāo)，重視價(jià)值引導(dǎo)，培養(yǎng)學(xué)生強(qiáng)烈的社會(huì)責(zé)任感、求真務(wù)實(shí)、吃苦耐勞、追求卓越的優(yōu)秀品質(zhì)。

應(yīng)科學(xué)處理線上授課與傳統(tǒng)授課的銜接融合，要推進(jìn)線上線下混合式教學(xué)的常態(tài)化應(yīng)用，完善線上線下教育融合機(jī)制，靈活構(gòu)建混合式教學(xué)的有效模式，重組教學(xué)結(jié)構(gòu)、優(yōu)化教學(xué)流程、增強(qiáng)教學(xué)互動(dòng)。依托在線教育教學(xué)平臺(tái)，從危機(jī)中找機(jī)遇，突破傳統(tǒng)教學(xué)瓶頸，使傳統(tǒng)教學(xué)與網(wǎng)絡(luò)教學(xué)形成優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，創(chuàng)建集課堂教學(xué)與線上互動(dòng)于一體的新教學(xué)模式，開拓新工科工程教育改革路徑［5］。

此外，課程要契合工程和生產(chǎn)實(shí)際［6］，全面規(guī)劃、統(tǒng)籌課程教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源建設(shè)，促使學(xué)生完成角色轉(zhuǎn)化，發(fā)揮學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性，提升學(xué)生的自主實(shí)踐動(dòng)手能力，培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作精神和終身學(xué)習(xí)能力。

三、課程教學(xué)改革實(shí)施情況

“工程材料”課程應(yīng)在內(nèi)容與資源建設(shè)中不斷加強(qiáng)學(xué)生的責(zé)任意識(shí)教育，培養(yǎng)學(xué)生的社會(huì)責(zé)任感。通過介紹重大基礎(chǔ)設(shè)施，讓學(xué)生感受祖國(guó)的繁榮昌盛，增強(qiáng)學(xué)生的愛國(guó)主義情懷和民族自豪感。

結(jié)合本校課程實(shí)際情況，課程先后探索了翻轉(zhuǎn)課堂、校級(jí)慕課、慕課堂、學(xué)習(xí)通等多層次、交互式教學(xué)資源體系，最終摸索出課前線上國(guó)家“金課”預(yù)習(xí)、課上學(xué)習(xí)通實(shí)時(shí)混合、課后學(xué)習(xí)通反饋的混合式教學(xué)模式，建立了以學(xué)生為導(dǎo)向的課程教學(xué)體系，提升了教學(xué)質(zhì)量。課程教學(xué)改革具體實(shí)施情況如下。

1.強(qiáng)化學(xué)生價(jià)值塑造，全面推進(jìn)課程思政建設(shè)。通過探索課程專業(yè)知識(shí)內(nèi)容中蘊(yùn)含的思政育人素材，科學(xué)設(shè)計(jì)課程，落實(shí)立德樹人根本任務(wù)。以近20年來我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中的卓越成果為工程背景，如港珠澳大橋、三峽大壩、葛洲壩水電站、南水北調(diào)工程等重大工程建設(shè)成就，讓學(xué)生了解我國(guó)工程材料科學(xué)自主創(chuàng)新歷程，培養(yǎng)學(xué)生關(guān)鍵核心技術(shù)攻關(guān)的骨氣、志氣以及精益求精的大國(guó)工匠精神。以科研成果充實(shí)教學(xué)內(nèi)容，構(gòu)建“三全育人”新格局，激勵(lì)學(xué)生甘于奉獻(xiàn)、勇于擔(dān)當(dāng)，積極投身祖國(guó)大江大河的治理和建設(shè)。

2.理論教學(xué)引入先進(jìn)教學(xué)理念，打造“兩性一度”的高質(zhì)量課程。課程理論教學(xué)貫徹OBE（Outcome-based Education）教育理念，以學(xué)生發(fā)展為中心，緊扣專業(yè)特色，聚焦水利、土木行業(yè)中的材料問題。結(jié)合工程案例教學(xué)，引入工程材料的前沿科學(xué)技術(shù)，將材料制備、應(yīng)用等相關(guān)內(nèi)容貫穿和滲透到每個(gè)知識(shí)點(diǎn)的講授中。實(shí)施問題討論教學(xué)，學(xué)生以小組為單位，自主分析學(xué)習(xí)資料，制訂生產(chǎn)方案，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜問題的綜合能力和高階能力。在教學(xué)內(nèi)容實(shí)施過程中，結(jié)合信息化教學(xué)工具慕課堂、學(xué)習(xí)通的應(yīng)用，沉淀課堂教學(xué)數(shù)據(jù)，掌握學(xué)生個(gè)性化學(xué)習(xí)的成效，以“數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)”替代“經(jīng)驗(yàn)驅(qū)動(dòng)”，不斷迭代優(yōu)化整個(gè)教學(xué)過程。

通過學(xué)習(xí)通、騰訊課堂、中國(guó)大學(xué)MOOC等線上教學(xué)手段，豐富教學(xué)形式，提高教學(xué)效率。此外，針對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)中的難點(diǎn)和重點(diǎn)，采取討論式、互動(dòng)式、啟發(fā)式的答疑手段，以及模范作業(yè)的線上分享，不斷提高學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性和主動(dòng)性。

3.實(shí)踐教學(xué)按層次遞進(jìn)，構(gòu)建科教融合實(shí)踐平臺(tái)和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)平臺(tái)。實(shí)踐教學(xué)劃分為基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、提高性實(shí)驗(yàn)、綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)三大類，實(shí)行有層次有梯度的分類教學(xué)，逐步培養(yǎng)學(xué)生的應(yīng)用能力和創(chuàng)新精神。

基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)與課堂講授內(nèi)容同步，形成配套的實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練單元，給定實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)與實(shí)驗(yàn)方案，以5人左右為1組，分6個(gè)實(shí)驗(yàn)小組進(jìn)行，先由教師講授，再由學(xué)生獨(dú)立操作完成。通過基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理與分析，如圖1所示，學(xué)生理解并掌握課本知識(shí)，彌補(bǔ)課堂教學(xué)的不足。

圖1 分組實(shí)踐活動(dòng)實(shí)驗(yàn)報(bào)告

提高性實(shí)驗(yàn)由教師提前布置實(shí)驗(yàn)范圍，提出實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，學(xué)生在查閱相關(guān)資料的基礎(chǔ)上確定實(shí)驗(yàn)方案。實(shí)驗(yàn)方案不唯一，通過設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，處理與分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，以及信息綜合得到合理有效的結(jié)論，促進(jìn)學(xué)生深度學(xué)習(xí)，自主構(gòu)建知識(shí)體系，充分掌握材料的組成與結(jié)構(gòu)、合成與制備、性質(zhì)以及使用效能四要素之間的關(guān)系。

綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)由學(xué)生經(jīng)過教師的指導(dǎo)，搜索閱讀文獻(xiàn)資料，參與小組積極開展討論與交流，進(jìn)行創(chuàng)新型教學(xué)實(shí)驗(yàn)。以組織超高性能混凝土（UHPC）彈性球制備實(shí)驗(yàn)為例，學(xué)生分組討論設(shè)計(jì)原材料和配合比方案，制備球體，最終通過性能測(cè)試（彈性、損傷狀態(tài)和抗壓性能），以期制備出圓、輕、美、彈而不裂的理想的UHPC彈性球，如圖2所示。通過球體性能測(cè)試，持續(xù)改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方案，寓教于樂，繼而實(shí)踐，提升UHPC材料性能、改善球體結(jié)構(gòu)和成型技術(shù)工藝的方法，制備出可滿足技術(shù)要求的UHPC彈性球，以此展示UHPC材料的強(qiáng)度、韌性、抗沖擊性能以及設(shè)計(jì)制造水平。通過趣味性“UHPC彈性球制備實(shí)驗(yàn)”的開展，激勵(lì)學(xué)生研究和探索前沿課題。綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)依托實(shí)踐平臺(tái)和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)平臺(tái)，科教融合，突出創(chuàng)新，根據(jù)本學(xué)科領(lǐng)域前沿知識(shí)和最新科技成果，適時(shí)調(diào)整教學(xué)內(nèi)容。

圖2 UHPC彈性球?qū)嵨?/p>

四、課程今后改革方向

課程的建設(shè)和應(yīng)用是一項(xiàng)動(dòng)態(tài)的、長(zhǎng)期的、持續(xù)的系統(tǒng)工程，課程群將在今后五年繼續(xù)加強(qiáng)課程學(xué)習(xí)資源建設(shè)，對(duì)課程教學(xué)進(jìn)行持續(xù)有效的補(bǔ)充和更新。

1.發(fā)揮“線上+線下”“校內(nèi)+校外”等教學(xué)資源優(yōu)勢(shì)，探索課程模塊組合模式改革，加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)課程的師生交互和及時(shí)反饋，建成特色鮮明、行業(yè)認(rèn)可的混合式一流課程。

2.組織編寫高質(zhì)量立體化課程教材，完成重點(diǎn)教材編寫，將授課二維碼引入教材，助力課程教學(xué)改革。

3.緊扣河海特色，拓展實(shí)踐實(shí)訓(xùn)基地，增強(qiáng)校企合作，完善產(chǎn)教融合育人平臺(tái)，深化傳統(tǒng)課程的新工科改造。

4.完善“學(xué)、訓(xùn)、研、踐”四位一體的課程培養(yǎng)模式，探索學(xué)生根據(jù)課程自主構(gòu)建學(xué)習(xí)的辦法，提升學(xué)生自我培養(yǎng)能力，構(gòu)建以學(xué)生為中心、靈活自主的課程教學(xué)方案，培養(yǎng)不同層級(jí)學(xué)生的專業(yè)探討能力。

結(jié)語

總體而言，“工程材料”課程結(jié)合學(xué)校“中國(guó)靈魂、國(guó)際視野、河海特質(zhì)”的人才定位，以“厚基礎(chǔ)、強(qiáng)實(shí)踐、重創(chuàng)新、能創(chuàng)業(yè)、河海特質(zhì)”的人才培養(yǎng)為目標(biāo)，立足河海大學(xué)學(xué)科優(yōu)勢(shì)，聚焦水利、土木等行業(yè)的材料前沿和國(guó)家重大工程需求，培養(yǎng)能解決實(shí)際工程中材料問題的專業(yè)人才。今后，我們?nèi)詫⒗^續(xù)以大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力培養(yǎng)為重點(diǎn)，構(gòu)建新工科背景下的新的課程體系。