“雙碳”與新工科背景下土木工程材料教學問題及改革對策研究

許福 張旭輝 曹國棟 朱崇政

摘? 要：具備減碳思維的土木工程專業人才培養是實現我國“雙碳”目標的關鍵。同時，創新能力是新工科土木工程人才培養的核心目標。目前將“雙碳”與新工科相結合對土木工程專業人才培養的研究還有待進一步深入。該文提出當前土木工程材料課程教學中針對“雙碳”和新工科的思考與做法，總結存在的問題。在改革對策方面，提出首先從架構層面探索“雙碳”和新工科對土木工程專業人才培養的目標需求，對課程教學大綱提出調整建議；其次針對教材內容，提出以多學科交叉融合的知識體系和教學內容促進創新思維；最后是以提高新工科土木工程人才創新能力和培養“雙碳”思維為目標，結合教學大綱和教學內容，開展多層次、全過程的創新實踐以提升創新技能，提出教學實踐過程的具體建議。

關鍵詞：“雙碳”；新工科；土木工程材料；教學問題；改革對策

中圖分類號：G642.0? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2024）10-0127-05

Abstract： The cultivation of civil engineering professionals with carbon reduction idea in mind is the key to achieving China's "dual carbon" goals. At the same time， innovation ability is the core goal of cultivating civil engineering talents in the emerging engineering field. At present， the research on the combination of "dual carbon" and emerging engineering disciplines in the cultivation of civil engineering professionals still needs further deepening. This article proposes thoughts and practices on "dual carbon" and emerging engineering education in the current teaching of civil engineering materials courses， and summarizes the existing problems. In terms of reform strategies， it is proposed to first explore the target needs of "dual carbon" and emerging engineering disciplines for talent cultivation in civil engineering from the architectural level， and propose adjustment suggestions for the curriculum and teaching outline; secondly， based on the content of the textbook， a curriculum system and teaching content that integrates multiple disciplines are proposed to promote innovative thinking. Finally， with the goal of improving the innovation ability of civil engineering talents in the emerging engineering field and cultivating "dual carbon" thinking， combined with the teaching syllabus and content， multi-level and full process innovation practices are carried out to enhance innovation skills， and specific suggestions for the teaching practice process are proposed.

Keywords： "dual carbon"; emerging engineering; civil engineering materials; teaching problems; countermeasures for the reform

2020年9月22日，習近平主席在第75屆聯合國大會一般性辯論上宣布中國二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和[1]。土木工程行業是材料需求密集型行業，其中水泥是建筑工業的基本原料之一，素有“建筑工業的糧食”之稱，也是碳排放的主要來源之一。除此之外，土木工程行業所需的鋼材、混凝土骨料、瀝青等的生產、加工均為“雙碳”目標帶來了巨大的障礙。岳清瑞院士在2021年深圳院士講壇第47場——“雙碳”背景下土木工程材料發展的思考的報告中指出，在土木工程材料生產環節碳排放達全部碳排放的四分之一以上，我國土木工程材料領域碳減排任務繁重，他在2022年《建筑》上撰文呼吁，“土木工程材料要為‘雙碳目標作出貢獻”[2]。

另一方面，為主動應對新一輪科技革命與產業變革，支撐服務創新驅動發展、“中國制造2025”等一系列國家戰略，2017年2月以來，教育部積極推進新工科建設，先后形成了“復旦共識”“天大行動”“北京指南”，并發布了《教育部高等教育司關于開展新工科研究與實踐的通知》《教育部辦公廳關于推薦新工科研究與實踐項目的通知》，全力探索形成領跑全球工程教育的中國模式、中國經驗，助力高等教育強國建設。新工科專業中，與土木工程密切相關的為智能建造專業。2017年，同濟大學為率先開設智能建造專業的高校，迄今為止，全國已有110所高校獲批開設智能建造專業。智能建造所涉及的裝配式建筑、3D打印等信息化與傳統土木工程相結合的新技術對土木工程材料提出了新的要求。

土木工程專業的本科生是我國土木工程建設領域的生力軍，是行業“雙碳”目標達成的主力軍。在土木工程專業人才培養環節中，結合生態文明建設和新工科的相關新技術傳遞“雙碳”目標理念及新的研究成果，是“雙碳”和新工科背景下土木工程材料教學的重要使命。因而，針對“雙碳”和新工科背景下土木工程材料的教學改革創新與實踐研究迫在眉睫。

一? “雙碳”和新工科背景下土木工程材料教學問題

全球CO2總排放量的7.9%是水泥生產造成的。2022年，全球水泥產量約為41.6億t。自1985年以來，我國以21.3億t的產量連續37年位居世界第一。目前，我國水泥熟料碳排放系數（基于水泥熟料產量核算）約為0.86，即生產一噸水泥熟料將產生約860 kg的CO2，折算后我國水泥碳排放量約為597 kg，與《巴黎協定》的2DS協議要求（520～524 kg）相比仍然偏高。減少土木工程材料碳排放的路徑主要包括建造建材高效、施工建材低耗、生產建材節能、運維建材長壽、運輸建材短途、廢物建材再生、再生建材節能和功能建材節能等。

盡管我國在土木工程材料領域的研究和應用取得了巨大進步，但距離“雙碳”要求和可持續發展目標還遠遠不夠。土木工程材料的重大科技進步被認為是今后土木工程領域取得重大進展的重要創新來源之一。尋求傳統土木工程材料的低碳減排替代材料長期以來是土木工程、材料科學工程等學科領域的研究前沿。近年來，地聚物、堿激發膠凝材料等替代膠凝材料（ACMs）的研究已經取得了長足進展，再生骨料混凝土、尾礦、渣土等固廢替代傳統骨料的推廣應用為混凝土骨料的可持續發展奠定了基礎，超高性能混凝土（UHPC）、FRP混凝土等高性能纖維復合材料為土木工程建設領域節材減排持續助力。新型土木工程材料研究和應用研究成果為土木工程領域碳減排的推進提供了根本性的解決方案，已經成為土木工程學科領域最重要的發展方向。

然而，目前我國土木工程專業本科生的培養，尤其是在土木工程材料的課程教學設計中，仍然沿用傳統的教學模式，所講授的理論課及開設的實驗課仍然以傳統的高碳排材料為主要對象。究其原因，一方面是因為土木工程專業具有一定的行業特殊性，實際工程中所使用的材料及施工方案均需基于成熟的研究和長期的工程服役驗證，同時必須基于相應的國家、行業標準、規范及規程。另一方面，土木工程材料的教材盡管時效性強，但成熟的教材編撰周期較長，教材建設往往滯后于行業發展。此外，國內高校土木工程材料的教學還需遵循國家教指委的規定，尤其是近年來土木工程材料課程的課時被一再壓縮。以湘潭大學為例，在2015年前的培養計劃中，土木工程材料的總課時為56，其中實驗課時12，在這一課時規模下講授教指委規定的重點內容已經略顯捉襟見肘。2015年及后續修訂的培養計劃中，課程的課時被壓縮至40，其中理論課時28，實驗課時盡管保持為12，但新增了鋼筋性能、瀝青三大指標等實驗。

“雙碳”目標已經提出三年多，但目前國內相關研究主要集中在以針對節能減排為出發點的新型土木工程材料研發，而在土木工程材料的教育教學改革方面還鮮有研究。自2020年10月開始，湖南大學史才軍教授發起了2020年全國先進土木工程材料進展公開課，課程講授10個專題，以期促進高校間優質教學資源共享，提高我國土木工程材料研究水平；2021年該項活動繼續舉行，引起了業界極大關注，在線學習人數屢創新高，公開課單場線上線下同時收看觀眾最高時近9 000人，累計收看觀眾近6萬人次；2022年，史才軍教授繼續發起組織了全國水泥基材料測試分析方法公開課，課程分為14個專題，該活動目前仍在進行中，同樣引起了土木工程領域相關研究人員、學生的廣泛關注。盡管上述線上優質教學資源為學生提供了很好的學習交流機會和平臺，但是對于本科生而言可能難度較大。

在新工科建設要求下，高校培養的土木工程專業人才不僅應具有充足的技術力量和知識儲備，還應具有人文情懷、科學精神、民族團結精神，以適應社會、行業發展對人才素質不斷提高的要求[3]。中國有上下五千年的文明史，從仰韶文化時期的“白灰面”、公元前16世紀商代的黃泥漿砌筑土坯墻、公元前7世紀的周朝石灰到秦漢時期的木結構、秦磚漢瓦、萬里長城，南北朝時代的“三合土”，我國古代獨特的建筑材料及其發展史，是土木工程專業人才培養過程中向學生傳遞文化自信、民族自信，塑造學生人文情懷和民族團結精神的絕佳素材。然而，在目前的土木工程材料教學過程中，對于這部分的知識介紹往往是蜻蜓點水，缺乏系統性的脈絡梳理。

另一方向，智能建造對所涉及的土木工程材料的各方面性能提出了新的訴求，如裝配式混凝土構件生產所用各類原材料的優選及質量控制、裝配式建筑套筒灌漿連接所需的灌漿料及性能綜合評價、3D打印所用膠凝材料的流動性、凝結時間等工作性及層間截面強度和整體強度、射頻識別（RFID）技術追溯結構構件的材料信息及施工信息和由此延伸的對施工、竣工驗收及運維階段的信息管理等。然而，目前傳統的土木工程材料教學模式中，對新工科領域對應的上述新技術、新方法、新思想均未涉及。

新工科專業從2017年首次開設，關于對接土木工程專業和新工科建設已經有較多的研究成果。范圣剛等[4]、孫峻[5]、陽令明等[6]、武鶴等[7]、杜巖等[8]、吳巧云等[9]和魯正等[10]從土木工程專業人才培養層面，闡述新工科理念推進土木工程專業建設和發展、人才培養的必要性與迫切性，從管理模式轉變、新工科建設、工程教育專業認證制度和學科發展，以及新時代人才培養等方面進行了剖析。土木工程專業作為傳統工科專業更需要適應多學科交叉融合的人才培養新要求。研究者們提出從課程體系、教學方式、實踐教學和師資隊伍等方面進行改革，將OBE理念應用于土木工程專業的升級和改造，以產業需求為導向，以能力培養為目標，以創新為抓手，通過實施本科生導師制、校企合作和校校合作等方式，推進新工科背景下土木工程專業人才培養。以上研究從專業層面探索新工科背景下土木工程專業人才的培養模式，屬于專業層級的架構考慮，為新工科背景下土木工程專業人才培養的具體實施提供了一定的參考，但在具體的實施方式，尤其是涉及教學改革的課程層面仍有待進一步細化，并提出可供借鑒的教學模式參考。

在課程改革層面，王明振等[11]將3D打印應用于土木工程結構實驗教學中，發現該模式既能培養學生使用先進數字化技術的能力，提高學生工程實踐能力、動手能力、創新能力和團隊協作能力，還能加深學生使用新技術、新方法的意識。戎賢等[12]基于“工學并舉”的實踐指導思想提出新工科背景下土木工程專業實踐教學的改革措施。李宏斌等[13]基于新工科建設和專業認證對學生實踐能力和創新能力提出的要求，對土木工程專業實驗課提出了“三層次試驗教學法”，即將土木工程專業的主干實驗課整合為基礎型、綜合型、生產型3個遞進層次的改革方案。羅勇等[14]針對新工科背景下土木工程施工組織課程，提出了“線下+線上”結合教學模式、及時更新課程教材、增加BIM實訓操作環節、加強校企合作及課程考核方式多元化的教學改革方案。

新工科背景下針對土木工程材料課程教學模式的改革是目前土木工程教學改革研究的熱點。謝娟等[15]、李靜等[16]對土木工程材料課程在新工科背景下對學生的綜合能力要求提出了從教學環節、考核環節等方面進行改革，并進行了相應的實踐。劉玨等[17]探討了交叉學科背景下土木工程材料課程的教學改革，提出了科學構建學生、教師、企業三位一體的教學模式，為新工科背景下交叉學科培養復合型創新人才提供參考。嚴敏嘉等[18]分別從課程教學、課程實驗[3]探討了新工科建設背景下土木工程材料理論課與實驗課的教學改革模式，在理論課部分，提出了與化學工程和工藝專業課程融合的新型授課方式。李志鵬等[19]將新工科與工程教育OBE融合探索土木工程材料教學模式，提出了從教學內容、教學方式、實驗模式等方面出發的五項措施，以解決當前課程教學與新工科和OBE對學生能力需求之間存在的矛盾。

二? “雙碳”和新工科背景下土木工程材料教學改革對策

具備創新能力，尤其是具備減碳思維的土木工程專業人才培養是實現我國“雙碳”目標的關鍵。同時，創新能力是新工科土木工程人才培養的核心目標，包括創新思維、創新技能、創新意識、創新視野和專業知識等。以多學科交叉融合的課程體系和教學內容促進創新思維，開展多層次、全過程的創新實踐以提升創新技能是提高新工科土木工程人才創新能力的根本途徑[5]。然而，目前將“雙碳”與新工科相結合對土木工程專業人才培養的研究還沒有引起足夠的重視。在土木工程專業教學中，樹立學生減碳思維，提升學生創新能力，以適應新時期“雙碳”和新工科對土木工程專業人才素質和能力要求的培養模式研究亟待開展。

通過對國內大部分土木工程專業培養方案的調研不難發現，土木工程材料課程基本上均在銜接基礎課與專業課的第三學期開設。同時，土木工程材料作為理論與實踐兼具，且能夠通過實物展示給予學生最直觀認識的課程，在引導和培養學生減碳思維、創新能力方面具有先入的優勢。因此，在土木工程材料教育教學過程中，通過對現行的培養模式進行適宜的改革，是新時期“雙碳”和新工科背景下土木工程專業人才培養的重要切入點和抓手。

首先，需要明確“雙碳”和新工科背景下土木工程專業本科生能力需求。通過對用人單位能力需求、兄弟院校土木工程和智能建造專業培養目標和畢業生就業跟蹤調研，結合在讀學生問卷調查，調研“雙碳”和新工科背景下對土木工程專業本科生在土木工程材料課程教學過程中對“雙碳”和創新思維、能力、實踐等方面的需求及實施路徑。其次，對“雙碳”和新工科背景下土木工程材料課程教學模式進行理論研究。基于調研結果，研究土木工程材料理論教學與實驗教學的授課內容、授課方式、考核模式等改革，修訂課程教學大綱和考試大綱，探索土木工程材料學習的本科生導師制、土木工程材料大創項目集體指導制、土木工程材料創新競賽團隊建設制等方式在提升學生減碳理念和新工科思維方面的實施路徑，提出“雙碳”和新工科背景下土木工程材料多維度教學的新架構和新模式。最后，進行“雙碳”和新工科背景下土木工程材料課程教學模式實踐研究和持續改進。通過對1～2屆本科生進行基于以上教學改革研究的教學實踐活動，結合執行過程中的動態反饋、期末課程結束后的達成度調查、學生實踐1年后學習其他專業課后的回訪等，對教學改革實踐進行效果分析和研究，提出持續改進方案和實施措施。改革對策實施技術路線圖如圖1所示。

在架構層面明確“雙碳”和新工科對土木工程專業人才培養的目標需求后，即可針對教學大綱、課程教學內容乃至教材提出相應的改革措施。首先，表1提出針對當前土木工程材料常規教學內容改革的一種模式，即將“雙碳”和新工科相關理念和知識以嵌入的方式結合到授課各章節，以圖片、影片等多媒體的形式向學生直觀傳達。同時，對于有條件的學校，建議利用土木工程材料課程開設學期學生進行認識實習的機會，與實習指導老師聯合組織現場觀摩，在建筑工業化的預制構件廠和裝配式建筑工地、瀝青混凝土攪拌站、鋼結構生產車間等開展現場教學。通過這種方式，一方面可以直觀地向學生介紹工業界在“雙碳”和新工科背景下的新材料、新技術、新方法及發展戰略，同時有效銜接土木工程材料與后續專業課，使學生帶著減碳和創新思維進入后續專業課程的學習，從而有助于實現相應的培養目標，發揮土木工程材料課程在雙碳和新工科背景下對于土木工程專業人才培養的最大效應。從表1可以看到，這一模式需要的理論約為4課時，現場觀摩約為2課時，創新實驗約為4時課。其中，現場觀摩課時與認識實習可以合并執行，而創新實驗課時如果嵌入現有的常規實驗課時（一般為10～16課時），則將壓縮原來的實驗課時，在專業課時不斷壓縮而教學要求不降反升的背景下，這種擠壓原來實驗課時的方式有一定的操作難度，同時，對實驗室的硬件配置有一定的要求。如果將創新實驗考慮作為選修，以大學生創新創業訓練的選拔模式開展，則可以有效規避上述問題，但是學生的受益面將大大降低。

除了嵌入式的模式，還可以考慮將表1中對應“雙碳”、新工科需求設計的理論課時進行專題式集中管理，所設計的授課內容不變。這一模式的優勢在于對原來的土木工程材料課程教學大綱、教學計劃不會產生碎片化影響，同時對于教材改編的影響也較小；另一方面，可以為將這部分內容單獨開設全校性選修課或專業方向選修課做鋪墊準備。但是，若采用這一模式，首先專業的培養方案需要進行調整，其次，實驗、實踐部分的變數較多，對于教學管理有一定的挑戰。上述兩種模式對于任課教師均提出了較大挑戰。任課教師需要對“雙碳”、新工科所涉及的與土木工程全專業相關的工程界、科學界的前沿知識有較為全面的掌握，并能獲取較好的教學素材。因此，對于具有多學科背景的學校、學院甚至教研室，可以通過建設相應的教學團隊或采用客座教師制，搭建多學科（土木工程與材料科學與工程、計算機科學、化學化工、環境工程和大數據等）的教師隊伍，構建交叉融合的知識體系和教學內容，促進學生創新思維的培養。

值得注意的是，相對于傳統的土木工程材料教學內容，表1中建議增加的授課內容是動態的，即隨著科學界和工業界在“雙碳”、新工科的創新發展和實踐，相關的新材料、新技術、新理念應能及時納入授課內容。

同時，在教材建設部分，任課教師最好能參與教材編寫，將相關的知識融入或單獨開辟章節，對土木工程材料傳統教材進行領域拓展。當然，教材編寫也存在風險點，如一些只是在論文中報道而暫時未能寫入規范、標準的新材料、新方法，難以作為常規內容寫入教材。因此，建議教材編寫或改編時，可以采用將未經長期服役檢驗但是具有良好應用前景的新材料、新方法作為閱讀材料置于相應章節之后。最后，對于課程考核部分，一方面可以通過在原來的常規考試中通過增加開放性問題對學生進行“雙碳”、新工科思維的考核；另一方面，可以通過自由研討環節和提交文獻綜述報告的方式，以平時成績的模式進行考核。這兩種方式也可以同時進行，目標均為提高新工科土木工程人才創新能力和培養“雙碳”思維。

三? 結束語

“雙碳”和新工科對土木工程專業人才的培養提出了新的挑戰，土木工程材料作為銜接基礎課和專業課的橋梁，在培育具有減碳思維的土木工程專業創新人才過程中有著非常重要的地位。本文首先總結了當前土木工程材料課程教學中針對“雙碳”和新工科存在的問題及創新探索做法。基于此，首先從架構層面提出探索“雙碳”和新工科土木工程專業人才培養的實施路徑，對土木工程材料課程教學內容提出了具體的改革方案，同時分析了嵌入式和專題式兩種教學組織模式的利弊；其次，對課程教學大綱、教材內容提出了改革建議，提出構建學科交叉融合的知識體系和教學內容促進創新思維；最后，給出了土木工程材料課程教學考核方案的具體建議。通過上述改革研究，結合教學大綱、教學內容、教學方法和考核方案的具體建議，對土木工程材料課程實施多層次、全過程的創新實踐以樹立和提升學生的減碳思維和創新技能，以期為“雙碳”和新工科背景下土木工程專業人才的綜合素質培養作出土木工程材料課程的貢獻。

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