“雙碳”背景下基于科研能力培養的土木工程材料課程改革探索

鄒府兵 王信剛 周子皓 趙華 周耐根 丁成平

基金項目：國家自然科學基金青年項目“高性能C-X-S-H納米晶核構建低碳水泥基材料體系的活化機理與時效調控”（52202023）；2023年江西省普通本科高校教育教學研究改革課題“雙碳背景下基于科研能力培養的土木工程材料課程教學改革與實踐”（JXJG-23-1-29）；2023年南昌大學校級教學改革研究課題“雙碳背景下《土木工程材料》課程教學改革與探索”（NCUJGLX-2023-149-83）；2023年南昌大學學位與研究生教育教學改革研究項目“雙碳背景下土木工程材料方向研究生創新能力培養模式改革與探索——以《膠凝材料學》課程為例”（NCUYJSJG-2023-077）；2023年南昌大學學位與研究生教育教學改革研究項目“基于一流學科建設的土木工程材料研究生創新型人才培養模式構建與實踐”（NCUYJSJG-2023-049）

第一作者簡介：鄒府兵（1992-），男，漢族，江西南昌人，工學博士，講師，碩士研究生導師。研究方向為低碳膠凝材料高性能化、固碳建筑材料以及隔熱保溫材料。

*通信作者：王信剛（1977-），男，漢族，江西宜春人，工學博士，教授，博士研究生導師。研究方向為水泥基功能材料與低碳負碳建筑材料。

DOI：10.19980/j.CN23-1593/G4.2024.19.035

摘? 要：土木工程材料課程作為培養土建類方向大學生的重要專業必修課，在“雙碳”背景下，其教學過程中面臨匹配的教材少、教學內容滯后、層次化綜合實驗缺乏及科研能力培養不足等突出問題。通過開展基于“雙碳”理念的前沿教學內容、層次化綜合性實驗與科研能力培養及構建多維度課程評價體系三方面的改革，學生上課積極性和對實驗操作的掌握程度顯著改善，綜合素養和科研能力得到較大提升，教師授課質量和師資隊伍建設也得到進一步強化和提升，起到良好的教學相長和協同育人效應。教學改革成果經豐富和完善后可為相關開設土木工程材料課程的高校提供一定的經驗和思路，對涉及“雙碳”理念的其他課程也有一定的借鑒作用。

關鍵詞：“雙碳”戰略；土木工程材料；科研能力培養；教學改革；教學實踐

中圖分類號：G642? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2024）19-0147-06

Abstract： The course of Civil Engineering Materials is an important professional compulsory course for the students of civil engineering and construction. Under the background of "double carbon"， there are some outstanding problems during the teaching process， such as few matching textbooks， lagging teaching content， lack of hierarchical comprehensive experiments and insufficient training of scientific research ability. Through the development of cutting-edge teaching content based on the concept of "double carbon"， hierarchical comprehensive experiment and scientific research ability training， and the construction of multi-dimensional curriculum evaluation system. The enthusiasm for students in class and their mastery of experimental operations have been significantly improved， and their comprehensive literacy and scientific research ability have been greatly improved. The quality of teachers' teaching and the construction of teachers' team have also been further strengthened and improved， which has played a good role in teaching and learning and collaborative education. The results of teaching reform can provide some experience and ideas for colleges and universities that set up Civil Engineering Materials course after being enriched and improved， and also have certain reference for other courses involving the concept of "double carbon".

Keywords： "double carbon" strategy; Civil Engineering Materials; scientific research ability training; teaching reform; teaching practice

土木工程材料是土木工程的基石，伴隨和見證了人類的建筑史和文明史。資料顯示[1]，當前我國土木工程材料生產全過程與建筑運行階段碳排放占我國碳排放總量的近一半，而土木工程材料生產全過程碳排放占碳排放總量的四分之一。我國政府在第七十五屆聯合國大會上提出了“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”的“雙碳”目標。在國家“雙碳”戰略背景下，土木工程材料的低碳固碳化發展前景廣闊，同時迫在眉睫。

土木工程材料課程是一門集土木、材料、化學與環境等學科知識交叉的土建類專業基礎課，同時也是材料科學與工程學科在土木工程領域的重要分支。以南昌大學（以下簡稱“我校”）為例，開設此課程的專業有土木工程、水利水電工程、工程管理、工程力學、建筑環境與能源應用工程、建筑學及城鄉規劃[2]。土木工程材料課程作為培養新土木方向接班人的重要基地，授課老師如何在課堂教學階段，串聯起“雙碳”戰略背景、筑牢土木工程材料多學科交叉基礎理論、強化創新意識和實現科研能力培養等方面提升本科生綜合素養具有重大意義。

相關學者從不同角度對土木工程材料課程教學改革進行了闡述，并已取得了積極進展。如曾剛等[3]提出的挖掘科研工作凝練轉化為課程理論教學和實驗教學的科教協同理念，提升了學生專業技能和綜合能力。陳嶸等[4]提出可視化教學、工程案例教學、創新實驗教學、科研研討教學、網絡輔助教學和考核方式多樣性“六位一體”教學模式，有助于提升學生對土木工程材料的理解，能夠充分掌握各種材料的特性及應用。王子賡等[5]提出的課程思政融入模式，培養了學生的環境保護、愛國主義、生態文明、職業道德、集體合作和工匠精神意識。闞晉等[6]提出的智慧教學工具助力土木工程材料創建線下一流課程，有效提升了學生的學習興趣和學習效果。李維維等[7]提出的創新創業教育，培養學生獨立思考和獨立解決問題的能力，以及創新思維和創業意識。袁曉露等[8]提出的基于科研能力培養的土木工程材料實驗教學模式探索與實踐，培養學生發現問題，分析、解決問題的科研意識和創新精神。嚴敏嘉等[9]提出的學科交叉融合教學，促使學生運用化學工程與工藝專業相關理論知識掌握工程材料的技術特征。張蘋等[10]研究了中美高校土木工程材料課程教學差異，提出我國高校應適度增加實驗學時，可借鑒美國的研究生助教制度，強化課堂和實驗教學的指導及課下與學生的溝通交流。孟瑋等[11]提出將成果導向（Outcome-based education，簡稱OBE）教育理念融入教學活動實踐中。鄭召[12]指出從課程思政進課堂、“產-科-教”融合、面向鄉村振興戰略、體現科研特色和引入智能建造概念培養高質量創新型人才。

截至2023年，僅有較少學者報道了關于“雙碳”背景下的土木工程材料課程教學改革，如李秀君等[13]提出土木工程材料與施工技術案例化、增加成熟再生材料及施工工藝、創新試驗設計和科研創新研討化的新時代“雙碳”背景下土木工程材料課程教學改革。然而，該教學改革側重于工程實踐與施工技術，主要講述水泥基材料、瀝青類材料和集料等內容。劉婉娟等[14]提出樹立學生低碳意識，滿足“雙碳”目標下企業的用人需求的土木工程材料課程體系改革設計。從該部分可知，與“雙碳”戰略匹配的土木工程材料課程教材少、教學內容較為滯后、層次化綜合實驗較缺乏及科研能力培養不足等問題依然突出。當前土木工程材料課程教學已不能滿足培養具有“雙碳”理念、創新意識、創業精神的應用型土建類人才，亟需教學改革。

基于此，本文首先論述了土木工程材料課程現狀，進而闡述“雙碳”背景下基于科研能力培養的土木工程材料課程教學改革與實踐的思路，包括基于“雙碳”理念的前沿教學內容改革、層次化綜合性實驗與科研能力培養，以及構建多維度課程評價體系。依托國家“雙碳”戰略背景，結合最新科研進展與工程案例，融入課程思政元素，將科研工作凝練轉化為實驗教學育人資源的銜接點，創建多學科交叉創新綜合性實驗，形成層次化科研能力培養模式和多維度的考核評價方法。

一? 土木工程材料課程現狀

（一）? 教學內容較為陳舊

當前土木工程材料課程的教學依然圍繞各章節講授基本知識點，在最新國家政策導向、建材產業重大需求，以及國內外最新科研和工程進展及課程思政的教學內容未能及時更新，無法讓學生及時了解全球知名高校、科研機構、上下游企業及相關工程案例的最新研究與發展動態?；凇半p碳”背景的理論教學內容較缺乏，學生創新意識有待加強，理論框架和知識體系有待革新。

（二）? 教學模式較為傳統

任課老師一般仍采用以教材和PPT演示為主的傳統教學模式，這讓未及時進行課前預習的同學在面對大量課程內容時學習效果較差。在課程講授中多為老師主動講授知識、學生被動接受知識的狀態，師生之間高效同頻共振的力度和效果還遠遠不夠。任課老師對上一次課程的重點知識未能做到及時梳理并向學生們開展復習或者梳理得還不夠。

（三）? 層次化科研能力培養不足

以往土木工程材料課程的實驗內容多為水泥、砂石骨料及混凝土等驗證性實驗，關于“雙碳”理念的綜合創新性實驗較少。針對不同需求的學生在層次化科研能力上培養不足、科研訓練參與度較低。同時，未能有效構建基于科研訓練與大學生創新創業訓練計劃項目、“挑戰杯”中國大學生創業計劃競賽及省級大學生結構設計競賽等專業性比賽和項目的高效銜接與聯動。

（四）? 課程評價體系不完善

課程改革前，考核方式主要由期中考試、期末考試及平時成績（多以考勤簽到為準）三部分組成。由于課程考核中考試占比過大，學生們往往存在考前死記硬背、臨時抱佛腳的學習狀態，這不利于學生的學習積極性及充分體現學生的課程學習效果。因此，構建多維度課程評價體系迫在眉捷。

二? 基于“雙碳”理念的前沿教學內容改革

（一）? 基于“互聯網+”的現代化教學方法

建立基于“互聯網+”的現代化教學方法，通過MOOC、愛課程、全國先進土木工程材料進展公開課、各類線上學術會議、終身教育平臺及各院校和科研機構網站等，學生可以接觸到世界名校及科研機構的教學課程和資源，加深與同行之間的學習。

（二）? 革新教學模式

授課采用問答型教學（Problem Based Learning， PBL）、知識圖譜類板書，穿插講授晶體學、材料學、化學和環境學等學科知識及材料分析測試技術表征，對每一章節重點知識點做到及時講解練習題。讓學生知其所以然，啟迪和培養學生對土木工程材料課程的認識和興趣。課程結束后，下一堂課程開始前采用聯想記憶法、對比記憶法及簡化模型等教學手段幫助學生強化和鞏固知識點。

（三）? 優化整合教學內容

如圖1和表1所示，整合“雙碳”戰略背景下土木工程材料課程前沿熱點、多學科知識及工程案例，保留傳統內容的同時，增設具有“雙碳”理念的前沿內容。如低碳膠凝材料、固碳建筑材料、節能材料與技術開發和仿生石材與木材等模塊的前沿進展，讓學生對“雙碳”戰略在土木工程材料領域的發展現狀有一定的了解，起到很好的認知補充作用。

此外，挖掘“雙碳”戰略背景下的土木工程材料課程思政，如中國古代留下的一些石灰砌筑的建筑物，至今仍有很高的強度，并不是因為古代石灰質量特別好，而是由于長年累月的碳化所致[15]。眾多“雙碳”背景工程案例，如世界首條用CO2制備混凝土磚生產線在華新水泥成功運行、日本Tomakomai CCS示范項目中心研發出負碳排放混凝土、全球主要水泥生產商CEMEX與瑞士光熱技術企業Synhelion在2022年2月首次將水泥熟料燒成過程與太陽能聚光熱利用相結合，太陽能接收器反應塔內工作溫度能達到1 500 ℃以上，能夠替代100%的化石能源。在前沿科研進展方面，如泰國學者[16]報導了將水泥基摩擦納米發電機開發用于收集機械能的研究，即利用納米TiO2增強硅酸鹽水泥復合材料的介電性能，在垂直接觸-分離模式下產生高電輸出，比純水泥體系高出三倍。韓國學者[17]提出一種以炭纖維為結構能源材料的水泥基導電復合材料，同時引入摩擦納米發電機，能夠收集建筑物外表面的風能、雨滴敲擊能及人走動時的運動能。武漢理工大學與山東京博控股集團有限公司旗下山東京博環保材料有限公司聯合開發的CO2仿生礦化固結材料可作為仿生礦化人造石材[18]。中國科學技術大學俞書宏院士團隊[19]提出的高性能再生各向同性木材，相比天然木材，其最低點燃燒溫度顯著提高，防火性能突出，抗沖擊性能好，能量吸收遠優于天然木材且可直接大規模生產。東南大學材料學院佘偉教授和普渡大學李恬教授開發出一種新型水泥基氣凝膠，具有負泊松比、比強度高等優異的綜合性能，解決了現有常規氣凝膠材料強度低、脆性大、工藝復雜和難以宏量化生產的難題[20]。麻省理工學院和哈佛大學學者提出了一種碳水泥超級電容器，可作為一種可擴展的大容量儲能解決方案[21]。上述課程內容的改革，能夠顯著提升學生對土木工程材料的科研興趣和創新思維。

三? 層次化綜合實驗與科研能力培養

如圖2所示，全體學生保留驗證性實驗：水泥實驗、砂石骨料實驗、普通混凝土實驗及高性能混凝土實驗。部分感興趣的同學增設水化硅酸鈣晶核合成、低碳膠凝材料制備、硅酸鈣熟料燒成與固碳材料二氧化碳礦化實驗。

在上述實驗內容的基礎上，如圖2和表2所示，針對擬參加科研能力訓練項目、“挑戰杯”、省級以上學科競賽及對土木工程材料方向科研感興趣的同學，將根據教師的科研項目安排講授關于“材料的合成、測試與表征技術”“實驗數據可視化處理與結果分析”“發明專利與科技論文寫作”及“科研匯報與學術報告”等科研能力培養內容，提升學生的科研能力。

四? 多維度課程考核體系

針對課程改革前考核方式中考試占比過大，不利于充分體現學生的課程學習效果的問題，結合課程特點，將考核模塊更加具體化，同時更加注重學生的實驗操作及科研素養的提高。多維考核評價體系如圖3所示，構建期末考試（60%）、實驗操作（10%）、提問與問題回答（10%）、實驗報告（10%）和考勤（10%）的多維考核體系。

五? 創新教學模式效果分析

表3是改革前后土木工程材料課程教學效果，將“雙碳”理念融入教學全過程，在一定程度上解決了傳統教學內容的滯后性，學生對課程的滿意度、層次化綜合實驗和科研成果表達式培養的參與度得到了較為明顯的改善。教師授課質量和師資隊伍建設也在教學改革中得到了進一步強化和提升，起到了良好的教學相長和協同育人效應。

六? 結束語

將“雙碳”理念與科研能力培養融入土木工程材料課程教學全過程，能夠起到科研反哺教學，為大學生今后解決實際工程問題和科研創新做好準備。融合課程思政與工程案例讓學生們深刻感受到“雙碳”戰略對土木工程材料轉型升級發展的重要性、必要性與迫切性，提升學生們作為新土木方向接班人的使命感和自豪感。

改革后取得的教學效果比較理想，學生上課積極性與實驗操作的掌握程度顯著改善、綜合素養和科研能力得到較大提升，師生在課堂之間高效同頻共振的力度和效果得到提升，探索了基于“雙碳”理念教學的土木工程材料課程與大學生科研訓練、創新創業訓練 計劃項目、職業規劃大賽和“挑戰杯”中國大學生創業計劃競賽等專業性比賽和項目的高效銜接與聯動育人模式。教師授課質量和師資隊伍建設得到強化和提升。進一步豐富和完善后可為相關開設土木工程材料課程的高校提供一定的經驗和思路，對涉及“雙碳”理念的其他專業課程也有一定的借鑒作用。

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