培養具有工程創新能力的土木工程材料專業人才探索與實踐

摘 要：建筑行業的飛速發展對土木工程材料專業人才培養提出更高的要求，其中工程創新能力的培養越來越重要。近年來，青島理工大學在具有工程創新能力的土木工程材料專業人才的培養方面，進行有益的探索與實踐。依托獲批的海洋環境混凝土技術國家創新引智基地（111計劃）、教育部工程研究中心，將最新科研成果和工程前沿技術充分融入人才培養過程，科教產融合，同時進行海洋特色化課程體系改革，注重多學科交叉融合，并通過國際化合作培養學生國際視野，切實提高學生的工程創新能力。

關鍵詞：土木工程材料；工程創新能力；人才培養；探索；實踐

中圖分類號：C961 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2024）23-0055-04

Abstract： The rapid development of construction industry has put forward higher requirements for the cultivation of civil engineering materials professionals. Among which， the cultivation of engineering innovation ability has garnered considerable attention. In recent years， Qingdao University of Technology has carried out useful exploration and practice in the cultivation of civil engineering materials professionals with engineering innovation capabilities. Specifically， relying on Overseas Expertise Introduction&Discipline Innovation Center base of Marine Environment Concrete Technology （111 Program） and the Engineering Research Center of the Ministry of Education， the latest scientific research achievements and cutting-edge engineering technologies are fully integrated into the talent training process via the integration of scientific research， education and industry. Meanwhile， the reform of curriculum system with marine characteristic are conducted， andlay the emphasis on multidisciplinary cross-integration; furthermore， the school has carried out actively international cooperation for cultivating students' international vision. All of which has effectively improved students' engineering innovation ability.

Keywords： civil engineering materials; engineering innovation ability; talent training; exploration; practice

新中國成立以來，我國建筑業對經濟社會發展作出了卓越貢獻，對GDP貢獻率已超過8%；建筑業以其產業鏈長、產業集群化程度高、帶動性強的顯著特征，對國民經濟其他行業產生直接和間接生產拉動，帶動了30多個上下游相關產業的發展。據國家統計局數據顯示，2019年我國僅建筑業企業總產值超24.8萬億，從業人員5 427萬人，占全部就業人員的比重為7.2%，建筑業的固定資產總額占全社會固定資產總額的54%，是國民經濟的支柱產業[1]。建筑業中的重大基礎設施建設，如川藏鐵路、跨渤海通道、島礁建設和沿海高鐵等支撐著我國“一帶一路”與海洋戰略實施。隨著新城建和新基建戰略實施，加快推進基于信息化、數字化、智能化的新型城市基礎設施建設，以“新城建”對接新型基礎設施建設，將引領城市升級轉型、推進城市現代化建設，建筑業迎來了新的機遇與挑戰[2-3]。

作為重大基礎設施建設和建筑業發展的基石，土木工程材料關系到工程質量、造價和建筑壽命等。2020年我國水泥生產23.7億t、混凝土用量超過100億t，但全球建筑行業碳排放占排放總量的40%、土木工程材料排放二氧化碳超過15億t、砂石消耗超過100億t，資源消耗、碳排放壓力巨大。根據侯保榮院士統計，我國2014年腐蝕成本約占當年GDP的3.34%，相當于每個中國人當年要承擔1 555元的腐蝕成本，其中基礎設施和交通領域腐蝕損失高達3 436億元，造成了沉重的社會負擔。

因此，建筑業和重大基礎設施的創新性、經濟性、安全性和耐久性依賴于土木工程材料的創新、發展、穩定與可靠供應等，新的建筑結構和形式也會催生更環保、更長壽、更經濟的新型土木工程材料開發。而這一切都需要高素質、具有工程創新能力的土木工程材料專業人才培養[4-5]。

一 土木工程材料的創新發展

土木工程材料是人類“住、行”等基礎設施的支撐，從石器時代開始就與人類生活密切相關，從最早的土、木、石材料逐步發展到秦磚漢瓦，直到現在的鋼材、鋼筋混凝土、有機高分子等。始建于公元前27—25年的羅馬萬神殿穹頂直徑達43.3 m，其圓屋頂主要采用浮石摻入混凝土制成的輕質耐用的殼體結構；1824年波特蘭水泥的發明更是推動了現代土木工程的發展，高樓大廈、跨海通道、長大山體隧道等大型土木工程得以實現。

隨著人類活動范圍逐步向遠海、極地、高原和太空發展，土木工程材料也進入了新的發展時期[6]。鋼筋混凝土材料的設計制備逐步由傳統的實驗試配轉化為以微結構主動設計與調控、通過多尺度性能傳遞與過渡，實現高性能材料的主動設計；隨著重大基礎設施服役年限逐步延長至100～120年，更科學的耐久性設計方法、更長壽的土木工程材料得以開發與應用；隨著零排放、低能耗建筑的不斷發展，基于固廢高附加值利用的生態水泥基材料和具有全壽命周期減排、具有二氧化碳吸附能力的建筑材料正在開發應用；基于傳感與人工智能技術的發展，研究者和工程師可以實時感知材料與結構的性能演變，土木工程材料逐步由無生命體轉化為可自我感知與安全預警、可主動修復的有生命體；為滿足強腐蝕環境、高動載作用、太空無人建造等極端條件，高耐蝕筋材混凝土材料、強度超過200 MPa的水泥基材料與高強鋼筋、3D打印混凝土材料與技術已被開發并在工程中得到應用。隨著人類對土木工程的要求不斷提高，在材料科學、計算科學、人工智能等學科發展帶動下，具有多相、多組分、性能時變的土木工程材料設計方法、制備技術、性能評估的科學性更足，創新性更高，滿足工程需求能力更強。

二 土木工程材料專業人才培養體系

隨著土木工程及其材料發展的不斷進步，土木工程材料人才培養和發展得到了高度關注[7-8]。土木工程材料專業人才一方面脫胎于土木工程領域，專家們意識到土木工程發展創新對材料新的需求，對土木工程材料更加關注，如陳肇元院士開創了混凝土結構耐久性研究，趙國藩院士引領了鋼纖維混凝土材料研究，孫偉院士引領了高與超高性能混凝土材料開發與應用。土木工程材料專業人才另一方面起源于材料領域，他們基于材料科學的進步開發更先進的土木工程材料，結合土木工程新需求，不斷發展土木工程材料，如吳中偉院士研制了中國最早的引氣劑、提出了混凝土中心質假說，為砼的組成結構和技術發展提供理論基礎；唐明述院士發明了堿集料快速評價方法，提出要讓混凝土重大工程堅如磐石。

目前，我國已構筑起土木工程材料本科、碩士和博士三級人才培養體系，人才培養在土木工程和無機非金屬材料兩個專業領域均有涉足[9]，東南大學、清華大學、同濟大學、浙江大學、重慶大學、華南理工大學和武漢理工大學等教育部重點高校，西安建筑科學大學、深圳大學、青島理工大學和濟南大學等地方高校也都專注于土木工程材料人才培養[8，10-14]。人才就業領域目前也主要集中于建筑領域、材料生產與檢驗企業等。顯然，土木工程的需求與發展為土木工程材料專業人才發展提供了沃土，材料科學為其發展提供了營養。具有工程創新能力的土木工程材料專業人才是當前學科發展的需求，是土木工程發展的依托。

三 具有工程創新能力人才培養探索與實踐

青島理工大學（以下簡稱“我校”）是一所以工為主，土木建筑、機械制造、環境能源學科特色鮮明，理工經管文法藝等學科協調發展的多科性大學，是國家首批地方高校“111計劃”建設單位、山東省首批高水平大學“強特色”建設高校。其土木工程學科是山東省一流學科，并作為山東省13個學科之一入選省高峰學科。學科建設有海洋環境混凝土技術國家創新引智基地（111計劃）、教育部工程研究中心，獲批了國家自然基金重點項目、重點國際合作項目、聯合基金重點項目，服務于膠州灣海底隧道、青島地鐵、沿海高鐵和臺山核電等重點工程，分別于2008年和2018年獲得國家科技進步二等獎，并于2009年和2010年獲得國家友誼獎和國家國際科學技術合作獎。其土木工程材料本科生培養開始于2004年，目前招生規模已達到三個本科班；其碩士生和博士生培養分別開始于1994年和2005年，研究生培養規模每年在40～50人，培養的博士生張鵬已經獲得國家優青資助；多名碩士研究生到東南大學、清華大學等攻讀博士學位并到山東大學等單位工作，研究生經過3～5年的鍛煉，大多成為所在單位的中層領導和技術人員；25%以上的本科生到國內外知名高校攻讀碩士研究生，還有很多本科生到大型建筑企業、商砼生產企業等單位工作，2008年畢業的首屆學生大多仍在建筑行業工作并成長為公司中層。

（一） 基于產學研合作培養學生的工程思想

將最新科研成果和工程前沿技術充分融入本專業人才培養過程，科教產融合，建立土木工程材料專業人才培養新模式。在人才培養模式的創新上，首先明確“一個中心，兩個基本點”的人才培養思路，即以教學為中心，以科學研究和社會服務為兩個基本點（圖1），將最新科研成果和工程技術充分融入本專業人才培養過程，為學生全面成長鋪好道路。

結合專業人才培養特色，積極探索和實踐教學方法改革，將經典工程案例引入教學，用工程實際問題啟發學生思考，進行課外學研模式等教學模式改革，使“教學”過程變為“導學”過程，增加學生學習的自主性和積極性。

教學思路由單一講解知識點轉變為由問題導入啟發學生自主思考，課程訓練由以前課后單一習題練習轉變為嘗試解決工程實際中的難題，教師的作用不再是單一地灌輸知識而是引導啟發學生自主思考，學生隨之也不再是“被動接受者”，而是 “主動學習解決問題者”，課程考核方式由“應試型”向“多元型”轉變，促進學生創新能力和創新思維的培養。

進行課程考核方法的改革，之前單純考核獲取知識量的多少，改革后的考核要綜合評價能力、知識和素質，促進研究性教學模式改革。將學習過程考查和學生綜合能力評價相結合，將課程小論文、作業、階段性測驗和調查報告等作為課程考核的形式。既要考查學生對專業知識點的掌握程度，又要綜合反映學生創新思維能力。考核要做到過程與結果相結合，知識與能力相結合。

與相關專業配合，探索畢業設計真題真做，根據工程實踐的實際運作模式，按照專業分工，分別完成畢業設計，并進行圖紙會審、修訂完善、出圖等全部工程設計環節。培養學生的溝通能力、協作精神，帶動建筑學、建筑環境與設備、給水排水工程等專業群建設。

結合學院各級各類科研課題，進行科研項目驅動教學模式改革。在鞏固基礎知識學習的基礎上，合理安排項目，以學生為主完成方案設計、理論計算、仿真優化和實驗分析等工作，在這個過程中切實提高學生的學習能力、知識應用能力、創新能力和交流溝通能力等。針對學有余力的高年級本科生，吸收其中優秀學生進入實驗室從事科學研究。土木工程學院的學生從大二開始就實施“導師負責制”，所以學生接觸科研課題較早。涉及大型貴重儀器的以教師操作為主的實驗，比如X射線衍射、熒光光譜、差熱和紅外光譜儀等，讓學有余力的學生可以參與研究生具體的試樣制作，數據匯總，理論分析，換句話說，同一個班級的學生，同一個實驗項目可以有常規實驗組，也可以有拓展組，實驗結束后同樣提交實驗報告，實驗指導教師審查合格后給予一定的學分并交教務處存檔并給予成績和學分。本科生與研究生同時參與教師的科研項目，把書本知識運用到具體實踐中，鍛煉他們學以致用、勤于思考、分析問題及解決問題的能力，同時也提高了他們的科研能力和鉆研精神，更好地掌握了實際工作的基本技能，成為社會急需的創新應用型人才。

（二） 基于學科交叉培養學生創新能力

當今社會信息技術飛速發展，功能強大的工程輔助軟件不斷出現，計算機硬件快速更新換代，智能建筑、工程信息化、三維仿真技術快速發展并在工程中不斷應用。同時隨著工程的系統性、復雜性不斷提高，對多專業配合的要求也不斷提高。這要求工程技術人員，在具有扎實的本專業基礎理論知識和基本技能的同時，還要具有相對寬廣的學科群背景及較強的團隊合作精神。同時，近年來土木工程出現了超高、超長、超深基礎、大體量及復雜造型等特點，加上新材料、新工藝、新技術的不斷采用，要求工程技術人員具有較強的專業綜合素養及工程創新能力。

山東省是建筑業發展最快的地區之一，尤其近年來，隨著山東半島藍色經濟區、黃河三角洲高效生態經濟區被列為國家發展戰略規劃，區域經濟的基礎設施建設也迎來快速發展的時期，該區域共有的沿海環境特點（海水、潮汐、鹽霧、氣候、水文和地質等），使土木工程共同面臨海水腐蝕、潮汐、鹽霧和鹽堿等影響。這就要求土木工程材料專業技術人員在掌握傳統的基本知識和技術的同時，還要熟悉沿海環境下的特殊知識和技術。因此，在學生的培養過程中要注重多學科的交叉融合，堅持“基礎適度、口徑寬廣、特色突出、應用為先”的教學觀和人才培養方針。

（三） 聚焦海洋特色深化課程體系改革

針對國家經濟發展需求，尤其是藍色經濟區發展需求，聚焦海洋特色以重大項目為依托，培養特色人才。優化教學內容，重視系統，保證先進，關注前沿。

我校在專業課程方面，根據教師的科學研究成果，結合國際國內最新研究動態，在國內率先開設海洋鋼筋混凝土腐蝕與防護、混凝土耐久性、建筑材料新進展等方面的課程，依托國家自然科學基金重點項目、“973計劃課題”等項目資助，為學生制定課題，擴大了學生的知識面，培養了學生科研動手能力，獲得了廣大學生及社會各界的好評。在企業實踐的組織中，充分利用教師團隊的科研優勢，將團隊教師的一些研究成果融入學生系列課程的實踐研討內容，在突出教學內容先進性的同時，理論聯系實際，拓展學生的視野和增加學生的知識面。

突破傳統學生培養方式，構建工程創新能力培養全過程質量保障體系。突破傳統培養方式，以問題為導向，基于實際工程需求設計項目，加強學生的職業取向和應用能力培養，如以新型混凝土技術和綠色生態材料技術在青島海底隧道、青島地鐵等重大工程中的應用作為學生畢業論文選題，促使新材料技術、學科最新發展融入實踐實驗過程及畢業生論文中去，在突出內容先進性的同時，理論聯系實際，拓寬了學生的學科視野。

（四） 通過國際化合作培養學生國際視野

借助青島海洋與國際化城市的地理優勢，以及與德國的友好關系與歷史淵源，土木學院趙鐵軍教授在清華攻讀博士期間即與卡爾斯魯厄大學的F.H.Wittmann院士建立了密切的聯系。從2002年Wittmann教授受聘青島理工大學以來，雙方開展了大量的合作研究工作，先后聯合申請了國家外國專家局國際合作項目、國家自然科學基金重點項目、青島膠州灣隧道混凝土耐久性傳感器的安裝與監測等項目，在科學理論研究、重大工程實際和青島市地方重大工程建設中發揮了重要作用，開展了積極有效的實質性合作。

在2016年度地方高校“高等學校學科創新引智計劃”（簡稱111計劃） 新建基地立項名單中，我校的“海洋環境混凝土技術創新引智基地”作為全國15所高校之一榜上有名。借助院士和111計劃，團隊與德國卡爾斯魯厄大學的Muller教授，英國倫敦大學學院Yun Bai教授，美國西北大學S.P.Shah院士，香港科技大學李宗津等建立了密切合作，并聘請他們來學校擔任兼職教授，從而構建了一支由世界頂級大學教授組成的海外教學團隊。這些著名教授不僅親自給本科生開講座、上專業課，而且還與青島理工大學進行學生的聯合培養，拓寬學生的國際視野。

四 結束語

經過幾年的探索，我校土木工程材料專業逐步構建起以應用能力和創新能力培養為主線的教學體系，打破了傳統教學體制下較為封閉的校園式學習模式，以科研項目為載體，打破課程體系壁壘，拓寬專業口徑，為本科生、研究生、科研教師和企業工程技術人員等一起合作交流創造了有利條件，為學生提供了向科研教師和企業工程師學習并共同解決問題的機會。通過共同解決工程實際問題，切實提高了學生的創新能力和動手能力。

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基金項目：國家自然科學基金中英國際交流項目“海洋環境下堿激發礦渣混凝土中鋼筋鈍化與銹蝕行為研究”（52011530192）；山東省研究生導師能力提升專項“新工科多方協同育人模式改革與實踐探索”（SDYY17061）

第一作者簡介：金祖權（1977-），男，漢族，四川閬中人，工學博士，教授，副校長，博士研究生導師。研究方向為土木工程材料科研與教學。