交叉学科背景下土木工程材料课程的教学改革探讨

刘珏 王亦龙 袁健 尹健 田冬梅 邓涵文

[摘 要] 交叉学科类课程对于高层次复合型人才的培养具有重要意义。针对土木工程材料课程教学过程中存在的问题及面临的挑战，科学构建学生、教师、企业三位一体的新型教学模式，即在建立专业的教学团队的基础上，借助企业工程背景，充分调动学生的积极性和主动性。结合该课程的特点和教学目标，从教学内容、教学方法、教学手段等方面进行了相应的改革与探索。该模式可为新工科背景下交叉学科培养复合型创新人才提供借鉴。

[关键词] 交叉学科;土木工程材料;教学方法;问题分析

[基金项目] 2018年度中南林业科技大学青年科学研究基金项目（自科类）“面向极端工况条件高速切削的超粗低钴硬质合金的力学性能及耐腐蚀性能研究”（QJ2018003A）;中南林业科技大学引进人才科研启动基金“高性能超粗低钴硬质合金的制備与性能研究 ”（2018YJ020）

[作者简介] 刘 珏（1989—），女，湖南长沙人，工学博士，中南林业科技大学土木工程学院硕士生导师，研究方向：新材料的制备技术与理论研究;尹 健（通信作者）（1970—），男，湖南洞口人，工学博士，中南林业科技大学土木工程学院院长，博士生导师，研究方向：土木工程材料的制备与耐久性研究。

[中图分类号] G423.07    [文献标识码] A    [文章编号] 1674-9324（2020）31-0209-03    [收稿日期] 2020-02-17

一、引言

伴随着土木工程与材料科学领域的发展，两学科之间的交叉与融合逐渐增多，一门新型交叉学科——土木工程材料学科应运而生。土木工程材料学科的兴起可使对土木工程的认知从工程实际应用角度发展为对材料的基本组成与性质的研究，从建筑物或构筑物这一宏观角度跨越到探索材料微观结构和性能的关系，有利于推动土木工程向更宽领域、更深层次、更高水平发展。近年来，以新型与环保建筑材料、建筑垃圾及固体废弃物的资源化利用、生物质复合材料等为代表的新材料、新技术不断突破传统材料的技术瓶颈，逐渐渗透人类的日常生活，不断刷新人们对于材料世界的认识。土木工程材料的应用在新材料的开发与应用方面具有重要作用，有利于解决事关国家经济社会发展全局的重大科技问题。因此，在土木工程或材料科学的本科专业开设土木工程材料课程意义深远。

一、土木工程本科专业开设土木工程材料课程的目的

中南林业科技大学的土木工程材料课程是土木工程学院土木工程、城市地下空间和工程管理专业开设的一门学科基础必修课，目的主要在于使学生具备土木工程材料的基础知识，为将来在工程实践中正确选择和合理使用建筑材料打下基础，为后续专业课程提供土木工程材料的有关知识，学会利用材料学的方法研究土木工程材料的制备方法、结构性能和性质应用;培养学生材料科学实验的能力，了解和关注土木工程材料科学发展的前沿动态，为以后从事科学研究或工程实践提供坚实的理论基础。该课程开设的对象为相关专业的大二学生，在此之前学生已经学习完大学物理、普通化学和土木工程概论等前序学科基础课程，以及理论力学、材料力学、结构力学、水力学、土力学等专业基础课程，了解了土木工程专业的特点和发展方向，具备了一定的理论基础和专门知识。本课程的设置是土木工程相关专业其他主干课程的延伸和有效补充，可以帮助学生全面了解和认识自身专业未来发展方向，拓宽职业发展通道。

二、土木工程材料课程教学过程存在的问题及面临的挑战

（一）教师缺乏交叉学科底蕴，学生材料学知识匮乏

土木工程材料课程是面向土木工程领域相关专业开设的一门课程，由于受到专业的局限，学生在材料学领域的专业知识相对有限。土木工程专业学生在本科阶段的授课重点主要集中在力学、结构、道路和桥梁等方面，对于材料科学基础、材料合成与制备、物理化学等材料学领域专业课程鲜少涉及;因此，学生对于材料组成与结构、先进材料制备技术、材料微观检测技术的储备知识十分有限。对于教师而言，如何将上述内容衔接在土木工程材料课程的讲授中是一大挑战;对于学生而言，如何将材料学的科学基本理论与土木工程领域的专业知识双向交叉融合也是一大问题与困惑。同时，交叉学科专业教学团队的建设亦是高校培养复合型、协同创新型人才的重要举措。普通土木工程材料的教师团队缺少具有材料学学科背景的专任教师，不利于高校实现培养具有广阔学科背景的综合型人才的目标[1，2]。

（二）课程内容缺乏趣味性，学生的学习效果不佳

土木工程材料课程涵盖范围广，课程内容具有极强的理论性，授课内容以分析材料行为的原理、规律和方法为主，课程的趣味化程度不高，学生难以有浓厚的兴趣。同时，传统的课堂教学方式以“教师在讲台上讲，学生在讲台下听”的模式来开展，学生总是被动扮演着知识的“接受者”这一角色，没有时间思考和消化课堂内容。同时，目前在校的大学生一半以上为“00后”，这个群体具有极强的个性，传统的教学方式很难获得他们的认同感，不利于建立平等和谐共同发展的师生关系[1，3]。

（三）教学缺乏权威教材

我校是一所以林业为优势和特色的综合型大学，生物质材料的研究和应用是推动土木工程领域技术开发创新的重要动力。就目前而言，市面上并没有特别适用于林业高校学科特色的权威教材。国内知名高校出版的教材中，主要参考赵方冉、王起才、严捍东编撰的《土木工程材料》（同济大学出版社，2004年）和宋少民、孙凌编著的《土木工程材料（第二版）》（武汉理工大学出版社，2013年）两个版本。上述教材仅以较少篇幅讲述《木材》章节的内容，对于生物质材料领域取得的研究进展及相关前沿科技动态少有提及[4]。

（四）课时少，缺乏现场观感

土木工程是综合性极强的专业，要求学生掌握较为扎实的基础知识和原理，同时还应具备较强的动手能力。但是，本课程理论讲授部分仅40学时，课时数较少。教师要在有限的课时内讲授土木工程材料的基本性质、气硬性胶凝材料、水泥、混凝土、砂浆、装饰材料、金属材料、木材、土木工程功能材料、土木工程高分子材料等章节，只能简单讲解一些基础知识和概念，无法深入揭示材料性能与其本质机理。土木工程材料配套实验课为16学时，实验课中通过动手来培养学生的实践能力，以助于理解理论内容。由于受到实验场地、环境、设备等实验条件的限制，无法完全真实模拟实际施工过程中的复杂情况;有些实验以教师演示为主，学生的直观感受不佳，不利于培养学生的实验操作能力[5]。

三、土木工程材料课程教学方法改革

（一）组织具有多学科背景的教学团队，丰富学生材料学专业知识

土木工程材料属于学科交叉类课程，要求教学团队具有多学科背景的专任教师，要求学生具备物理、化学、材料学、土木工程等多领域基础知识。从上述思路出发，经过近10年的建设和打造，本课程逐步建立了一支以尹健教授为核心，年龄结构、职称结构、学缘结构合理的教学团队。该教学团队由5人组成，其中教授1名、副教授1名、讲师3名，职称结构形成自然梯队，教师教学经验丰富;45岁以上教师1名，35岁以上教师2名，35岁以下2名，中青年教师占主体，发展潜力大;授课教师均具有“985”高校的博士学位，学科背景更涵盖材料科学与工程、道路与铁道工程、结构工程等多个方向，充分体现多学科交叉融合的特点。其次，鉴于学生在材料学领域的专业知识相对有限，在保证教学质量的基础上，教师适当向学生介绍材料学中的基本概念、理论以及材料典型制备技术，并向学生推荐相关资料、数据和热门公众号，引导学生进行课后自助学习。例如，在讲解混凝土的碳化过程时，以菲克扩散定理引出推导碳化方程，进而揭示混凝土的耐久性与材料性质、设计和施工的关系。又如，在讲解“金属材料”章节时，结合教师的相关科研经历向学生阐释铁碳合金相图中点、线、面的含义，指明碳钢和铸铁成分、温度、组织和性能之间关系的理论基础，同时介绍各类金属热处理工艺（正火、退火、时效、固溶处理、时效处理、淬火、回火等）的工艺方法和作用。

通过教改，学生增加了一定的材料学知识储备，这不仅不会与土木工程专业相互抵触，反而能帮助学生从材料学的角度思考继而解决建筑物设计、造价、施工和监理等环节中的各类问题，为新材料、新技术在土木工程领域的开发和应用带来生机和活力。

（二）以严谨的科学精神渗透教学环节，以教师学识魅力感染学生

理论课程包含大量专业术语、定理、计算公式等抽象内容，学习在学习过程中难以直接获得代入感从而产生浓厚的学习兴趣。如何以科学性和趣味性相结合的方式来讲授理论课，帮助学生将抽象的理论知识融入具体的生活实例和工程实践中，是值得授课教师思考的重要问题。首先，教师应当以个人学识魅力感染学生，避免照本宣科的讲课方式。交叉学科讲授教师需要具备较为广阔的知识面以及多学科教育背景，教授内容源于教材更应高于教材。例如，在讲授土木工程材料的发展进程中，教师可以紧扣“材料的发展是人类进步的里程碑”这一主题，以人文和历史知识来吸引学生感受土木工程材料之美。其次，以科研精神渗透教学环节是一种创新性的思路。教师常规的教学流程中，教师通常直接提出既有问题，并通过讲解知识点予以解答，学生被动接受知识点。学生既没有参与对未知事物及存在问题的探索，也没有足够的时间来消化吸收获得的知识。发现问题、探索消化这一系列环节的缺失，也使得学生对于课程的学习兴趣不高。授课教师可以结合学科前沿、社会热点问题及自身的科研经历来提出问题，引导学生通过互联网、图书馆等各种方式来查询资料，尝试分析出现上述现象的主要原因，同时鼓励学生将问题形成自己的规律性分析总结。教师将学生形成的各种总结放在课堂上讨论，并进行学生互评和教师点评，最后教师总结讨论的结果，从而引出后续知识点。

（三）建设符合本校学科特色的教材

一本适用性强的教材是有效完成教学计划、确保教学质量、提高教学水平的必要保障。对比目前各版本土木工程材料教材的侧重点及不足，结合我校学科特色及人才培养定位，授课团队于2015年编著了《土木工程材料》新版教材（尹健主编，中国铁道出版社）。该教材基于团队教师实际教学经验和丰富的多学科专业领域知识，教材内容编排合理、内容条理清晰，提高了林业院校土木工程相关专业人才培养的质量。教材以土木工程材料作为开篇内容，主要讲述无机胶凝材料、混凝土、砌筑材料、金属材料、木材、高分子材料、沥青及沥青基材料、纤维增强复合材料、建筑功能材料、土木工程材料试验等内容。从知识结构来看，每一章均以材料的组成与结构、物理性质、化学性质、耐久性与安全性和应用范围的逻辑关系来开展。其中，本教材从林业高校土木工程专业人才培养特色出发，突出了木材的技术性质和特性，并在授课过程中向学生介绍了生物质材料（米纤维素混凝土等）的相关研究动态。

（四）结合企业工程实际，以互联网技术辅助教学

著名数学家华罗庚曾指出：“人们对数学产生枯燥无味、神秘难懂的印象，原因之一是数学教学脱离了实际。”由此可见，将抽象的理论知识和定理与具体的工程实际相结合，并用生动的实例来讲解枯燥的内容，课堂内容将会变得生动而有趣，能够有效加深学生对于基础知识点的理解。教师在讲授过程中，以工程背景的案例为教学切入点，立足于既定教学内容，优化土木工程材料课堂知识的讲授方法。授课教师与企业建立紧密联系，收集大量工程现场的图片、音频、视频，充分调动学生感官功能，激发学生多视角、多方位、多形式探索问题的兴趣。例如，在讲解混凝土塌落度测试方法时，给学生播放施工现场泵送混凝土塌落度试验流程的视频，并请企业专业技术人员介绍混凝土质量控制要点，引导学生树立“材料质量控制是工程建設第一生命线”的正面认识。

专业技术人员提供的图片及音频视频资料充分展示了教学手段的多样化，很大程度上弥补了课堂教学在空间、时间上的局限性，让理论教学不再停留在“纸上谈兵”的阶段。经过教改，学生课堂互动积极性不高的现象显著改善，分析、解决实际问题的能力有一定提高。

四、结语

交叉学科课程土木工程材料是土木工程相关专业的一门学科基础课程，该课程的开设符合当前社会创新型复合人才的培养目标。针对该课程在教学过程中存在的问题及面临的挑战，笔者提出了一系列课程教学改革与实践的方法，扩展了学生多学科领域的知识与技能，提高了学生学习的积极性和主动性，教学质量得以持续改进。

参考文献

[1]何敏，彭顺金，刘宏玉，衡伯军.交叉学科课程《材料化学》的教学改革与实践[J].山东化工，2018（24）.

[2]郭芳，许俊强，陈志，李军，王耀琼，王敏.交叉学科的新型催化材料课程建设的改革与实践[J].科学咨询，2017（4）.

[3]高俊杰，姚宝珍，岳明，胡平，闫鹏.车辆工程专业交叉学科类课程教学改革探讨[J].实验室科学，2016（6）.

[4]王雅思，王国杰.土木工程材料课程教学改革探讨[J].西部素质教育，2016（8）.

[5]田冬梅.培养创新能力与工程素养的土木工程材料教学改革实践[J].现代职业教育，2016（30）.