“新工科”背景下高校“土木工程材料”课程教学创新性研究

朱婧 徐方

摘 要：在当今全球第四次工业革命的科技浪潮中，在我国“新工科”体系建设与促进学科交叉融合发展背景下。本研究通过针对“土木工程材料”课程的特点及教学现状，从教学模式、知识体系、考核标准、创新改革等多个方面进行持续优化改进。按照人才成长规律改进人才课程培养机制，加快培养出符合国家科技人才培养要求和社会需要的工程综合型专业人才，为加快建设成教育强国、科技强国、人才强国提供不竭动力。

关键词：新工科；创新；土木工程材料；学科交叉；专业人才

2013年德国提出工业4.0后，以深度网络化、绿色资源化、高度智能化、个性化工业定制及人工智能等为主要特征的第四次工业革命正在以前所未有之势逐渐达到全球化。人工智能、虚拟现实、3D打印、物联网、基因工程等一系列新兴技术领域不断突破其瓶颈，从而刷新甚至颠覆了人类对传统制造工业的认知。我国随后提出了以网络化、智能化、数字化制造为发展趋势特点的《中国制造2025》，将制造工业的发展与现代化网络信息技术进行高度融合，为工程行业的新发展提供了新方向。本文以第四次工业革命、“新工科”建设为研究背景，以“土木工程材料”课程为对象，主要研讨了“土木工程材料”课程特点、现状、建议、创新改革等内容［1］。

1 传统“土木工程材料”课程特点及地位

“土木工程材料”课程是土木工程、安全工程、管理等工程类专业的必修课程之一，该课程含有大量工程类材料基础专业知识，涉及范围较广、综合性知识较多、理论与实践结合较强，该课程涉及工程材料的发展、各个材料的基本性质与用途，其中包括凝胶复合材料、普通木材、金属与非金属材料、有机与无机化学材料、普通硅酸盐混凝土、沥青混凝土等诸多内容。

目前高校在工程类学生专业培养方案中，“土木工程材料”课程都占据着不可撼动的地位，中国地质大学（武汉）工程学院的学生培养计劃中，“土木工程材料”课程共48学时，其中，理论教学共安排12周，平均每周安排1～2节理论课，实验课教学为7次，按照实验类型依次排课，占比为14学时，理论课程与实验课程相结合。

工程材料是建筑物的重要组成部分，建筑物的使用年限很大一部分受到材料的影响［2］，因此选取合适的材料可以达到事半功倍的效果。同时，随着复杂工程的逐渐增加，也推动了“土木工程材料”的创新发展，两者是紧密相连的。“土木工程材料”作为人才培养方案中的专业核心课程之一，人才培养的高要求也对课程教学提出了更高的要求。因此，针对该课程进行“新工科”的培养理念与教学改革的探索，对工程类专业的教学改革具有重要指导意义。

2 “土木工程材料”课程教学现状及建议

2.1 传统理论教学方式缺乏活力

目前大多数高校的专业课教学方式仍基于传统的多人数式教学，教师过于注重课本中专业知识的传播，忽略了对学生接收能力的培养，再加上“土木工程材料”课程内容较多、内容较散、客观叙述性强，课堂缺乏积极性与趣味性，学生主动学习能力差，很容易对知识的理解与实践应用能力产生负面效果。

在实验课程方面，课程的实验教学包括不同钢筋的力学性能检测实验、水泥砂浆配合比优化设计实验、建筑材料的基本性质实验、混凝土强度检测和易性实验、胶凝材料力学性能实验等。考虑到实验安全性、参与人数密度大等诸多问题，有些课程只是教师进行简单示范，未必能够较好地培养学生的实践动手能力与创新性思维。

建议：高校要进行教学创新，可以尝试研究讨论式教学、翻转课堂、线上教学、小班教学等新教学方式。我校在进行线上教学时主要采用雨课堂学习平台，课上可以实现多元化教学，相比于传统板书讲述，信息化的教学更加方便。利用网络学习平台，学生可以登录平台提前进行课件预习。网络平台还可以实现线上教学答疑和远程管理，课下师生可以通过学习平台进行不定期的学习复盘等。借助雨课堂平台进行的“土木工程材料”课程，师生反馈效果较好。

在传统实验教学中，实验室也只能在指定时间由教师的带领才能使用，为了培养学生动手能力和增加分析与思考的时间，实验室采取开放式措施。为合理利用实验室资源，提高利用率，重新制定了实验室使用制度和实验室管理规定，实施了实验申请预约和实验计划审批制度，实现了实验时间、空间、项目、设备和指导的全面开放［3］。在保证一次性进入实验室人数2人以上、提高安全防护意识、且满足前提规则后，实验室在教学期间24h对学生开放，开放式的实验大环境可以打破课时限制，学生可以自主合理地安排实验时间，对于感兴趣且有创新想法的实验可以多次进行，不仅满足了创新技术产生的硬性条件，还满足部分虚拟仿真实验与现实实验相结合，真正做到了模拟与实践的融会贯通。

2.2 理论教学与实际行业对接不足

我国在公路、铁路、桥梁、隧道、房屋建设等一系列大规模基础建设中稳居世界前列，建筑行业不仅大力推动发展了一大批新的施工工艺、技术和新型建筑材料，也产生了相对应的新施工管理方法和理论。

一方面，由于目前理工科类高校中工程教材通常采用经典教材，高校理论教材远远滞后于工程实际，新技术、新工艺、新材料的发展在课本中更新也较为缓慢。单以工程专业教学大纲“土木工程材料”作比较，常用的课本中常见的胶凝材料类混凝主要有普通硅酸盐混凝土、石膏混凝土、沥青混凝土等，与实际工程中的混凝土联系紧密但还远远不够。比如目前工程中较为新型的混凝土材料主要有轻质混凝土、自密实混凝土、粉煤灰含量较高的混凝土等。目前创新性工程智能材料有压磁材料、光导纤维、碳纤维智能材料等［4］；目前使用较为成熟的新型工程材料有：超高性能混凝土、液态金属、3D材料、保温防火保温板、抗渗水混凝土、修复型胶凝材料、过硫磷石膏矿渣混凝土等［5］。

另一方面，区域性工程项目的技术壁垒导致学生专业性技术发展不全面。例如在我国西南地区，多以山地丘陵为主要地貌，地形高差也较为悬殊，地质情况较为复杂，相比于我国中部地区，以平原为主，地形高差起伏不大，地质情况相对简单，区域工程也势必符合当地地质情况而生，由此产生的工程类型可能会存在较多的差异，会导致学生在工程认知方面存在不足。这些都在一定程度上阻碍了人才培养的全面化、综合性发展。

建议：在教学与研究过程中需要合理地引用当前工程项目中的新工艺、新技术、新方法，适当地淘汰教材中的旧技术、旧工艺，遵循课程教学联系当前施工新技术的教学原则，以施工实际为导向全方位引起教学的重点，有利用减少学生与施工实际接触较少形成的壁垒，从而从教材方面先行，达到事半功倍的教学效果。

在了解并学习常见的工程材料外，同时提高课程中对新材料的敏感度，在课堂教学中适当引入一些建筑行业的新型材料，让学生先在课下通过不同途径寻找目前工程行业发展已经投入生产、即将投入生产的新材料，在课上让同学讲解新材料的特点及应用领域，进行展示后同学互相进行交流，这样不仅可以将被动接受式学习转换为主动探讨式学习，可以增强学生学习的主动性、趣味性，还可以有效激发学生的探索兴趣、学习兴趣、思考问题的能力。

2.3 课程评价考核量化不足、可操作性不强

目前，高校理论实践课课程考查方式主要有平时成绩计分、课堂参与出勤率、单元测试、随堂测试、课后作业、学习报告、理论试卷考查、论文考查等。课程考查方式层出不穷，为多元化考核提供了参考依据。

原本考查课程的方式仅体现在对学生理论知识的考核，其考查标准过于单一。通过考试与实验两部分为参考依据，不能完全体现出学生的创新能力。通过课堂检测、小组类型的课堂展示、课后作业均不能有效地反应学生的课程学习与掌握情况。考核标准的改变是为了适应“新工科”的建设要求而进行的匹配性改革，但制定出合理的课程考核标准需要进行科学的评价方法。该标准的制定不仅是学科建设与教学改革的重要任务，也是“新工科”教学的重要体现之一。

建议：现拟采取一种考核标准多元化的方法，结合“新工科”教学培养理念，从知识掌握能力、绿色环保创新性思维能力、实践操作能力、项目完成情况、课程论文几个方面进行考核、校准多元化的评价，从理论、创新思维、动手能力、结合实际、创作能力多方面出发，在检验中进行学习总结并加強锻炼。多元化的考核标准优点是可以较好地体现出学生在课程学习后的知识积累量，缺点是考核内容偏多，侧重点可能会突出不明显。因此，考核标准还需要继续完善，达到相对科学、合理、符合学生的比例标准后进行考核，例如标准的实施需要结合课程同时进行，这样可以有效避免学生结课后考核任务较多产生负面影响。因为学生思维能力与写作能力具有先天差异性明显这一特点，创新思维与论文的考核占比应相对较少。同时，动手能力与理论学习能力占比应在中等范围，学者认为，应突出学生结合工程实际的能力，学生在校学习专业理论知识后应为实际工程而出发。课程进程中以及结束后，教师及时给予学生针对性的建议，以有效建议促进学生进步和促进学生教学反思，进而达到检验的目的性、有效性。

优化学生对课程教师评价体系，较多高校目前尚未特别关注学生对教师的课程评价。评价通常以问卷形式进行，问卷的形式缺乏真实性、客观性，单一的评价方式会在一定程度上限制了教师的教学方式，因此，各高校需要建立科学的课堂、课下质量评价；完善教学质量评价的指标体系，从不同角度出发，不同课程采用不同的评价指标［6］；建议教学质量评价的信息反馈机制，定期定量地进行评价正反馈。

3 “土木工程材料”课程的创新改革

3.1 基础学科交叉的理论优势

多学科交叉是目前高校培养应用型、复合型、创新型人才的重要体现之一［7］。本次学科交叉将化学专业、物理专业的课程理论知识融入“土木工程材料”课程的水泥、石膏、混凝土、沥青、石灰等章节，从化学工艺、反应机理和物理性质角度出发，跳出传统的知识框架，更加深入地了解各材料物理特点、化学反应机理形成工程材料的完整体系，深入了解各材料特性，形成胶凝材料的机理；促使学生能够自主运用化学物理专业相关理论知识掌握工程材料的基本性能以及技术特征，并能够在以后的实际施工应用中多角度分析其机理。交叉学科下的新课程可以充分扩展学生视野，培养学生的创新能力。同时，引导学生将我国土木工程行业发展需要和可持续发展理念相融合，培养学生的社会责任感和专业情感，促使学生探索出对“土木工程材料”的创新和优化设计方法，培养高素质综合型人才。

3.2 实验教学与虚拟现实等信息化技术相结合

随着我国工业信息化、自动化的深入推广，新时代的建筑施工技术也正朝着该方向发展。中国地质大学（武汉）不但拥有安全工程、土木工程等一流学科，还拥有“双一流”建设学科，分别是地质学、地质资源与地质工程等。我院教师还自主研发了“新奥法隧道施工工法虚拟仿真实验”等多种新型模拟仿真实验平台，不仅可以实现高度模拟真实的工程施工条件，还能对设定的实验数据进行理论推导分析，评估实验的可行性与风险性、预测实验的结果等。因此，我校在引导学生进行科技创新与产业结合方面、学科深化理论研究方面、虚拟现实、仿真模拟实验方面具有潜在优势。利用虚拟仿真实验与课程教学结合，可以有效增强教学的直观性、生动性和丰富性，避免危险实验；能够达到污染实验绿色化、操作盲区可视化、长时实验短时化、大型实验简要化，可以帮助学生更好地去探索工程实验类学科实验知识，提高整体学科素养。在“土木工程材料”实验课教学中，实验教学可以结合工程材料方面的已生产创新成果的新材料［8］。在线上进行教学是要确保让每位学生在做模拟实验前都能够提前进行预习。线下由任课教师亲自进行课堂讲解、演示、丰富和拓展实验课程的教学内容，让学生亲自动手参与，教师与学生进行实验讨论。在培养动手能力的同时，不断促进创新思维的形成。让学生真正做到学习有所依据、学时有所思考，学后有所收获。

3.3 创新创业、挑战杯等赛教融合

学校积极举办或组织参与相关的大学生创新创业实践培训、挑战杯、结构大赛等创新性项目，比赛的内容可以与“土木工程材料”理论课程以及实验教学环节高效紧密结合，即实现了教学内容可操作化，还锻炼并增强了学生的创新性思维能力。大赛组队鼓励不同学院、不同专业、不同年级学生交叉组队参赛，目的就是让大多数学生更积极地参与大赛项目，实现各学科、各年级的学生优势互补，用比赛的形式激发学生的创新思维，提升学生“土木工程材料”方面的理论水平，激发学生的创新思维，营造浓厚的科技交流学习氛围，不断加强大学生科学创新精神和社会科学素养的培养。此外，小组有专业教师进行指导，如果学生在参赛期间有了新的创意想法，也能够及时地和实验教师一起进行交流探讨。

结语

在“新工科”工程专业方向，各工科类院校研究的重点是如何培养新形势下的土木工程专业高素质复合型人才，怎样可以有效提高学生解决工程问题的实践能力［9］。本文主要在课程教学方法上进行研究与探索，研究注重以学生为主导地位，学生自主学习、提前预习、课下复习，线上线下教学相结合的学习方式，通过虚拟仿真实验加强实践操作能力，通过课程报告、相关创新性比赛增强实践操作。为工程行业发展凝聚新兴力量，为社会主义现代化强国的发展培养更多具有创新能力、实践能力和国际竞争力的工程专业技术人才。此次土木类学生在“土木工程材料”课程理论知识体系方面与实践能力提升方面的探索对于培养应用复合型人才具有重要意义。

参考文献：

［1］赵颖，丁卫，刘瑶，等.基于CDIO教育理念的土木工程专业材料力学实验教学改革［J］.山西建筑，2018，44（08）：241242.

［2］安明喆，吴萱，潘雨.土木工程材料课程教学内容改革［J］.高等建筑教育，2006（02）：8992.

［3］李宏斌，宇云飞，孟志良.新工科背景下土木工程专业试验课程教学改革——以土木工程材料课程试验为例［J］.河北农业大学学报（社会科学版），2020，22（05）：115120.

［4］凌竞远.土木工程材料新进展及其应用［J］.现代职业教育，2021（28）：164165.

［5］李志鹏，张津瑞，杨荣伟，等.新工科背景下融合OBE的土木工程材料教学探索与实践［J］.教育教学论坛，2022（09）：8992.

［6］张威，贾建锋，李昱颖.学科评估视域下高校教师评价体系：改革动因、要素构成和体系建构［J］.现代教育管理，2022（09）：8493.

［7］钱凯，吴优，刘兵，等.互联网时代多学科交叉融合土木类专业课程体系实践与研究［J］.中国新通信，2022，24（10）：146148.

［8］赵亮，姚爽，李永强.“新工科”背景下《土木工程材料》教学改革与实践探讨［J］.河南建材，2019（04）：273274.

［9］杜岩，谢谟文，刘彩平，等.土木工程新工科人才培养探索与实践［J］.高等理科教育，2021（05）：8185.

基金项目：全国青年教师教育教学研究课题（2018 QNJ032）

作者简介：朱婧（1982— ），女，漢族，湖北武汉人，硕士，讲师，研究方向：土木工程材料课程教学研究。