新工科背景下香港大学土木工程课程设计的思考★

王雪帆，徐能雄，张 彬

(中国地质大学(北京),北京 100083)

0 引言

从全球范围来看,众多学者认为教育改革中“跑得最快、范围最广、影响最深”的是工程学科教育[1]。近几十年,逐渐形成“工程科技改变世界,工程教育领跑创新”的趋势。麻省理工发布的《全球一流工程教育发展的现状》报告中指出,工程教育进入了快速和根本性变革时期,最好的工程教育不限于世界一流研究型大学和小而精的学校,新的竞争者将为未来优秀工程教育建立新的标准[2]。随着计算机信息技术的飞速发展,工程学科教育正迎来从量变到质变的关键时期。

针对工程教育发展关键时期,习近平总书记提出了“新工科建设”的概念,强调用好学科交叉融合的“催化剂”,对传统工科专业进行升级改造,瞄准科技前沿和关键领域,加快培养工程领域紧缺人才[3-4]。随着计算机信息技术的飞速发展,融合数字化与智能化技术的土木工程专业是“新工科”的重要组成部分。在此“新工科”背景下,深入分析土木工程专业相关课程的新型教学模式具有重要意义。一方面,面对多元学科交叉融合后的土木工程专业,需要探讨如何设计相关课程的教学内容;另一方面,面对传统理论与新兴技术相结合的教学内容,需要思考如何针对性地设计授课方式。

香港大学工程学院于1912年成立,其中土木工程专业是其优势学科,处于全球领先位置(2023年QS世界大学土木工程学科排名第19位)。香港大学土木工程系于2014年在工程学科教育转型时期,进行了本科生课程改革,新的课程内容与教学模式更加侧重以项目为基础的体验式学习,注重培养多元化工程人才,让学生更早更多的接触与土木工程相关的应用领域[5]。课程改革后,土木工程系排名稳中有升,向全世界提供了大批能够适应高新技术的创新型人才,在学术界和工业界都享有良好的声誉。此外,香港大学是中国香港的一所历史悠久的综合性国际化公立研究型大学,在中外文化经历多年沉淀并交流融合的背景下,其本科生课堂教学模式更加具有参考价值[6]。因此,新工科背景下香港大学土木工程课堂教学模式值得进行深入的思考与探讨。

作者在2018年—2021年期间,连续三个学年担任香港大学土木工程系《岩土工程理论与技术》本科生课程助教,并获得香港大学高等教育教学证书,主要负责该课程的随堂讨论、试验课授课、作业批改与答疑以及野外实习等环节。综上,本文以作者担任多年助教的《岩土工程理论与技术》课程为例,回顾并分析香港大学土木工程系本科生专业课课堂教学模式,结合内地高等院校特点,深入探讨新工科背景下土木工程专业课程设计相关内容。

1 《岩土工程理论与技术》课程设计

1.1 课程概述

《岩土工程理论与技术》是香港大学土木工程系为高年级本科生开设的一门专业必修课程。遵循以学生为中心的“体验式”教学理念,采用“小组式”的教学模式,结合课堂研讨、试验操作、野外实习三种授课方式,由2位教授、5位土木及地质行业专家、2位助教共同讲授工程地质、岩石力学与土力学、工程应用三个章节的内容。该课程共64课时,先修课程包括高等数学、材料力学、普通地质学等基础课程,上课学生人数约为110人。

1.2 教学内容

《岩土工程理论与技术》教学内容主要分为三部分。按授课时间先后顺序,第一部分为工程地质。该部分教学内容主要讲授工程活动与地质环境之间的相互作用[7],可概括为以下几个方面:1)介绍岩石和土的成分与结构,以及相应的工程地质分类;2)介绍工程场地和周边地区中岩体和土体的区域分布特征与工程地质性质;3)介绍影响工程活动及人类生存安全的各种地质作用,包括地震、崩塌、滑坡、泥石流等灾害;4)掌握工程地质基本技能,包括矿物和岩石的识别、罗盘的使用、赤平投影的绘制等;5)了解香港典型地区的工程地质情况。第二部分为岩石力学与土力学。该部分教学内容主要讲授岩石与土在外界因素作用下的破坏与稳定,可概括为以下几个方面:1)介绍岩体与土体的基本工程特性;2)介绍岩体与土体强度及变形理论;3)介绍岩体与土体的弹塑性本构模型;4)了解工程活动中岩土体原位测试方法;5)掌握岩土体室内试验方法。第三部分为工程应用。该部分教学内容主要讲授典型的岩土工程,可概括为以下几个方面:1)边坡工程;2)隧道与地下工程;3)地基工程;4)国际工程项目管理方法及相关法律法规。

1.3 教学模式

《岩土工程理论与技术》课程涉及的知识点较广泛,以多方面视角学习岩土工程理论与技术,从工程地质学领域的岩石和矿物的基本特性介绍,到构造地质学领域的区域工程地质环境介绍,再到岩石力学与土力学相关的基本理论,最后落脚于工程应用。该课程的主要特点是学习范围相对较广,学习深度相对较浅,既注重理论教学和工程应用,又兼顾野外实践和动手能力。针对这些特点,该课程主要采用了以下教学模式:

首先,该课程全部内容均采用“小组式”教学模式。学生根据各自的情况自由组合,以7名～8名学生为一个小组,共分15个小组,每个小组设一名组长。该课程的各个环节都以小组形式进行,课堂教学环节以小组为单位就坐听课并开展课堂问题研讨,试验课和操作课环节以小组为单位排在不同时间段分别进行,野外实习环节以每5个小组为单位在不同的地质专家带领下进行。

其次,该课程针对不同的教学内容采用不同的授课方式:1)对于第一部分(工程地质)和第二部分(岩石力学与土力学)的理论教学内容,采用课堂授课及课堂问答方式,由两位教授进行授课;2)对于第一部分的工程地质基本技能教学内容,采用操作课授课方式,在实验室以及校园岩石矿物展览馆,进行相关内容的讲解并让每一位学生自己动手操作,以小组为单位完成操作报告,由两位助教进行授课;3)对于第一部分了解香港典型地区工程地质情况相关教学内容,采用野外实习授课方式,实习地点位于香港马屎州地区,以小组为单位完成实习报告,由3位土木及地质专家和2位助教编写实习手册并进行授课;4)对于第二部分的岩土体室内试验环节,采用试验课授课方式,在实验室进行相关内容的讲解并让每一位学生负责部分试验流程,以小组为单位完成试验报告,由两位助教进行授课;5)对于第三部分(工程应用)的教学内容,采用小组研讨课授课方式,由两位土木及地质行业专家进行授课。

最后,该课程的教学模式遵循以学生为中心的“体验式”教学理念。试验课和操作课环节在助教的带领下,让每一位学生自己动手通过试件和显微镜识别岩石和矿物,自己动手学习使用罗盘的野外工具,自己动手绘制赤平投影等。野外实习环节在行业专家及助教的带领下,让每一位学生在现场学习香港典型地区工程地质情况。工程应用教学环节在土木及地质行业专家的带领下,通过分享真实工程案例,将理论知识应用于工程实践。

2 《岩土工程理论与技术》课程设计及教学过程的思考

作者作为该课程连续三个学年的助教,根据自身授课经历和学生反馈,总结该课程的教学效果。同时,结合内地高等院校特点,探讨应如何借鉴并改良该课程的教学模式,进而为设计新工科背景下内地高校土木工程专业课程提供参考。主要概括为对于教学内容、教学模式、思政元素三方面的思考(见图1)。

1)关于教学内容的思考:该课程的教学内容围绕岩土工程这一条主线,涉及了很多相关领域,为学生建立了以岩土工程或工程地质为核心的基本理论与实践体系。课程从不同角度梳理了岩土工程理论与技术,详细介绍了工程活动与地质环境之间的相互作用,深入剖析了岩石力学与土力学的基本理论与测试方法,全面讲解了典型岩土工程案例,为学生在该领域的学术研究和应用实践打下了坚实的基础。但是,这种课程设计对于教师的专业知识以及相关领域知识储备提出了较高的要求,需要以岩土工程为主线将相关知识融会贯通。香港大学土木工程系选择了两位有多年授课经验的教授讲述大部分课堂内容,同时,选择了5位土木及地质行业经验丰富的专家讲述工程应用案例以及带领野外实习。因此,内地高校土木工程专业课程需加强师资队伍建设,并且需要考虑邀请相关领域的专家或一线工程人员为本科生带来更加直观全面的教学。

2)关于教学模式的思考:该课程采用“小组研讨式”教学模式,以“体验式”作为教学理念,让每位同学都参与了课堂互动、室内试验、动手操作、野外实践等环节,提高了本科生的学习兴趣,提升了课堂活力,让学生在自主学习的同时,与小组成员沟通合作,共同完成课程的每一个环节。在这一过程中,每一位小组成员既是受教者,也是讲授者,提高了整体教学效率。但是,这种教学模式给授课老师增加了大量的额外工作量。香港大学土木工程系选择了两位助教,主要负责试验课、操作课以及野外实践,给予奖助学金的同时,需要完成相应的工作时长,并且助教在授课前需要完成一系列的培训工作。因此,内地高校土木工程专业课程设计可以从两方面参考:一方面,可以将重点难点理论内容改为“大班授课+小组课堂研讨”模式,既能提高课堂教学质量,又能减轻相应的工作量;另一方面,需要更多重视在读博士后及博士等资源,完善授课培训及教学奖励机制,为相关课程补充高质量教学人员。

3)关于思政元素的思考:新工科背景下,需要从专业角度培养学生的科学责任感以及家国情怀[8]。该课程这方面涉及的内容较少,学生对于国家在该领域的发展历史、工程建设了解较少,亟需激发学生科技报国的使命担当。因此,内地高校土木工程专业课程设计,一方面,可围绕国家重大工程建设的发展历史与实际案例,结合工程建设遇到的各种科学问题与解决方法,讲述工程背后的真实故事与人文情怀,激发工程类本科生的民族自豪感与使命感;另一方面,可围绕全球范围内重大自然灾害与重大工程事故,从专业的角度讲述灾害与事故发生的原因以及如何进行预警与防范治理,激发工程类本科生的科学责任感,培养具有家国情怀、具有大国工匠精神的优质工程人才。

3 结语

香港大学土木工程本科生专业课程《岩土工程理论与技术》具有“体验式”的教学内容以及“小组研讨式”的教学模式,本文全面总结了对于该课程设计的教学思考。在新工科背景下,内地高校土木工程专业课程建设需加强师资队伍的教学宽度,邀请相关领域的一线专家分享经验,重视在读博士等教学资源并完善相应培训机制,加强思政元素,培养具有科技报国精神的多元化、创新型工程人才。