“双碳”与新工科背景下土木工程材料教学问题及改革对策研究

许福 张旭辉 曹国栋 朱崇政

摘  要：具备减碳思维的土木工程专业人才培养是实现我国“双碳”目标的关键。同时，创新能力是新工科土木工程人才培养的核心目标。目前将“双碳”与新工科相结合对土木工程专业人才培养的研究还有待进一步深入。该文提出当前土木工程材料课程教学中针对“双碳”和新工科的思考与做法，总结存在的问题。在改革对策方面，提出首先从架构层面探索“双碳”和新工科对土木工程专业人才培养的目标需求，对课程教学大纲提出调整建议；其次针对教材内容，提出以多学科交叉融合的知识体系和教学内容促进创新思维；最后是以提高新工科土木工程人才创新能力和培养“双碳”思维为目标，结合教学大纲和教学内容，开展多层次、全过程的创新实践以提升创新技能，提出教学实践过程的具体建议。

关键词：“双碳”；新工科；土木工程材料；教学问题；改革对策

中图分类号：G642.0       文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2024）10-0127-05

Abstract： The cultivation of civil engineering professionals with carbon reduction idea in mind is the key to achieving China's "dual carbon" goals. At the same time， innovation ability is the core goal of cultivating civil engineering talents in the emerging engineering field. At present， the research on the combination of "dual carbon" and emerging engineering disciplines in the cultivation of civil engineering professionals still needs further deepening. This article proposes thoughts and practices on "dual carbon" and emerging engineering education in the current teaching of civil engineering materials courses， and summarizes the existing problems. In terms of reform strategies， it is proposed to first explore the target needs of "dual carbon" and emerging engineering disciplines for talent cultivation in civil engineering from the architectural level， and propose adjustment suggestions for the curriculum and teaching outline; secondly， based on the content of the textbook， a curriculum system and teaching content that integrates multiple disciplines are proposed to promote innovative thinking. Finally， with the goal of improving the innovation ability of civil engineering talents in the emerging engineering field and cultivating "dual carbon" thinking， combined with the teaching syllabus and content， multi-level and full process innovation practices are carried out to enhance innovation skills， and specific suggestions for the teaching practice process are proposed.

Keywords： "dual carbon"; emerging engineering; civil engineering materials; teaching problems; countermeasures for the reform

2020年9月22日，習近平主席在第75届联合国大会一般性辩论上宣布中国二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和[1]。土木工程行业是材料需求密集型行业，其中水泥是建筑工业的基本原料之一，素有“建筑工业的粮食”之称，也是碳排放的主要来源之一。除此之外，土木工程行业所需的钢材、混凝土骨料、沥青等的生产、加工均为“双碳”目标带来了巨大的障碍。岳清瑞院士在2021年深圳院士讲坛第47场——“双碳”背景下土木工程材料发展的思考的报告中指出，在土木工程材料生产环节碳排放达全部碳排放的四分之一以上，我国土木工程材料领域碳减排任务繁重，他在2022年《建筑》上撰文呼吁，“土木工程材料要为‘双碳目标作出贡献”[2]。

另一方面，为主动应对新一轮科技革命与产业变革，支撑服务创新驱动发展、“中国制造2025”等一系列国家战略，2017年2月以来，教育部积极推进新工科建设，先后形成了“复旦共识”“天大行动”“北京指南”，并发布了《教育部高等教育司关于开展新工科研究与实践的通知》《教育部办公厅关于推荐新工科研究与实践项目的通知》，全力探索形成领跑全球工程教育的中国模式、中国经验，助力高等教育强国建设。新工科专业中，与土木工程密切相关的为智能建造专业。2017年，同济大学为率先开设智能建造专业的高校，迄今为止，全国已有110所高校获批开设智能建造专业。智能建造所涉及的装配式建筑、3D打印等信息化与传统土木工程相结合的新技术对土木工程材料提出了新的要求。

土木工程专业的本科生是我国土木工程建设领域的生力军，是行业“双碳”目标达成的主力军。在土木工程专业人才培养环节中，结合生态文明建设和新工科的相关新技术传递“双碳”目标理念及新的研究成果，是“双碳”和新工科背景下土木工程材料教学的重要使命。因而，针对“双碳”和新工科背景下土木工程材料的教学改革创新与实践研究迫在眉睫。

一  “双碳”和新工科背景下土木工程材料教学问题

全球CO2总排放量的7.9%是水泥生产造成的。2022年，全球水泥产量約为41.6亿t。自1985年以来，我国以21.3亿t的产量连续37年位居世界第一。目前，我国水泥熟料碳排放系数（基于水泥熟料产量核算）约为0.86，即生产一吨水泥熟料将产生约860 kg的CO2，折算后我国水泥碳排放量约为597 kg，与《巴黎协定》的2DS协议要求（520～524 kg）相比仍然偏高。减少土木工程材料碳排放的路径主要包括建造建材高效、施工建材低耗、生产建材节能、运维建材长寿、运输建材短途、废物建材再生、再生建材节能和功能建材节能等。

尽管我国在土木工程材料领域的研究和应用取得了巨大进步，但距离“双碳”要求和可持续发展目标还远远不够。土木工程材料的重大科技进步被认为是今后土木工程领域取得重大进展的重要创新来源之一。寻求传统土木工程材料的低碳减排替代材料长期以来是土木工程、材料科学工程等学科领域的研究前沿。近年来，地聚物、碱激发胶凝材料等替代胶凝材料（ACMs）的研究已经取得了长足进展，再生骨料混凝土、尾矿、渣土等固废替代传统骨料的推广应用为混凝土骨料的可持续发展奠定了基础，超高性能混凝土（UHPC）、FRP混凝土等高性能纤维复合材料为土木工程建设领域节材减排持续助力。新型土木工程材料研究和应用研究成果为土木工程领域碳减排的推进提供了根本性的解决方案，已经成为土木工程学科领域最重要的发展方向。

然而，目前我国土木工程专业本科生的培养，尤其是在土木工程材料的课程教学设计中，仍然沿用传统的教学模式，所讲授的理论课及开设的实验课仍然以传统的高碳排材料为主要对象。究其原因，一方面是因为土木工程专业具有一定的行业特殊性，实际工程中所使用的材料及施工方案均需基于成熟的研究和长期的工程服役验证，同时必须基于相应的国家、行业标准、规范及规程。另一方面，土木工程材料的教材尽管时效性强，但成熟的教材编撰周期较长，教材建设往往滞后于行业发展。此外，国内高校土木工程材料的教学还需遵循国家教指委的规定，尤其是近年来土木工程材料课程的课时被一再压缩。以湘潭大学为例，在2015年前的培养计划中，土木工程材料的总课时为56，其中实验课时12，在这一课时规模下讲授教指委规定的重点内容已经略显捉襟见肘。2015年及后续修订的培养计划中，课程的课时被压缩至40，其中理论课时28，实验课时尽管保持为12，但新增了钢筋性能、沥青三大指标等实验。

“双碳”目标已经提出三年多，但目前国内相关研究主要集中在以针对节能减排为出发点的新型土木工程材料研发，而在土木工程材料的教育教学改革方面还鲜有研究。自2020年10月开始，湖南大学史才军教授发起了2020年全国先进土木工程材料进展公开课，课程讲授10个专题，以期促进高校间优质教学资源共享，提高我国土木工程材料研究水平；2021年该项活动继续举行，引起了业界极大关注，在线学习人数屡创新高，公开课单场线上线下同时收看观众最高时近9 000人，累计收看观众近6万人次；2022年，史才军教授继续发起组织了全国水泥基材料测试分析方法公开课，课程分为14个专题，该活动目前仍在进行中，同样引起了土木工程领域相关研究人员、学生的广泛关注。尽管上述线上优质教学资源为学生提供了很好的学习交流机会和平台，但是对于本科生而言可能难度较大。

在新工科建设要求下，高校培养的土木工程专业人才不仅应具有充足的技术力量和知识储备，还应具有人文情怀、科学精神、民族团结精神，以适应社会、行业发展对人才素质不断提高的要求[3]。中国有上下五千年的文明史，从仰韶文化时期的“白灰面”、公元前16世纪商代的黄泥浆砌筑土坯墙、公元前7世纪的周朝石灰到秦汉时期的木结构、秦砖汉瓦、万里长城，南北朝时代的“三合土”，我国古代独特的建筑材料及其发展史，是土木工程专业人才培养过程中向学生传递文化自信、民族自信，塑造学生人文情怀和民族团结精神的绝佳素材。然而，在目前的土木工程材料教学过程中，对于这部分的知识介绍往往是蜻蜓点水，缺乏系统性的脉络梳理。

另一方向，智能建造对所涉及的土木工程材料的各方面性能提出了新的诉求，如装配式混凝土构件生产所用各类原材料的优选及质量控制、装配式建筑套筒灌浆连接所需的灌浆料及性能综合评价、3D打印所用胶凝材料的流动性、凝结时间等工作性及层间截面强度和整体强度、射频识别（RFID）技术追溯结构构件的材料信息及施工信息和由此延伸的对施工、竣工验收及运维阶段的信息管理等。然而，目前传统的土木工程材料教学模式中，对新工科领域对应的上述新技术、新方法、新思想均未涉及。

新工科专业从2017年首次开设，关于对接土木工程专业和新工科建设已经有较多的研究成果。范圣刚等[4]、孙峻[5]、阳令明等[6]、武鹤等[7]、杜岩等[8]、吴巧云等[9]和鲁正等[10]从土木工程专业人才培养层面，阐述新工科理念推进土木工程专业建设和发展、人才培养的必要性与迫切性，从管理模式转变、新工科建设、工程教育专业认证制度和学科发展，以及新时代人才培养等方面进行了剖析。土木工程专业作为传统工科专业更需要适应多学科交叉融合的人才培养新要求。研究者们提出从课程体系、教学方式、实践教学和师资队伍等方面进行改革，将OBE理念应用于土木工程专业的升级和改造，以产业需求为导向，以能力培养为目标，以创新为抓手，通过实施本科生导师制、校企合作和校校合作等方式，推进新工科背景下土木工程专业人才培养。以上研究从专业层面探索新工科背景下土木工程专业人才的培养模式，属于专业层级的架构考虑，为新工科背景下土木工程专业人才培养的具体实施提供了一定的参考，但在具体的实施方式，尤其是涉及教学改革的课程层面仍有待进一步细化，并提出可供借鉴的教学模式参考。

在课程改革层面，王明振等[11]将3D打印应用于土木工程结构实验教学中，发现该模式既能培养学生使用先进数字化技术的能力，提高学生工程实践能力、动手能力、创新能力和团队协作能力，还能加深学生使用新技术、新方法的意识。戎贤等[12]基于“工学并举”的实践指导思想提出新工科背景下土木工程专业实践教学的改革措施。李宏斌等[13]基于新工科建设和专业认证对学生实践能力和创新能力提出的要求，对土木工程专业实验课提出了“三层次试验教学法”，即将土木工程专业的主干实验课整合为基础型、综合型、生产型3个递进层次的改革方案。罗勇等[14]针对新工科背景下土木工程施工组织课程，提出了“线下+线上”结合教学模式、及时更新课程教材、增加BIM实训操作环节、加强校企合作及课程考核方式多元化的教学改革方案。

新工科背景下针对土木工程材料课程教学模式的改革是目前土木工程教学改革研究的热点。谢娟等[15]、李静等[16]对土木工程材料课程在新工科背景下对学生的综合能力要求提出了从教学环节、考核环节等方面进行改革，并进行了相应的实践。刘珏等[17]探讨了交叉学科背景下土木工程材料课程的教学改革，提出了科学构建学生、教师、企业三位一体的教学模式，为新工科背景下交叉学科培养复合型创新人才提供参考。严敏嘉等[18]分别从课程教学、课程实验[3]探讨了新工科建设背景下土木工程材料理论课与实验课的教学改革模式，在理论课部分，提出了与化学工程和工艺专业课程融合的新型授课方式。李志鹏等[19]将新工科与工程教育OBE融合探索土木工程材料教学模式，提出了从教学内容、教学方式、实验模式等方面出发的五项措施，以解决当前课程教学与新工科和OBE对学生能力需求之间存在的矛盾。

二  “双碳”和新工科背景下土木工程材料教学改革对策

具备创新能力，尤其是具备减碳思维的土木工程专业人才培养是实现我国“双碳”目标的关键。同时，创新能力是新工科土木工程人才培养的核心目标，包括创新思维、创新技能、创新意识、创新视野和专业知识等。以多学科交叉融合的课程体系和教学内容促进创新思维，开展多层次、全过程的创新实践以提升创新技能是提高新工科土木工程人才创新能力的根本途径[5]。然而，目前将“双碳”与新工科相结合对土木工程专业人才培养的研究还没有引起足够的重视。在土木工程专业教学中，树立学生减碳思维，提升学生创新能力，以适应新时期“双碳”和新工科对土木工程专业人才素质和能力要求的培养模式研究亟待开展。

通过对国内大部分土木工程专业培养方案的调研不难发现，土木工程材料课程基本上均在衔接基础课与专业课的第三学期开设。同时，土木工程材料作为理论与实践兼具，且能够通过实物展示给予学生最直观认识的课程，在引导和培养学生减碳思维、创新能力方面具有先入的优势。因此，在土木工程材料教育教学过程中，通过对现行的培养模式进行适宜的改革，是新时期“双碳”和新工科背景下土木工程专业人才培养的重要切入点和抓手。

首先，需要明确“双碳”和新工科背景下土木工程专业本科生能力需求。通过对用人单位能力需求、兄弟院校土木工程和智能建造专业培养目标和毕业生就业跟踪调研，结合在读学生问卷调查，调研“双碳”和新工科背景下对土木工程专业本科生在土木工程材料课程教学过程中对“双碳”和创新思维、能力、实践等方面的需求及实施路径。其次，对“双碳”和新工科背景下土木工程材料课程教学模式进行理论研究。基于调研结果，研究土木工程材料理论教学与实验教学的授课内容、授课方式、考核模式等改革，修订课程教学大纲和考试大纲，探索土木工程材料学习的本科生导师制、土木工程材料大创项目集体指导制、土木工程材料创新竞赛团队建设制等方式在提升学生减碳理念和新工科思维方面的实施路径，提出“双碳”和新工科背景下土木工程材料多维度教学的新架构和新模式。最后，进行“双碳”和新工科背景下土木工程材料课程教学模式实践研究和持续改进。通过对1～2届本科生进行基于以上教学改革研究的教学实践活动，结合执行过程中的动态反馈、期末课程结束后的达成度调查、学生实践1年后学习其他专业课后的回访等，对教学改革实践进行效果分析和研究，提出持续改进方案和实施措施。改革对策实施技术路线图如图1所示。

在架构层面明确“双碳”和新工科对土木工程专业人才培养的目标需求后，即可针对教学大纲、课程教学内容乃至教材提出相应的改革措施。首先，表1提出针对当前土木工程材料常规教学内容改革的一种模式，即将“双碳”和新工科相关理念和知识以嵌入的方式结合到授课各章节，以图片、影片等多媒体的形式向学生直观传达。同时，对于有条件的学校，建议利用土木工程材料课程开设学期学生进行认识实习的机会，与实习指导老师联合组织现场观摩，在建筑工业化的预制构件厂和装配式建筑工地、沥青混凝土搅拌站、钢结构生产车间等开展现场教学。通过这种方式，一方面可以直观地向学生介绍工业界在“双碳”和新工科背景下的新材料、新技术、新方法及发展战略，同时有效衔接土木工程材料与后续专业课，使学生带着减碳和创新思维进入后续专业课程的学习，从而有助于实现相应的培养目标，发挥土木工程材料课程在双碳和新工科背景下对于土木工程专业人才培养的最大效应。从表1可以看到，这一模式需要的理论约为4课时，现场观摩约为2课时，创新实验约为4时课。其中，现场观摩课时与认识实习可以合并执行，而创新实验课时如果嵌入现有的常规实验课时（一般为10～16课时），则将压缩原来的实验课时，在专业课时不断压缩而教学要求不降反升的背景下，这种挤压原来实验课时的方式有一定的操作难度，同时，对实验室的硬件配置有一定的要求。如果将创新实验考虑作为选修，以大学生创新创业训练的选拔模式开展，则可以有效规避上述问题，但是学生的受益面将大大降低。

除了嵌入式的模式，还可以考虑将表1中对应“双碳”、新工科需求设计的理论课时进行专题式集中管理，所设计的授课内容不变。这一模式的优势在于对原来的土木工程材料课程教学大纲、教学计划不会产生碎片化影响，同时对于教材改编的影响也较小；另一方面，可以为将这部分内容单独开设全校性选修课或专业方向选修课做铺垫准备。但是，若采用这一模式，首先专业的培养方案需要进行调整，其次，实验、实践部分的变数较多，对于教学管理有一定的挑战。上述两种模式对于任課教师均提出了较大挑战。任课教师需要对“双碳”、新工科所涉及的与土木工程全专业相关的工程界、科学界的前沿知识有较为全面的掌握，并能获取较好的教学素材。因此，对于具有多学科背景的学校、学院甚至教研室，可以通过建设相应的教学团队或采用客座教师制，搭建多学科（土木工程与材料科学与工程、计算机科学、化学化工、环境工程和大数据等）的教师队伍，构建交叉融合的知识体系和教学内容，促进学生创新思维的培养。

值得注意的是，相对于传统的土木工程材料教学内容，表1中建议增加的授课内容是动态的，即随着科学界和工业界在“双碳”、新工科的创新发展和实践，相关的新材料、新技术、新理念应能及时纳入授课内容。

同时，在教材建设部分，任课教师最好能参与教材编写，将相关的知识融入或单独开辟章节，对土木工程材料传统教材进行领域拓展。当然，教材编写也存在风险点，如一些只是在论文中报道而暂时未能写入规范、标准的新材料、新方法，难以作为常规内容写入教材。因此，建议教材编写或改编时，可以采用将未经长期服役检验但是具有良好应用前景的新材料、新方法作为阅读材料置于相应章节之后。最后，对于课程考核部分，一方面可以通过在原来的常规考试中通过增加开放性问题对学生进行“双碳”、新工科思维的考核；另一方面，可以通过自由研讨环节和提交文献综述报告的方式，以平时成绩的模式进行考核。这两种方式也可以同时进行，目标均为提高新工科土木工程人才创新能力和培养“双碳”思维。

三  结束语

“双碳”和新工科对土木工程专业人才的培养提出了新的挑战，土木工程材料作为衔接基础课和专业课的桥梁，在培育具有减碳思维的土木工程专业创新人才过程中有着非常重要的地位。本文首先总结了当前土木工程材料课程教学中针对“双碳”和新工科存在的问题及创新探索做法。基于此，首先从架构层面提出探索“双碳”和新工科土木工程专业人才培养的实施路径，对土木工程材料课程教学内容提出了具体的改革方案，同时分析了嵌入式和专题式两种教学组织模式的利弊；其次，对课程教学大纲、教材内容提出了改革建议，提出构建学科交叉融合的知识体系和教学内容促进创新思维；最后，给出了土木工程材料课程教学考核方案的具体建议。通过上述改革研究，结合教学大纲、教学内容、教学方法和考核方案的具体建议，对土木工程材料课程实施多层次、全过程的创新实践以树立和提升学生的减碳思维和创新技能，以期为“双碳”和新工科背景下土木工程专业人才的综合素质培养作出土木工程材料课程的贡献。

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