“双碳”背景下基于科研能力培养的土木工程材料课程改革探索

邹府兵 王信刚 周子皓 赵华 周耐根 丁成平

基金项目：国家自然科学基金青年项目“高性能C-X-S-H纳米晶核构建低碳水泥基材料体系的活化机理与时效调控”（52202023）；2023年江西省普通本科高校教育教学研究改革课题“双碳背景下基于科研能力培养的土木工程材料课程教学改革与实践”（JXJG-23-1-29）；2023年南昌大学校级教学改革研究课题“双碳背景下《土木工程材料》课程教学改革与探索”（NCUJGLX-2023-149-83）；2023年南昌大学学位与研究生教育教学改革研究项目“双碳背景下土木工程材料方向研究生创新能力培养模式改革与探索——以《胶凝材料学》课程为例”（NCUYJSJG-2023-077）；2023年南昌大学学位与研究生教育教学改革研究项目“基于一流学科建设的土木工程材料研究生创新型人才培养模式构建与实践”（NCUYJSJG-2023-049）

第一作者简介：邹府兵（1992-），男，汉族，江西南昌人，工学博士，讲师，硕士研究生导师。研究方向为低碳胶凝材料高性能化、固碳建筑材料以及隔热保温材料。

*通信作者：王信刚（1977-），男，汉族，江西宜春人，工学博士，教授，博士研究生导师。研究方向为水泥基功能材料与低碳负碳建筑材料。

DOI：10.19980/j.CN23-1593/G4.2024.19.035

摘  要：土木工程材料课程作为培养土建类方向大学生的重要专业必修课，在“双碳”背景下，其教学过程中面临匹配的教材少、教学内容滞后、层次化综合实验缺乏及科研能力培养不足等突出问题。通过开展基于“双碳”理念的前沿教学内容、层次化综合性实验与科研能力培养及构建多维度课程评价体系三方面的改革，学生上课积极性和对实验操作的掌握程度显著改善，综合素养和科研能力得到较大提升，教师授课质量和师资队伍建设也得到进一步强化和提升，起到良好的教学相长和协同育人效应。教学改革成果经丰富和完善后可为相关开设土木工程材料课程的高校提供一定的经验和思路，对涉及“双碳”理念的其他课程也有一定的借鉴作用。

关键词：“双碳”战略；土木工程材料；科研能力培养；教学改革；教学实践

中图分类号：G642      文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2024）19-0147-06

Abstract： The course of Civil Engineering Materials is an important professional compulsory course for the students of civil engineering and construction. Under the background of "double carbon"， there are some outstanding problems during the teaching process， such as few matching textbooks， lagging teaching content， lack of hierarchical comprehensive experiments and insufficient training of scientific research ability. Through the development of cutting-edge teaching content based on the concept of "double carbon"， hierarchical comprehensive experiment and scientific research ability training， and the construction of multi-dimensional curriculum evaluation system. The enthusiasm for students in class and their mastery of experimental operations have been significantly improved， and their comprehensive literacy and scientific research ability have been greatly improved. The quality of teachers' teaching and the construction of teachers' team have also been further strengthened and improved， which has played a good role in teaching and learning and collaborative education. The results of teaching reform can provide some experience and ideas for colleges and universities that set up Civil Engineering Materials course after being enriched and improved， and also have certain reference for other courses involving the concept of "double carbon".

Keywords： "double carbon" strategy; Civil Engineering Materials; scientific research ability training; teaching reform; teaching practice

土木工程材料是土木工程的基石，伴随和见证了人类的建筑史和文明史。资料显示[1]，当前我国土木工程材料生产全过程与建筑运行阶段碳排放占我国碳排放总量的近一半，而土木工程材料生产全过程碳排放占碳排放总量的四分之一。我国政府在第七十五届联合国大会上提出了“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”的“双碳”目标。在国家“双碳”战略背景下，土木工程材料的低碳固碳化发展前景广阔，同时迫在眉睫。

土木工程材料课程是一门集土木、材料、化学与环境等学科知识交叉的土建类专业基础课，同时也是材料科学与工程学科在土木工程领域的重要分支。以南昌大学（以下简称“我校”）为例，开设此课程的专业有土木工程、水利水电工程、工程管理、工程力学、建筑环境与能源应用工程、建筑学及城乡规划[2]。土木工程材料课程作为培养新土木方向接班人的重要基地，授课老师如何在课堂教学阶段，串联起“双碳”战略背景、筑牢土木工程材料多学科交叉基础理论、强化创新意识和实现科研能力培养等方面提升本科生综合素养具有重大意义。

相关学者从不同角度对土木工程材料课程教学改革进行了阐述，并已取得了积极进展。如曾刚等[3]提出的挖掘科研工作凝练转化为课程理论教学和实验教学的科教协同理念，提升了学生专业技能和综合能力。陈嵘等[4]提出可视化教学、工程案例教学、创新实验教学、科研研讨教学、网络辅助教学和考核方式多样性“六位一体”教学模式，有助于提升学生对土木工程材料的理解，能够充分掌握各种材料的特性及应用。王子赓等[5]提出的课程思政融入模式，培养了学生的环境保护、爱国主义、生态文明、职业道德、集体合作和工匠精神意识。阚晋等[6]提出的智慧教学工具助力土木工程材料创建线下一流课程，有效提升了学生的学习兴趣和学习效果。李维维等[7]提出的创新创业教育，培养学生独立思考和独立解决问题的能力，以及创新思维和创业意识。袁晓露等[8]提出的基于科研能力培养的土木工程材料实验教学模式探索与实践，培养学生发现问题，分析、解决问题的科研意识和创新精神。严敏嘉等[9]提出的学科交叉融合教学，促使学生运用化学工程与工艺专业相关理论知识掌握工程材料的技术特征。张苹等[10]研究了中美高校土木工程材料课程教学差异，提出我国高校应适度增加实验学时，可借鉴美国的研究生助教制度，强化课堂和实验教学的指导及课下与学生的沟通交流。孟玮等[11]提出将成果导向（Outcome-based education，简称OBE）教育理念融入教学活动实践中。郑召[12]指出从课程思政进课堂、“产-科-教”融合、面向乡村振兴战略、体现科研特色和引入智能建造概念培养高质量创新型人才。

截至2023年，仅有较少学者报道了关于“双碳”背景下的土木工程材料课程教学改革，如李秀君等[13]提出土木工程材料与施工技术案例化、增加成熟再生材料及施工工艺、创新试验设计和科研创新研讨化的新时代“双碳”背景下土木工程材料课程教学改革。然而，该教学改革侧重于工程实践与施工技术，主要讲述水泥基材料、沥青类材料和集料等内容。刘婉娟等[14]提出树立学生低碳意识，满足“双碳”目标下企业的用人需求的土木工程材料课程体系改革设计。从该部分可知，与“双碳”战略匹配的土木工程材料课程教材少、教学内容较为滞后、层次化综合实验较缺乏及科研能力培养不足等问题依然突出。当前土木工程材料课程教学已不能满足培养具有“双碳”理念、创新意识、创业精神的应用型土建类人才，亟需教学改革。

基于此，本文首先论述了土木工程材料课程现状，进而阐述“双碳”背景下基于科研能力培养的土木工程材料课程教学改革与实践的思路，包括基于“双碳”理念的前沿教学内容改革、层次化综合性实验与科研能力培养，以及构建多维度课程评价体系。依托国家“双碳”战略背景，结合最新科研进展与工程案例，融入课程思政元素，将科研工作凝练转化为实验教学育人资源的衔接点，创建多学科交叉创新综合性实验，形成层次化科研能力培养模式和多维度的考核评价方法。

一  土木工程材料课程现状

（一）  教学内容较为陈旧

当前土木工程材料课程的教学依然围绕各章节讲授基本知识点，在最新国家政策导向、建材产业重大需求，以及国内外最新科研和工程进展及课程思政的教学内容未能及时更新，无法让学生及时了解全球知名高校、科研机构、上下游企业及相关工程案例的最新研究与发展动态。基于“双碳”背景的理论教学内容较缺乏，学生创新意识有待加强，理论框架和知识体系有待革新。

（二）  教学模式较为传统

任课老师一般仍采用以教材和PPT演示为主的传统教学模式，这让未及时进行课前预习的同学在面对大量课程内容时学习效果较差。在课程讲授中多为老师主动讲授知识、学生被动接受知识的状态，师生之间高效同频共振的力度和效果还远远不够。任课老师对上一次课程的重点知识未能做到及时梳理并向学生们开展复习或者梳理得还不够。

（三）  层次化科研能力培养不足

以往土木工程材料课程的实验内容多为水泥、砂石骨料及混凝土等验证性实验，关于“双碳”理念的综合创新性实验较少。针对不同需求的学生在层次化科研能力上培养不足、科研训练参与度较低。同时，未能有效构建基于科研训练与大学生创新创业训练计划项目、“挑战杯”中国大学生创业计划竞赛及省级大学生结构设计竞赛等专业性比赛和项目的高效衔接与联动。

（四）  课程评价体系不完善

课程改革前，考核方式主要由期中考试、期末考试及平时成绩（多以考勤签到为准）三部分组成。由于课程考核中考试占比过大，学生们往往存在考前死记硬背、临时抱佛脚的学习状态，这不利于学生的学习积极性及充分体现学生的课程学习效果。因此，构建多维度课程评价体系迫在眉捷。

二  基于“双碳”理念的前沿教学内容改革

（一）  基于“互联网+”的现代化教学方法

建立基于“互联网+”的现代化教学方法，通过MOOC、爱课程、全国先进土木工程材料进展公开课、各类线上学术会议、终身教育平台及各院校和科研机构网站等，学生可以接触到世界名校及科研机构的教学课程和资源，加深与同行之间的学习。

（二）  革新教学模式

授课采用问答型教学（Problem Based Learning， PBL）、知识图谱类板书，穿插讲授晶体学、材料学、化学和环境学等学科知识及材料分析测试技术表征，对每一章节重点知识点做到及时讲解练习题。让学生知其所以然，启迪和培养学生对土木工程材料课程的认识和兴趣。课程结束后，下一堂课程开始前采用联想记忆法、对比记忆法及简化模型等教学手段帮助学生强化和巩固知识点。

（三）  优化整合教学内容

如图1和表1所示，整合“双碳”战略背景下土木工程材料课程前沿热点、多学科知识及工程案例，保留传统内容的同时，增设具有“双碳”理念的前沿内容。如低碳胶凝材料、固碳建筑材料、节能材料与技术开发和仿生石材与木材等模块的前沿进展，让学生对“双碳”战略在土木工程材料领域的发展现状有一定的了解，起到很好的认知补充作用。

此外，挖掘“双碳”战略背景下的土木工程材料课程思政，如中国古代留下的一些石灰砌筑的建筑物，至今仍有很高的强度，并不是因为古代石灰质量特别好，而是由于长年累月的碳化所致[15]。众多“双碳”背景工程案例，如世界首条用CO2制备混凝土砖生产线在华新水泥成功运行、日本Tomakomai CCS示范项目中心研发出负碳排放混凝土、全球主要水泥生产商CEMEX与瑞士光热技术企业Synhelion在2022年2月首次将水泥熟料烧成过程与太阳能聚光热利用相结合，太阳能接收器反应塔内工作温度能达到1 500 ℃以上，能够替代100%的化石能源。在前沿科研进展方面，如泰国学者[16]报导了将水泥基摩擦纳米发电机开发用于收集机械能的研究，即利用纳米TiO2增强硅酸盐水泥复合材料的介电性能，在垂直接触-分离模式下产生高电输出，比纯水泥体系高出三倍。韩国学者[17]提出一种以炭纤维为结构能源材料的水泥基导电复合材料，同时引入摩擦纳米发电机，能够收集建筑物外表面的风能、雨滴敲击能及人走动时的运动能。武汉理工大学与山东京博控股集团有限公司旗下山东京博环保材料有限公司联合开发的CO2仿生矿化固结材料可作为仿生矿化人造石材[18]。中国科学技术大学俞书宏院士团队[19]提出的高性能再生各向同性木材，相比天然木材，其最低点燃烧温度显著提高，防火性能突出，抗冲击性能好，能量吸收远优于天然木材且可直接大规模生产。东南大学材料学院佘伟教授和普渡大学李恬教授开发出一种新型水泥基气凝胶，具有负泊松比、比强度高等优异的综合性能，解决了现有常规气凝胶材料强度低、脆性大、工艺复杂和难以宏量化生产的难题[20]。麻省理工学院和哈佛大学学者提出了一种碳水泥超级电容器，可作为一种可扩展的大容量储能解决方案[21]。上述课程内容的改革，能够显著提升学生对土木工程材料的科研兴趣和创新思维。

三  层次化综合实验与科研能力培养

如图2所示，全体学生保留验证性实验：水泥实验、砂石骨料实验、普通混凝土实验及高性能混凝土实验。部分感兴趣的同学增设水化硅酸钙晶核合成、低碳胶凝材料制备、硅酸钙熟料烧成与固碳材料二氧化碳矿化实验。

在上述实验内容的基础上，如图2和表2所示，针对拟参加科研能力训练项目、“挑战杯”、省级以上学科竞赛及对土木工程材料方向科研感兴趣的同学，将根据教师的科研项目安排讲授关于“材料的合成、测试与表征技术”“实验数据可视化处理与结果分析”“发明专利与科技论文写作”及“科研汇报与学术报告”等科研能力培养内容，提升学生的科研能力。

四  多维度课程考核体系

针对课程改革前考核方式中考试占比过大，不利于充分体现学生的课程学习效果的问题，结合课程特点，将考核模块更加具体化，同时更加注重学生的实验操作及科研素养的提高。多维考核评价体系如图3所示，构建期末考试（60%）、实验操作（10%）、提问与问题回答（10%）、实验报告（10%）和考勤（10%）的多维考核体系。

五  创新教学模式效果分析

表3是改革前后土木工程材料课程教学效果，将“双碳”理念融入教学全过程，在一定程度上解决了传统教学内容的滞后性，学生对课程的满意度、层次化综合实验和科研成果表达式培养的参与度得到了较为明显的改善。教师授课质量和师资队伍建设也在教学改革中得到了进一步强化和提升，起到了良好的教学相长和协同育人效应。

六  结束语

将“双碳”理念与科研能力培养融入土木工程材料课程教学全过程，能够起到科研反哺教学，为大学生今后解决实际工程问题和科研创新做好准备。融合课程思政与工程案例让学生们深刻感受到“双碳”战略对土木工程材料转型升级发展的重要性、必要性与迫切性，提升学生们作为新土木方向接班人的使命感和自豪感。

改革后取得的教学效果比较理想，学生上课积极性与实验操作的掌握程度显著改善、综合素养和科研能力得到较大提升，师生在课堂之间高效同频共振的力度和效果得到提升，探索了基于“双碳”理念教学的土木工程材料课程与大学生科研训练、创新创业训练 计划项目、职业规划大赛和“挑战杯”中国大学生创业计划竞赛等专业性比赛和项目的高效衔接与联动育人模式。教师授课质量和师资队伍建设得到强化和提升。进一步丰富和完善后可为相关开设土木工程材料课程的高校提供一定的经验和思路，对涉及“双碳”理念的其他专业课程也有一定的借鉴作用。

参考文献：

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