培养具有工程创新能力的土木工程材料专业人才探索与实践

摘 要：建筑行业的飞速发展对土木工程材料专业人才培养提出更高的要求，其中工程创新能力的培养越来越重要。近年来，青岛理工大学在具有工程创新能力的土木工程材料专业人才的培养方面，进行有益的探索与实践。依托获批的海洋环境混凝土技术国家创新引智基地（111计划）、教育部工程研究中心，将最新科研成果和工程前沿技术充分融入人才培养过程，科教产融合，同时进行海洋特色化课程体系改革，注重多学科交叉融合，并通过国际化合作培养学生国际视野，切实提高学生的工程创新能力。

关键词：土木工程材料；工程创新能力；人才培养；探索；实践

中图分类号：C961 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2024）23-0055-04

Abstract： The rapid development of construction industry has put forward higher requirements for the cultivation of civil engineering materials professionals. Among which， the cultivation of engineering innovation ability has garnered considerable attention. In recent years， Qingdao University of Technology has carried out useful exploration and practice in the cultivation of civil engineering materials professionals with engineering innovation capabilities. Specifically， relying on Overseas Expertise Introduction&Discipline Innovation Center base of Marine Environment Concrete Technology （111 Program） and the Engineering Research Center of the Ministry of Education， the latest scientific research achievements and cutting-edge engineering technologies are fully integrated into the talent training process via the integration of scientific research， education and industry. Meanwhile， the reform of curriculum system with marine characteristic are conducted， andlay the emphasis on multidisciplinary cross-integration; furthermore， the school has carried out actively international cooperation for cultivating students' international vision. All of which has effectively improved students' engineering innovation ability.

Keywords： civil engineering materials; engineering innovation ability; talent training; exploration; practice

新中国成立以来，我国建筑业对经济社会发展作出了卓越贡献，对GDP贡献率已超过8%；建筑业以其产业链长、产业集群化程度高、带动性强的显著特征，对国民经济其他行业产生直接和间接生产拉动，带动了30多个上下游相关产业的发展。据国家统计局数据显示，2019年我国仅建筑业企业总产值超24.8万亿，从业人员5 427万人，占全部就业人员的比重为7.2%，建筑业的固定资产总额占全社会固定资产总额的54%，是国民经济的支柱产业[1]。建筑业中的重大基础设施建设，如川藏铁路、跨渤海通道、岛礁建设和沿海高铁等支撑着我国“一带一路”与海洋战略实施。随着新城建和新基建战略实施，加快推进基于信息化、数字化、智能化的新型城市基础设施建设，以“新城建”对接新型基础设施建设，将引领城市升级转型、推进城市现代化建设，建筑业迎来了新的机遇与挑战[2-3]。

作为重大基础设施建设和建筑业发展的基石，土木工程材料关系到工程质量、造价和建筑寿命等。2020年我国水泥生产23.7亿t、混凝土用量超过100亿t，但全球建筑行业碳排放占排放总量的40%、土木工程材料排放二氧化碳超过15亿t、砂石消耗超过100亿t，资源消耗、碳排放压力巨大。根据侯保荣院士统计，我国2014年腐蚀成本约占当年GDP的3.34%，相当于每个中国人当年要承担1 555元的腐蚀成本，其中基础设施和交通领域腐蚀损失高达3 436亿元，造成了沉重的社会负担。

因此，建筑业和重大基础设施的创新性、经济性、安全性和耐久性依赖于土木工程材料的创新、发展、稳定与可靠供应等，新的建筑结构和形式也会催生更环保、更长寿、更经济的新型土木工程材料开发。而这一切都需要高素质、具有工程创新能力的土木工程材料专业人才培养[4-5]。

一 土木工程材料的创新发展

土木工程材料是人类“住、行”等基础设施的支撑，从石器时代开始就与人类生活密切相关，从最早的土、木、石材料逐步发展到秦砖汉瓦，直到现在的钢材、钢筋混凝土、有机高分子等。始建于公元前27—25年的罗马万神殿穹顶直径达43.3 m，其圆屋顶主要采用浮石掺入混凝土制成的轻质耐用的壳体结构；1824年波特兰水泥的发明更是推动了现代土木工程的发展，高楼大厦、跨海通道、长大山体隧道等大型土木工程得以实现。

随着人类活动范围逐步向远海、极地、高原和太空发展，土木工程材料也进入了新的发展时期[6]。钢筋混凝土材料的设计制备逐步由传统的实验试配转化为以微结构主动设计与调控、通过多尺度性能传递与过渡，实现高性能材料的主动设计；随着重大基础设施服役年限逐步延长至100～120年，更科学的耐久性设计方法、更长寿的土木工程材料得以开发与应用；随着零排放、低能耗建筑的不断发展，基于固废高附加值利用的生态水泥基材料和具有全寿命周期减排、具有二氧化碳吸附能力的建筑材料正在开发应用；基于传感与人工智能技术的发展，研究者和工程师可以实时感知材料与结构的性能演变，土木工程材料逐步由无生命体转化为可自我感知与安全预警、可主动修复的有生命体；为满足强腐蚀环境、高动载作用、太空无人建造等极端条件，高耐蚀筋材混凝土材料、强度超过200 MPa的水泥基材料与高强钢筋、3D打印混凝土材料与技术已被开发并在工程中得到应用。随着人类对土木工程的要求不断提高，在材料科学、计算科学、人工智能等学科发展带动下，具有多相、多组分、性能时变的土木工程材料设计方法、制备技术、性能评估的科学性更足，创新性更高，满足工程需求能力更强。

二 土木工程材料专业人才培养体系

随着土木工程及其材料发展的不断进步，土木工程材料人才培养和发展得到了高度关注[7-8]。土木工程材料专业人才一方面脱胎于土木工程领域，专家们意识到土木工程发展创新对材料新的需求，对土木工程材料更加关注，如陈肇元院士开创了混凝土结构耐久性研究，赵国藩院士引领了钢纤维混凝土材料研究，孙伟院士引领了高与超高性能混凝土材料开发与应用。土木工程材料专业人才另一方面起源于材料领域，他们基于材料科学的进步开发更先进的土木工程材料，结合土木工程新需求，不断发展土木工程材料，如吴中伟院士研制了中国最早的引气剂、提出了混凝土中心质假说，为砼的组成结构和技术发展提供理论基础；唐明述院士发明了碱集料快速评价方法，提出要让混凝土重大工程坚如磐石。

目前，我国已构筑起土木工程材料本科、硕士和博士三级人才培养体系，人才培养在土木工程和无机非金属材料两个专业领域均有涉足[9]，东南大学、清华大学、同济大学、浙江大学、重庆大学、华南理工大学和武汉理工大学等教育部重点高校，西安建筑科学大学、深圳大学、青岛理工大学和济南大学等地方高校也都专注于土木工程材料人才培养[8，10-14]。人才就业领域目前也主要集中于建筑领域、材料生产与检验企业等。显然，土木工程的需求与发展为土木工程材料专业人才发展提供了沃土，材料科学为其发展提供了营养。具有工程创新能力的土木工程材料专业人才是当前学科发展的需求，是土木工程发展的依托。

三 具有工程创新能力人才培养探索与实践

青岛理工大学（以下简称“我校”）是一所以工为主，土木建筑、机械制造、环境能源学科特色鲜明，理工经管文法艺等学科协调发展的多科性大学，是国家首批地方高校“111计划”建设单位、山东省首批高水平大学“强特色”建设高校。其土木工程学科是山东省一流学科，并作为山东省13个学科之一入选省高峰学科。学科建设有海洋环境混凝土技术国家创新引智基地（111计划）、教育部工程研究中心，获批了国家自然基金重点项目、重点国际合作项目、联合基金重点项目，服务于胶州湾海底隧道、青岛地铁、沿海高铁和台山核电等重点工程，分别于2008年和2018年获得国家科技进步二等奖，并于2009年和2010年获得国家友谊奖和国家国际科学技术合作奖。其土木工程材料本科生培养开始于2004年，目前招生规模已达到三个本科班；其硕士生和博士生培养分别开始于1994年和2005年，研究生培养规模每年在40～50人，培养的博士生张鹏已经获得国家优青资助；多名硕士研究生到东南大学、清华大学等攻读博士学位并到山东大学等单位工作，研究生经过3～5年的锻炼，大多成为所在单位的中层领导和技术人员；25%以上的本科生到国内外知名高校攻读硕士研究生，还有很多本科生到大型建筑企业、商砼生产企业等单位工作，2008年毕业的首届学生大多仍在建筑行业工作并成长为公司中层。

（一） 基于产学研合作培养学生的工程思想

将最新科研成果和工程前沿技术充分融入本专业人才培养过程，科教产融合，建立土木工程材料专业人才培养新模式。在人才培养模式的创新上，首先明确“一个中心，两个基本点”的人才培养思路，即以教学为中心，以科学研究和社会服务为两个基本点（图1），将最新科研成果和工程技术充分融入本专业人才培养过程，为学生全面成长铺好道路。

结合专业人才培养特色，积极探索和实践教学方法改革，将经典工程案例引入教学，用工程实际问题启发学生思考，进行课外学研模式等教学模式改革，使“教学”过程变为“导学”过程，增加学生学习的自主性和积极性。

教学思路由单一讲解知识点转变为由问题导入启发学生自主思考，课程训练由以前课后单一习题练习转变为尝试解决工程实际中的难题，教师的作用不再是单一地灌输知识而是引导启发学生自主思考，学生随之也不再是“被动接受者”，而是 “主动学习解决问题者”，课程考核方式由“应试型”向“多元型”转变，促进学生创新能力和创新思维的培养。

进行课程考核方法的改革，之前单纯考核获取知识量的多少，改革后的考核要综合评价能力、知识和素质，促进研究性教学模式改革。将学习过程考查和学生综合能力评价相结合，将课程小论文、作业、阶段性测验和调查报告等作为课程考核的形式。既要考查学生对专业知识点的掌握程度，又要综合反映学生创新思维能力。考核要做到过程与结果相结合，知识与能力相结合。

与相关专业配合，探索毕业设计真题真做，根据工程实践的实际运作模式，按照专业分工，分别完成毕业设计，并进行图纸会审、修订完善、出图等全部工程设计环节。培养学生的沟通能力、协作精神，带动建筑学、建筑环境与设备、给水排水工程等专业群建设。

结合学院各级各类科研课题，进行科研项目驱动教学模式改革。在巩固基础知识学习的基础上，合理安排项目，以学生为主完成方案设计、理论计算、仿真优化和实验分析等工作，在这个过程中切实提高学生的学习能力、知识应用能力、创新能力和交流沟通能力等。针对学有余力的高年级本科生，吸收其中优秀学生进入实验室从事科学研究。土木工程学院的学生从大二开始就实施“导师负责制”，所以学生接触科研课题较早。涉及大型贵重仪器的以教师操作为主的实验，比如X射线衍射、荧光光谱、差热和红外光谱仪等，让学有余力的学生可以参与研究生具体的试样制作，数据汇总，理论分析，换句话说，同一个班级的学生，同一个实验项目可以有常规实验组，也可以有拓展组，实验结束后同样提交实验报告，实验指导教师审查合格后给予一定的学分并交教务处存档并给予成绩和学分。本科生与研究生同时参与教师的科研项目，把书本知识运用到具体实践中，锻炼他们学以致用、勤于思考、分析问题及解决问题的能力，同时也提高了他们的科研能力和钻研精神，更好地掌握了实际工作的基本技能，成为社会急需的创新应用型人才。

（二） 基于学科交叉培养学生创新能力

当今社会信息技术飞速发展，功能强大的工程辅助软件不断出现，计算机硬件快速更新换代，智能建筑、工程信息化、三维仿真技术快速发展并在工程中不断应用。同时随着工程的系统性、复杂性不断提高，对多专业配合的要求也不断提高。这要求工程技术人员，在具有扎实的本专业基础理论知识和基本技能的同时，还要具有相对宽广的学科群背景及较强的团队合作精神。同时，近年来土木工程出现了超高、超长、超深基础、大体量及复杂造型等特点，加上新材料、新工艺、新技术的不断采用，要求工程技术人员具有较强的专业综合素养及工程创新能力。

山东省是建筑业发展最快的地区之一，尤其近年来，随着山东半岛蓝色经济区、黄河三角洲高效生态经济区被列为国家发展战略规划，区域经济的基础设施建设也迎来快速发展的时期，该区域共有的沿海环境特点（海水、潮汐、盐雾、气候、水文和地质等），使土木工程共同面临海水腐蚀、潮汐、盐雾和盐碱等影响。这就要求土木工程材料专业技术人员在掌握传统的基本知识和技术的同时，还要熟悉沿海环境下的特殊知识和技术。因此，在学生的培养过程中要注重多学科的交叉融合，坚持“基础适度、口径宽广、特色突出、应用为先”的教学观和人才培养方针。

（三） 聚焦海洋特色深化课程体系改革

针对国家经济发展需求，尤其是蓝色经济区发展需求，聚焦海洋特色以重大项目为依托，培养特色人才。优化教学内容，重视系统，保证先进，关注前沿。

我校在专业课程方面，根据教师的科学研究成果，结合国际国内最新研究动态，在国内率先开设海洋钢筋混凝土腐蚀与防护、混凝土耐久性、建筑材料新进展等方面的课程，依托国家自然科学基金重点项目、“973计划课题”等项目资助，为学生制定课题，扩大了学生的知识面，培养了学生科研动手能力，获得了广大学生及社会各界的好评。在企业实践的组织中，充分利用教师团队的科研优势，将团队教师的一些研究成果融入学生系列课程的实践研讨内容，在突出教学内容先进性的同时，理论联系实际，拓展学生的视野和增加学生的知识面。

突破传统学生培养方式，构建工程创新能力培养全过程质量保障体系。突破传统培养方式，以问题为导向，基于实际工程需求设计项目，加强学生的职业取向和应用能力培养，如以新型混凝土技术和绿色生态材料技术在青岛海底隧道、青岛地铁等重大工程中的应用作为学生毕业论文选题，促使新材料技术、学科最新发展融入实践实验过程及毕业生论文中去，在突出内容先进性的同时，理论联系实际，拓宽了学生的学科视野。

（四） 通过国际化合作培养学生国际视野

借助青岛海洋与国际化城市的地理优势，以及与德国的友好关系与历史渊源，土木学院赵铁军教授在清华攻读博士期间即与卡尔斯鲁厄大学的F.H.Wittmann院士建立了密切的联系。从2002年Wittmann教授受聘青岛理工大学以来，双方开展了大量的合作研究工作，先后联合申请了国家外国专家局国际合作项目、国家自然科学基金重点项目、青岛胶州湾隧道混凝土耐久性传感器的安装与监测等项目，在科学理论研究、重大工程实际和青岛市地方重大工程建设中发挥了重要作用，开展了积极有效的实质性合作。

在2016年度地方高校“高等学校学科创新引智计划”（简称111计划） 新建基地立项名单中，我校的“海洋环境混凝土技术创新引智基地”作为全国15所高校之一榜上有名。借助院士和111计划，团队与德国卡尔斯鲁厄大学的Muller教授，英国伦敦大学学院Yun Bai教授，美国西北大学S.P.Shah院士，香港科技大学李宗津等建立了密切合作，并聘请他们来学校担任兼职教授，从而构建了一支由世界顶级大学教授组成的海外教学团队。这些著名教授不仅亲自给本科生开讲座、上专业课，而且还与青岛理工大学进行学生的联合培养，拓宽学生的国际视野。

四 结束语

经过几年的探索，我校土木工程材料专业逐步构建起以应用能力和创新能力培养为主线的教学体系，打破了传统教学体制下较为封闭的校园式学习模式，以科研项目为载体，打破课程体系壁垒，拓宽专业口径，为本科生、研究生、科研教师和企业工程技术人员等一起合作交流创造了有利条件，为学生提供了向科研教师和企业工程师学习并共同解决问题的机会。通过共同解决工程实际问题，切实提高了学生的创新能力和动手能力。

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基金项目：国家自然科学基金中英国际交流项目“海洋环境下碱激发矿渣混凝土中钢筋钝化与锈蚀行为研究”（52011530192）；山东省研究生导师能力提升专项“新工科多方协同育人模式改革与实践探索”（SDYY17061）

第一作者简介：金祖权（1977-），男，汉族，四川阆中人，工学博士，教授，副校长，博士研究生导师。研究方向为土木工程材料科研与教学。