土木工程材料教學內容重構探索

王圣程 祿利剛，

摘要：為提高土木工程材料課程教學效果，探索基于科研資源進行教學內容重構的實現路徑及方式，以水泥混凝土強度為例，用科研成果重構教學內容，用科研思維啟迪學生，用科研培養學生的競爭力。實踐表明，這種“科研—重構—拓展”三位一體教學方法，達到了教研共進的目的，為創新型人才培養提供了一條有效途徑。

關鍵詞：教學改革;科研資源;土木工程材料;機場道面

中圖分類號：G6423;TU5281 文獻標志碼：A文章編號：1005-2909（2018）06-0117-05

土木工程材料是土建類專業必修課，在土建類專業教學體系中起著承上啟下的作用[1]。土木工程材料要求土建專業學生掌握土木工程相關材料的形成機理、性能、結構與最合理的使用方法，更要學會通過相關理論辯證地分析和評定材料，以獲得解決工程實際問題的方法。該課程具有實踐性強、知識體系分散、內容繁雜等特點[2]。因此，該課程不僅要求教師具有較深的基礎理論知識，還需要教師具有充足的實踐經驗。但在課程講述過程中，很多教師照本宣科，出現“解讀教材、背誦教材、念讀教材”等完全依賴教材的情況。教材因受篇幅限制，陳述不詳盡，解剖不深入，最新內容很難反映到教材中。這些現象足以說明，教材對學生來說，并不是唯一至高無上的“圣經”，只是一種輔助教學工具，能促進學生思考與學習的知識都可以作為“教材”的一部分。教學內容重構是構造完美“教材”的必經之路。

教學內容重構要源于教科書、高于教科書。“源于”指教學內容要符合學生的培養目標、教學目標和課程目標，“高于”指教學內容講述課程的相關理論、技術和方法的最新前沿，與專業相關的內容，與就業相關的內容。其中教師的科研資源是教學內容重構的基本源泉。以科研資源為依托，開展土木工程材料教學內容重構的探索與實踐，有助于提高教師的教學水平。

19世紀初期，“教學與科研相結合”的大學理念被威廉·馮·洪堡首次提出。從此，高校的主要活動擴展為教學和科研兩部分[3]。科研是為探索未知的世界，是教學工作開展的“源”，教學是對現有知識、技能和經驗的繼承，是科研工作延續的“流”。基于教師科研資源的教學內容重構，能將課堂教材轉化為“有我式”教材

“有我式”教材，是指教師將自身科研資源與工程項目研發內容與心得融入教學內容，從而使教材帶有教師的印記。。這需要教師根據課程目標把自己的科學研究和工程項目研發內容和心得納入教學內容。這是課程特色的部分，也是把實例引入課堂、引發學習動機和學習投入的重要途徑?，F有研究表明，高質量的教學需要高質量的科研作為支撐，高質量的科研也需要高質量的教學實現其價值，教學和科研的相互滲透是創新性專業人才的培養基礎[4]。2011年，國家主席胡錦濤指出：“全面提高高等教育質量，必須大力增強科學研究能力……以高水平科學研究支撐高質量高等教育。要積極推動協同創新?！盵5]《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（ 2010—2020年）》指出，要“促進科研與教學互動”?？梢姡盎诳蒲匈Y源重構教學內容”對有效提升高等教育的教學質量和促進創新專業人才培養具有非常重要的意義。

一、教學內容重構的路徑

結合徐州工程學院新建本科高校的實際情況和培養創新應用型人才的需要，以組建“教學+科研”團隊和基于教學內容申請科研項目為手段，形成基于科研資源的土木工程材料教學內容重構路徑（圖1）。“一主線”闡述了教學內容重構以提高課程教學效果為目的;“二方式”體現了基于科研資源重構教學內容的兩個重要優勢，即工程背景強和前沿性突出;“三能力”層層遞進，為學生將來的發展積累工程能力、辯證思維能力和知識運用能力。該路徑有助于提高學生學習的深度和廣度，有助于提高教學質量，確保學生知識、能力和素質的綜合培養。

二、教學內容重構的實現方式與應用

（一）用科研成果重構教學內容

依托科研課題“機場道面劣化的能量特征”與教學改革課題“機場混凝土道面科研資源轉化為土木工程材料課程內容的研究與實踐”，建立科研資源與教學內容之間的聯系。以混凝土強度為例，重點闡述以科研資源重構土木工程材料教學內容的實踐。

物質在能量驅動下的狀態失穩是其破壞的本質[6]。水泥混凝土是土建工程最重要的土木工程材料，外界對其侵蝕、擾動與碳化等均伴隨著能量的輸入與輸出。而水泥混凝土的破壞及延長使用壽命的修復過程也是能量轉化的過程。例如，機場混凝土道面的破壞是外界對其輸入的能量達到儲存能量極限時突然釋放的結果。在進行機場混凝土道面設計時，要求其在設計使用壽命內承受各種飛機動載的多頻次作用，而道面結構不發生損壞。機場混凝土道面的設計等級不同，混凝土的強度等級要求也不相同。因此，研究混凝土強度等級對其破壞過程中的能量演化規律，有助于學生全方位、立體化了解混凝土在機場道面工程中的應用。

應用“123”土木工程材料教學內容重構路徑，以混凝土強度等級對機場道面劣化過程中的能量演化規律重構中心內容，聯合混凝土強度的測定方法、強度等級劃分等內容，拓展引入物質破壞的能量計算方法，分析混凝土強度等級對其破壞的影響機制，從而對機場道面工程管理提出有益建議。

（三）用科研培養學生的競爭力

學生的未來競爭力體現為工程能力、辯證思維能力和知識運用能力。工程能力和知識運用能力相輔相成，主要體現在課堂知識如何運用到工程實踐中去，而辯證思維能力是權衡利弊、綜合考量、全方位分析信息的能力。競爭力的培養來自課程學習的點點滴滴，也是教學內容重構的核心要義。

通過公式（2）（3）和（4）的計算，得出混凝土強度對彈性能密度和耗散能密度的影響。結合圖3、圖4引導學生讀圖，提高學生對數據深層挖掘的能力。引導學生分析 “混凝土強度越高，其儲備彈性能的能力越強”和“混凝土強度越高，破裂時需要的耗散能更多，越不容易破壞”的結論，讓學生逐步練就邏輯分析能力。

水泥混凝土劣化破壞的危險性與其能量演化特征密切相關。為使學生更好地掌握混凝土強度對其破壞危險性的影響，特引入混凝土沖擊能，定義為應力-應變曲線上混凝土峰值強度前儲存的能量與峰值后穩定破壞所需要的能量比，如圖3所示。沖擊能指數Ke=E/Es，Ke值越大，混凝土突然劣化的危險性就越大。研究表明，Ke值不小于2.0時，混凝土突然劣化破壞危險性強烈;Ke值小于2.0且不小于1.0時，混凝土突然劣化破壞危險性中等;Ke值小于1.0時，混凝土無突然劣化破壞的危險性[8]。

通過計算得出不同強度混凝土沖擊能，C60混凝土的Ke值為2.31，表現為突然劣化破壞危險性強烈，C45和C30混凝土的Ke值分別為1.83和1.68，表現為突然劣化破壞危險性中等，演化出“混凝土強度越高，危險性越大”，是“混凝土的強度越高，其儲備彈性能的能力越強”結論的延續與發展，但與“混凝土強度越高，越不容易破壞”的結論相悖?；诖耍驅W生傳授工程實踐中所涉及的復雜性與綜合性，讓學生理解混凝土強度的兩面性，培養學生分析問題、解決問題的能力。

工程能力和知識運用能力的培養，體現在科研結論對實踐的指導意義上。在重復飛機動載的作用下，機場混凝土道面的強度等級越高，儲存彈性能的極值越大，發生劣化破壞所需要的能量越多，發生劣化破壞的可能性越小。基于能量分析的結論可知，機場道面混凝土強度等級越高，其突然劣化破壞危險等級越高，則發生突然劣化破壞的可能性就越大。這就需要機場設計工作者根據工程實踐，選擇合適的混凝土強度，從而對工程進行質量控制和成本控制，這也是土建類專業中工程管理和工程造價的一部分。

三、結語

錢偉長院士曾說：“教學沒有科研做底蘊，就是一種沒有觀點的教育，沒有靈魂的教育，教學和科研是一種互動關系、相長關系。”通過以科研資源重構教學內容的系統實踐，教材成為“有我式”教材，延伸了課程內容，拓展了學生知識面，有助于學生工程能力、辯證思維能力和知識運用能力的培養。同時，在一定程度上提高教師的教學水平，增強學生的求知欲和主動性，教學效果提升顯著。參考文獻：

[1]余麗武，朱平華，張志軍.土木工程材料[M].北京：中國建筑工業出版社，2017.

[2]王信剛，胡明玉，丁成平. 土木工程材料課程教學改革和效果評價[J].高等建筑教育，2015，24（2）： 60-63.

[3]陳昌禮.“以研促教”在土木工程材料課程教學中的應用[J].高等建筑教育， 2015， 24（2）：64-67.

[4]李保家.以研促教在“材料科學與方法”教學中的應用[J]. 中國電力教育， 2012（29）：68-69.

[5]胡錦濤.在慶祝清華大學建校 100 周年大會上的講話[N].人民日報，2011-04-25（1）.

[6]謝和平，鞠楊，黎立云.基于能量耗散與釋放原理的巖石強度與整體破壞準則[J]. 巖石力學與工程學報，2005， 24（17）：3003-3010.

[7]CAI C， GAO F， LI G， et al. Evaluation of coal damage and cracking characteristics due to liquid nitrogen cooling on the basis of the energy evolution laws[J]. Journal of Natural Gas Science & Engineering， 2016， 29：30-36.

[8]張志鎮，高峰，崔洋，等.巖石能量特征與其細觀結構的關聯性[J].科技導報， 2013， 31（8）：20-26.