新工科背景下土木工程材料課程教學方法探索與實踐

謝娟 陽月明 張永寧

摘? 要：該文針對新工科提出的應該積極應對變化、引領創新、探索不斷變化背景下的工程教育新理念、新結構、新模式、新質量、新體系，培養能夠適應時代和未來變化的卓越工程人才，分析《土木工程材料》課程特點及目前教學過程中存在的不足，圍繞教學理念、教學內容、教學方法、教學形式以及考核方式等進行探索與實踐，構建了新的教學方法和教學體系，取得了良好的教學效果。

關鍵詞：新工科? 土木工程材料? 教學改革

中圖分類號：G642 ? ?文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2019）08（b）-0117-03

新工科的內涵是以立德樹人為引領，以應對變化、塑造未來為建設理念，以繼承與創新、交叉與融合、協調與共享為主要途徑， 培養未來多元化、創新型卓越工程人才。從某種意義上說， 新工科反映了未來工程教育的形態，是與時俱進的創新型工程教育方案， 需要新的建設途徑。新工科的關鍵任務之一便是學與教，即重構人才知識體系，重塑人才培養質量觀。加快制定適應工科學生終身發展和社會需要的核心素養體系和學業標準體系， 完善學生、老師等共同參與的“以學生為中心”學生培養質量持續改進體系，完善從學習目標—培養目標—培養方案—課程大綱—評價分析—課程品質報告—改進方案實施-學習目標的閉環質量持續改進體系。

土木工程材料是一門開設面較廣的課程，專業涉及土木工程、交通工程、建筑設計、工程管理、港行水利等，授課對象包括本科生和研究生[1]。課程主要介紹土木工程中大量應用的工程材料的概念、基礎理論、基本性能以及在實際工程中的應用特點等。教學目的是通過該課程的學習，使學生學會根據工程特點合理選擇和正確使用材料，并為其他專業基礎課和專業課的學習提供相關的材料基礎知識。由于該課程兼具廣泛性和重要性，因此教育工作者們一直致力于課程教學研究，尋求更加合理有效的教學方法。王宇輝對土木工程本科專業的土木工程材料課程做了教學改革，在理論教學、課后作業、實踐教學和課程考核等方面做了探索，收到了較好的教學效果[2]。劉秀偉等將C D IO工程教育理念引進到《土木工程材料》課程的教學中，經過C D IO課程定位、教學目標確定、教學大綱構建、課程教學內容設計與實施過程，教學效果明顯提高[3]。筆者根據新工科背景下對人才培養的要求，分析總結了土木工程材料的課程特點以及目前教學中存在的問題，摸索出了新的教學方法，并取得良好成效。

1? 土木工程材料的課程特點

1.1 課程內容繁多，涉及知識面廣

該課程包括無機膠凝材料、砌筑材料、金屬材料、瀝青等與土木工程相關的十多個大類、上百種材料，各章節相對獨立，缺乏邏輯性和關聯性，涉及的文字性概念和術語多，知識點比較分散，導致學生在課堂上一聽就懂，但是不易系統地掌握課程知識。

1.2 學科交叉大，內容層次不清晰

筆者所在的長沙理工大學土木工程材料課程面向交通運輸學院、土木工程學院以及水利工程學院的本科生和研究生授課。教學內容涉及材料科學、建筑科學等多個學科，如水泥部分涉及大量化學知識，鋼材部分涉及理論力學相關知識，大綱要求同學們通過課程學習能夠應用土木工程材料科學的基本原理，識別、表達、并通過文獻研究分析復雜工程問題。但是課程沒有分專業來設置重點和難點，主次不分明。

1.3 課程理論性強，實踐性強

土木工程材料都是實際存在、能夠直觀感受的，而課程內容主要以文字性敘述為主，許多概念講起來較為復雜。比如水泥的水化、凝結硬化部分，是整個課程中比較重要的一個知識點，這個過程對水泥混凝土的性能和使用起決定性作用，由于涉及到很多化學反應，理論性較強。同時，課程又涉及到如水泥力學性能、瀝青混合料高低溫性能以及馬歇爾穩定度的試驗，實踐性較強。因此需要教師有很強的工程背景，能夠結合工程實際，使同學們對材料性能與實際應用之間的聯系有比較直觀的認識，熟悉工程實踐操作的基本規范，掌握試驗的基本技能，能夠解決選材、檢驗、驗收及儲存等施工現場遇到的常見問題。

2? 課程教學中存在的主要問題

2.1 教學手段單一，內容枯燥

土木工程材料內容較多， 包括了無機非金屬材料、金屬材料 、有機高分子材料，并且有很多需要記憶的概念和理論知識，采用傳統的教學模式很難達到好的教學效果。筆者近幾年就土木工程材料課程進行了大量的課堂調研，發現很多老師在講課時都是以PPT為主，板書較少，其他形式的教學輔助手段也不常使用。而土木工程材料與是一門集理論、實驗、實踐為一體的課程，與工程實際結合緊密，傳統的教學模式不能夠全面反映材料的技術性質和實際應用。同時，開設《土木工程材料》課程的專業較多，學生的預備知識、專業基礎以及培養要求各不相同，比如，道路工程專業應將瀝青及瀝青混合料作為重點，而對港行專業來講，水泥比瀝青更為重要。但是目前極少有高校根據不同的專業培養方案制定相對應的教學大綱，造成教師們在講課的時候，不注重專業差別，側重點不明顯，教師和學生互動少，學生難以將課程知識與自己的專業聯系起來，學習興趣較低。

2.2 理論教學與實踐教學脫節

理論性強、實踐性強是土木工程材料課程的一個主要特點，課程劃分為理論課和實踐課程兩部分，然而當前許多高校土木工程材料的課程安排很不科學，重理論輕實踐的現象較為普遍，過分重視理論知識的講解，忽視實踐課程對于學生學習的重要性。就筆者所在的長沙理工大學而言，土木工程材料分為必修課和選修課兩種，選修課總共只有32個學時，其中理論學時26個，實驗學時6個，導致理論知識和實驗內容不能系統地講解完全，結課時學生只能對土木工程材料有非常淺顯抽象的了解。必修課理論學時40個，與實驗課分開開設，雖然學時比選修課多，但存在的問題是理論課與實驗課沒有很好的對接，經常出現理論課全部講完了，實驗課還沒有開始，所以理論課中講到實驗時，學生們缺乏直觀認識。理論教學與實踐教學脫節嚴重影響了教學效果，不能滿足新工科提出的培養卓越工程人才的要求，是一個亟待解決的問題。

2.3 課程教學大綱缺乏專業針對性

如前所述，高校里開設土木工程材料課程的專業眾多，而承擔教學任務的老師則集中在同一個院系，教學大綱也由承擔教學任務的院系統一制定，沒有考慮不同專業對人才的培養需求。土木工程材料課程知識體系較固定，但是穩定的教學框架適應性較差，因此有必要根據專業需求修訂教學大綱。

2.4 教材內容更新慢

材料的發展日新月異，各種新型功能材料也不斷出現，而土木工程材料教材仍停留在介紹基本理論知識的階段，并且仍沿用了20世紀末調整后的內容，對新標準和新規范的更新不及時，所涉及到的實驗方法也比較陳舊。教材內容狹窄很不上形式，導致學生們知識面較窄，對新材料、新標準了解較少，不能很好地將理論知識與當下的工程實際結合起來。

3? 教學改革的主要內容

3.1 優化課程內容，豐富教學手段

教育應當與時俱進，通過教育與技術的結合來創新教學模式，采取慕課、小規模在線課程、翻轉課堂等新型小學模式與傳統教學相結合，充分利用網絡教學資源，通過視頻和動畫來充實課件，尤其是引入一些工程實例，讓學生們能將課堂理論與實踐聯系起來，激發聽課興趣。

借助實物來講授課堂知識。條件允許時，教師可以將材料帶到課堂，讓學生近距離真實地觀察這些材料，提高學生的學習興趣。比如講到石灰的熟化、陳伏時，學生經常把兩個過程混淆，而這個實驗又是簡單易行的，因此教師可將石灰、水、溫度計、攪拌棒和燒杯帶入教室，現場給學生演示石灰在熟化工程中的升溫。

3.2 理論與實踐課程穿插進行

為了能使學生很好地將土木工程理論知識與工程應用緊密聯系起來，在教學中應重視理論與實踐課程的合理安排，避免理論與實踐脫節。將理論課與實踐課穿插進行，通過實踐來鞏固理論知識。例如，在集料的級配部分有理論三參數的知識點，即分計篩余百分率、累計篩余百分率和通過百分率，僅僅通過課堂講解概念和計算方法很難讓學生們牢牢掌握，對于這種情況，教師可以將課堂搬到實驗室，先利用一個學時講解概念，緊接著通過實驗來強化學習內容。土木工程材料課程中有很多實驗部分，如果能與理論合理對接，將大大提高教學效果。

3.3 梳理教學大綱，有的放矢

由于開設土木工程材料課程的專業拓寬，學時減少，現有的教學大綱已經不能適應需要，因此必須對大綱進行修訂，適當增刪部分內容，提高大綱的先進性和適應性。比如對道路與鐵道工程專業，應將瀝青與瀝青混合料作為重點，增加相關理論以及實踐內容，使學生深入了解路面瀝青的技術性能、路用性能以及瀝青路面的研究與發展現狀;對港行專業，應增加水泥部分的內容，重點講解水泥種類在實際工程中的適用性，例如大體積混凝土工程不能使用水化熱高的水泥、有抗滲要求的工程不能使用礦渣硅酸鹽水泥、港口工程需要使用抗腐蝕性好的水泥等。針對專業需求修訂大綱，做到有的放矢。

3.4 追蹤前沿，鼓勵學生參與

使學生在掌握基本理論知識的同時，了解土木工程材料的發展現狀及趨勢，適應新工科提出的：理念新——應對變化，塑造未來;要求新——培養未來多元化、創新型卓越工程人才;途徑新——繼承與創新、交叉與融合、協調與共享。因此必須優化課程內容，精心組織教學內容，選擇有代表性的新材料、新技術以及新的研究成果介紹給學生，也可以將教師自身的科研成果引入到課堂教學中，提高學生的學習興趣。

此外，鼓勵學生以多種形式參與到教學活動中來，使傳統教學模式中的單向輸出變為雙向交流。比如，可將學生分組，每組學生選取一種或幾種感興趣的土木工程材料為主題，查閱文獻，了解材料的基本性能、使用歷史、發展過程以及最新的研究動態，對文獻進行歸納整體做成PPT在課堂上進行講解，并設置互動環節回答學生提出的問題。通過這一過程，不但可以培養學生查閱文獻、總結歸納、公開演講的能力，更加深了他們對主體土木工程材料的學習和了解。

3.5 改進課程考核方式

土木工程材料課程考核方式分為平時成績30%和期末考試成績70%，但是平時成績的評價標準不明確，隨意性比較大，期末考試成績的占比較高，使學生在課程學期期間只關注可能會考到的知識點而死記硬背，知識掌握不牢固，不能學以致用，更談不上創新。基于此，對考核方式進行了改革，改為平時成績40%，包括平時作業10%、課堂表現10%、小組討論及演示20%，期末成績占比60%。通過平時成績和小組討論，教師能及時發現學生學習中存在的問題，及時解決。考核方式的改進也提高了學生在課程中的參與度，提高了學習積極性和主動性。

4? 結語

新工科反映了未來工程教育的形態， 是與時俱進的創新型工程教育方案， 需要新的建設途徑。必須通過人才培養理念的升華、體制機制的改革以及培養模式的創新應對現代社會的快速變化和未來不確定的變革挑戰。交叉與融合是工程創新人才培養的著力點。

土木工程材料課程具有涉及面廣、多學科交叉與融合、教學內容需緊跟科技發展的特點，筆者緊扣新工科要求，從優化教學內容、理論與實踐相結合、修訂教學大綱、鼓勵創新、改進考核方法等方面著手構建了新的教學方法和教學體系，并在過去幾年的教學中進行了實施，學生學習興趣及參與度明顯提高，養成了良好的學習習慣并培養了創新能力，平時作業以及課堂表現顯著改善，成績有了大幅度提高，教學效果良好。

參考文獻

[1] 吳芳，楊長輝.土木工程材料課程教學改革研究[J].高等建筑教育，2006，15（4）：79-81.

[2] 王宇輝.本科土木工程材料課程的教學改革探討[J].山西建筑，2017，43（27）：235-236.

[3] 劉秀偉，汪權明，楊林.CDIO教學模式在《土木工程材料》課程中的應用[J].教育教學論壇，2018（21）：167-169.