交叉學科背景下土木工程材料課程的教學改革探討

劉玨 王亦龍 袁健 尹健 田冬梅 鄧涵文

[摘 要] 交叉學科類課程對于高層次復合型人才的培養具有重要意義。針對土木工程材料課程教學過程中存在的問題及面臨的挑戰，科學構建學生、教師、企業三位一體的新型教學模式，即在建立專業的教學團隊的基礎上，借助企業工程背景，充分調動學生的積極性和主動性。結合該課程的特點和教學目標，從教學內容、教學方法、教學手段等方面進行了相應的改革與探索。該模式可為新工科背景下交叉學科培養復合型創新人才提供借鑒。

[關鍵詞] 交叉學科;土木工程材料;教學方法;問題分析

[基金項目] 2018年度中南林業科技大學青年科學研究基金項目（自科類）“面向極端工況條件高速切削的超粗低鈷硬質合金的力學性能及耐腐蝕性能研究”（QJ2018003A）;中南林業科技大學引進人才科研啟動基金“高性能超粗低鈷硬質合金的制備與性能研究?”（2018YJ020）

[作者簡介] 劉 玨（1989—），女，湖南長沙人，工學博士，中南林業科技大學土木工程學院碩士生導師，研究方向：新材料的制備技術與理論研究;尹 健（通信作者）（1970—），男，湖南洞口人，工學博士，中南林業科技大學土木工程學院院長，博士生導師，研究方向：土木工程材料的制備與耐久性研究。

[中圖分類號] G423.07? ? [文獻標識碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2020）31-0209-03? ? [收稿日期] 2020-02-17

一、引言

伴隨著土木工程與材料科學領域的發展，兩學科之間的交叉與融合逐漸增多，一門新型交叉學科——土木工程材料學科應運而生。土木工程材料學科的興起可使對土木工程的認知從工程實際應用角度發展為對材料的基本組成與性質的研究，從建筑物或構筑物這一宏觀角度跨越到探索材料微觀結構和性能的關系，有利于推動土木工程向更寬領域、更深層次、更高水平發展。近年來，以新型與環保建筑材料、建筑垃圾及固體廢棄物的資源化利用、生物質復合材料等為代表的新材料、新技術不斷突破傳統材料的技術瓶頸，逐漸滲透人類的日常生活，不斷刷新人們對于材料世界的認識。土木工程材料的應用在新材料的開發與應用方面具有重要作用，有利于解決事關國家經濟社會發展全局的重大科技問題。因此，在土木工程或材料科學的本科專業開設土木工程材料課程意義深遠。

一、土木工程本科專業開設土木工程材料課程的目的

中南林業科技大學的土木工程材料課程是土木工程學院土木工程、城市地下空間和工程管理專業開設的一門學科基礎必修課，目的主要在于使學生具備土木工程材料的基礎知識，為將來在工程實踐中正確選擇和合理使用建筑材料打下基礎，為后續專業課程提供土木工程材料的有關知識，學會利用材料學的方法研究土木工程材料的制備方法、結構性能和性質應用;培養學生材料科學實驗的能力，了解和關注土木工程材料科學發展的前沿動態，為以后從事科學研究或工程實踐提供堅實的理論基礎。該課程開設的對象為相關專業的大二學生，在此之前學生已經學習完大學物理、普通化學和土木工程概論等前序學科基礎課程，以及理論力學、材料力學、結構力學、水力學、土力學等專業基礎課程，了解了土木工程專業的特點和發展方向，具備了一定的理論基礎和專門知識。本課程的設置是土木工程相關專業其他主干課程的延伸和有效補充，可以幫助學生全面了解和認識自身專業未來發展方向，拓寬職業發展通道。

二、土木工程材料課程教學過程存在的問題及面臨的挑戰

（一）教師缺乏交叉學科底蘊，學生材料學知識匱乏

土木工程材料課程是面向土木工程領域相關專業開設的一門課程，由于受到專業的局限，學生在材料學領域的專業知識相對有限。土木工程專業學生在本科階段的授課重點主要集中在力學、結構、道路和橋梁等方面，對于材料科學基礎、材料合成與制備、物理化學等材料學領域專業課程鮮少涉及;因此，學生對于材料組成與結構、先進材料制備技術、材料微觀檢測技術的儲備知識十分有限。對于教師而言，如何將上述內容銜接在土木工程材料課程的講授中是一大挑戰;對于學生而言，如何將材料學的科學基本理論與土木工程領域的專業知識雙向交叉融合也是一大問題與困惑。同時，交叉學科專業教學團隊的建設亦是高校培養復合型、協同創新型人才的重要舉措。普通土木工程材料的教師團隊缺少具有材料學學科背景的專任教師，不利于高校實現培養具有廣闊學科背景的綜合型人才的目標[1，2]。

（二）課程內容缺乏趣味性，學生的學習效果不佳

土木工程材料課程涵蓋范圍廣，課程內容具有極強的理論性，授課內容以分析材料行為的原理、規律和方法為主，課程的趣味化程度不高，學生難以有濃厚的興趣。同時，傳統的課堂教學方式以“教師在講臺上講，學生在講臺下聽”的模式來開展，學生總是被動扮演著知識的“接受者”這一角色，沒有時間思考和消化課堂內容。同時，目前在校的大學生一半以上為“00后”，這個群體具有極強的個性，傳統的教學方式很難獲得他們的認同感，不利于建立平等和諧共同發展的師生關系[1，3]。

（三）教學缺乏權威教材

我校是一所以林業為優勢和特色的綜合型大學，生物質材料的研究和應用是推動土木工程領域技術開發創新的重要動力。就目前而言，市面上并沒有特別適用于林業高校學科特色的權威教材。國內知名高校出版的教材中，主要參考趙方冉、王起才、嚴捍東編撰的《土木工程材料》（同濟大學出版社，2004年）和宋少民、孫凌編著的《土木工程材料（第二版）》（武漢理工大學出版社，2013年）兩個版本。上述教材僅以較少篇幅講述《木材》章節的內容，對于生物質材料領域取得的研究進展及相關前沿科技動態少有提及[4]。

（四）課時少，缺乏現場觀感

土木工程是綜合性極強的專業，要求學生掌握較為扎實的基礎知識和原理，同時還應具備較強的動手能力。但是，本課程理論講授部分僅40學時，課時數較少。教師要在有限的課時內講授土木工程材料的基本性質、氣硬性膠凝材料、水泥、混凝土、砂漿、裝飾材料、金屬材料、木材、土木工程功能材料、土木工程高分子材料等章節，只能簡單講解一些基礎知識和概念，無法深入揭示材料性能與其本質機理。土木工程材料配套實驗課為16學時，實驗課中通過動手來培養學生的實踐能力，以助于理解理論內容。由于受到實驗場地、環境、設備等實驗條件的限制，無法完全真實模擬實際施工過程中的復雜情況;有些實驗以教師演示為主，學生的直觀感受不佳，不利于培養學生的實驗操作能力[5]。

三、土木工程材料課程教學方法改革

（一）組織具有多學科背景的教學團隊，豐富學生材料學專業知識

土木工程材料屬于學科交叉類課程，要求教學團隊具有多學科背景的專任教師，要求學生具備物理、化學、材料學、土木工程等多領域基礎知識。從上述思路出發，經過近10年的建設和打造，本課程逐步建立了一支以尹健教授為核心，年齡結構、職稱結構、學緣結構合理的教學團隊。該教學團隊由5人組成，其中教授1名、副教授1名、講師3名，職稱結構形成自然梯隊，教師教學經驗豐富;45歲以上教師1名，35歲以上教師2名，35歲以下2名，中青年教師占主體，發展潛力大;授課教師均具有“985”高校的博士學位，學科背景更涵蓋材料科學與工程、道路與鐵道工程、結構工程等多個方向，充分體現多學科交叉融合的特點。其次，鑒于學生在材料學領域的專業知識相對有限，在保證教學質量的基礎上，教師適當向學生介紹材料學中的基本概念、理論以及材料典型制備技術，并向學生推薦相關資料、數據和熱門公眾號，引導學生進行課后自助學習。例如，在講解混凝土的碳化過程時，以菲克擴散定理引出推導碳化方程，進而揭示混凝土的耐久性與材料性質、設計和施工的關系。又如，在講解“金屬材料”章節時，結合教師的相關科研經歷向學生闡釋鐵碳合金相圖中點、線、面的含義，指明碳鋼和鑄鐵成分、溫度、組織和性能之間關系的理論基礎，同時介紹各類金屬熱處理工藝（正火、退火、時效、固溶處理、時效處理、淬火、回火等）的工藝方法和作用。

通過教改，學生增加了一定的材料學知識儲備，這不僅不會與土木工程專業相互抵觸，反而能幫助學生從材料學的角度思考繼而解決建筑物設計、造價、施工和監理等環節中的各類問題，為新材料、新技術在土木工程領域的開發和應用帶來生機和活力。

（二）以嚴謹的科學精神滲透教學環節，以教師學識魅力感染學生

理論課程包含大量專業術語、定理、計算公式等抽象內容，學習在學習過程中難以直接獲得代入感從而產生濃厚的學習興趣。如何以科學性和趣味性相結合的方式來講授理論課，幫助學生將抽象的理論知識融入具體的生活實例和工程實踐中，是值得授課教師思考的重要問題。首先，教師應當以個人學識魅力感染學生，避免照本宣科的講課方式。交叉學科講授教師需要具備較為廣闊的知識面以及多學科教育背景，教授內容源于教材更應高于教材。例如，在講授土木工程材料的發展進程中，教師可以緊扣“材料的發展是人類進步的里程碑”這一主題，以人文和歷史知識來吸引學生感受土木工程材料之美。其次，以科研精神滲透教學環節是一種創新性的思路。教師常規的教學流程中，教師通常直接提出既有問題，并通過講解知識點予以解答，學生被動接受知識點。學生既沒有參與對未知事物及存在問題的探索，也沒有足夠的時間來消化吸收獲得的知識。發現問題、探索消化這一系列環節的缺失，也使得學生對于課程的學習興趣不高。授課教師可以結合學科前沿、社會熱點問題及自身的科研經歷來提出問題，引導學生通過互聯網、圖書館等各種方式來查詢資料，嘗試分析出現上述現象的主要原因，同時鼓勵學生將問題形成自己的規律性分析總結。教師將學生形成的各種總結放在課堂上討論，并進行學生互評和教師點評，最后教師總結討論的結果，從而引出后續知識點。

（三）建設符合本校學科特色的教材

一本適用性強的教材是有效完成教學計劃、確保教學質量、提高教學水平的必要保障。對比目前各版本土木工程材料教材的側重點及不足，結合我校學科特色及人才培養定位，授課團隊于2015年編著了《土木工程材料》新版教材（尹健主編，中國鐵道出版社）。該教材基于團隊教師實際教學經驗和豐富的多學科專業領域知識，教材內容編排合理、內容條理清晰，提高了林業院校土木工程相關專業人才培養的質量。教材以土木工程材料作為開篇內容，主要講述無機膠凝材料、混凝土、砌筑材料、金屬材料、木材、高分子材料、瀝青及瀝青基材料、纖維增強復合材料、建筑功能材料、土木工程材料試驗等內容。從知識結構來看，每一章均以材料的組成與結構、物理性質、化學性質、耐久性與安全性和應用范圍的邏輯關系來開展。其中，本教材從林業高校土木工程專業人才培養特色出發，突出了木材的技術性質和特性，并在授課過程中向學生介紹了生物質材料（米纖維素混凝土等）的相關研究動態。

（四）結合企業工程實際，以互聯網技術輔助教學

著名數學家華羅庚曾指出：“人們對數學產生枯燥無味、神秘難懂的印象，原因之一是數學教學脫離了實際。”由此可見，將抽象的理論知識和定理與具體的工程實際相結合，并用生動的實例來講解枯燥的內容，課堂內容將會變得生動而有趣，能夠有效加深學生對于基礎知識點的理解。教師在講授過程中，以工程背景的案例為教學切入點，立足于既定教學內容，優化土木工程材料課堂知識的講授方法。授課教師與企業建立緊密聯系，收集大量工程現場的圖片、音頻、視頻，充分調動學生感官功能，激發學生多視角、多方位、多形式探索問題的興趣。例如，在講解混凝土塌落度測試方法時，給學生播放施工現場泵送混凝土塌落度試驗流程的視頻，并請企業專業技術人員介紹混凝土質量控制要點，引導學生樹立“材料質量控制是工程建設第一生命線”的正面認識。

專業技術人員提供的圖片及音頻視頻資料充分展示了教學手段的多樣化，很大程度上彌補了課堂教學在空間、時間上的局限性，讓理論教學不再停留在“紙上談兵”的階段。經過教改，學生課堂互動積極性不高的現象顯著改善，分析、解決實際問題的能力有一定提高。

四、結語

交叉學科課程土木工程材料是土木工程相關專業的一門學科基礎課程，該課程的開設符合當前社會創新型復合人才的培養目標。針對該課程在教學過程中存在的問題及面臨的挑戰，筆者提出了一系列課程教學改革與實踐的方法，擴展了學生多學科領域的知識與技能，提高了學生學習的積極性和主動性，教學質量得以持續改進。

參考文獻

[1]何敏，彭順金，劉宏玉，衡伯軍.交叉學科課程《材料化學》的教學改革與實踐[J].山東化工，2018（24）.

[2]郭芳，許俊強，陳志，李軍，王耀瓊，王敏.交叉學科的新型催化材料課程建設的改革與實踐[J].科學咨詢，2017（4）.

[3]高俊杰，姚寶珍，岳明，胡平，閆鵬.車輛工程專業交叉學科類課程教學改革探討[J].實驗室科學，2016（6）.

[4]王雅思，王國杰.土木工程材料課程教學改革探討[J].西部素質教育，2016（8）.

[5]田冬梅.培養創新能力與工程素養的土木工程材料教學改革實踐[J].現代職業教育，2016（30）.