新工科建設背景下水利類專業建筑材料課程模塊化教學模式探索

姜春萌，李雙喜，宮淼淼，宮經偉

（新疆農業大學 水利與土木工程學院，新疆烏魯木齊 830052）

新工科是基于新一輪技術革命和產業變革時代背景，以“卓越工程師教育培養計劃”為核心內容的工程教育新方向，深化課程教學改革是新工科建設的重要突破口[1]。建筑材料是水利水電工程、農業水利工程、工程管理等水利類專業課程體系中的一門技術基礎課，其教學內容主要包括無機非金屬材料、金屬材料、有機材料和復合材料等，課程內容復雜、工程實踐性強，與學生科學思維、實操能力及工程意識聯系緊密，是培養高質量應用型人才和落實“卓越工程師教育培養計劃”的重要學科之一[2]。

在傳統教學模式下，建筑材料課程具有內容繁多、知識點分散、實驗占比高、講授方式單一和課時數偏少等特點，學生普遍存在“理論知識強記憶”“實踐應用難理解”等問題，導致學生學習熱情不足、工程認知不深入，難以達到新工科建設背景下“卓越工程師教育培養計劃”提出的目標能力要求[3]。針對以上問題，本文擬從水利類專業建筑材料課程特點出發，圍繞課程結構、教學體系、授課方法、評價模式等方面開展探索，提出符合新時代卓越工程師培養目標的教學改革方案，為高校課程教學模式改革提供參考。

1 水利類專業建筑材料課程任務與特點

1.1 課程任務

水利類專業建筑材料課程內容主要包括建筑材料基本性質、無機膠凝材料、水泥混凝土、建筑砂漿、瀝青及瀝青混合料、建筑鋼材、墻體材料、屋面材料、防水材料、絕熱材料、吸聲材料及裝飾材料的基本理論與實驗技能，其中水泥、水泥混凝土、瀝青及防水材料等內容是水利類專業課程教學的重點。此外，建筑材料實驗是本課程的重要教學環節，通過實驗操作和數據分析，可以加深學生對材料科學的感性認知以及對工程項目的深入理解，培養學生實操技能、科學素養和解決工程實際問題的能力[4]。

建筑材料是水利類專業的基礎性課程，凡從事工程建設領域的相關人員均需要具備一定的建筑材料知識儲備。本課程通常在本科第3 學期或第4 學期開設，教學前要求學生掌握高等數學、大學物理、材料力學等基礎知識。課程教學結束后，學生應掌握工程常見建筑材料的基本物理力學性能、工程應用范圍、設計計算理論以及規范實驗方法。此外，本課程內容與水工鋼筋混凝土結構設計、水工鋼結構、水工建筑物等后續課程密切相關，因此在水利類學科人才培養體系中具有重要的基礎性地位。

1.2 課程特點

水利類建筑材料課程知識體系龐雜、基礎性要求較高，涉及的材料種類和材料性質內容繁多、分散。例如水泥、瀝青、石灰、混凝土、鋼筋等，每種材料的邏輯關系較差，導致各章節間的課程關聯度不高。本課程是一門既要求掌握理論知識又強調實踐應用的專業學科，盡管教材中少有復雜難懂的數學公式和邏輯推理，但涉及較多物理、化學、力學等基礎學科知識，綜合性、理論性較強，要求學生具備一定的基礎知識和較強的理解能力，同時對于授課教師的知識儲備與講授技巧也提出很高要求[5]。此外，建筑材料課程具有鮮明的實驗學科特點，各章節理論知識均配有相關實驗任務，例如水泥的凝結時間與標準稠度用水量實驗、骨料的密度及顆粒級配實驗、混凝土拌合物系列實驗以及硬化混凝土的物理、力學性能實驗等，對于培養學生的實踐動手能力和規范意識具有較高要求。然而，對于國內水利類本科院校開設的建筑材料課程，其理論教學多為30～40 個課時，實驗教學為8～14 個課時，相比于其他基礎技術學科，課時量偏少。

2 建筑材料傳統教學現狀與存在的不足

2.1 教學模式單一，課程交互性不強

建筑材料課程體系至今已沿用三四十年，教材、培養方案以及知識結構較為陳舊，傳統教學模式以教師講授基本知識點、演示實驗流程為重點，課程教學過程中的材料基本概念、物理化學性質、力學及耐久性能、用途范圍，以及實驗教學過程中的實驗流程、操作要點、計算公式等都需要機械記憶，仍以“教師講授、學生實踐”的先學后用模式為主，建筑材料與工程實際相結合的案例分析和知識講解較少，未能建立成熟的課程交互機制[6]。盡管教師可將PPT、實驗視頻等作為授課媒介，但由于本課程與材料生產端、工程應用端結合緊密，致使學生對部分概念理解起來比較困難，難以調動學生學習的主動性和積極性。此外，隨著我國水利工程的快速發展，超級工程項目建設逐漸增多，超高性能材料應用越發廣泛，由此衍生的工程和科研新問題廣受關注，而現階段課程講授內容難以及時跟上新時代工程發展方向。在建筑材料技術發展迅速、特種新型材料大量出現、工程應用領域愈發細化的趨勢下，由一位教師全程授課的模式難以對不同建筑材料特性進行深入、科學講解。

2.2 課堂講授占比高，實踐聯動性差

建筑材料課程教學和實驗教學仍以教師課堂講授為主，學生主動學習和實驗操作占比較低。實驗教學是本課程的重要環節，通過現場實操和結果分析，可以豐富學生感性認識、提高學生科學實驗技能，進而培養其解決工程實際問題的能力[7]。目前，課程大綱制定的實驗內容局限于規范方法下的建筑材料性能測試，實現順序多為教師講授實驗步驟與操作要點，學生機械記憶、記錄數據、書寫報告，該模式無法調動學生主動學習的積極性。另外，傳統的建筑材料實驗課程僅圍繞材料基本性質展開實驗，例如骨料物理力學指標測試、水泥混凝土配制、拌合物實驗和基本力學性能實驗等，其類型仍以基礎性實驗、驗證性實驗為主，基于課程內容的探索性實驗、創造性實驗、綜合性實驗占比極低，與材料密切相關的結構性能、施工工藝等知識在實驗教學中未體現，致使實驗教學未發揮培養學生實踐操作能力的重要作用[8]。

2.3 考核方式單一，學生獲得感低

傳統的建筑材料課程考核方式以期末考試為主，綜合考慮平時作業、課堂表現與出勤率、實驗報告完成情況，期末考試成績等，給出最終評分，其中各項指標的占比根據授課教師的要求略有不同。盡管此種方式涉及了課程學習的幾個方面，但仍未實現全過程考核，難以反饋教學效果，未有效調動學生的創造性，未增強學生的參與感。比如，期末考試成績占比較大，學生通過期末臨時記憶課程知識也能取得不錯的成績；實驗課程評價標準僅以實驗報告為主，缺乏過程考核，對于分組條件下不同學生的完成情況、貢獻程度無法有效區分，影響了學生的學習熱情；無論期末考試、平時作業，還是實驗報告，均為靜態性文字材料，難以有效表征課堂和實驗過程中各章節內容的差異化特點，對學生綜合分析能力、科研思維以及表達能力等方面的評價不到位，導致學生學習獲得感較低。

3 建筑材料課程模塊化教學模式探索

3.1 基于“項目驅動、模塊教學”的課程體系優化

項目驅動是指將教學內容劃分為不同子模塊，將理論知識融入各個教學模塊的完成過程中，進而實現理論與實踐相結合的一種教學模式[9]。如表1 所示，根據課程內容特點，以梯度化、差異化方式展開建筑材料教學方案實施，將教學內容劃分為5 個模塊，由擅長相關領域的不同教師負責對應項目的理論教學、實驗演示和項目競賽等工作，并在此過程中針對性地融入虛擬仿真、翻轉課堂等教學手段。通過這種“項目驅動、模塊教學”的課程體系優化，重新梳理知識點，圍繞項目需求設計理論和實操課程內容，將傳統教學相互割裂的理論教學與實驗教學進行融合，打破二者學時上的限制，逐步形成自上而下、自下而上雙向發力的教學格局[10-11]。

表1 基于項目驅動的模塊化教學內容及時間安排

3.2 圍繞“理論—實訓—競賽”模式的教學方法創新

改變學生傳統學習過程中“先學后用”的模式，在不同教學模塊內實現理論學習和實踐操作的同步進行，并將精心設計的競賽單元有針對性地嵌入主要教學模塊。通過這種“理論—實訓—競賽”模式的教學方法創新，學生可將課堂上學到的理論知識及時應用于實踐，并且在應用過程中實現理論知識的進一步鞏固和加深理解，能夠有效提升學生學習興趣和成就感[12]。此外，由具有不同專長的教師負責課程講授，將科研課題知識穿插到本科教學課堂中，并通過以綜合性、探索性實驗內容為主的學科競賽，激發學生對建筑材料課程的學習熱情，提高學生對理論知識的綜合運用能力，能夠培養學生的發散思維和主動思考問題的習慣，提升其科學素養，最大限度激發學生的學習主動性和科學探究能動性[13]。

3.3 緊貼“材料+結構+施工”的跨學科聯動實踐

新工科建設著眼于培養面向未來的卓越工程創新人才，其內涵表現為學生能夠利用理論知識指導工程實踐，并通過工程實踐進一步驗證理論知識。為此，設計多學科聯合、多方參與的開放式教學實踐平臺，以單元競賽為載體，融入多學科課程知識，構建“材料+結構+施工”全鏈條工程人才素質培養模式，全面提升水利類專業學生的實踐創新能力。例如，在競賽單元4（見表1）開展閘墩建造設計競賽，需要學生在建筑材料課程內容的基礎上，自行查閱、學習教師提供的鋼筋混凝土結構設計、水工建筑物和水利工程施工等相關知識并開展設計計算，然后在實驗室內完成支模板、綁鋼筋、澆混凝土、養護拆模等完整施工工序，該過程實現多學科交叉聯動，有助于解決工程卓越人才、創新人才培養過程中存在的工程應用環節薄弱、理論和實踐脫鉤、興趣驅動不足等問題[14]。

圖1 混凝土材料設計競賽

3.4 開展“多時段、多元化、多維度”的課程考核評價

傳統的建筑材料課程考核方式較單一，評價結果難以反饋真實教學情況，對學生難以產生激勵效果。為此，在“項目驅動、模塊教學”體系、“理論—實訓—競賽”方法和“材料+結構+施工”實踐的基礎上，提出多時段、多元化、多維度的課程考核評價方法，成績分數評價占比如圖2 所示。其中，多時段是指在不同教學模塊下的理論、實訓和競賽單元中對學生的參與和表現情況量化賦分，多元化是指通過競賽答辯、期中測試、翻轉課堂授課、結業論文等多種方式對學生課程知識掌握情況進行綜合評價，多維度是指在評價方法中加入學生合作能力、表達能力、寫作能力、創新能力、動手能力等多種軟性考核指標，并且引入小組互評、師生共同參評等機制，實現課程評價體系的真實性和全面性，對于教學目標的達成具有更加積極的反饋[15]。

3.5 適應“新工科人才培養需求”的教學持續改進

將以上基于項目驅動的建筑材料模塊化教學模式在新疆農業大學2020 級水利水電工程專業課程教學中運行1 個學期，通過期末成績、項目報告、實操表現、問卷調研等方式對教改效果進行評價，建立課程教學的持續改進機制，如圖3 所示。評價結果表明，與傳統教學班級對比，采用本教學模式的班級成績有明顯提高，學生學習積極性明顯提高，對于理論知識和實驗操作的理解更加透徹。此外，在項目驅動教學模式下，積極引導學生參與基礎科研課題實施，學期結束前實施教學改革的班級成功申報大學生創新項目3 項（自治區級1 項、校級2 項），以學生為第一作者發表學術論文2 篇。需要指出的是，此教學模式也存在一些不足之處，有待在實踐教學中持續改進。例如：（1）競賽單元模式需將班級學生分為6～8 人的項目小組，部分學生在項目完成過程中無法發揮作用，今后需要明確成員角色，更加科學地設計競賽內容與項目分工；（2）在閘墩設計制作的交叉實踐競賽單元中，對于設計規范性要求偏高，導致材料、設計和施工三個部分的精力分配和時間分配不合理，今后需對此設計過程進行簡化，明確以培養學生對多學科知識的綜合運用能力為主要目標。

圖3 建筑材料課程教學改革技術路線

4 結語

建筑材料是水利類工程專業的重要基礎課，其教學質量直接關系水利工程專業卓越工程師培養計劃的達成效果。本文針對傳統課程教學中存在的不足，以新工科背景下創新人才培養需求為導向，提出以“項目驅動、模塊教學”模式為基礎、以“理論—實訓—競賽”體系為方法、以“材料+結構+施工”實踐為導向、以“多時段、多元化、多維度”評價為目標的教學改革思路，并圍繞新工科建設內涵對其進行持續改進。實踐表明，該教學模式下學生專業知識水平、實操動手能力均得到有效提升，科研創新意識增強，學習積極性和主動性大幅提高，取得了初步的教學成果，可為其他高校課程改革提供參考。