新工科背景下“土木工程材料”課程實驗教改

嚴(yán)敏嘉 張佳敏 蔣明輝 何夏萱 黃嵐

[摘 要] “土木工程材料”課程實驗具有較強的理論性、綜合性及實踐性，是土木工程專業(yè)的學(xué)科基礎(chǔ)課。針對目前高校開設(shè)的“土木工程材料”課程實驗，基于高校現(xiàn)有的教學(xué)體系，從新工科建設(shè)背景角度出發(fā)，對該課程的實驗教學(xué)方法做出相應(yīng)的探索和改進(jìn)，改革后的教學(xué)方法能夠培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)能力。此次教學(xué)改革的優(yōu)化方式，可為高校其他工科課程教學(xué)改革提供新的思路。

[關(guān)鍵詞] 新工科;土木工程材料;實驗;教學(xué)改革

[基金項目] 2021年度廣西高等教育本科教學(xué)改革工程項目“新工科背景下‘土木工程材料’課程與化學(xué)工程與工藝專業(yè)課程融合教學(xué)的探索與實踐”（2021JGA170）;2021年度廣西高等教育教學(xué)改革工程項目“基于弘揚廣西少數(shù)民族文化色彩的建筑學(xué)設(shè)計色彩課程教學(xué)的探索與實踐”（2021JGA169）;2019年度廣西民族大學(xué)校級高等教育教學(xué)改革工程立項項目“以創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育為導(dǎo)向的民族院?！聊竟こ滩牧稀n程教學(xué)方法探索與實踐”（2019XJGY38）

[作者簡介] 嚴(yán)敏嘉（1991—），女，湖北宜昌人，土木工程博士，廣西民族大學(xué)建筑工程學(xué)院講師，主要從事土木工程專業(yè)教育工作研究;蔣明輝（1983—），女，湖南東安人，土木工程碩士，廣西民族大學(xué)建筑工程學(xué)院教師，高級工程師（通信作者），主要從事土木工程專業(yè)教育工作研究。

[中圖分類號] G642.0? ?[文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A? ?[文章編號] 1674-9324（2021）51-0065-04? ? [收稿日期] 2021-08-20

為了適應(yīng)當(dāng)今世界新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的新趨勢，教育部提出把全面振興本科教育作為新時代高等教育改革發(fā)展的核心任務(wù)，改造、升級傳統(tǒng)工科專業(yè)，并加快建設(shè)、發(fā)展新工科專業(yè)，進(jìn)一步提高人才培養(yǎng)質(zhì)量[1-4]。

我國土木工程行業(yè)的發(fā)展日新月異，對于我國未來的經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展十分重要，因此急需各大高校培養(yǎng)出更高質(zhì)量的、更適應(yīng)行業(yè)發(fā)展需求的土木工程專業(yè)人才[5-8]。在新工科建設(shè)要求下，高校培養(yǎng)的土木工程專業(yè)人才不僅應(yīng)具有充足的技術(shù)力量和知識儲備，還應(yīng)具有人文情懷、科學(xué)精神和民族團(tuán)結(jié)精神，以適應(yīng)社會、行業(yè)發(fā)展對人才素質(zhì)不斷提高的要求[9]。

目前高校開設(shè)的“土木工程材料”課程實驗具有較強的理論性、綜合性及實踐性，不僅是土木工程專業(yè)的學(xué)科基礎(chǔ)課，還是其他工程類專業(yè)（如建筑學(xué)、工程管理等）的重要課程。因此，針對該課程進(jìn)行教學(xué)改革探索對土木工程及其他工程類專業(yè)的教學(xué)改革具有重要意義。本文分析了國內(nèi)教學(xué)改革研究的現(xiàn)狀、課程實驗教學(xué)存在的問題，提出了相應(yīng)的教學(xué)改革方法，以期提升該課程實驗的教學(xué)質(zhì)量并推進(jìn)其他工科課程的教學(xué)改革。

一、國內(nèi)教學(xué)改革研究現(xiàn)狀

土木工程材料實驗是該課程教學(xué)應(yīng)用的重要環(huán)節(jié)，多為演示性、對比性和驗證性實驗，學(xué)生按部就班地完成實驗，得到預(yù)期的結(jié)果，不利于學(xué)生突破實驗規(guī)程或步驟進(jìn)行創(chuàng)新。狄娜[ 10 ]分析了土木工程材料實驗的現(xiàn)狀和常見問題，并通過優(yōu)化實驗課的教學(xué)內(nèi)容、加強實驗教學(xué)等方式對實驗教學(xué)改革問題進(jìn)行深入探究。曹甫臣[ 11 ]從多方面、多角度針對當(dāng)下土木工程材料實驗教學(xué)中存在的問題進(jìn)行了闡述，并結(jié)合實際現(xiàn)狀及發(fā)展需求提出了以素質(zhì)教育核心培養(yǎng)為改革方向的優(yōu)化措施。針對土木工程材料課程基礎(chǔ)實驗教學(xué)中存在的問題，朱朝艷等[ 12 ]對實驗教學(xué)進(jìn)行了改革，形成了實驗教學(xué)新體系以保證教學(xué)的深度和廣度。楊捷[ 13 ]針對土木工程材料實驗教學(xué)中存在的基礎(chǔ)實驗實踐性不強等問題，提出了加強對材料研發(fā)情況的講解等措施。劉杏[ 14 ]通過獨立設(shè)置土木工程材料實驗課程、整合更新實驗內(nèi)容等方式，調(diào)動了學(xué)生參與基礎(chǔ)實驗環(huán)節(jié)的積極性和主動性。

由于該課程實驗對象為常見土木工程材料，且尚未引導(dǎo)和鼓勵學(xué)生研究、探索其他適用于工程的材料，同時，針對新型土木工程材料的探索和研究對推動其應(yīng)用、普及具有重要意義;因此，提倡針對該課程的創(chuàng)新性實驗尤為重要。段海娟等[ 15 ]分析了傳統(tǒng)土木工程材料實驗教學(xué)的不足，結(jié)合多年教學(xué)實踐經(jīng)驗引入研究性實驗的教學(xué)模式。尹世平等[ 16 ]經(jīng)過實踐教學(xué)探索和對相關(guān)研究成果的分析，提出了構(gòu)筑創(chuàng)新型實驗教學(xué)平臺的措施，使學(xué)生有足夠的時間和條件開展創(chuàng)新性實驗研究活動。根據(jù)土木工程材料課程的特點，張武滿等[ 17 ]基于設(shè)計性實驗，建立實驗與實際工程相結(jié)合、實驗與專業(yè)設(shè)計大賽相結(jié)合的多元化人才培養(yǎng)體系。

在傳統(tǒng)的“土木工程材料”實驗教學(xué)中，演示性、驗證性實驗占據(jù)著主導(dǎo)地位，不利于培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用知識的能力和創(chuàng)新意識，文泉霖等[ 18 ]指出需要采用開放性的實驗方案和綜合性的實驗?zāi)Ｊ?，并在此基礎(chǔ)上同步優(yōu)化實驗教學(xué)資源配置。田冬梅[8]將實驗教學(xué)分為開放性和創(chuàng)新性環(huán)節(jié)，將理論知識與實驗過程相聯(lián)系，有助于培養(yǎng)學(xué)生的工程素養(yǎng)和創(chuàng)新能力。為了強化土木工程材料實驗教學(xué)成效，陳偉等[ 19 ]將設(shè)計實驗融入教學(xué)內(nèi)容，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，提升了學(xué)生的實踐技能、操作技能和創(chuàng)新技能。

二、課程實驗教學(xué)存在的問題

根據(jù)上述研究現(xiàn)狀可知，廣大學(xué)者在“土木工程材料”課程實驗方面已經(jīng)進(jìn)行了大量研究，并取得了豐富的研究成果，為該課程實驗教學(xué)改革奠定了堅實的基礎(chǔ)，但圍繞“土木工程材料”課程進(jìn)行教學(xué)改革的研究仍有待完善。

目前高校開設(shè)的“土木工程材料”課程實驗是在課堂上講解課件和課本，并設(shè)置一些驗證性實驗輔助學(xué)習(xí)。在學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生會直接接受相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、規(guī)程和指南，缺乏理解和反思，久而久之便難以突破工程思維慣性的約束。

在課堂教學(xué)中，學(xué)生自主學(xué)習(xí)積極性不高，亟待對教學(xué)模式進(jìn)行調(diào)整，這對教師、學(xué)生的素質(zhì)及能力提出了新的要求。高校在人才培養(yǎng)過程中也存在一些問題，例如以“教師為中心、教材為中心、講授為中心”的傳統(tǒng)培養(yǎng)模式仍然存在，實踐教學(xué)等創(chuàng)新培養(yǎng)體系不完善，等等。

目前相關(guān)教學(xué)改革研究成果集中在實驗教學(xué)模式改革及內(nèi)容優(yōu)化整合、網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺應(yīng)用、建設(shè)智慧建筑仿真實驗中心等方面，僅從工程應(yīng)用的角度向?qū)W生講解工程材料的性能及其應(yīng)用，學(xué)生無法形成工程材料的完整知識體系，也不能為土木工程材料課程實驗及自主創(chuàng)新性實驗提供必要的知識基礎(chǔ);因此，需要對“土木工程材料”課程實驗教學(xué)改革進(jìn)行更為深入的研究。

三、課程實驗教學(xué)改革的探索與嘗試

“土木工程材料”課程實驗的教學(xué)目的是使學(xué)生熟悉并掌握土木工程材料的基本知識、基本性能及應(yīng)用方法，對該課程實驗教學(xué)模式進(jìn)行改革，使得高校在新工科的背景下，結(jié)合時代發(fā)展要求培養(yǎng)高素質(zhì)復(fù)合型人才，并具備相應(yīng)的專業(yè)能力。根據(jù)上述分析，本節(jié)從新工科建設(shè)背景出發(fā)，對該課程實驗提出了相應(yīng)的教學(xué)改進(jìn)方法。

（一）提升課堂教學(xué)質(zhì)量

在新工科建設(shè)要求下，將“以教師為中心”轉(zhuǎn)變?yōu)椤耙詫W(xué)生為中心”，優(yōu)化課程教學(xué)，在教學(xué)過程中增設(shè)傳統(tǒng)/新型土木工程材料的知識點，以提升理論教學(xué)質(zhì)量。

目前“土木工程材料”課程教學(xué)內(nèi)容多為現(xiàn)階段常見的土木工程材料，其范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于該專業(yè)涉及的所有工程材料?；诖?，教師可講述土木工程材料的發(fā)展歷史、現(xiàn)狀和未來趨勢，讓學(xué)生思考土木工程材料的發(fā)展，并根據(jù)案例選用不同類型的工程材料對原有材料進(jìn)行代替和補充，以期更為充分地發(fā)揮各種材料的優(yōu)越性，這樣能夠避免學(xué)生對各種工程材料不了解便不敢用、對新型材料持懷疑態(tài)度等問題，不僅促進(jìn)化學(xué)工程與工藝專業(yè)的發(fā)展和推廣，而且有助于“土木工程材料”課程內(nèi)容的豐富。

此外，“土木工程材料”課程涉及土木工程專業(yè)中的多種常用材料及其性能知識，每一章所講述的都是相互獨立的一種或一類工程材料。在教學(xué)過程中，教師可將各種材料性質(zhì)的相似或不同之處展示給學(xué)生，在凸顯材料特征性質(zhì)的同時加深學(xué)生對各材料性質(zhì)的理解。上述方法能夠促進(jìn)學(xué)生進(jìn)行多角度學(xué)習(xí)，有助于揭示各種材料之間相似與不同之處的根本原因，將狹隘、零散的理論整合完善，讓學(xué)生更好地掌握各種材料的性能，進(jìn)而更好地掌握學(xué)習(xí)技巧。

（二）倡導(dǎo)研發(fā)新型材料

土木工程材料種類繁多且與實際工程應(yīng)用緊密相連，每種工程材料及其產(chǎn)品都具有相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，且隨著社會發(fā)展而不斷地革新、完善。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，傳統(tǒng)土木工程材料逐漸更替為新型土木工程材料，因此教師可講述土木工程材料的發(fā)展歷史、現(xiàn)狀和未來趨勢，既可以讓學(xué)生思考土木工程材料的發(fā)展，又能夠引導(dǎo)學(xué)生積極探索新型材料，研發(fā)出更多綠色、安全、智能化的材料。以混凝土為例，其原材料在生產(chǎn)、開發(fā)和應(yīng)用的過程中，應(yīng)節(jié)約資源和能源，減少廢氣廢料排放，并盡可能地減少對環(huán)境的危害，所以可以采用化學(xué)工程與工藝專業(yè)理論知識對其綜合性能進(jìn)行有效改善，引導(dǎo)學(xué)生積極探索新型材料，如回收工業(yè)廢料（粉煤灰、硅灰、?；郀t礦渣粉）對混凝土進(jìn)行改性，實現(xiàn)節(jié)約水泥、改善混凝土的性能、調(diào)節(jié)混凝土的強度。

在介紹土木工程材料未來發(fā)展趨勢時，教師可以通過實例和數(shù)據(jù)向?qū)W生介紹我國土木工程新型材料在實際工程中的應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)情感。例如，“海綿城市”建設(shè)中的透水混凝土、核殼復(fù)合結(jié)構(gòu)相變微膠囊等，既提升了工程品質(zhì)，也改善了人類的生活質(zhì)量?；诰G色建筑和高新技術(shù)的發(fā)展趨勢，教師在課堂上分別展現(xiàn)環(huán)保節(jié)能材料和不斷攻克技術(shù)難關(guān)的工程材料實例，在增強學(xué)生民族自豪感的同時，可以從人類可持續(xù)發(fā)展的角度指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行自主創(chuàng)新實驗，倡導(dǎo)學(xué)生研發(fā)出更多綠色節(jié)能、安全環(huán)保、智能化的材料。以上教學(xué)活動可以鼓勵學(xué)生樹立環(huán)保節(jié)能的理念，同時利用新知識完善學(xué)生的知識結(jié)構(gòu)，提升其綜合能力，讓學(xué)生理解新工科背景下的“工匠精神”，更好地為社會主義現(xiàn)代化建設(shè)服務(wù)。

（三）開展自主設(shè)計創(chuàng)新性實驗

教師根據(jù)“土木工程材料”課程的實驗改革目標(biāo)編寫實驗指導(dǎo)書，指導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)儀器設(shè)備的使用、操作步驟和數(shù)據(jù)處理方法，然后學(xué)生自由分組，合理分工，進(jìn)入實驗室開展實驗并完成實驗任務(wù)，這樣使學(xué)生由被動接受知識灌輸轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃蛹庸ば畔ⅲ欣谂囵B(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力，并激發(fā)其主動性和積極性，同時培養(yǎng)學(xué)生善于思考和積極行動的能力，不斷豐富和發(fā)展該課程的實驗，以培養(yǎng)學(xué)生綜合能力為目標(biāo)，并與現(xiàn)代土木工程行業(yè)的發(fā)展、技術(shù)同步。

四、結(jié)語

本次“土木工程材料”教學(xué)改革基于我國新工科建設(shè)的要求和土木工程行業(yè)人才的培養(yǎng)需求，提高學(xué)生對“土木工程材料”課程的學(xué)習(xí)興趣，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)土木工程材料的發(fā)展歷程，增強民族自豪感，培養(yǎng)專業(yè)情感，培養(yǎng)學(xué)生順應(yīng)我國可持續(xù)發(fā)展潮流，樹立環(huán)保節(jié)能的理念。同時，開展自主設(shè)計創(chuàng)新型實驗，增強學(xué)生的學(xué)習(xí)能力和探究精神，促進(jìn)學(xué)生自主探索土木工程新型材料的創(chuàng)新設(shè)計和優(yōu)化方法。

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