新工科背景下土木工程材料課程教學(xué)方法探索與實(shí)踐

謝娟 陽月明 張永寧

摘? 要：該文針對(duì)新工科提出的應(yīng)該積極應(yīng)對(duì)變化、引領(lǐng)創(chuàng)新、探索不斷變化背景下的工程教育新理念、新結(jié)構(gòu)、新模式、新質(zhì)量、新體系，培養(yǎng)能夠適應(yīng)時(shí)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(diǎn)及目前教學(xué)過程中存在的不足，圍繞教學(xué)理念、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)形式以及考核方式等進(jìn)行探索與實(shí)踐，構(gòu)建了新的教學(xué)方法和教學(xué)體系，取得了良好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：新工科? 土木工程材料? 教學(xué)改革

中圖分類號(hào)：G642 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2019）08（b）-0117-03

新工科的內(nèi)涵是以立德樹人為引領(lǐng)，以應(yīng)對(duì)變化、塑造未來為建設(shè)理念，以繼承與創(chuàng)新、交叉與融合、協(xié)調(diào)與共享為主要途徑， 培養(yǎng)未來多元化、創(chuàng)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(tài)，是與時(shí)俱進(jìn)的創(chuàng)新型工程教育方案， 需要新的建設(shè)途徑。新工科的關(guān)鍵任務(wù)之一便是學(xué)與教，即重構(gòu)人才知識(shí)體系，重塑人才培養(yǎng)質(zhì)量觀。加快制定適應(yīng)工科學(xué)生終身發(fā)展和社會(huì)需要的核心素養(yǎng)體系和學(xué)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系， 完善學(xué)生、老師等共同參與的“以學(xué)生為中心”學(xué)生培養(yǎng)質(zhì)量持續(xù)改進(jìn)體系，完善從學(xué)習(xí)目標(biāo)—培養(yǎng)目標(biāo)—培養(yǎng)方案—課程大綱—評(píng)價(jià)分析—課程品質(zhì)報(bào)告—改進(jìn)方案實(shí)施-學(xué)習(xí)目標(biāo)的閉環(huán)質(zhì)量持續(xù)改進(jìn)體系。

土木工程材料是一門開設(shè)面較廣的課程，專業(yè)涉及土木工程、交通工程、建筑設(shè)計(jì)、工程管理、港行水利等，授課對(duì)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(yīng)用的工程材料的概念、基礎(chǔ)理論、基本性能以及在實(shí)際工程中的應(yīng)用特點(diǎn)等。教學(xué)目的是通過該課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生學(xué)會(huì)根據(jù)工程特點(diǎn)合理選擇和正確使用材料，并為其他專業(yè)基礎(chǔ)課和專業(yè)課的學(xué)習(xí)提供相關(guān)的材料基礎(chǔ)知識(shí)。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(xué)研究，尋求更加合理有效的教學(xué)方法。王宇輝對(duì)土木工程本科專業(yè)的土木工程材料課程做了教學(xué)改革，在理論教學(xué)、課后作業(yè)、實(shí)踐教學(xué)和課程考核等方面做了探索，收到了較好的教學(xué)效果[2]。劉秀偉等將C D IO工程教育理念引進(jìn)到《土木工程材料》課程的教學(xué)中，經(jīng)過C D IO課程定位、教學(xué)目標(biāo)確定、教學(xué)大綱構(gòu)建、課程教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)與實(shí)施過程，教學(xué)效果明顯提高[3]。筆者根據(jù)新工科背景下對(duì)人才培養(yǎng)的要求，分析總結(jié)了土木工程材料的課程特點(diǎn)以及目前教學(xué)中存在的問題，摸索出了新的教學(xué)方法，并取得良好成效。

1? 土木工程材料的課程特點(diǎn)

1.1 課程內(nèi)容繁多，涉及知識(shí)面廣

該課程包括無機(jī)膠凝材料、砌筑材料、金屬材料、瀝青等與土木工程相關(guān)的十多個(gè)大類、上百種材料，各章節(jié)相對(duì)獨(dú)立，缺乏邏輯性和關(guān)聯(lián)性，涉及的文字性概念和術(shù)語多，知識(shí)點(diǎn)比較分散，導(dǎo)致學(xué)生在課堂上一聽就懂，但是不易系統(tǒng)地掌握課程知識(shí)。

1.2 學(xué)科交叉大，內(nèi)容層次不清晰

筆者所在的長(zhǎng)沙理工大學(xué)土木工程材料課程面向交通運(yùn)輸學(xué)院、土木工程學(xué)院以及水利工程學(xué)院的本科生和研究生授課。教學(xué)內(nèi)容涉及材料科學(xué)、建筑科學(xué)等多個(gè)學(xué)科，如水泥部分涉及大量化學(xué)知識(shí)，鋼材部分涉及理論力學(xué)相關(guān)知識(shí)，大綱要求同學(xué)們通過課程學(xué)習(xí)能夠應(yīng)用土木工程材料科學(xué)的基本原理，識(shí)別、表達(dá)、并通過文獻(xiàn)研究分析復(fù)雜工程問題。但是課程沒有分專業(yè)來設(shè)置重點(diǎn)和難點(diǎn)，主次不分明。

1.3 課程理論性強(qiáng)，實(shí)踐性強(qiáng)

土木工程材料都是實(shí)際存在、能夠直觀感受的，而課程內(nèi)容主要以文字性敘述為主，許多概念講起來較為復(fù)雜。比如水泥的水化、凝結(jié)硬化部分，是整個(gè)課程中比較重要的一個(gè)知識(shí)點(diǎn)，這個(gè)過程對(duì)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(xué)反應(yīng)，理論性較強(qiáng)。同時(shí)，課程又涉及到如水泥力學(xué)性能、瀝青混合料高低溫性能以及馬歇爾穩(wěn)定度的試驗(yàn)，實(shí)踐性較強(qiáng)。因此需要教師有很強(qiáng)的工程背景，能夠結(jié)合工程實(shí)際，使同學(xué)們對(duì)材料性能與實(shí)際應(yīng)用之間的聯(lián)系有比較直觀的認(rèn)識(shí)，熟悉工程實(shí)踐操作的基本規(guī)范，掌握試驗(yàn)的基本技能，能夠解決選材、檢驗(yàn)、驗(yàn)收及儲(chǔ)存等施工現(xiàn)場(chǎng)遇到的常見問題。

2? 課程教學(xué)中存在的主要問題

2.1 教學(xué)手段單一，內(nèi)容枯燥

土木工程材料內(nèi)容較多， 包括了無機(jī)非金屬材料、金屬材料 、有機(jī)高分子材料，并且有很多需要記憶的概念和理論知識(shí)，采用傳統(tǒng)的教學(xué)模式很難達(dá)到好的教學(xué)效果。筆者近幾年就土木工程材料課程進(jìn)行了大量的課堂調(diào)研，發(fā)現(xiàn)很多老師在講課時(shí)都是以PPT為主，板書較少，其他形式的教學(xué)輔助手段也不常使用。而土木工程材料與是一門集理論、實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐為一體的課程，與工程實(shí)際結(jié)合緊密，傳統(tǒng)的教學(xué)模式不能夠全面反映材料的技術(shù)性質(zhì)和實(shí)際應(yīng)用。同時(shí)，開設(shè)《土木工程材料》課程的專業(yè)較多，學(xué)生的預(yù)備知識(shí)、專業(yè)基礎(chǔ)以及培養(yǎng)要求各不相同，比如，道路工程專業(yè)應(yīng)將瀝青及瀝青混合料作為重點(diǎn)，而對(duì)港行專業(yè)來講，水泥比瀝青更為重要。但是目前極少有高校根據(jù)不同的專業(yè)培養(yǎng)方案制定相對(duì)應(yīng)的教學(xué)大綱，造成教師們?cè)谥v課的時(shí)候，不注重專業(yè)差別，側(cè)重點(diǎn)不明顯，教師和學(xué)生互動(dòng)少，學(xué)生難以將課程知識(shí)與自己的專業(yè)聯(lián)系起來，學(xué)習(xí)興趣較低。

2.2 理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)脫節(jié)

理論性強(qiáng)、實(shí)踐性強(qiáng)是土木工程材料課程的一個(gè)主要特點(diǎn)，課程劃分為理論課和實(shí)踐課程兩部分，然而當(dāng)前許多高校土木工程材料的課程安排很不科學(xué)，重理論輕實(shí)踐的現(xiàn)象較為普遍，過分重視理論知識(shí)的講解，忽視實(shí)踐課程對(duì)于學(xué)生學(xué)習(xí)的重要性。就筆者所在的長(zhǎng)沙理工大學(xué)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(gè)學(xué)時(shí)，其中理論學(xué)時(shí)26個(gè)，實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)6個(gè)，導(dǎo)致理論知識(shí)和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容不能系統(tǒng)地講解完全，結(jié)課時(shí)學(xué)生只能對(duì)土木工程材料有非常淺顯抽象的了解。必修課理論學(xué)時(shí)40個(gè)，與實(shí)驗(yàn)課分開開設(shè)，雖然學(xué)時(shí)比選修課多，但存在的問題是理論課與實(shí)驗(yàn)課沒有很好的對(duì)接，經(jīng)常出現(xiàn)理論課全部講完了，實(shí)驗(yàn)課還沒有開始，所以理論課中講到實(shí)驗(yàn)時(shí)，學(xué)生們?nèi)狈χ庇^認(rèn)識(shí)。理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)脫節(jié)嚴(yán)重影響了教學(xué)效果，不能滿足新工科提出的培養(yǎng)卓越工程人才的要求，是一個(gè)亟待解決的問題。

2.3 課程教學(xué)大綱缺乏專業(yè)針對(duì)性

如前所述，高校里開設(shè)土木工程材料課程的專業(yè)眾多，而承擔(dān)教學(xué)任務(wù)的老師則集中在同一個(gè)院系，教學(xué)大綱也由承擔(dān)教學(xué)任務(wù)的院系統(tǒng)一制定，沒有考慮不同專業(yè)對(duì)人才的培養(yǎng)需求。土木工程材料課程知識(shí)體系較固定，但是穩(wěn)定的教學(xué)框架適應(yīng)性較差，因此有必要根據(jù)專業(yè)需求修訂教學(xué)大綱。

2.4 教材內(nèi)容更新慢

材料的發(fā)展日新月異，各種新型功能材料也不斷出現(xiàn)，而土木工程材料教材仍停留在介紹基本理論知識(shí)的階段，并且仍沿用了20世紀(jì)末調(diào)整后的內(nèi)容，對(duì)新標(biāo)準(zhǔn)和新規(guī)范的更新不及時(shí)，所涉及到的實(shí)驗(yàn)方法也比較陳舊。教材內(nèi)容狹窄很不上形式，導(dǎo)致學(xué)生們知識(shí)面較窄，對(duì)新材料、新標(biāo)準(zhǔn)了解較少，不能很好地將理論知識(shí)與當(dāng)下的工程實(shí)際結(jié)合起來。

3? 教學(xué)改革的主要內(nèi)容

3.1 優(yōu)化課程內(nèi)容，豐富教學(xué)手段

教育應(yīng)當(dāng)與時(shí)俱進(jìn)，通過教育與技術(shù)的結(jié)合來創(chuàng)新教學(xué)模式，采取慕課、小規(guī)模在線課程、翻轉(zhuǎn)課堂等新型小學(xué)模式與傳統(tǒng)教學(xué)相結(jié)合，充分利用網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源，通過視頻和動(dòng)畫來充實(shí)課件，尤其是引入一些工程實(shí)例，讓學(xué)生們能將課堂理論與實(shí)踐聯(lián)系起來，激發(fā)聽課興趣。

借助實(shí)物來講授課堂知識(shí)。條件允許時(shí)，教師可以將材料帶到課堂，讓學(xué)生近距離真實(shí)地觀察這些材料，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。比如講到石灰的熟化、陳伏時(shí)，學(xué)生經(jīng)常把兩個(gè)過程混淆，而這個(gè)實(shí)驗(yàn)又是簡(jiǎn)單易行的，因此教師可將石灰、水、溫度計(jì)、攪拌棒和燒杯帶入教室，現(xiàn)場(chǎng)給學(xué)生演示石灰在熟化工程中的升溫。

3.2 理論與實(shí)踐課程穿插進(jìn)行

為了能使學(xué)生很好地將土木工程理論知識(shí)與工程應(yīng)用緊密聯(lián)系起來，在教學(xué)中應(yīng)重視理論與實(shí)踐課程的合理安排，避免理論與實(shí)踐脫節(jié)。將理論課與實(shí)踐課穿插進(jìn)行，通過實(shí)踐來鞏固理論知識(shí)。例如，在集料的級(jí)配部分有理論三參數(shù)的知識(shí)點(diǎn)，即分計(jì)篩余百分率、累計(jì)篩余百分率和通過百分率，僅僅通過課堂講解概念和計(jì)算方法很難讓學(xué)生們牢牢掌握，對(duì)于這種情況，教師可以將課堂搬到實(shí)驗(yàn)室，先利用一個(gè)學(xué)時(shí)講解概念，緊接著通過實(shí)驗(yàn)來強(qiáng)化學(xué)習(xí)內(nèi)容。土木工程材料課程中有很多實(shí)驗(yàn)部分，如果能與理論合理對(duì)接，將大大提高教學(xué)效果。

3.3 梳理教學(xué)大綱，有的放矢

由于開設(shè)土木工程材料課程的專業(yè)拓寬，學(xué)時(shí)減少，現(xiàn)有的教學(xué)大綱已經(jīng)不能適應(yīng)需要，因此必須對(duì)大綱進(jìn)行修訂，適當(dāng)增刪部分內(nèi)容，提高大綱的先進(jìn)性和適應(yīng)性。比如對(duì)道路與鐵道工程專業(yè)，應(yīng)將瀝青與瀝青混合料作為重點(diǎn)，增加相關(guān)理論以及實(shí)踐內(nèi)容，使學(xué)生深入了解路面瀝青的技術(shù)性能、路用性能以及瀝青路面的研究與發(fā)展現(xiàn)狀;對(duì)港行專業(yè)，應(yīng)增加水泥部分的內(nèi)容，重點(diǎn)講解水泥種類在實(shí)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?jié)B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(duì)專業(yè)需求修訂大綱，做到有的放矢。

3.4 追蹤前沿，鼓勵(lì)學(xué)生參與

使學(xué)生在掌握基本理論知識(shí)的同時(shí)，了解土木工程材料的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)，適應(yīng)新工科提出的：理念新——應(yīng)對(duì)變化，塑造未來;要求新——培養(yǎng)未來多元化、創(chuàng)新型卓越工程人才;途徑新——繼承與創(chuàng)新、交叉與融合、協(xié)調(diào)與共享。因此必須優(yōu)化課程內(nèi)容，精心組織教學(xué)內(nèi)容，選擇有代表性的新材料、新技術(shù)以及新的研究成果介紹給學(xué)生，也可以將教師自身的科研成果引入到課堂教學(xué)中，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

此外，鼓勵(lì)學(xué)生以多種形式參與到教學(xué)活動(dòng)中來，使傳統(tǒng)教學(xué)模式中的單向輸出變?yōu)殡p向交流。比如，可將學(xué)生分組，每組學(xué)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(xiàn)，了解材料的基本性能、使用歷史、發(fā)展過程以及最新的研究動(dòng)態(tài)，對(duì)文獻(xiàn)進(jìn)行歸納整體做成PPT在課堂上進(jìn)行講解，并設(shè)置互動(dòng)環(huán)節(jié)回答學(xué)生提出的問題。通過這一過程，不但可以培養(yǎng)學(xué)生查閱文獻(xiàn)、總結(jié)歸納、公開演講的能力，更加深了他們對(duì)主體土木工程材料的學(xué)習(xí)和了解。

3.5 改進(jìn)課程考核方式

土木工程材料課程考核方式分為平時(shí)成績(jī)30%和期末考試成績(jī)70%，但是平時(shí)成績(jī)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)不明確，隨意性比較大，期末考試成績(jī)的占比較高，使學(xué)生在課程學(xué)期期間只關(guān)注可能會(huì)考到的知識(shí)點(diǎn)而死記硬背，知識(shí)掌握不牢固，不能學(xué)以致用，更談不上創(chuàng)新。基于此，對(duì)考核方式進(jìn)行了改革，改為平時(shí)成績(jī)40%，包括平時(shí)作業(yè)10%、課堂表現(xiàn)10%、小組討論及演示20%，期末成績(jī)占比60%。通過平時(shí)成績(jī)和小組討論，教師能及時(shí)發(fā)現(xiàn)學(xué)生學(xué)習(xí)中存在的問題，及時(shí)解決?？己朔绞降母倪M(jìn)也提高了學(xué)生在課程中的參與度，提高了學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性。

4? 結(jié)語

新工科反映了未來工程教育的形態(tài)， 是與時(shí)俱進(jìn)的創(chuàng)新型工程教育方案， 需要新的建設(shè)途徑。必須通過人才培養(yǎng)理念的升華、體制機(jī)制的改革以及培養(yǎng)模式的創(chuàng)新應(yīng)對(duì)現(xiàn)代社會(huì)的快速變化和未來不確定的變革挑戰(zhàn)。交叉與融合是工程創(chuàng)新人才培養(yǎng)的著力點(diǎn)。

土木工程材料課程具有涉及面廣、多學(xué)科交叉與融合、教學(xué)內(nèi)容需緊跟科技發(fā)展的特點(diǎn)，筆者緊扣新工科要求，從優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容、理論與實(shí)踐相結(jié)合、修訂教學(xué)大綱、鼓勵(lì)創(chuàng)新、改進(jìn)考核方法等方面著手構(gòu)建了新的教學(xué)方法和教學(xué)體系，并在過去幾年的教學(xué)中進(jìn)行了實(shí)施，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣及參與度明顯提高，養(yǎng)成了良好的學(xué)習(xí)習(xí)慣并培養(yǎng)了創(chuàng)新能力，平時(shí)作業(yè)以及課堂表現(xiàn)顯著改善，成績(jī)有了大幅度提高，教學(xué)效果良好。

參考文獻(xiàn)

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