新工科背景下高校“土木工程材料”課程教學改革

嚴敏嘉　張佳敏　何夏萱　蔣明輝　卜曄婷

[摘 要] 在新工科建設(shè)背景下，土木工程專業(yè)亟待從學習目標、培養(yǎng)方案、教學模式等方面持續(xù)改進，加快培養(yǎng)出符合新工科要求和社會需要的專業(yè)人才?；诟咝，F(xiàn)有教學體系，針對高校開設(shè)的“土木工程材料”課程，本次教學改革將“土木工程材料”課程、化學工程與工藝專業(yè)理論知識進行融合教學，對該課程教學方法做出相應(yīng)的探索和改進，進而提出將化學工程與工藝專業(yè)課程和土木工程材料課程進行融合教學的策略。改進后的教學方法，可為高校其他工科課程教學改革提供參考。

[關(guān)鍵詞] 新工科;土木工程材料;化學;課程融合;教學改革

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

[作者簡介] 嚴敏嘉（1991—），女，湖北宜昌人，土木工程博士，廣西民族大學建筑工程學院講師，主要從事土木工程專業(yè)教育研究;何夏萱（1992—），女，廣西南寧人，城市設(shè)計碩士，廣西民族大學建筑工程學院教師（通信作者），主要從事建筑學與土木工程專業(yè)教育研究。

[中圖分類號] TU-85 [文獻標識碼] A[文章編號] 1674-9324（2022）04-0099-04[收稿日期] 2021-08-26

在新工科背景下，土木工程專業(yè)亟待從學習目標、培養(yǎng)方案、教學模式等方面持續(xù)改進，加快培養(yǎng)出符合新工科要求和社會需要的專業(yè)人才[1，2]?！巴聊竟こ滩牧稀闭n程具有較強的理論性、綜合性及實踐性，是土木工程專業(yè)的學科基礎(chǔ)課程，為后續(xù)專業(yè)課程的學習及研究工作奠定基礎(chǔ);同時，該課程也是其他工程類專業(yè)（如建筑學、工程管理等）的重要課程[3]。因此，針對該課程進行教學改革的探索，對土木工程及其他工程類專業(yè)的教學改革具有重要意義[4-6]。

基于此，本次教學改革結(jié)合“土木工程材料”課程、化學工程與工藝專業(yè)理論知識進行融合教學，有利于開拓土木工程專業(yè)學生對工程材料的理解和認知，培養(yǎng)同時掌握土木工程和化學工程與工藝專業(yè)知識的復合型人才[7，8]。同時，能夠使學生通過自主創(chuàng)新設(shè)計試驗提高邏輯思維，激發(fā)專業(yè)學習能力以及研究潛能，促使學生運用化學工程與工藝專業(yè)知識探索出對土木工程材料的創(chuàng)新和優(yōu)化設(shè)計方法。這既是對我國當前土木工程行業(yè)中材料的傳承與創(chuàng)新，也是對新工科背景下土木工程專業(yè)課程教學進行多元化探索的嘗試。

一、課程教學存在的問題

“土木工程材料”課程不僅是高等院校土木工程專業(yè)的學科基礎(chǔ)課程，同時也是其他工程類專業(yè)（如建筑學、工程管理等）的重要課程[3]。該課程主要介紹土木工程行業(yè)中大量應(yīng)用工程材料的概念、基礎(chǔ)理論、基本性能以及在實際工程中的應(yīng)用特點等，其教學內(nèi)容與化學工程與工藝專業(yè)理論課程知識（如有機化學、無機化學、高分子化學等課程知識）聯(lián)系緊密。

然而，目前“土木工程材料”課程的教學存在以下不足：一是在教學過程中，教師并未考慮該課程屬于土木工程專業(yè)和化學工程與工藝專業(yè)的交叉領(lǐng)域，若教師僅從土木工程角度出發(fā)進行教學，會導致學生無法從化學工程與工藝角度學習工程材料。二是該課程僅從工程應(yīng)用的角度向?qū)W生講解工程材料的性能及其應(yīng)用，導致學生無法運用化學反應(yīng)機理分析材料的組織、結(jié)構(gòu)和成分，進而無法確定其工程應(yīng)用范圍。三是該課程實驗教學內(nèi)容僅涉及工程材料的一些簡單性質(zhì)（如力學性質(zhì)、工藝性質(zhì)）和技術(shù)要求，學生直接接受相應(yīng)的標準、規(guī)范、規(guī)程和指南而無法跳出其框架的約束，導致無法基于化學反應(yīng)機理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)新性實驗奠定必要的化學基礎(chǔ)。

這些問題的存在，與“以學生為本”，強調(diào)學生自主性的教學理念并不相符，直接制約著新工科人才培養(yǎng)目標的實現(xiàn)。

二、新工科背景下“土木工程材料”課程教學改革的意義

對“土木工程材料”課程教學模式進行改革，使高校在新工科背景下，結(jié)合時代發(fā)展要求培養(yǎng)高素質(zhì)復合型人才，并具備以下專業(yè)能力：掌握工程材料完整知識體系;能夠運用化學反應(yīng)機理分析材料的組織、結(jié)構(gòu)和成分，進而確定其工程應(yīng)用范圍;從化學工程與工藝角度對工程材料進行學習和創(chuàng)新;能夠解決與工程材料相關(guān)的復雜工程問題。

在融合教學過程中，化學工程與工藝專業(yè)課程相關(guān)理論知識為“土木工程材料課程”教學模式的探索與實踐提供了理論基礎(chǔ)。在融合環(huán)境下展開土木工程材料課程，學生可以學到從古至今各類型工程材料的基本性能、制作原理及應(yīng)用范圍，提升學生的民族自豪感，培養(yǎng)其專業(yè)情感，達到課程思政的教學效果。同時，學生可通過自主創(chuàng)新設(shè)計實驗提高邏輯思維，激發(fā)學生的專業(yè)學習能力以及研究潛能，促使學生對土木工程材料進行創(chuàng)新性實驗[9]。這既是對我國當前土木工程行業(yè)中材料的傳承與創(chuàng)新，也是對土木工程專業(yè)教學進行多元化探索的嘗試。

三、教學改革的探索與嘗試

為培養(yǎng)符合新工科建設(shè)要求的土木工程專業(yè)人才，本次教學改革將化學工程與工藝專業(yè)相關(guān)課程（無機化學、物理化學、有機化學等）理論知識融入“土木工程材料”課程，在有限的學時中，讓學生能夠通過分析工程材料運用化學反應(yīng)機理來分析材料的組織、結(jié)構(gòu)和成分，進而確定其工程應(yīng)用范圍，引導學生從化學角度對土木工程材料進行學習，同時啟迪學生對現(xiàn)代土木工程材料進行探索和優(yōu)化設(shè)計的自主創(chuàng)新思維。本次教學改革措施如下。

（一）將“無機化學”理論知識融入“土木工程材料”課程

在《土木工程材料》的“無機氣硬性膠凝材料”章節(jié)中，現(xiàn)行教材講授了石灰、石膏等材料的基本原材料及生產(chǎn)方式。石灰的生產(chǎn)、熟化、硬化過程均含有氧化還原反應(yīng)，“無機化學”中的氧化還原反應(yīng)能夠使學生了解氧化還原反應(yīng)的方向和進度。其中，在石灰的熟化與硬化部分，現(xiàn)行教材僅講述煅燒良好且氧化鈣含量高的生石灰熟化較快、放熱量大且體積增大較多，但并未詳細解釋其中的化學反應(yīng)及機理，導致學生無法通過化學機理解釋反應(yīng)現(xiàn)象，而“無機化學”中的熱化學理論知識能夠讓學生掌握利用熱力學等相關(guān)理論觀點判斷化學反應(yīng)的方向性和反應(yīng)過程中的能量變化，以及化學熱力學的相關(guān)計算。

針對石膏的生產(chǎn)過程，因加熱方式、溫度不同，會得到不同性質(zhì)的石膏產(chǎn)品。現(xiàn)行教材中僅用文字簡略講述其過程，未從熱化學理論解釋其結(jié)果，導致學生無法從能量吸收、熱化學理論的角度理解其機理。同時，在建筑石膏的硬化過程中，“土木工程材料”教材僅用文字描述了建筑石膏與水拌合后的溶解、化合、凝結(jié)聚成晶體、硬化，并未從無機化學的角度分析整個過程的現(xiàn)象及機理，導致學生無法理解其本質(zhì)。實際上，石膏的凝結(jié)和硬化是一個連續(xù)的、復雜的化學變化過程，而“無機化學”中的晶體結(jié)構(gòu)理論知識，能夠讓學生通過晶體的特征和質(zhì)點間的相互作用力、晶體的類型與物質(zhì)性質(zhì)的關(guān)系，理解建筑石膏凝結(jié)聚成晶體、晶體成長共生及離子特征對溶解度產(chǎn)生影響的本質(zhì)，從而讓學生從物理化學的角度理解建筑石膏硬化時體積微膨脹、硬化后孔隙率較大且具有很強吸濕性等特征。

（二）將“物理化學”理論知識融入“土木工程材料”課程

水泥屬于水硬性膠凝材料，是土木工程中非常重要的材料之一，可用“物理化學”的知識對其凝結(jié)硬化的初始反應(yīng)期、潛伏期、凝結(jié)期、硬化期進行解釋。例如，在初期反應(yīng)期，水泥與水接觸后立即發(fā)生水化反應(yīng)，溶液過飽和后氫氧化鈣開始結(jié)晶析出。在潛伏期中，水泥表面附著的水化硅酸鈣凝膠阻止水泥與水接觸，所以該階段水化反應(yīng)速度慢，水化放熱小;在水泥中摻入石膏起緩凝作用，其機理在于石膏與鋁酸三鈣作用產(chǎn)生鈣礬石沉淀在水泥顆粒表面形成保護膜，阻礙水化反應(yīng)，從而延緩水泥凝結(jié)時間，而石膏摻入過多則會繼續(xù)參與反應(yīng)，形成高硫型水化硫鋁酸鈣，產(chǎn)生促凝作用且增大體積，這也是部分實際工程穩(wěn)定性不良的根本原因。因此，在水泥凝結(jié)硬化部分引入“物理化學”理論知識，能夠讓學生從物理化學反應(yīng)機理了解石膏在水泥水化過程中所起的緩凝、促凝原因，由此掌握選取適宜的石膏摻量以避免出現(xiàn)水泥體積穩(wěn)定性不良的方法，從而保障實際工程的安全穩(wěn)定性。

混凝土的堿-集料反應(yīng)被許多專家稱為混凝土的“癌癥”，是混凝土集料中存在堿活性二氧化硅與混凝土微孔中的堿溶液產(chǎn)生化學反應(yīng)，活性二氧化硅逐步解聚后堿金屬離子吸附在新形成的反應(yīng)產(chǎn)物表面形成堿-硅酸凝膠，遇水膨脹后在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生較大的膨脹應(yīng)力，從而引起混凝土開裂。進一步地，空氣、水、二氧化碳等侵入裂縫，引起混凝土碳化和鋼筋銹蝕速度加快，而鋼筋銹蝕產(chǎn)物鐵銹的體積遠大于鋼筋原來的體積，使得裂縫持續(xù)擴大直至造成混凝土工程的綜合性破壞。因此，在堿-集料反應(yīng)部分引入“物理化學”理論知識，能夠用物理化學反應(yīng)機理向?qū)W生解釋堿-集料反應(yīng)如何造成混凝土耐久性下降，嚴重時還會使混凝土喪失使用價值。同時，教師能夠引導學生在以后的實際工程應(yīng)用中避開堿-集料反應(yīng)的必要條件，掌握對混凝土結(jié)構(gòu)破壞預防、修補和挽救的措施，增強實際工程的安全穩(wěn)定性。

（三）將“有機化學”理論知識融入“土木工程材料”課程

我國富產(chǎn)石蠟基和中間基瀝青，在土木工程中主要用作防潮、防水、防腐蝕材料，用于屋面及各類防水工程中。瀝青作為有機膠凝材料，是高分子碳氫化合物及其非金屬衍生物組成的極其復雜的混合物，其技術(shù)性質(zhì)與化學組分及其化學結(jié)構(gòu)有關(guān)。蠟屬于直鏈烷烴為主的化學結(jié)構(gòu)，蠟的形態(tài)和數(shù)量對瀝青工程性能具有重大影響。教師可以將“有機化學”相關(guān)理論知識引入分析過程，讓學生從有機化學的角度理解瀝青的技術(shù)性質(zhì)。例如，在高溫環(huán)境下蠟會使瀝青軟化，導致瀝青路面的高溫穩(wěn)定性降低;而在低溫環(huán)境下，蠟會使瀝青脆硬，容易出現(xiàn)裂縫;蠟會使瀝青與石料的黏附性降低，在有水的條件下導致路面石子剝落破壞路面。此外，蠟含量過高，會降低瀝青路面的抗滑性，影響路面行車安全等。

基于此，在路面工程中需要對瀝青材料進行改性?，F(xiàn)行教材中對瀝青改性僅說明采用何種材料改進瀝青的何種技術(shù)性質(zhì)，并未從有機化學機理角度進行分析。教師需要從有機化學角度向?qū)W生揭示其機理，例如，蠟含量較多使其溫度敏感性大，所以工程上會加入滑石粉、石灰石粉等礦物填充料對其進行改性，減小其溫度敏感性。滑石粉的主要化學成分是含水硅酸鎂，石灰石粉的主要成分為碳酸鈣，瀝青呈單分子狀態(tài)排列在礦物顆粒表面形成結(jié)合力牢固的瀝青薄膜，所以改性后會使其具有較高的黏性和耐熱性能。

本次教學改革將化學工程與工藝專業(yè)的“無機化學”“物理化學”“有機化學”課程理論知識分別融入“土木工程材料”課程的石灰、石膏、水泥、混凝土、瀝青等章節(jié)，促使學生能夠自主運用化學工程與工藝專業(yè)相關(guān)理論知識掌握工程材料的技術(shù)特征、基本性能，并能夠在以后的實際工程應(yīng)用中從化學工程與工藝專業(yè)理論知識的角度分析其機理。同時，引導學生將我國土木工程行業(yè)發(fā)展需要和可持續(xù)發(fā)展理念相融合，培養(yǎng)學生的專業(yè)情感和社會責任感，促使學生探索出對土木工程材料的創(chuàng)新和優(yōu)化設(shè)計方法。

參考文獻

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Teaching Reform of Civil Engineering Materials in Colleges and Universities under the Background of? Emerging Engineering Education

— Integration of Chemical Engineering and Technique Specialty Courses

YAN Min-jia 1， 2， ZHANG Jia-min 1， HE Xia-xuan 1， JIANG Ming-hui 1， BU Ye-ting 1

（1. School of Civil Engineering and Architecture， Guangxi University for Nationalities， Nanning， Guangxi 530006， China; 2. School of Civil Engineering and Architecture， Wuhan University of Technology， Wuhan， Hubei 430070， China）

Abstract： Under the background of the construction of Emerging Engineering Education， the civil engineering specialty urgently needs to continue to improve from the aspects of learning objectives， training programs and teaching modes， so as to speed up the training of professionals to meet the requirements of? Emerging Engineering Education and social needs. Based on the existing teaching system of colleges and universities， and aiming at Civil Engineering Materials course offered by colleges and universities， this teaching reform integrates the course and the theoretical knowledge of chemical engineering and technology， and makes corresponding exploration and improvement on the teaching method of this course. We put forward the teaching strategy of integrating the courses of Chemical Engineering， Technique and Civil Engineering Materials. The improved teaching method can provide reference for the teaching reform of other engineering courses in colleges and universities.

Key words：? Emerging Engineering Education; Civil Engineering Materials; Chemistry; curriculum integration; teaching reform