新工科背景下融合OBE的土木工程材料教學(xué)探索與實(shí)踐

李志鵬 張津瑞 楊榮偉 朱海濤

[摘 要] 我國(guó)土木工程基礎(chǔ)設(shè)施的大力建設(shè)帶動(dòng)了新型土木工程材料及工藝的迅速發(fā)展。當(dāng)前“土木工程材料”課程存在教學(xué)內(nèi)容陳舊，新材料、新技術(shù)、新工藝的發(fā)展更新緩慢的問(wèn)題，導(dǎo)致學(xué)生對(duì)建材試驗(yàn)課程的學(xué)習(xí)興趣不高、實(shí)際的教學(xué)效果不佳等問(wèn)題?；谛鹿た瓢l(fā)展背景，融合OBE理念，從五個(gè)方面提出了若干改革創(chuàng)新舉措：將新型土木工程材料和實(shí)驗(yàn)技術(shù)與教學(xué)內(nèi)容有機(jī)結(jié)合，延伸和豐富教學(xué)內(nèi)容，真正讓學(xué)生動(dòng)起來(lái)、忙起來(lái);將專業(yè)設(shè)計(jì)大賽和大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目融入實(shí)驗(yàn)課程中，著力提升學(xué)生分析和解決工程問(wèn)題的能力;將虛擬現(xiàn)實(shí)等信息化技術(shù)應(yīng)用到實(shí)驗(yàn)課程之中，有效解決部分學(xué)生參與度不高的現(xiàn)狀，最終實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)新工科背景下實(shí)踐和創(chuàng)新型人才的目的。

[關(guān)鍵詞] 土木工程材料;新材料和實(shí)驗(yàn)技術(shù);虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

[基金項(xiàng)目] 2020年度天津大學(xué)新工科人才培養(yǎng)平臺(tái)“智能建筑與建造人才培養(yǎng)平臺(tái)”

[作者簡(jiǎn)介] 李志鵬（1982—），男，山西大同人，工學(xué)碩士，天津大學(xué)建筑工程學(xué)院工程師，主要從事綠色混凝土試驗(yàn)技術(shù)研究。

[中圖分類號(hào)] G642.0 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 1674-9324（2022）09-0089-04 [收稿日期] 2021-09-06

一、背景

“土木工程材料”課程屬于土木工程專業(yè)課程中的核心課程，是構(gòu)成整個(gè)土木工程項(xiàng)目的基石。當(dāng)前，一些學(xué)者對(duì)“土木工程材料”課程進(jìn)行了教學(xué)改革探討，主要集中在如何解決土木工程材料課程課時(shí)少、教學(xué)內(nèi)容繁雜、提高學(xué)生的參與度以及調(diào)動(dòng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力等方面的問(wèn)題。劉冰宇等人結(jié)合“三創(chuàng)”教育對(duì)土木工程材料課程進(jìn)行創(chuàng)新，旨在激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新能力[1]。時(shí)國(guó)松等主張采用項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)法進(jìn)行土木工程材料課程改革，提出改變課堂考核機(jī)制，從創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)和任務(wù)驅(qū)動(dòng)兩大方向著手課程改革[2]。曲廣雷等人結(jié)合“雨課堂+PBL”的教學(xué)模式，對(duì)土木工程材料課程進(jìn)行了教學(xué)改革與實(shí)踐，旨在探索契合工程教育專業(yè)認(rèn)證“解決復(fù)雜工程問(wèn)題”理念的教學(xué)方法，豐富工程教育理論，提供一種簡(jiǎn)單、可行的“土木工程材料”課程教學(xué)方法[3]。

總之，“土木工程材料”課程的特點(diǎn)在于知識(shí)面廣泛、理論與實(shí)踐緊密結(jié)合。當(dāng)前，新工科建設(shè)和“工程教育專業(yè)認(rèn)證”稱為熱點(diǎn)問(wèn)題，新工科是一種新的工科形態(tài)，是對(duì)教育理念、專業(yè)結(jié)構(gòu)、培養(yǎng)模式、教學(xué)質(zhì)量、發(fā)展體系的提升;工程教育的OBE（Outcomes-Based Education）理念堅(jiān)持以成果為導(dǎo)向、以學(xué)生發(fā)展為中心、持續(xù)改進(jìn)的現(xiàn)代工程本科教育教學(xué)理念，為新一代工科的教學(xué)落實(shí)工作提供了重要參考[4]。高校從事工科專業(yè)教育教學(xué)改革發(fā)展應(yīng)以我國(guó)新工科教育理念實(shí)踐為發(fā)展?fàn)恳瑖L試積極探索新的工科教學(xué)模式。

二、課程教學(xué)現(xiàn)狀分析

“土木工程材料”課程涉及理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)，其教學(xué)目標(biāo)是讓學(xué)生熟練掌握土木工程材料的基本概念及原理;熟練掌握土木工程材料性質(zhì)與材料結(jié)構(gòu)的相關(guān)關(guān)系;了解土木工程新材料及實(shí)驗(yàn)新技術(shù)。本文從教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法兩個(gè)方面對(duì)“土木工程材料”教學(xué)實(shí)踐現(xiàn)狀進(jìn)行分析。

（一）教學(xué)內(nèi)容

在課堂教學(xué)中，“土木工程材料”課程主要講授土木工程材料基本性質(zhì)，無(wú)機(jī)膠凝材料、水泥混凝土、水泥砂漿、建筑鋼材、木材、建筑高分子材料等材料性質(zhì)與材料結(jié)構(gòu)的關(guān)系，各種材料的力學(xué)性質(zhì)、測(cè)定方法及影響因素。隨著土木工程新材料、新技術(shù)不斷地更新迭代，“土木工程材料”課程以介紹傳統(tǒng)土木工程材料的基本理論知識(shí)為主，內(nèi)容偏于陳舊且時(shí)效性差，導(dǎo)致學(xué)生對(duì)新型土木工程材料了解較少，對(duì)傳統(tǒng)課堂內(nèi)容的興趣不高。

課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)包括土木工程材料的基本性質(zhì)實(shí)驗(yàn)、水泥實(shí)驗(yàn)、無(wú)機(jī)膠凝材料實(shí)驗(yàn)、水泥砂漿質(zhì)量指標(biāo)檢測(cè)及配合比設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、新拌混凝土和易性及強(qiáng)度檢測(cè)實(shí)驗(yàn)、鋼筋力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)、石油瀝青實(shí)驗(yàn)等。這些實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目按照預(yù)先分配的課時(shí)分散進(jìn)行，試驗(yàn)課程涉及的試驗(yàn)偏于單一，不適合學(xué)生進(jìn)行整體試驗(yàn)內(nèi)容的了解，所學(xué)內(nèi)容未能形成一個(gè)整體，同時(shí)也缺乏對(duì)實(shí)驗(yàn)新技術(shù)的了解。

因此，在當(dāng)今新工科建設(shè)背景下，結(jié)合工程教育OBE理念，開(kāi)展“土木工程材料”課堂教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的創(chuàng)新與實(shí)踐是十分必要的。

（二）教學(xué)方法

“土木工程材料”大多通過(guò)各種多媒體電子課件形式進(jìn)行課堂教學(xué)，以任課教師主動(dòng)講解和學(xué)生操作課堂演示內(nèi)容為主，學(xué)生被動(dòng)接受所學(xué)知識(shí)，課堂教學(xué)枯燥無(wú)味，課堂教學(xué)以任課教師為指導(dǎo)主體，學(xué)生被動(dòng)接受灌輸，缺少課堂師生互動(dòng)，學(xué)生自主學(xué)習(xí)知識(shí)的積極性不高，不利于知識(shí)的掌握與專業(yè)培養(yǎng)。試驗(yàn)課程的教學(xué)內(nèi)容相對(duì)陳舊，教學(xué)內(nèi)容繁雜，知識(shí)點(diǎn)眾多，而學(xué)時(shí)有限，教學(xué)任務(wù)量大。建筑材料領(lǐng)域的新材料及新工藝未能在日常的試驗(yàn)教學(xué)課程中體現(xiàn)出來(lái)，特別是建筑材料試驗(yàn)課程，并未針對(duì)新型土木工程材料編制并設(shè)計(jì)相應(yīng)的試驗(yàn)課程;同時(shí)建材試驗(yàn)課程目前沒(méi)有進(jìn)行過(guò)相應(yīng)內(nèi)容的更新，導(dǎo)致學(xué)生在實(shí)際學(xué)習(xí)的過(guò)程中興趣不高。在新工科背景下建筑領(lǐng)域與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的融合也勢(shì)在必行，如何將互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與傳統(tǒng)的混凝土技術(shù)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合實(shí)現(xiàn)智能建造的目的，也是目前試驗(yàn)課程改革的一個(gè)方向。

三、教學(xué)改革與創(chuàng)新

基于以上存在的問(wèn)題，結(jié)合新工科建設(shè)和工程教育改革理念，從五個(gè)方面提出了改革舉措，形成了“土木工程材料”課程改革思路（如圖1所示）。

（一）將土木工程新材料納入課堂教學(xué)中

隨著新材料的不斷發(fā)展，可以將土木工程新材料納入課堂教學(xué)中。在土木工程領(lǐng)域應(yīng)用較為成熟的新型材料有：透水混凝土、自修復(fù)混凝土材料、FRP復(fù)合材料、高強(qiáng)混凝土等。

本文以透水混凝土、自修復(fù)混凝土材料為例進(jìn)行講解。透水混凝土是一種無(wú)細(xì)骨料的多孔、輕質(zhì)結(jié)構(gòu)[5]，透水性和透氣性良好，能夠有效緩解城市內(nèi)澇，改善城市生態(tài)環(huán)境。透水混凝土一般多用在輕交通情況下，例如人行道或者小區(qū)路面[6]。自修復(fù)混凝土是混凝土向智能化發(fā)展的產(chǎn)物?；炷猎谕饬蛘攮h(huán)境作用下會(huì)產(chǎn)生裂縫，影響使用壽命。自修復(fù)混凝土能夠?qū)⒎置诔龅酿そY(jié)液滲透到裂縫中，使其裂縫重新愈合，實(shí)現(xiàn)恢復(fù)甚至提高混凝土性能的效果[7]，確?；炷两Y(jié)構(gòu)安全并延長(zhǎng)使用壽命。美國(guó)伊利諾伊大學(xué)的ATRE實(shí)驗(yàn)室在混凝土橋面上使用脆性管和密封膠進(jìn)行橫向收縮裂縫現(xiàn)場(chǎng)控制和修復(fù)，發(fā)現(xiàn)由于修復(fù)膠黏劑彈性模量低，相比未開(kāi)裂前，裂縫愈合區(qū)表現(xiàn)出更大的變形能力[8]。

以上土木工程新材料可以采用線下和線上教學(xué)相結(jié)合的方式，學(xué)生在線上完成相關(guān)知識(shí)的學(xué)習(xí)，線下可以以研討的方式讓學(xué)生展現(xiàn)所學(xué)知識(shí)，并討論新材料的特點(diǎn)及應(yīng)用領(lǐng)域，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性。

（二）將先進(jìn)實(shí)驗(yàn)技術(shù)體現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)中

先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)為土木工程材料發(fā)展注入了強(qiáng)心劑。隨著我國(guó)工業(yè)4.0建筑過(guò)程工業(yè)化深入推廣，建筑施工信息技術(shù)正朝著工業(yè)信息化和全自動(dòng)化的方向快速發(fā)展[9]。3D打印混凝土在建造過(guò)程中實(shí)現(xiàn)了無(wú)模板應(yīng)用，同時(shí)不需要機(jī)械振搗，減少了對(duì)人力資源和資金的需求，推動(dòng)了建筑行業(yè)的自動(dòng)化生產(chǎn)。3D打印混凝土技術(shù)按照數(shù)字模型成型的行進(jìn)路徑，將水泥基材料作為打印材料，通過(guò)層層堆疊，最終形成三維結(jié)構(gòu)或者構(gòu)件的技術(shù)。在“土木工程材料”實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，可以有機(jī)結(jié)合土木工程實(shí)驗(yàn)材料新技術(shù)，采用線上線下相結(jié)合的方式，線上讓學(xué)生了解土木工程材料實(shí)驗(yàn)新技術(shù)的概念及基本原理，線下豐富和拓展實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，真正讓學(xué)生動(dòng)起來(lái)、忙起來(lái)。

（三）以賽促教，賽教融合，提升教學(xué)質(zhì)量

大賽為大學(xué)生量身打造科技實(shí)踐創(chuàng)新平臺(tái)，不斷加強(qiáng)培養(yǎng)大學(xué)生的科學(xué)創(chuàng)新精神和社會(huì)科學(xué)素養(yǎng)，提升工程師的實(shí)踐創(chuàng)新能力，促進(jìn)校際的科技文化交流。以賽促教，賽教融合，可以提升教學(xué)質(zhì)量。結(jié)合每年舉辦的3D打印混凝土龍舟大賽，通過(guò)比賽提升學(xué)生的土木工程材料方面的理論水平與實(shí)踐能力。在參賽過(guò)程中，通過(guò)混凝土配合比性能設(shè)計(jì)檢查環(huán)節(jié)，考查參賽學(xué)生3D打印混凝土設(shè)計(jì)方案的合理性、科學(xué)性、經(jīng)濟(jì)性和適用性;考查參賽學(xué)生的理論基礎(chǔ)、掌握成熟程度和綜合動(dòng)手操作能力;通過(guò)動(dòng)手操作和技能訓(xùn)練環(huán)節(jié)，考查參賽學(xué)生動(dòng)手操作的規(guī)范性、熟練程度及現(xiàn)場(chǎng)凝土配合比性能調(diào)整的主動(dòng)應(yīng)變能力;通過(guò)拌合物工作性能預(yù)估評(píng)價(jià)檢查環(huán)節(jié)，考查參賽學(xué)生設(shè)計(jì)所得新型的拌合物混凝土綜合工作性能與期望結(jié)果之間的性能匹配合理程度、操作規(guī)范性、分析嚴(yán)謹(jǐn)性和理論科學(xué)性。大賽充分鍛煉了參賽學(xué)生的語(yǔ)言溝通表達(dá)能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)調(diào)合作意識(shí)。該大賽對(duì)大學(xué)生土木工程材料實(shí)踐能力的培養(yǎng)有極強(qiáng)的推動(dòng)作用。

此外，由教育部無(wú)機(jī)非金屬專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)主辦的全國(guó)大學(xué)生混凝土材料設(shè)計(jì)大賽極具創(chuàng)造性和挑戰(zhàn)性。積極動(dòng)員學(xué)生參加此大賽，能夠提高學(xué)生的土木工程材料領(lǐng)域的理論水平與綜合實(shí)踐能力。通過(guò)專業(yè)知識(shí)筆試、配合比設(shè)計(jì)及試驗(yàn)操作三方面，綜合考查學(xué)生的土木工程材料基礎(chǔ)理論知識(shí)及混凝土配合比自主設(shè)計(jì)等應(yīng)用能力。通過(guò)參加此大賽，可以提升學(xué)生的動(dòng)手和創(chuàng)新能力、運(yùn)用專業(yè)知識(shí)和相關(guān)工具解決問(wèn)題的能力，這些能力的提升也符合新工科建設(shè)思想及工程教育OBE理念。

（四）與大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目高效結(jié)合

高校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育改革是中央高校教育教學(xué)改革的突破口和重中之重[10]。將全國(guó)大學(xué)生高校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)踐訓(xùn)練項(xiàng)目與“土木工程材料”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)各個(gè)環(huán)節(jié)高效緊密結(jié)合，在任課教師的專業(yè)指導(dǎo)下，讓廣大學(xué)生更加能夠主動(dòng)地積極投入實(shí)踐教學(xué)中。這種全新的課堂實(shí)踐教學(xué)方式能夠有效引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)進(jìn)行思考，在教學(xué)實(shí)驗(yàn)中如果學(xué)生發(fā)現(xiàn)到了問(wèn)題，能夠及時(shí)地和實(shí)驗(yàn)教師一起進(jìn)行交流探討。在開(kāi)展創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)踐訓(xùn)練項(xiàng)目中，鼓勵(lì)學(xué)生提前接觸各類科研項(xiàng)目，走進(jìn)實(shí)驗(yàn)室，協(xié)助研究生開(kāi)展科研實(shí)驗(yàn)，能夠充分調(diào)動(dòng)學(xué)生參與各類科研活動(dòng)的興趣，積極培養(yǎng)大學(xué)生的實(shí)踐能力。

（五）實(shí)驗(yàn)教學(xué)與虛擬現(xiàn)實(shí)等信息化技術(shù)有機(jī)結(jié)合

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是“土木工程材料”教學(xué)課程的重要環(huán)節(jié)，但由于實(shí)驗(yàn)室教學(xué)客觀條件的限制，通常是由任課教師親自進(jìn)行課堂講解、演示，或者教師播放一段課堂相關(guān)實(shí)驗(yàn)教學(xué)視頻后，由6～8名學(xué)生組成主導(dǎo)小組共同開(kāi)展課堂實(shí)驗(yàn)，這種教學(xué)模式導(dǎo)致課堂實(shí)驗(yàn)往往由個(gè)別同學(xué)主導(dǎo)進(jìn)行，部分學(xué)生的實(shí)驗(yàn)參與度不高，很難通過(guò)整個(gè)課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)步驟來(lái)加深對(duì)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)知識(shí)的深入理解。可以將虛擬現(xiàn)實(shí)等信息化技術(shù)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)有效結(jié)合，首先嘗試采用“一人一機(jī)”的教學(xué)形式讓學(xué)生進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)操作，確保每位實(shí)驗(yàn)學(xué)生對(duì)具體實(shí)驗(yàn)教學(xué)目的、方法、步驟和結(jié)果數(shù)據(jù)分析等內(nèi)容有充分的了解后，再開(kāi)展實(shí)體性實(shí)驗(yàn)。這樣不僅可以保證讓每位學(xué)生對(duì)所完成的實(shí)驗(yàn)做到心中有數(shù)，也可以有效避免因?qū)W生實(shí)驗(yàn)操作不熟練而導(dǎo)致的各種安全隱患。

在當(dāng)今新工科體系建設(shè)和工程教育專業(yè)認(rèn)證發(fā)展背景下，本文基于教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法進(jìn)行了“土木工程材料”的教學(xué)現(xiàn)狀分析。接著基于新工科融合OBE，提出了改革舉措：將土木工程新材料和實(shí)驗(yàn)新技術(shù)納入教學(xué)中，延伸和豐富教學(xué)內(nèi)容，真正讓學(xué)生動(dòng)起來(lái)、忙起來(lái);將專業(yè)設(shè)計(jì)大賽和大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目融入實(shí)驗(yàn)課程中，著力提升學(xué)生分析和解決工程問(wèn)題的能力;將虛擬現(xiàn)實(shí)等信息化技術(shù)應(yīng)用到實(shí)驗(yàn)課程之中，有效改善部分學(xué)生參與度不高的現(xiàn)狀，同時(shí)也改善教學(xué)內(nèi)容繁多課時(shí)緊張的現(xiàn)狀。通過(guò)“土木工程材料”課程的教學(xué)改革，可提高教學(xué)質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)新工科背景下實(shí)踐和創(chuàng)新型人才的目的。

參考文獻(xiàn)

[1]劉冰宇，楊光.基于“三創(chuàng)”教育的《土木工程材料》課程教學(xué)改革探索[J].創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)理論研究與實(shí)踐，2018，1（10）：34-35.

[2]時(shí)國(guó)松，王巍浩，齊彥萌.土木工程材料課程項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)法教學(xué)改革[J].智庫(kù)時(shí)代，2019（28）：164-165.

[3]曲廣雷，仲玉俠，常廣利，等.基于“雨課堂+PBL”的“土木工程材料”課程教學(xué)改革與實(shí)踐研究[J].科技與創(chuàng)新，2021（15）：162-163.

[4]顧佩華.新工科與新范式：概念、框架和實(shí)施路徑[J].高等工程教育研究，2017（6）：1-13.

[5]易晨光，譚燕，張維維，等.透水混凝土的透水性能試驗(yàn)研究[J].混凝土，2021（1）：110-114.

[6]張國(guó)強(qiáng).透水混凝土試驗(yàn)性能研究[D].廣州：廣州大學(xué)，2018.

[7]劉鵬，賈平，周宗輝，等.自修復(fù)混凝土研究進(jìn)展[J].濟(jì)南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2006（4）：287-291.

[8]MJL García， A M Camarasa. Repair and prevention of damage due to transverse shrinkage cracks in bridge decks[J]. Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering，1999，3671（3）：253-256.

[9]張超，鄧智聰，侯澤宇，等.混凝土3D打印研究進(jìn)展[J].工業(yè)建筑，2020，50（8）：16-21.

[10]劉貴芹.深化高校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育改革進(jìn)一步提高人才培養(yǎng)質(zhì)量[J].中國(guó)高等教育，2016（21）：5-7.

Exploration and Practice of the Teaching of Civil Engineering Materials Course with OBE Concept under the Background of “Emerging Engineering Education”

LI Zhi-peng， ZHANG Jin-rui， YANG Rong-wei， ZHU Hai-tao

（School of Architecture and Engineering， Tianjin University， Tianjin 300350， China）

Abstract： The vigorous construction of civil engineering infrastructure in China has led to the rapid development of new civil engineering materials and technology. At present， there are some problems in the course of Civil Engineering Materials， such as the outdated teaching content， the slow updating of the development of new materials， new technologies and new processes， which leads to students’ low interest in the study of the Building Materials Experiment Course and the poor teaching effect of the course. Based on the development background of “emerging engineering education” and the OBE concept， this paper puts forward several reform and innovation measures from five aspects： organically combining new civil engineering materials and experimental technology with the teaching content， extending and enriching the teaching content， and really making students busy in study; integrating the professional design competition and college students’ innovation and entrepreneurship projects into the experimental courses to improve students’ ability to analyze and solve engineering problems; applying virtual reality and other information technologies experimental courses can effectively solve the current problem of low participation of some students， and finally achieve the goal of training practical and innovative talents under the background of “emerging engineering education”.

Key words： Civil Engineering Materials; new materials and experimental technology; virtual reality technology