新工科背景下“土木工程概論”課程模塊化教學(xué)模式探索

向 澤， 宋 娟， 楊期柱， 賀海斌

(邵陽(yáng)學(xué)院 城鄉(xiāng)建設(shè)學(xué)院， 湖南 邵陽(yáng) 422000)

“工業(yè)4.0”給工程教育帶來(lái)了新挑戰(zhàn)和新機(jī)遇，未來(lái)工程教育要解決專業(yè)技能知識(shí)的局限問(wèn)題，將人文情懷融入科學(xué)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)知識(shí)、素質(zhì)與能力的平衡，提高綜合水平?！靶鹿た啤笔俏覈?guó)工程教育在新經(jīng)濟(jì)與新技術(shù)方面提出的重要對(duì)策，培養(yǎng)應(yīng)用型創(chuàng)新人才已成為“新工科”建設(shè)的核心目標(biāo)，而實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵在于課程教學(xué)。

“土木工程概論”是學(xué)生了解土木工程專業(yè)知識(shí)的首要課程，對(duì)學(xué)生樹(shù)立正確的工程思維具有重要作用。傳統(tǒng)的“土木工程概論”課程教學(xué)模式具有教學(xué)目標(biāo)不明確、教學(xué)內(nèi)容固化及教學(xué)方法單一等諸多弊端，缺乏對(duì)學(xué)生主觀意識(shí)的引導(dǎo)，限制了學(xué)生的創(chuàng)新思維，嚴(yán)重地阻礙了土木工程應(yīng)用型創(chuàng)新人才的培養(yǎng)。因此，探索新的“土木工程概論”課程教學(xué)模式已成為“新工科”土木專業(yè)課程教學(xué)創(chuàng)新的關(guān)鍵課題。

隨著高等教育的多元化發(fā)展，應(yīng)用型高等院?？焖籴绕穑K化教學(xué)模式以一種新型教育理念進(jìn)入高等教育領(lǐng)域。應(yīng)基于教學(xué)目標(biāo)，按照模塊化教學(xué)思路重構(gòu)教學(xué)內(nèi)容，將知識(shí)、能力與素質(zhì)融入各個(gè)模塊，并借助適當(dāng)?shù)慕虒W(xué)方法，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生積極性，提高學(xué)生的創(chuàng)新思維、團(tuán)隊(duì)協(xié)作意識(shí)及批判反思精神，加深學(xué)生對(duì)土木工程建造屬性的科學(xué)認(rèn)識(shí)。作為傳統(tǒng)工科專業(yè)的典型，土木工程專業(yè)因受到傳統(tǒng)教學(xué)模式與固定思維范式的影響，模塊化課程教學(xué)改革并不深入。本文面向“新工科”建設(shè)目標(biāo)，對(duì)“土木工程概論”課程教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容以及教學(xué)方法等進(jìn)行改革，探索以學(xué)生為中心的模塊化教學(xué)模式，引導(dǎo)學(xué)生積極思考，培養(yǎng)其工程意識(shí)和創(chuàng)新思維，塑造其精益求精、追求卓越的職業(yè)工匠精神，以推動(dòng)土木專業(yè)課程教學(xué)的高質(zhì)量開(kāi)展，對(duì)促進(jìn)工程教育專業(yè)認(rèn)證和提高土木工程應(yīng)用型創(chuàng)新人才培養(yǎng)質(zhì)量具有較大意義。

一、“土木工程概論”課程教學(xué)現(xiàn)狀

質(zhì)量為王，標(biāo)準(zhǔn)先行，教學(xué)標(biāo)準(zhǔn)是改善教學(xué)質(zhì)量的重要前提和基礎(chǔ)。根據(jù)圖1所示的“新工科”課程建設(shè)理念[1-2]，目前我國(guó)高等院校的“土木工程概論”課程教學(xué)存在多方面不足，難以滿足新時(shí)代工程教育的可持續(xù)發(fā)展及應(yīng)用型創(chuàng)新人才的培養(yǎng)要求。

圖1 “新工科”課程建設(shè)理念

(一)教學(xué)目標(biāo)脫離應(yīng)用型人才培養(yǎng)方案

傳統(tǒng)“土木工程概論”課程教學(xué)目標(biāo)的制定是學(xué)科導(dǎo)向的，土木工程專業(yè)是根據(jù)學(xué)科劃分設(shè)置的，教學(xué)模式用于解決確定的及顯性的問(wèn)題，專業(yè)知識(shí)注重學(xué)科知識(shí)框架的整體性，教學(xué)目標(biāo)強(qiáng)調(diào)學(xué)科需求，而對(duì)實(shí)際需求考慮不足，通常不考慮畢業(yè)要求或培養(yǎng)目標(biāo)。這也導(dǎo)致學(xué)生甚至教師對(duì)“土木工程概論”課程認(rèn)識(shí)片面，缺乏對(duì)創(chuàng)新意識(shí)、工程思維及工匠精神培養(yǎng)的重視。

林健等基于“新工科”背景下的普渡大學(xué)工程教育創(chuàng)新建設(shè)，提出專業(yè)課程的教學(xué)目標(biāo)除了專業(yè)基本技能的知識(shí)要求外，還應(yīng)該加強(qiáng)挖掘?qū)I(yè)知識(shí)傳授過(guò)程中的人文元素，以提高學(xué)生的職業(yè)精神等綜合素質(zhì)[3]。王儀等基于模糊綜合評(píng)價(jià)理論，構(gòu)建了以應(yīng)用型創(chuàng)新人才培養(yǎng)方案為導(dǎo)向的教學(xué)目標(biāo)達(dá)成度模糊綜合評(píng)價(jià)體系，能幫助發(fā)現(xiàn)支撐培養(yǎng)方案指標(biāo)的“土木工程概論”課程教學(xué)目標(biāo)的不足[4]，有效促進(jìn)教學(xué)質(zhì)量的持續(xù)提升。Qin等以實(shí)際土木工程應(yīng)用為出發(fā)點(diǎn)，制定了“土木工程概論”課程教學(xué)目標(biāo)[5]，有助于土木工程應(yīng)用型創(chuàng)新人才的培養(yǎng)。

(二)教學(xué)內(nèi)容固化

傳統(tǒng)的“土木工程概論”課程教學(xué)內(nèi)容通常固定不變，是基于教材設(shè)置的，與畢業(yè)要求并無(wú)直接關(guān)聯(lián)?！巴聊竟こ谈耪摗闭n程教學(xué)內(nèi)容過(guò)分注重知識(shí)框架的整體性，而缺乏多學(xué)科多專業(yè)的交叉融合，難以訓(xùn)練土木工程專業(yè)學(xué)生的創(chuàng)新思維?！巴聊竟こ谈耪摗闭n程教學(xué)走進(jìn)了講授局限于教材的怪圈，與信息時(shí)代高速發(fā)展的土木工程新知識(shí)嚴(yán)重脫節(jié)。

周新剛等基于畢業(yè)要求的內(nèi)涵指出：根據(jù)畢業(yè)要求，不僅可以確定“土木工程概論”課程教學(xué)內(nèi)容是否達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，還可以核查教學(xué)目標(biāo)是否恰當(dāng)[6]。據(jù)此構(gòu)建的土木工程專業(yè)課程矩陣才能使“土木工程概論”課程教學(xué)目標(biāo)符合畢業(yè)要求，實(shí)現(xiàn)課程教學(xué)內(nèi)容支撐起畢業(yè)要求的目的。鄭娟等針對(duì)“新工科”背景下應(yīng)用型本科土木工程專業(yè)課程開(kāi)展了教學(xué)創(chuàng)新，認(rèn)為學(xué)生除了學(xué)習(xí)土木工程專業(yè)的知識(shí)外，還應(yīng)加強(qiáng)對(duì)哲學(xué)藝術(shù)等人文情懷的培養(yǎng)，以實(shí)現(xiàn)工程教育的高素質(zhì)人才培養(yǎng)目標(biāo)[7]。面對(duì)大數(shù)據(jù)時(shí)代土木工程的發(fā)展，張嬋韜等指出“土木工程概論”作為土木工程專業(yè)基礎(chǔ)課程，其教學(xué)內(nèi)容需適應(yīng)時(shí)代的發(fā)展趨勢(shì)，提高學(xué)生培養(yǎng)質(zhì)量[8]。

(三)教學(xué)方法單一

傳統(tǒng)“土木工程概論”課程教學(xué)為“填鴨式”的灌輸型模式，課程知識(shí)主導(dǎo)課堂，教師是知識(shí)傳輸?shù)臋?quán)威，而學(xué)生為知識(shí)接收的工具。課堂教學(xué)只是為了完成知識(shí)復(fù)制，嚴(yán)重降低了課堂教學(xué)質(zhì)量。這種課堂扼殺了學(xué)生的高階能力，忽視了深度思維在事物改造中的功效。重教輕學(xué)，師生溝通機(jī)制不靈活，是傳統(tǒng)教學(xué)模式下的典型弊病，至今仍占主導(dǎo)地位，不利于“新工科”建設(shè)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

Sherif等針對(duì)2016—2017學(xué)年的三個(gè)土木工程本科班級(jí)，嘗試運(yùn)用以學(xué)生為中心的教學(xué)方法，以提供更多有意義的學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)教學(xué)內(nèi)容的理解，并通過(guò)期中小組訪談和期末調(diào)查收集學(xué)生的反饋，評(píng)估新教學(xué)方法的效果。結(jié)果表明，新教學(xué)方法有效地提高了學(xué)生的創(chuàng)新思維等綜合能力[9]。徐亞利基于模塊化教學(xué)創(chuàng)新思路，開(kāi)展了合肥學(xué)院土木工程專業(yè)課程模塊化教學(xué)模式研究，有效融合了知識(shí)與創(chuàng)新，提高了土木人才的綜合素質(zhì)[10]。為改變學(xué)生被動(dòng)接收知識(shí)的現(xiàn)狀，孟萍提出將工程案例引導(dǎo)式教學(xué)方法應(yīng)用于課堂[11]，重視方案的思考過(guò)程及解決問(wèn)題的方法，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造力和想象力。程思嫄等針對(duì)土木工程專業(yè)實(shí)踐性強(qiáng)的特性，開(kāi)展了研究并指出：工程案例教學(xué)方法能夠提高學(xué)生自主解決問(wèn)題的水平[12]。陳春來(lái)等結(jié)合教學(xué)過(guò)程中“以學(xué)生為本”的思想，對(duì)“土木工程概論”課程教學(xué)方法進(jìn)行了創(chuàng)新研究，提出了理論聯(lián)系實(shí)踐的工程案例教學(xué)方法[13]。陳卓異等針對(duì)“土木工程概論”課程提出了中英雙語(yǔ)教學(xué)模式[14]，前沿化教學(xué)內(nèi)容，使教學(xué)與國(guó)際化人才需求接軌，體現(xiàn)了工程教育的可持續(xù)化發(fā)展。

土木工程作為典型的傳統(tǒng)工科，尤其需要?jiǎng)?chuàng)新發(fā)展。雖然土木工程專業(yè)的部分課程已有面向“新工科”建設(shè)的教學(xué)改革研究與實(shí)踐，但“土木工程概論”課程這方面的深入研究仍極為缺乏。因此，亟需基于“新工科”建設(shè)目標(biāo)，探索“土木工程概論”課程模塊化創(chuàng)新教學(xué)模式，提升課程教學(xué)質(zhì)量，為培養(yǎng)土木工程應(yīng)用型創(chuàng)新人才奠定基礎(chǔ)。

二、模塊化教學(xué)模式

應(yīng)基于“新工科”建設(shè)目標(biāo)，以學(xué)生能力培養(yǎng)為導(dǎo)向，對(duì)“土木工程概論”課程教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容以及教學(xué)方法進(jìn)行改革，形成高質(zhì)量的模塊化教學(xué)模式，推進(jìn)“新工科”建設(shè)。

(一)明確新工科課程教學(xué)目標(biāo)

“新工科”建設(shè)需要切實(shí)做好人才的需求調(diào)研，根據(jù)市場(chǎng)需求確定土木工程人才培養(yǎng)方案和畢業(yè)要求，然后再修訂“土木工程概論”課程教學(xué)目標(biāo)?！巴聊竟こ谈耪摗闭n程的教學(xué)目標(biāo)應(yīng)以構(gòu)建專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)框架、培養(yǎng)工程思維以及樹(shù)立社會(huì)責(zé)任感為主。

在“新工科”形式的驅(qū)動(dòng)下，“土木工程概論”課程應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)了解和發(fā)現(xiàn)市場(chǎng)應(yīng)用，做到多學(xué)科交叉融合，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)當(dāng)今土木工程發(fā)展趨勢(shì)及行業(yè)需求，培養(yǎng)其專業(yè)興趣，引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，為后續(xù)課程學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。模塊化教學(xué)模式將基于“新工科”土木工程應(yīng)用型創(chuàng)新人才能力培養(yǎng)要求，以行業(yè)需求為導(dǎo)向，制定“土木工程概論”課程教學(xué)目標(biāo)，從多角度提升學(xué)生的綜合素質(zhì)，特別要注重其創(chuàng)新意識(shí)的培養(yǎng)與工匠精神的塑造，為培養(yǎng)土木工程應(yīng)用型創(chuàng)新人才奠定基礎(chǔ)，使“新工科”建設(shè)與“課程思政”建設(shè)產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)。

(二)重構(gòu)教學(xué)內(nèi)容

為合理地確定課程教學(xué)內(nèi)容，教師需要根據(jù)制定的課程教學(xué)大綱，鉆研國(guó)內(nèi)外高等院校同學(xué)科專業(yè)的課程教學(xué)內(nèi)容；基于學(xué)校辦學(xué)理念，重新構(gòu)建課程教學(xué)內(nèi)容，讓知識(shí)點(diǎn)更豐富、新穎，使重難點(diǎn)突出，以實(shí)現(xiàn)理論學(xué)習(xí)與工程實(shí)踐的結(jié)合。

“土木工程概論”課程教學(xué)內(nèi)容應(yīng)圍繞教學(xué)目標(biāo)展開(kāi)，對(duì)教學(xué)章節(jié)內(nèi)容進(jìn)行細(xì)化與重組，將教學(xué)內(nèi)容模塊化(如表1)，分為緒論、土木工程材料、基礎(chǔ)工程等七個(gè)內(nèi)容模塊，而將土木工程施工、工程防災(zāi)減災(zāi)(如抗風(fēng)抗震等)、學(xué)科發(fā)展前沿等知識(shí)點(diǎn)科學(xué)合理地融入相應(yīng)的內(nèi)容模塊。每個(gè)內(nèi)容模塊與相應(yīng)的教學(xué)目標(biāo)對(duì)應(yīng)，構(gòu)成知識(shí)點(diǎn)—教學(xué)目標(biāo)的相關(guān)性矩陣，以保證“土木工程概論”課程教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成。要完成教學(xué)內(nèi)容、實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)，關(guān)鍵在于建立能有效提升學(xué)生創(chuàng)新能力、塑造其工匠精神并與教學(xué)模塊內(nèi)容直接相關(guān)的土木工程案例庫(kù)。

表1 模塊化教學(xué)模式

當(dāng)今，技術(shù)發(fā)展極為迅速，大量新事物伴隨新技術(shù)不斷涌現(xiàn)。因此，“新工科”概念被應(yīng)時(shí)提出，強(qiáng)調(diào)注重多學(xué)科創(chuàng)新融合來(lái)適應(yīng)新發(fā)展；課程教學(xué)需要密切關(guān)注產(chǎn)業(yè)規(guī)劃，融入技術(shù)創(chuàng)新。“土木工程概論”課程的教學(xué)內(nèi)容應(yīng)結(jié)合實(shí)際土木工程，如港珠澳跨海大橋、青藏鐵路及疫情期間火速建造的方艙醫(yī)院等真實(shí)工程項(xiàng)目，加強(qiáng)專業(yè)知識(shí)和科學(xué)技術(shù)的創(chuàng)新融合：應(yīng)用最新的技術(shù)發(fā)明及研究成果，如新型建造材料、施工方法、BIM技術(shù)、3D打印以及智能監(jiān)測(cè)等，持續(xù)豐富課程教學(xué)內(nèi)容。由于科學(xué)技術(shù)的高速進(jìn)步，新的知識(shí)大量呈現(xiàn)，很多知識(shí)在“土木工程概論”教材中已無(wú)法同步，需及時(shí)豐富課程內(nèi)容，確保課程教學(xué)內(nèi)容的先進(jìn)性?！巴聊竟こ谈耪摗闭n程的教學(xué)內(nèi)容涵蓋土木工程多項(xiàng)基礎(chǔ)設(shè)施，需要根據(jù)時(shí)代發(fā)展持續(xù)更新。如，在開(kāi)展課程教學(xué)時(shí)，基于“交通強(qiáng)國(guó)”戰(zhàn)略的推進(jìn)，在道路工程模塊增加了交通工程相關(guān)知識(shí)點(diǎn)；基于可持續(xù)發(fā)展的綠色建造理念，引入超高性能混凝土(UHPC)及耐候鋼材在土木工程中的應(yīng)用；隨著跨海超級(jí)工程的建造，增加了深海橋梁墩臺(tái)及基礎(chǔ)工程的局部沖刷內(nèi)容介紹；隨著人工智能技術(shù)在土木工程領(lǐng)域中的創(chuàng)新應(yīng)用，將信息技術(shù)融入各項(xiàng)土木工程單體設(shè)施的建造過(guò)程中，如人工智能機(jī)器人在橋梁工程檢測(cè)中的應(yīng)用、智能優(yōu)化理論在土木工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用推廣等。

模塊化教學(xué)模式將基于“新工科”建設(shè)下的“土木工程概論”課程教學(xué)目標(biāo)，模塊化教學(xué)內(nèi)容，并根據(jù)土木工程發(fā)展前沿、身邊工程項(xiàng)目及當(dāng)前媒體熱點(diǎn)等持續(xù)更新教學(xué)內(nèi)容，開(kāi)拓學(xué)生思維，培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)。

(三)多樣化教學(xué)方法

教學(xué)方法是“土木工程概論”課程教學(xué)改革的重點(diǎn)，是落實(shí)教學(xué)目標(biāo)和適配教學(xué)內(nèi)容的關(guān)鍵?！靶鹿た啤苯ㄔO(shè)特別強(qiáng)調(diào)研究型教學(xué)方法而不是灌輸型教學(xué)方法。知識(shí)的傳授應(yīng)將單向教育轉(zhuǎn)變?yōu)殡p向或多向互動(dòng)，使得知識(shí)在師生之間多向傳輸，提高知識(shí)傳遞的效率；思考是創(chuàng)新的關(guān)鍵，思維的活動(dòng)應(yīng)將傳統(tǒng)的“句號(hào)式”課堂升華為新型“問(wèn)號(hào)式”課堂。教師應(yīng)該激發(fā)學(xué)生自主思考，對(duì)知識(shí)產(chǎn)生“問(wèn)號(hào)”，而學(xué)生應(yīng)該進(jìn)一步變“問(wèn)號(hào)”為“句號(hào)”。師生間的情感活動(dòng)應(yīng)融入知識(shí)課堂，這樣不僅能增加情感交流，更能引起學(xué)生的課堂興趣。此外，引入開(kāi)放式課堂能高效協(xié)調(diào)時(shí)間、空間和教學(xué)內(nèi)容。時(shí)間上將課堂向課外進(jìn)一步延伸，空間上將教室拓展至圖書(shū)館或土木工程實(shí)驗(yàn)室等，而內(nèi)容上則突破教材限制，充分利用網(wǎng)絡(luò)化資源。這樣，學(xué)生可以基于“土木工程概論”課程知識(shí)，不斷提升自主學(xué)習(xí)的能力。

模塊化教學(xué)模式將基于“新工科”建設(shè)目標(biāo)，重點(diǎn)探索適應(yīng)“新工科”應(yīng)用型創(chuàng)新人才培養(yǎng)的“土木工程概論”課程的模塊化教學(xué)方法，對(duì)每個(gè)模塊的教學(xué)內(nèi)容配套工程案例進(jìn)行講授，以案例驅(qū)動(dòng)教學(xué)。同時(shí)，對(duì)于課程內(nèi)容較多的模塊，可采用翻轉(zhuǎn)課堂進(jìn)行教學(xué)，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生課外學(xué)習(xí)知識(shí)的積極性，提高課堂的學(xué)習(xí)效率；對(duì)于章節(jié)知識(shí)點(diǎn)有鮮明特征的內(nèi)容，可通過(guò)對(duì)比分析的教學(xué)方法，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)思考，培養(yǎng)其自主創(chuàng)新的能力，如橋梁工程與建筑工程的力學(xué)原理、橋梁工程設(shè)計(jì)與道路工程設(shè)計(jì)的關(guān)聯(lián)性等；而對(duì)于日常生活中常見(jiàn)的工程問(wèn)題，可以問(wèn)題導(dǎo)向的方式開(kāi)展分組討論，培養(yǎng)學(xué)生自主解決問(wèn)題的能力，如石膏粉刷的墻壁開(kāi)裂、基礎(chǔ)沉降導(dǎo)致的墻體開(kāi)裂等?；诮虒W(xué)內(nèi)容特點(diǎn)采用多樣化的教學(xué)方法，可以培養(yǎng)學(xué)生的工匠精神，激勵(lì)學(xué)生不斷提升自身綜合素質(zhì)，每個(gè)內(nèi)容模塊所對(duì)應(yīng)的主要教學(xué)方法如表1所示。

“土木工程概論”課程教學(xué)方法注重將教學(xué)內(nèi)容以創(chuàng)新豐富的方式展現(xiàn)出來(lái)，針對(duì)教學(xué)大綱的每個(gè)教學(xué)內(nèi)容模塊，結(jié)合新時(shí)代土木綠色低碳建造、工業(yè)化裝配式結(jié)構(gòu)、綜合管廊、高性能工程結(jié)構(gòu)、BIM技術(shù)、3D打印、智慧城市與智能交通等創(chuàng)新技術(shù)，建立經(jīng)典土木工程案例庫(kù)并持續(xù)更新，將案例反映的工程建造過(guò)程、人文倫理以及社會(huì)責(zé)任感等信息傳輸給學(xué)生，以達(dá)到預(yù)期教學(xué)目標(biāo)。

三、結(jié)語(yǔ)

在“新工科”建設(shè)背景下，結(jié)合工程教育專業(yè)認(rèn)證，通過(guò)提出“土木工程概論”課程的模塊化創(chuàng)新教學(xué)思路，探索與高等教育理念、工程建造機(jī)理以及社會(huì)發(fā)展規(guī)律相符的新課程教學(xué)模式。在新的模塊化教學(xué)模式下，課程教學(xué)將打破學(xué)科結(jié)構(gòu)，直面社會(huì)需求，實(shí)現(xiàn)多學(xué)科知識(shí)的交叉融合；學(xué)生將打破傳統(tǒng)應(yīng)試方式，立足學(xué)生的綜合能力培養(yǎng)?！巴聊竟こ谈耪摗闭n程模塊化教學(xué)模式，真正彰顯了“新工科”背景下的“新”，融合了專業(yè)知識(shí)和創(chuàng)新能力，有利于提升學(xué)生認(rèn)知水平和綜合能力，并能為其他工學(xué)類專業(yè)課程的教學(xué)改革提供借鑒。