建筑新型材料融入建筑工程技術(shù)專業(yè)教育的策略探究

摘要：文章系統(tǒng)探討建筑新型材料的技術(shù)特性及其在工程教育中的融合路徑。首先從定義分類、性能優(yōu)勢及應(yīng)用領(lǐng)域三個方面構(gòu)建新型材料知識體系，闡明其在結(jié)構(gòu)優(yōu)化、節(jié)能環(huán)保及智能建造中的核心價值。針對教育教學(xué)領(lǐng)域，提出“課程重構(gòu)—教學(xué)創(chuàng)新—實踐深化”三位一體改革策略：通過模塊化課程群建設(shè)與動態(tài)知識更新機制強化理論認知，采用虛擬仿真、案例驅(qū)動等混合式教學(xué)提升技術(shù)應(yīng)用能力，依托校企協(xié)同平臺開展材料研發(fā)與工程實踐，構(gòu)建階梯式創(chuàng)新能力培養(yǎng)模式。應(yīng)用效果表明，該模式能夠有效激發(fā)學(xué)生學(xué)術(shù)探究內(nèi)驅(qū)力，其材料應(yīng)用能力達標率提升至92%，并形成“課程—平臺—產(chǎn)業(yè)”協(xié)同發(fā)展的教育新生態(tài)，獲省級教學(xué)成果獎17項，為建筑行業(yè)轉(zhuǎn)型升級提供了兼具工程素養(yǎng)與創(chuàng)新思維的高素質(zhì)人才支撐。

關(guān)鍵詞：建筑新型材料；建筑工程技術(shù)；校企合作；產(chǎn)學(xué)研結(jié)合；實踐項目

中圖分類號：TU74-4；G712 文獻標識碼：A 文章編號：1004-9436（2024）22-0-03

0 引言

在全球建筑行業(yè)綠色化、智能化轉(zhuǎn)型背景下，新型材料作為突破傳統(tǒng)建造模式的關(guān)鍵技術(shù)載體，正推動工程設(shè)計理念與施工工藝的革新。當前，兼具高性能與可持續(xù)特性的建筑新型材料已廣泛應(yīng)用于超高層結(jié)構(gòu)、智能圍護系統(tǒng)及生態(tài)修復(fù)工程，其復(fù)雜的技術(shù)原理與工程適配性對專業(yè)人才培養(yǎng)提出了更高要求。然而，傳統(tǒng)建筑材料教學(xué)普遍存在知識體系滯后、實踐平臺薄弱、產(chǎn)學(xué)銜接不足等突出問題，導(dǎo)致學(xué)生材料創(chuàng)新應(yīng)用能力與行業(yè)技術(shù)發(fā)展需求存在顯著斷層。本研究以建筑新型材料與工程教育深度融合為核心，通過解構(gòu)材料技術(shù)創(chuàng)新邏輯與教學(xué)轉(zhuǎn)化機制，構(gòu)建覆蓋“理論認知—技術(shù)應(yīng)用—工程創(chuàng)新”的全鏈條培養(yǎng)體系［1］。研究重點在于：系統(tǒng)梳理新型材料技術(shù)譜系及其工程價值，設(shè)計產(chǎn)學(xué)研協(xié)同的課程體系與教學(xué)方法，建立分級實踐平臺，促進學(xué)生能力進階發(fā)展。研究成果不僅為建筑類專業(yè)教學(xué)改革提供方法論指導(dǎo)，更通過實證數(shù)據(jù)驗證教育模式創(chuàng)新對行業(yè)人才供給質(zhì)量的提升效應(yīng)，對推動建筑教育供給側(cè)改革具有重要理論與實踐意義。

1 建筑新型材料概述

1.1 建筑新型材料的定義與分類

建筑新型材料是以傳統(tǒng)建材為基礎(chǔ)，通過技術(shù)創(chuàng)新、工藝革新或結(jié)構(gòu)優(yōu)化形成的多功能材料體系，其核心在于滿足現(xiàn)代建筑對生態(tài)環(huán)保、能源效率、安全耐久及智能響應(yīng)的綜合需求。從功能維度可劃分為三類：結(jié)構(gòu)型材料著重提升建筑承重系統(tǒng)效能；功能型材料通過特定物化性能實現(xiàn)環(huán)境適應(yīng)性；復(fù)合型材料則通過異質(zhì)材料協(xié)同作用突破性能邊界。按材質(zhì)組成則分為無機非金屬材料構(gòu)筑耐候圍護體系，有機高分子材料驅(qū)動柔性建筑形態(tài)，金屬材料支撐復(fù)雜結(jié)構(gòu)設(shè)計，以及復(fù)合材料（GFRP）實現(xiàn)力學(xué)與熱學(xué)性能的精準調(diào)控［2］。

1.2 建筑新型材料的特點與優(yōu)勢

該類材料憑借環(huán)保性、耐久性與節(jié)能性形成顯著競爭優(yōu)勢。環(huán)保特性貫穿全生命周期，采用生物基原料與可降解技術(shù)使建筑垃圾減少30%～50%；耐久性能通過納米涂層與防腐體系創(chuàng)新，使材料耐候年限提升至傳統(tǒng)建材的2～3倍；節(jié)能效益則體現(xiàn)為雙重機制——被動式節(jié)能與主動式調(diào)控，構(gòu)建起“阻斷—響應(yīng)”協(xié)同的能源管理體系。其技術(shù)突破不僅解決傳統(tǒng)建材性能短板，更推動建筑全周期碳足跡降低。

1.3 建筑新型材料在建筑工程中的應(yīng)用領(lǐng)域

新型材料已形成多維度應(yīng)用格局：結(jié)構(gòu)工程中，超高強混凝土使超高層建筑自重降低20%并提升抗震等級；綠色建造領(lǐng)域，相變儲能砌塊通過潛熱調(diào)溫減少空調(diào)負荷30%；智能建筑方面，電致變色玻璃實現(xiàn)光照強度自適應(yīng)調(diào)節(jié)，節(jié)能效率達25%。特別在更新改造領(lǐng)域，碳纖維布加固技術(shù)使橋梁承載力提升40%～60%，而菌絲生物基材料在室內(nèi)裝飾中實現(xiàn)甲醛凈化率90%以上。這些實踐標志著行業(yè)從“規(guī)模建造”向“性能建造”的范式轉(zhuǎn)變，通過材料創(chuàng)新驅(qū)動“綠色設(shè)計—智能運維—循環(huán)再生”價值鏈重構(gòu)，為新型城鎮(zhèn)化提供關(guān)鍵技術(shù)支撐［3］。

2 建筑新型材料融入教育教學(xué)的策略與實踐

2.1 融入策略

2.1.1 課程設(shè)置與教學(xué)內(nèi)容的優(yōu)化

課程體系優(yōu)化應(yīng)構(gòu)建“核心必修+專項選修”的多層次架構(gòu)：在專業(yè)核心課程中系統(tǒng)增設(shè)新型材料模塊，深度解析材料性能參數(shù)、施工工藝及應(yīng)用場景，夯實學(xué)生專業(yè)認知基礎(chǔ)；同步開發(fā)建筑新型材料應(yīng)用技術(shù)、綠色建材與低碳建造等選修課程，聚焦材料創(chuàng)新與可持續(xù)建造技術(shù)前沿，構(gòu)建從基礎(chǔ)認知到專項研究的梯度化知識架構(gòu)。教學(xué)內(nèi)容需建立動態(tài)更新機制，緊密跟蹤新型材料研發(fā)成果與工程實踐案例［4］，將納米改性混凝土、智能傳感材料等創(chuàng)新成果轉(zhuǎn)化為教學(xué)案例庫，通過“理論—實踐—創(chuàng)新”的遞進式教學(xué)設(shè)計，培養(yǎng)學(xué)生在材料選型、工藝適配及技術(shù)集成方面的綜合能力。

2.1.2 教學(xué)方法與手段的創(chuàng)新

教學(xué)創(chuàng)新需構(gòu)建“多維認知—實踐應(yīng)用”融合模式：基礎(chǔ)層采用多媒體可視化技術(shù)，通過微觀結(jié)構(gòu)動畫、工程實景影像等數(shù)字化資源，直觀呈現(xiàn)新型材料的性能演變機制；進階層推行案例驅(qū)動式教學(xué)，精選新型材料工程應(yīng)用典型案例［5］，組織學(xué)生開展材料選型適配性分析、施工問題診斷等專項研討，培養(yǎng)工程技術(shù)思維；實踐層實施項目驅(qū)動教學(xué)，依托BIM+VR虛擬仿真平臺構(gòu)建材料施工數(shù)字孿生場景，使學(xué)生在虛擬建造中掌握施工工藝要點，同步開展新型材料應(yīng)用創(chuàng)新課題研究，通過“仿真訓(xùn)練—實作驗證”雙軌機制提升工程實踐能力。

2.1.3 校企協(xié)同與資源整合機制構(gòu)建

新型材料教學(xué)需構(gòu)建產(chǎn)教融合與資源共享的協(xié)同育人機制。依托校企共建產(chǎn)業(yè)學(xué)院與工程技術(shù)中心，引入建筑新材料研發(fā)企業(yè)、檢測機構(gòu)等優(yōu)質(zhì)資源，聯(lián)合開發(fā)教學(xué)資源庫與實踐項目。通過“雙導(dǎo)師制”組建校企混編教學(xué)團隊，企業(yè)工程師定期開展新材料應(yīng)用技術(shù)講座、施工工藝示范等教學(xué)活動，將行業(yè)標準與工程經(jīng)驗直接帶入課堂。同步建立新材料應(yīng)用創(chuàng)新實驗室，配置3D打印建材、智能監(jiān)測裝置等先進設(shè)備，圍繞新型材料性能測試、施工模擬等環(huán)節(jié)設(shè)計綜合性實訓(xùn)項目。建立校企聯(lián)合評價體系，將企業(yè)真實工程中的新材料應(yīng)用案例轉(zhuǎn)化為課程考核任務(wù)，以項目驗收制評估學(xué)生材料應(yīng)用創(chuàng)新能力。

2.2 實踐措施

2.2.1 新型材料實驗室建設(shè)

為構(gòu)建系統(tǒng)性實踐平臺，學(xué)校建成新型材料綜合實驗室，形成“基礎(chǔ)研究—性能測試—技術(shù)開發(fā)”三位一體的實驗體系。實驗室配置量程為2000 kN的高精度力學(xué)試驗機、分辨率為0.8 nm的場發(fā)射掃描電鏡等先進設(shè)備，可開展材料宏觀力學(xué)性能測試與微觀結(jié)構(gòu)表征；通過優(yōu)化分區(qū)布局建立恒溫恒濕試驗區(qū)、危化品隔離區(qū)及VR模擬操作區(qū)，配備智能環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)實驗環(huán)境安全性與功能性的雙重保障。實踐表明，實驗室年均支撐師生完成新型混凝土配比優(yōu)化、相變材料熱工性能測試等課題37項，其中輕質(zhì)高強混凝土研發(fā)項目使材料抗壓強度提升至120 MPa，相關(guān)成果獲國家專利2項并應(yīng)用于3個裝配式建筑項目。這種“設(shè)備—環(huán)境—機制”協(xié)同優(yōu)化的實驗室運行模式，使學(xué)生在材料性能分析、實驗方案設(shè)計等環(huán)節(jié)的實踐能力達標率提升至85%。

2.2.2 校企合作與產(chǎn)學(xué)研結(jié)合

通過構(gòu)建“需求對接—資源整合—成果共享”的產(chǎn)學(xué)研協(xié)同機制，學(xué)校與中建科工、中國建材研究院等12家單位建立戰(zhàn)略合作。該機制形成三維價值網(wǎng)絡(luò)：學(xué)生層面，通過“企業(yè)導(dǎo)師+校內(nèi)導(dǎo)師”雙導(dǎo)制，年均組織300人次參與新型幕墻材料施工、智能建材檢測等實戰(zhàn)項目，使畢業(yè)生工程問題解決能力提升40%；教師層面，聯(lián)合開展超高性能混凝土、光伏建筑一體化等17項技術(shù)攻關(guān)，研發(fā)成果轉(zhuǎn)化率達63%，并開發(fā)《新型建筑材料工程案例庫》等6部活頁式教材；產(chǎn)業(yè)層面，共建省級新材料工程技術(shù)中心，完成既有建筑加固用碳纖維布、自修復(fù)防水涂料等5類產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化，年產(chǎn)值突破8000萬元。這種“人才共育—技術(shù)共研—利益共享”的生態(tài)化合作模式，成功實現(xiàn)校企資源互補，近三年合作企業(yè)接收畢業(yè)生人數(shù)增長2.3倍。

2.2.3 學(xué)生實踐項目與畢業(yè)設(shè)計中的應(yīng)用

學(xué)院構(gòu)建“認知—應(yīng)用—創(chuàng)新”三階遞進式培養(yǎng)體系：基礎(chǔ)實踐階段，設(shè)置材料性能對比實驗、施工工藝模擬等12個標準化實訓(xùn)模塊，培養(yǎng)學(xué)生基礎(chǔ)實驗技能；綜合應(yīng)用階段，通過“智能建造創(chuàng)新工坊”開展新型材料裝配化施工、BIM技術(shù)集成等跨學(xué)科項目，要求學(xué)生團隊在8周內(nèi)完成從方案設(shè)計到實體模型建造的全流程，2023年參賽作品獲全國綠色建筑競賽金獎；畢業(yè)設(shè)計階段，實施“真題真做”模式，近兩年78%的選題來源于校企合作項目，如某超高層建筑鈦鋅復(fù)合板幕墻優(yōu)化設(shè)計課題，通過材料耐候性模擬與連接節(jié)點創(chuàng)新，使施工效率提升25%。該體系通過漸進式能力培養(yǎng)，使學(xué)生工程思維與創(chuàng)新能力的崗位匹配度達91%，形成“教學(xué)—實踐—產(chǎn)出”良性循環(huán)［6］。

2.3 應(yīng)用效果分析

2.3.1 學(xué)習(xí)驅(qū)動機制的形成

建筑新型材料因其技術(shù)前沿性、工程實用性與學(xué)科交叉性，通過“理論—實驗—實踐”三維聯(lián)動的教學(xué)模式有效激活了學(xué)生的學(xué)習(xí)內(nèi)驅(qū)力［7］。課程中依托工程案例解析材料創(chuàng)新原理，結(jié)合實驗室自主操作及校企共建項目中的工地觀摩，使學(xué)生直觀感知材料特性與工程價值的關(guān)聯(lián)性。這種沉浸式學(xué)習(xí)體驗推動學(xué)生從被動接受知識轉(zhuǎn)向主動構(gòu)建認知體系，形成“課堂質(zhì)疑—實驗驗證—項目迭代”的良性循環(huán)，其學(xué)術(shù)探究意愿與工程參與度顯著提升。

2.3.2 能力培養(yǎng)范式的重構(gòu)

教學(xué)體系通過分級實踐平臺系統(tǒng)培育學(xué)生的核心能力：在基礎(chǔ)實驗層，依托材料表征實驗室開展抗壓強度測試、耐久性模擬等標準化訓(xùn)練，強化儀器操作規(guī)范與數(shù)據(jù)分析能力；在創(chuàng)新設(shè)計層，通過校企聯(lián)合命題驅(qū)動學(xué)生完成從材料選型、工藝模擬到成本核算的完整工作流，培養(yǎng)工程系統(tǒng)思維；在綜合實戰(zhàn)層，組織學(xué)生參與智能建造競賽、BIM技術(shù)應(yīng)用等跨學(xué)科項目，要求針對新型材料施工難點提出原創(chuàng)解決方案。這種“技能遞進—項目驅(qū)動—創(chuàng)新輸出”的培養(yǎng)路徑，顯著提升了學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。

2.3.3 教育生態(tài)體系的升級

新型材料的教學(xué)融合催生了“課程—平臺—產(chǎn)業(yè)”協(xié)同發(fā)展的教育新生態(tài)。教學(xué)內(nèi)容上，建立動態(tài)更新的模塊化課程群，將納米改性水泥、光伏建筑一體化等前沿技術(shù)納入教學(xué)案例庫；教學(xué)方法上，采用虛擬仿真、翻轉(zhuǎn)課堂等混合式教學(xué)手段，實現(xiàn)知識傳遞效率提升40%以上［8］；產(chǎn)教融合上，通過校企共建新材料應(yīng)用研發(fā)中心，打通“技術(shù)攻關(guān)—專利轉(zhuǎn)化—標準制定”的產(chǎn)學(xué)研鏈條。這種系統(tǒng)性改革使畢業(yè)生材料創(chuàng)新應(yīng)用能力達標率提升至92%，教學(xué)成果獲省級以上獎項17項，形成具有行業(yè)示范效應(yīng)的教育改革模式。

3 結(jié)語

本研究通過建筑新型材料與工程教育的深度融合實踐，驗證了技術(shù)創(chuàng)新導(dǎo)向的教育改革對人才培養(yǎng)質(zhì)量提升的顯著成效。在理論層面，構(gòu)建了包含材料技術(shù)圖譜解析、教學(xué)模式創(chuàng)新、能力評價標準的系統(tǒng)化改革框架，填補了新型材料教學(xué)體系化研究的空白；在實踐層面，形成了“課程動態(tài)更新—虛擬仿真訓(xùn)練—產(chǎn)學(xué)研協(xié)同創(chuàng)新”實施路徑，使學(xué)生工程問題解決能力提升37%，創(chuàng)新成果轉(zhuǎn)化率提高至21%，有效彌合了教育供給與產(chǎn)業(yè)需求的結(jié)構(gòu)性差距。當前研究仍存在區(qū)域性推廣適配性不足、長效評價機制待完善等問題。后續(xù)需重點推進三個方面工作：深化產(chǎn)教融合機制，構(gòu)建跨區(qū)域新材料教育資源共享平臺；開發(fā)基于大數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí)成效動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)能力培養(yǎng)過程的精準調(diào)控；拓展建筑信息模型、數(shù)字孿生等技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用深度，打造虛實融合的沉浸式學(xué)習(xí)環(huán)境。通過持續(xù)完善新型材料教育生態(tài)系統(tǒng)，將為建筑業(yè)“雙碳”目標實現(xiàn)與數(shù)字化轉(zhuǎn)型培養(yǎng)更多具備技術(shù)創(chuàng)新引領(lǐng)力的復(fù)合型人才。

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