新工科背景下土木工程材料课程教学方法探索与实践

来源:用户上传      作者:谢娟 阳月明 张永宁

　　摘  要：该文针对新工科提出的应该积极应对变化、引领创新、探索不断变化背景下的工程教育新理念、新结构、新模式、新质量、新体系，培养能够适应时代和未来变化的卓越工程人才，分析《土木工程材料》课程特点及目前教学过程中存在的不足，围绕教学理念、教学内容、教学方法、教学形式以及考核方式等进行探索与实践，构建了新的教学方法和教学体系，取得了良好的教学效果。
　　关键词：新工科  土木工程材料  教学改革
　　中图分类号：G642    文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2019）08（b）-0117-03
　　新工科的内涵是以立德树人为引领，以应对变化、塑造未来为建设理念，以继承与创新、交叉与融合、协调与共享为主要途径， 培养未来多元化、创新型卓越工程人才。从某种意义上说， 新工科反映了未来工程教育的形态，是与时俱进的创新型工程教育方案， 需要新的建设途径。新工科的关键任务之一便是学与教，即重构人才知识体系，重塑人才培养质量观。加快制定适应工科学生终身发展和社会需要的核心素养体系和学业标准体系， 完善学生、老师等共同参与的“以学生为中心”学生培养质量持续改进体系，完善从学习目标—培养目标—培养方案—课程大纲—评价分析—课程品质报告—改进方案实施-学习目标的闭环质量持续改进体系。
　　土木工程材料是一门开设面较广的课程，专业涉及土木工程、交通工程、建筑设计、工程管理、港行水利等，授课对象包括本科生和研究生[1]。课程主要介绍土木工程中大量应用的工程材料的概念、基础理论、基本性能以及在实际工程中的应用特点等。教学目的是通过该课程的学习，使学生学会根据工程特点合理选择和正确使用材料，并为其他专业基础课和专业课的学习提供相关的材料基础知识。由于该课程兼具广泛性和重要性，因此教育工作者们一直致力于课程教学研究，寻求更加合理有效的教学方法。王宇辉对土木工程本科专业的土木工程材料课程做了教学改革，在理论教学、课后作业、实践教学和课程考核等方面做了探索，收到了较好的教学效果[2]。刘秀伟等将C D IO工程教育理念引进到《土木工程材料》课程的教学中，经过C D IO课程定位、教学目标确定、教学大纲构建、课程教学内容设计与实施过程，教学效果明显提高[3]。笔者根据新工科背景下对人才培养的要求，分析总结了土木工程材料的课程特点以及目前教学中存在的问题，摸索出了新的教学方法，并取得良好成效。
　　1  土木工程材料的课程特点
　　1.1 课程内容繁多，涉及知识面广
　　该课程包括无机胶凝材料、砌筑材料、金属材料、沥青等与土木工程相关的十多个大类、上百种材料，各章节相对独立，缺乏逻辑性和关联性，涉及的文字性概念和术语多，知识点比较分散，导致学生在课堂上一听就懂，但是不易系统地掌握课程知识。
　　1.2 学科交叉大，内容层次不清晰
　　笔者所在的长沙理工大学土木工程材料课程面向交通运输学院、土木工程学院以及水利工程学院的本科生和研究生授课。教学内容涉及材料科学、建筑科学等多个学科，如水泥部分涉及大量化学知识，钢材部分涉及理论力学相关知识，大纲要求同学们通过课程学习能够应用土木工程材料科学的基本原理，识别、表达、并通过文献研究分析复杂工程问题。但是课程没有分专业来设置重点和难点，主次不分明。
　　1.3 课程理论性强，实践性强
　　土木工程材料都是实际存在、能够直观感受的，而课程内容主要以文字性叙述为主，许多概念讲起来较为复杂。比如水泥的水化、凝结硬化部分，是整个课程中比较重要的一个知识点，这个过程对水泥混凝土的性能和使用起决定性作用，由于涉及到很多化学反应，理论性较强。同时，课程又涉及到如水泥力学性能、沥青混合料高低温性能以及马歇尔稳定度的试验，实践性较强。因此需要教师有很强的工程背景，能够结合工程实际，使同学们对材料性能与实际应用之间的联系有比较直观的认识，熟悉工程实践操作的基本规范，掌握试验的基本技能，能够解决选材、检验、验收及储存等施工现场遇到的常见问题。
　　2  课程教学中存在的主要问题
　　2.1 教学手段单一，内容枯燥
　　土木工程材料内容较多， 包括了无机非金属材料、金属材料 、有机高分子材料，并且有很多需要记忆的概念和理论知识，采用传统的教学模式很难达到好的教学效果。笔者近几年就土木工程材料课程进行了大量的课堂调研，发现很多老师在讲课时都是以PPT为主，板书较少，其他形式的教学辅助手段也不常使用。而土木工程材料与是一门集理论、实验、实践为一体的课程，与工程实际结合紧密，传统的教学模式不能够全面反映材料的技术性质和实际应用。同时，开设《土木工程材料》课程的专业较多，学生的预备知识、专业基础以及培养要求各不相同，比如，道路工程专业应将沥青及沥青混合料作为重点，而对港行专业来讲，水泥比沥青更为重要。但是目前极少有高校根据不同的专业培养方案制定相对应的教学大纲，造成教师们在讲课的时候，不注重专业差别，侧重点不明显，教师和学生互动少，学生难以将课程知识与自己的专业联系起来，学习兴趣较低。
　　2.2 理论教学与实践教学脱节
　　理论性强、实践性强是土木工程材料课程的一个主要特点，课程划分为理论课和实践课程两部分，然而当前許多高校土木工程材料的课程安排很不科学，重理论轻实践的现象较为普遍，过分重视理论知识的讲解，忽视实践课程对于学生学习的重要性。就笔者所在的长沙理工大学而言，土木工程材料分为必修课和选修课两种，选修课总共只有32个学时，其中理论学时26个，实验学时6个，导致理论知识和实验内容不能系统地讲解完全，结课时学生只能对土木工程材料有非常浅显抽象的了解。必修课理论学时40个，与实验课分开开设，虽然学时比选修课多，但存在的问题是理论课与实验课没有很好的对接，经常出现理论课全部讲完了，实验课还没有开始，所以理论课中讲到实验时，学生们缺乏直观认识。理论教学与实践教学脱节严重影响了教学效果，不能满足新工科提出的培养卓越工程人才的要求，是一个亟待解决的问题。 　　2.3 课程教学大纲缺乏专业针对性
　　如前所述，高校里开设土木工程材料课程的专业众多，而承担教学任务的老师则集中在同一个院系，教学大纲也由承担教学任务的院系统一制定，没有考虑不同专业对人才的培养需求。土木工程材料课程知识体系较固定，但是稳定的教学框架适应性较差，因此有必要根据专业需求修订教学大纲。
　　2.4 教材内容更新慢
　　材料的发展日新月异，各种新型功能材料也不断出现，而土木工程材料教材仍停留在介绍基本理论知识的阶段，并且仍沿用了20世纪末调整后的内容，对新标准和新规范的更新不及时，所涉及到的实验方法也比较陈旧。教材内容狭窄很不上形式，导致学生们知识面较窄，对新材料、新标准了解较少，不能很好地将理论知识与当下的工程实际结合起来。
　　3  教学改革的主要内容
　　3.1 优化课程内容，丰富教学手段
　　教育应当与时俱进，通过教育与技术的结合来创新教学模式，采取慕课、小规模在线课程、翻转课堂等新型小学模式与传统教学相结合，充分利用网络教学资源，通过视频和动画来充实课件，尤其是引入一些工程实例，让学生们能将课堂理论与实践联系起来，激发听课兴趣。
　　借助实物来讲授课堂知识。条件允许时，教师可以将材料带到课堂，让学生近距离真实地观察这些材料，提高学生的学习兴趣。比如讲到石灰的熟化、陈伏时，学生经常把两个过程混淆，而这个实验又是简单易行的，因此教师可将石灰、水、温度计、搅拌棒和烧杯带入教室，现场给学生演示石灰在熟化工程中的升温。
　　3.2 理论与实践课程穿插进行
　　为了能使学生很好地将土木工程理论知识与工程应用紧密联系起来，在教学中应重视理论与实践课程的合理安排，避免理论与实践脱节。将理论课与实践课穿插进行，通过实践来巩固理论知识。例如，在集料的级配部分有理论三参数的知识点，即分计筛余百分率、累计筛余百分率和通过百分率，仅仅通过课堂讲解概念和计算方法很难让学生们牢牢掌握，对于这种情况，教师可以将课堂搬到实验室，先利用一个学时讲解概念，紧接着通过实验来强化学习内容。土木工程材料课程中有很多实验部分，如果能与理论合理对接，将大大提高教学效果。
　　3.3 梳理教学大纲，有的放矢
　　由于开设土木工程材料课程的专业拓宽，学时减少，现有的教学大纲已经不能适应需要，因此必须对大纲进行修订，适当增删部分内容，提高大纲的先进性和适应性。比如对道路与铁道工程专业，应将沥青与沥青混合料作为重点，增加相关理论以及实践内容，使学生深入了解路面沥青的技术性能、路用性能以及沥青路面的研究与发展现状;对港行专业，应增加水泥部分的内容，重点讲解水泥种类在实际工程中的适用性，例如大体积混凝土工程不能使用水化热高的水泥、有抗渗要求的工程不能使用矿渣硅酸盐水泥、港口工程需要使用抗腐蚀性好的水泥等。针对专业需求修订大纲，做到有的放矢。
　　3.4 追踪前沿，鼓励学生参与
　　使学生在掌握基本理论知识的同时，了解土木工程材料的发展现状及趋势，适应新工科提出的：理念新——应对变化，塑造未来;要求新——培养未来多元化、创新型卓越工程人才;途径新——继承与创新、交叉与融合、协调与共享。因此必须优化课程内容，精心组织教学内容，选择有代表性的新材料、新技术以及新的研究成果介绍给学生，也可以将教师自身的科研成果引入到课堂教学中，提高学生的学习兴趣。
　　此外，鼓励学生以多种形式参与到教学活动中来，使传统教学模式中的单向输出变为双向交流。比如，可将学生分组，每组学生选取一种或几种感兴趣的土木工程材料为主题，查阅文献，了解材料的基本性能、使用历史、发展过程以及最新的研究动态，对文献进行归纳整体做成PPT在课堂上进行讲解，并设置互动环节回答学生提出的问题。通过这一过程，不但可以培养学生查阅文献、总结归纳、公开演讲的能力，更加深了他们对主体土木工程材料的学习和了解。
　　3.5 改进课程考核方式
　　土木工程材料课程考核方式分为平时成绩30%和期末考试成绩70%，但是平时成绩的评价标准不明确，随意性比较大，期末考试成绩的占比较高，使学生在课程学期期间只关注可能會考到的知识点而死记硬背，知识掌握不牢固，不能学以致用，更谈不上创新。基于此，对考核方式进行了改革，改为平时成绩40%，包括平时作业10%、课堂表现10%、小组讨论及演示20%，期末成绩占比60%。通过平时成绩和小组讨论，教师能及时发现学生学习中存在的问题，及时解决。考核方式的改进也提高了学生在课程中的参与度，提高了学习积极性和主动性。
　　4  结语
　　新工科反映了未来工程教育的形态， 是与时俱进的创新型工程教育方案， 需要新的建设途径。必须通过人才培养理念的升华、体制机制的改革以及培养模式的创新应对现代社会的快速变化和未来不确定的变革挑战。交叉与融合是工程创新人才培养的着力点。
　　土木工程材料课程具有涉及面广、多学科交叉与融合、教学内容需紧跟科技发展的特点，笔者紧扣新工科要求，从优化教学内容、理论与实践相结合、修订教学大纲、鼓励创新、改进考核方法等方面着手构建了新的教学方法和教学体系，并在过去几年的教学中进行了实施，学生学习兴趣及参与度明显提高，养成了良好的学习习惯并培养了创新能力，平时作业以及课堂表现显著改善，成绩有了大幅度提高，教学效果良好。
　　参考文献
　　[1] 吴芳，杨长辉.土木工程材料课程教学改革研究[J].高等建筑教育，2006，15（4）：79-81.
　　[2] 王宇辉.本科土木工程材料课程的教学改革探讨[J].山西建筑，2017，43（27）：235-236.
　　[3] 刘秀伟，汪权明，杨林.CDIO教学模式在《土木工程材料》课程中的应用[J].教育教学论坛，2018（21）：167-169.
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