面向“中國(guó)制造2025”的土木工程材料專業(yè)人才培養(yǎng)模式的探索與實(shí)踐

張 雄, 劉斯鳳， 楊正宏

(同濟(jì)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 上海 201804)

0 引 言

《中國(guó)制造2025》秉承“創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)、質(zhì)量為先、綠色發(fā)展、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、人才為本”的宗旨；“工業(yè)4. 0”是將大數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)相融合后在生產(chǎn)中大量使用，并實(shí)現(xiàn)由自動(dòng)化向智能化的轉(zhuǎn)變。

立國(guó)之本、興國(guó)之器、強(qiáng)國(guó)之基當(dāng)屬制造業(yè)，它也是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的主體。自18世紀(jì)中葉以來，世界強(qiáng)國(guó)的興衰史和中華民族的奮斗史一再證明，沒有強(qiáng)大的制造業(yè)，就沒有國(guó)家和民族的強(qiáng)盛。打造具有國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的制造業(yè)，是提升我國(guó)綜合國(guó)力、保障國(guó)家安全、建設(shè)世界強(qiáng)國(guó)的必由之路。

改革開放以來，我國(guó)制造業(yè)已得到了持續(xù)快速發(fā)展，并建成了門類齊全、獨(dú)立完整的產(chǎn)業(yè)體系，有力推動(dòng)了工業(yè)與現(xiàn)代化進(jìn)程，顯著增強(qiáng)了綜合國(guó)力，支撐著世界大國(guó)地位[1]。然而，與世界先進(jìn)水平相比，我國(guó)制造業(yè)仍然是大而不強(qiáng)，在自主創(chuàng)新能力、資源利用效率、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)水平、信息化程度、質(zhì)量效益等方面差距較大，轉(zhuǎn)型升級(jí)和跨越發(fā)展的任務(wù)緊迫而艱巨。

當(dāng)前，新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革與我國(guó)加快轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式形成歷史性交匯，國(guó)際產(chǎn)業(yè)分工格局正在重塑。此時(shí)，必須緊緊抓住這一重大歷史機(jī)遇，按照“四個(gè)全面”戰(zhàn)略布局要求，實(shí)施制造強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略，力爭(zhēng)通過3個(gè)10年的努力，到中國(guó)成立100年時(shí)，把我國(guó)建設(shè)成為引領(lǐng)世界制造業(yè)發(fā)展的制造強(qiáng)國(guó)，為實(shí)現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興的中國(guó)夢(mèng)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。而實(shí)現(xiàn)“中國(guó)制造2025”偉大目標(biāo)的關(guān)鍵在于人才[2]。而兼具培養(yǎng)社會(huì)需要的專門人才、科學(xué)研究和服務(wù)社會(huì)的三大職能的高等學(xué)府，其首要任務(wù)是培養(yǎng)專門人才。

中國(guó)作為人口大國(guó)，建筑業(yè)和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)正蓬勃發(fā)展，土木工程占有極為重要的地位，而土木工程材料是一切工程的物質(zhì)基礎(chǔ)，土木工程材料不但種類繁多、性能因材性各異、價(jià)格因性能不同相差懸殊，但卻在土木工程中用量巨大。因此，正確選擇土木工程材料并合理使用它，對(duì)工程的安全、實(shí)用、美觀、經(jīng)濟(jì)等均具有重大意義。

在我國(guó)現(xiàn)代化建設(shè)中，需要大量的以“土木工程材料”為專業(yè)方向的技術(shù)人才，以及掌握“土木工程材料”相關(guān)知識(shí)的房屋建筑、地下、橋梁、測(cè)量、管理、機(jī)械和其他專業(yè)的高水平人才[3-6]。作為知識(shí)的搖籃，大學(xué)理應(yīng)承擔(dān)面向未來中國(guó)制造業(yè)的專門人才的培養(yǎng)。多年來，土木工程材料方向在自身專業(yè)人才的培養(yǎng)中積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，但如何面向“中國(guó)制造2025”和“工業(yè)4.0”的需求，培養(yǎng)復(fù)合型專門人才，亟需探討和具體落實(shí)。

1 努力拓展各工科專業(yè)知識(shí)體系

沒有材料就沒有工學(xué)。美、日等發(fā)達(dá)國(guó)家的大學(xué)基于這樣的認(rèn)識(shí)，為所有工科專業(yè)的大學(xué)生，甚至文科設(shè)置材料概述課程。在制造業(yè)尤其發(fā)達(dá)的德國(guó)，非常重視通識(shí)教育，而土木工程材料更是受到重視，幾乎作為所有與土木、建筑有關(guān)的學(xué)生的必修課。我國(guó)在這方面尚有很大差距。而土木工程材料種類繁多。根據(jù)材料的來源、功能、成分的劃分，將使土木工程材料課程的內(nèi)容異常寬泛；又由于材料及其性能間的差異，將使課程各章節(jié)之間缺乏系統(tǒng)性和邏輯性，極大地增加了教和學(xué)難度[7]。為滿足2025中國(guó)制造和工業(yè)4.0對(duì)土木工程材料的需求，將從以下方面進(jìn)行建設(shè)。

因?yàn)橥聊竟こ滩牧虾w了有機(jī)、無機(jī)和復(fù)合材料，及其順應(yīng)時(shí)代進(jìn)步的先進(jìn)土木工程材料的進(jìn)展，涉及的專業(yè)領(lǐng)域包括房屋建筑、地下、橋梁、管理、測(cè)量、機(jī)械、環(huán)境等所有工科專業(yè)[8-12]。針對(duì)所有工科學(xué)生開設(shè)“土木工程材料”系列通識(shí)課。這些通識(shí)課包括“土木工程材料”“建筑功能材料”“建筑結(jié)構(gòu)材料”“住宅產(chǎn)業(yè)化預(yù)制混凝土構(gòu)件”等。

“土木工程材料”是土木工程建筑類非材料專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，為土木、地質(zhì)工程、港口航道與海岸等專業(yè)的必修課。著重介紹土木工程材料的基本知識(shí)和基本理論，讓學(xué)生學(xué)會(huì)如何正確認(rèn)識(shí)、合理選擇與使用常用材料，為學(xué)習(xí)有關(guān)后續(xù)專業(yè)課和今后從事與土木工程及其材料與技術(shù)有關(guān)的研究打下基礎(chǔ)。

學(xué)生在初步了解“土木工程材料”的基本知識(shí)后，需要對(duì)結(jié)構(gòu)材料和非結(jié)構(gòu)材料進(jìn)行系統(tǒng)地學(xué)習(xí)，因此，“建筑結(jié)構(gòu)材料”和“建筑功能材料”為后續(xù)開設(shè)的通識(shí)課?！敖ㄖY(jié)構(gòu)材料”涵蓋了結(jié)構(gòu)材料的組成、結(jié)構(gòu)、外界因素等對(duì)材料性質(zhì)的影響；介紹了建筑結(jié)構(gòu)材料的組成與結(jié)構(gòu)、性能與主要技術(shù)指標(biāo)，以及各主要性質(zhì)間的相互關(guān)系，主要建筑結(jié)構(gòu)材料的使用指南與技術(shù)規(guī)范、制備與正確應(yīng)用方法；使學(xué)生能根據(jù)工程性質(zhì)和環(huán)境特點(diǎn)合理選用材料；能根據(jù)基礎(chǔ)理論初步解決建筑結(jié)構(gòu)工程中的材料問題。

“建筑功能材料”著重介紹與建筑使用功能相關(guān)的材料名稱、分類方法、基本功能、作用原理、生產(chǎn)工藝方法、檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)和應(yīng)用范圍；建筑功能材料的原材料、配制和生產(chǎn)工藝、產(chǎn)品檢驗(yàn)方法和應(yīng)用技術(shù)；防水材料、防腐材料、防火材料、絕熱材料、裝飾材料和綠色建材等的基本性能要求；原材料性能，生產(chǎn)工藝，檢測(cè)方法和評(píng)價(jià)指標(biāo)，以及應(yīng)用技術(shù)和應(yīng)用效果。教師在講授本課程時(shí)，理論聯(lián)系實(shí)際，并努力反映國(guó)內(nèi)外先進(jìn)技術(shù)或理念、研究成果等，使學(xué)生了解最新的發(fā)展動(dòng)態(tài)。

為減少建筑垃圾和揚(yáng)塵污染的裝配式建筑摒棄了傳統(tǒng)粗放落后的建筑生產(chǎn)方式，為綠色建筑的發(fā)展提供了保障，未來將在中國(guó)得到廣泛推廣?！白≌a(chǎn)業(yè)化預(yù)制混凝土構(gòu)件”課程就是應(yīng)運(yùn)時(shí)代的發(fā)展進(jìn)步而開設(shè)的系列講座，為學(xué)生展示世界最先進(jìn)的建筑工業(yè)化制備、技術(shù)、工藝、施工、應(yīng)用與管理方法，并為學(xué)生提供最前沿的材料信息。

2 培養(yǎng)土木工程材料精細(xì)化制造的高級(jí)專門人才

與土木工程材料相關(guān)的實(shí)驗(yàn)課程是使土木工程材料的理論和實(shí)踐緊密結(jié)合的重要組成部分[5]，直接影響到學(xué)生對(duì)該課程的學(xué)習(xí)興趣。實(shí)驗(yàn)課程通常安排在理論知識(shí)講解完成之后馬上進(jìn)行。通過實(shí)際操作，學(xué)生可以在實(shí)際操作中，重溫并理解理論知識(shí)體系，并形成對(duì)應(yīng)關(guān)系，這樣有助于學(xué)生加深課堂知識(shí)印象、強(qiáng)化概念，可以提高學(xué)生的動(dòng)手能力、思考能力，以及解決問題的能力。

土木工程材料實(shí)驗(yàn)課程包含材料的基本性能實(shí)驗(yàn)，主要包括材料的真實(shí)密度、表觀密度、容積密度和吸水率、孔隙特征的測(cè)試與表征，看似簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)，關(guān)鍵需要學(xué)生耐心細(xì)致的觀察與思考；水泥稠度、凝結(jié)性能、體積安定性實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生對(duì)水泥各項(xiàng)基本性能有更具體的認(rèn)識(shí)以及明確的意義；水泥膠砂強(qiáng)度、混凝土成型與強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生明白水泥標(biāo)號(hào)、混凝土強(qiáng)度等級(jí)之間的關(guān)系，以及水泥作為水硬性膠凝材料具體含義；鋼筋的拉伸、彎曲試驗(yàn)的目的是測(cè)試鋼筋在拉伸過程中應(yīng)力和應(yīng)變關(guān)系曲線，以及下屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率指標(biāo)，以判定鋼材的質(zhì)量；石油瀝青針入度、延度、軟化點(diǎn)試驗(yàn)的目的是讓學(xué)生明確石油瀝青的粘滯性、塑性、溫度穩(wěn)定性等基本性能的表征方法，并以此判定石油瀝青的牌號(hào)。

實(shí)驗(yàn)以3或4人的小組為基本單位，教師可以建議學(xué)生分工完成每一個(gè)實(shí)驗(yàn)。首先推選出小組組長(zhǎng)，實(shí)驗(yàn)步驟和順序的掌控由小組長(zhǎng)完成或協(xié)商指定專人負(fù)責(zé)，再由小組其他同學(xué)自由選擇自己要完成的實(shí)驗(yàn)任務(wù)，最后的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)大家共享，但數(shù)據(jù)的處理和實(shí)驗(yàn)心得必須獨(dú)立完成。

動(dòng)手實(shí)驗(yàn)之前，每位學(xué)生必須了解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)步驟，學(xué)會(huì)自己認(rèn)知實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、材料、?shí)驗(yàn)專用設(shè)備、試樣制備、取樣方法和測(cè)試步驟，并學(xué)會(huì)制定實(shí)驗(yàn)初步計(jì)劃。

實(shí)驗(yàn)過程中允許組與組學(xué)生進(jìn)行數(shù)據(jù)比較，以明白自己小組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的差異所在，由所在的小組集思廣益，找出出錯(cuò)的原因，并進(jìn)行再次實(shí)驗(yàn)以更正錯(cuò)誤。

土木工程材料實(shí)驗(yàn)最大的問題是實(shí)驗(yàn)室衛(wèi)生的打掃。為保證教學(xué)實(shí)驗(yàn)室的衛(wèi)生，并為后一組學(xué)生的實(shí)驗(yàn)提供便利，教師可以通過檢查每個(gè)小組的實(shí)驗(yàn)衛(wèi)生合格后，再簽字的方法，督促學(xué)生做到愛護(hù)儀器設(shè)備、維護(hù)實(shí)驗(yàn)室衛(wèi)生，培養(yǎng)學(xué)生替他人著想的習(xí)慣。

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，使學(xué)生明白建立各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)的意義，土木工程材料配制前選材的精細(xì)程度和標(biāo)準(zhǔn)會(huì)直接影響后面試件制作的質(zhì)量，以及影響后面施工、工程質(zhì)量；精準(zhǔn)的制備工序直接影響構(gòu)件的質(zhì)量；嚴(yán)格的質(zhì)量控制是建筑質(zhì)量的根本保證。通過實(shí)驗(yàn)教學(xué)，可以鍛煉學(xué)生們的團(tuán)隊(duì)分工、協(xié)作意識(shí)，使學(xué)生明白，精誠(chéng)團(tuán)結(jié)與合作得以提高做事效率。

3 土木工程材料教學(xué)評(píng)價(jià)體系的建立

好的教學(xué)和評(píng)價(jià)方法是師生雙方共同約定的行為體系。教學(xué)方法應(yīng)服務(wù)于通識(shí)課的教學(xué)目的和教學(xué)任務(wù)的要求。常規(guī)的人才培養(yǎng)模式主要是采用將各分類學(xué)科的知識(shí)分開傳授給學(xué)生的方式[13]，通過課堂講授對(duì)學(xué)生進(jìn)行知識(shí)灌輸，使學(xué)生成為儲(chǔ)存知識(shí)的容器，卻忽視了理論如何出自實(shí)踐、實(shí)踐如何驗(yàn)證理論等學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)，忽視了促進(jìn)學(xué)生個(gè)性、創(chuàng)造性和潛能發(fā)展的培養(yǎng)。

教學(xué)的目的不是考核，而是讓學(xué)生掌握更多創(chuàng)新的知識(shí)和能力，考核則在于對(duì)教學(xué)效果和學(xué)生的掌握進(jìn)行全面評(píng)價(jià)，而非單依靠考試卷進(jìn)行考核。新的教學(xué)評(píng)價(jià)體系體現(xiàn)在教學(xué)的各個(gè)環(huán)節(jié)。

(1) 互動(dòng)教學(xué)環(huán)節(jié)的考核方法。學(xué)習(xí)結(jié)果根據(jù)土木工程類的課程不同而定，在掌握各種不同土木工程材料的性能、應(yīng)用范圍的基礎(chǔ)上，將其運(yùn)用于土木工程、建筑設(shè)計(jì)中，根據(jù)要求進(jìn)行房屋、零件等選擇材料等等。即基于土木工程材料學(xué)習(xí)目的的培養(yǎng)。

為增加學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，互動(dòng)教學(xué)模式是貫穿面向“中國(guó)制造2025”的土木工程材料專業(yè)人才培養(yǎng)模式的主要教學(xué)方法，具體包括老師課堂授課、學(xué)生課后預(yù)習(xí)、資料查閱，以及課堂匯報(bào)等，教師觀察每個(gè)環(huán)節(jié)中學(xué)生的表現(xiàn)進(jìn)行評(píng)分。

(2) 分組討論模式。為了使學(xué)生更多融入互動(dòng)自主的學(xué)習(xí)，學(xué)會(huì)更為積極的思考問題，并解決問題，課堂上分組討論是比較好的一種教學(xué)方法。討論過程中，教師針參與并組織學(xué)生展開討論，每次的課堂討論，學(xué)生根據(jù)自己所學(xué)課程的內(nèi)容自由發(fā)揮。對(duì)于積極開動(dòng)腦筋的學(xué)生予以肯定和表?yè)P(yáng)。

(3) 教學(xué)效果評(píng)價(jià)。教學(xué)方法的評(píng)價(jià)手段多種多樣。有考試、演講、讀書報(bào)告、小組討論、布置作業(yè)、專家評(píng)分、相互評(píng)價(jià)、課程設(shè)計(jì)、課堂提問等等[14-15]。

在本培養(yǎng)模式的互動(dòng)教學(xué)中，老師通過提問和學(xué)生的課堂匯報(bào)，觀察學(xué)生課后預(yù)習(xí)、資料查閱情況。此外，在小組討論過程中，可以觀察每個(gè)學(xué)生的發(fā)言情況進(jìn)行評(píng)價(jià)。

最后是課后小課題創(chuàng)新和設(shè)計(jì)?？梢宰寣W(xué)生自由分組，要求學(xué)生根據(jù)自己對(duì)土木工程的興趣，選擇某一類建筑，進(jìn)行材料賦予，并解釋原因，再通過答辯的形成進(jìn)行匯報(bào)。

通過以上形式考核，以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造力、獨(dú)立解決問題的能力、專業(yè)技能、溝通能力、小組配合能力、終身學(xué)習(xí)能力。促使并幫助學(xué)生加強(qiáng)自己所學(xué)專業(yè)與土木工程材料專業(yè)的緊密聯(lián)系，拓展他們的學(xué)習(xí)視野。

4 實(shí)踐成效

經(jīng)過將近2年的建設(shè)，面向“中國(guó)制造2025”的土木工程專業(yè)人才培養(yǎng)模式正在取得初步成效。① 已開設(shè)“土木工程材料”“建筑功能材料”“建筑結(jié)構(gòu)材料”3門通識(shí)課程，構(gòu)建了全能型、專業(yè)型的材料人才培養(yǎng)模式；并結(jié)合當(dāng)今社會(huì)可持續(xù)土木工程材料發(fā)展方向，為全校工科學(xué)生開展了“綠色建筑”系列講座，開拓本科生的視野，首次前來聽講座的學(xué)生就達(dá)到了100多人，深受學(xué)生好評(píng)；② 結(jié)合教學(xué)、科研與工程實(shí)踐，撰寫的教材“裝配式建筑構(gòu)建生產(chǎn)與應(yīng)用技術(shù)”即將出版。③ 建立起以中青年教師為主導(dǎo)的教師團(tuán)隊(duì)。④ 土木工程材料培養(yǎng)體系的建立和完善保證了“材料科學(xué)與工程”專業(yè)在全國(guó)工程教育專業(yè)認(rèn)證中順利通過。

5 結(jié) 語(yǔ)

“中國(guó)制造2025”土木工程材料專業(yè)人才的培養(yǎng)模式涵蓋了原材料的來源及其質(zhì)量控制、制備工藝、性能特點(diǎn)及其表征方法、應(yīng)用，以及使用社會(huì)可持續(xù)發(fā)展相關(guān)等課程的設(shè)置。只有通過全方位的課程設(shè)置，才能滿足“中國(guó)制造2025”和“工業(yè)4.0”需求的土木工程材料專業(yè)的精準(zhǔn)型高級(jí)專門人才的培養(yǎng)是一個(gè)任重道遠(yuǎn)的工作，同時(shí)還需要學(xué)校、教師、學(xué)生不斷努力轉(zhuǎn)變思想，并輔以強(qiáng)烈專業(yè)意識(shí)的注重細(xì)節(jié)培養(yǎng)，才能達(dá)成。

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