交叉學(xué)科背景下土木工程材料課程的教學(xué)改革探討

劉玨 王亦龍 袁健 尹健 田冬梅 鄧涵文

[摘 要] 交叉學(xué)科類課程對于高層次復(fù)合型人才的培養(yǎng)具有重要意義。針對土木工程材料課程教學(xué)過程中存在的問題及面臨的挑戰(zhàn)，科學(xué)構(gòu)建學(xué)生、教師、企業(yè)三位一體的新型教學(xué)模式，即在建立專業(yè)的教學(xué)團(tuán)隊(duì)的基礎(chǔ)上，借助企業(yè)工程背景，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性和主動(dòng)性。結(jié)合該課程的特點(diǎn)和教學(xué)目標(biāo)，從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)手段等方面進(jìn)行了相應(yīng)的改革與探索。該模式可為新工科背景下交叉學(xué)科培養(yǎng)復(fù)合型創(chuàng)新人才提供借鑒。

[關(guān)鍵詞] 交叉學(xué)科;土木工程材料;教學(xué)方法;問題分析

[基金項(xiàng)目] 2018年度中南林業(yè)科技大學(xué)青年科學(xué)研究基金項(xiàng)目（自科類）“面向極端工況條件高速切削的超粗低鈷硬質(zhì)合金的力學(xué)性能及耐腐蝕性能研究”（QJ2018003A）;中南林業(yè)科技大學(xué)引進(jìn)人才科研啟動(dòng)基金“高性能超粗低鈷硬質(zhì)合金的制備與性能研究?”（2018YJ020）

[作者簡介] 劉 玨（1989—），女，湖南長沙人，工學(xué)博士，中南林業(yè)科技大學(xué)土木工程學(xué)院碩士生導(dǎo)師，研究方向：新材料的制備技術(shù)與理論研究;尹 ?。ㄍㄐ抛髡撸?970—），男，湖南洞口人，工學(xué)博士，中南林業(yè)科技大學(xué)土木工程學(xué)院院長，博士生導(dǎo)師，研究方向：土木工程材料的制備與耐久性研究。

[中圖分類號] G423.07? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2020）31-0209-03? ? [收稿日期] 2020-02-17

一、引言

伴隨著土木工程與材料科學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展，兩學(xué)科之間的交叉與融合逐漸增多，一門新型交叉學(xué)科——土木工程材料學(xué)科應(yīng)運(yùn)而生。土木工程材料學(xué)科的興起可使對土木工程的認(rèn)知從工程實(shí)際應(yīng)用角度發(fā)展為對材料的基本組成與性質(zhì)的研究，從建筑物或構(gòu)筑物這一宏觀角度跨越到探索材料微觀結(jié)構(gòu)和性能的關(guān)系，有利于推動(dòng)土木工程向更寬領(lǐng)域、更深層次、更高水平發(fā)展。近年來，以新型與環(huán)保建筑材料、建筑垃圾及固體廢棄物的資源化利用、生物質(zhì)復(fù)合材料等為代表的新材料、新技術(shù)不斷突破傳統(tǒng)材料的技術(shù)瓶頸，逐漸滲透人類的日常生活，不斷刷新人們對于材料世界的認(rèn)識(shí)。土木工程材料的應(yīng)用在新材料的開發(fā)與應(yīng)用方面具有重要作用，有利于解決事關(guān)國家經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展全局的重大科技問題。因此，在土木工程或材料科學(xué)的本科專業(yè)開設(shè)土木工程材料課程意義深遠(yuǎn)。

一、土木工程本科專業(yè)開設(shè)土木工程材料課程的目的

中南林業(yè)科技大學(xué)的土木工程材料課程是土木工程學(xué)院土木工程、城市地下空間和工程管理專業(yè)開設(shè)的一門學(xué)科基礎(chǔ)必修課，目的主要在于使學(xué)生具備土木工程材料的基礎(chǔ)知識(shí)，為將來在工程實(shí)踐中正確選擇和合理使用建筑材料打下基礎(chǔ)，為后續(xù)專業(yè)課程提供土木工程材料的有關(guān)知識(shí)，學(xué)會(huì)利用材料學(xué)的方法研究土木工程材料的制備方法、結(jié)構(gòu)性能和性質(zhì)應(yīng)用;培養(yǎng)學(xué)生材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)的能力，了解和關(guān)注土木工程材料科學(xué)發(fā)展的前沿動(dòng)態(tài)，為以后從事科學(xué)研究或工程實(shí)踐提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。該課程開設(shè)的對象為相關(guān)專業(yè)的大二學(xué)生，在此之前學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)完大學(xué)物理、普通化學(xué)和土木工程概論等前序?qū)W科基礎(chǔ)課程，以及理論力學(xué)、材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、水力學(xué)、土力學(xué)等專業(yè)基礎(chǔ)課程，了解了土木工程專業(yè)的特點(diǎn)和發(fā)展方向，具備了一定的理論基礎(chǔ)和專門知識(shí)。本課程的設(shè)置是土木工程相關(guān)專業(yè)其他主干課程的延伸和有效補(bǔ)充，可以幫助學(xué)生全面了解和認(rèn)識(shí)自身專業(yè)未來發(fā)展方向，拓寬職業(yè)發(fā)展通道。

二、土木工程材料課程教學(xué)過程存在的問題及面臨的挑戰(zhàn)

（一）教師缺乏交叉學(xué)科底蘊(yùn)，學(xué)生材料學(xué)知識(shí)匱乏

土木工程材料課程是面向土木工程領(lǐng)域相關(guān)專業(yè)開設(shè)的一門課程，由于受到專業(yè)的局限，學(xué)生在材料學(xué)領(lǐng)域的專業(yè)知識(shí)相對有限。土木工程專業(yè)學(xué)生在本科階段的授課重點(diǎn)主要集中在力學(xué)、結(jié)構(gòu)、道路和橋梁等方面，對于材料科學(xué)基礎(chǔ)、材料合成與制備、物理化學(xué)等材料學(xué)領(lǐng)域?qū)I(yè)課程鮮少涉及;因此，學(xué)生對于材料組成與結(jié)構(gòu)、先進(jìn)材料制備技術(shù)、材料微觀檢測技術(shù)的儲(chǔ)備知識(shí)十分有限。對于教師而言，如何將上述內(nèi)容銜接在土木工程材料課程的講授中是一大挑戰(zhàn);對于學(xué)生而言，如何將材料學(xué)的科學(xué)基本理論與土木工程領(lǐng)域的專業(yè)知識(shí)雙向交叉融合也是一大問題與困惑。同時(shí)，交叉學(xué)科專業(yè)教學(xué)團(tuán)隊(duì)的建設(shè)亦是高校培養(yǎng)復(fù)合型、協(xié)同創(chuàng)新型人才的重要舉措。普通土木工程材料的教師團(tuán)隊(duì)缺少具有材料學(xué)學(xué)科背景的專任教師，不利于高校實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)具有廣闊學(xué)科背景的綜合型人才的目標(biāo)[1，2]。

（二）課程內(nèi)容缺乏趣味性，學(xué)生的學(xué)習(xí)效果不佳

土木工程材料課程涵蓋范圍廣，課程內(nèi)容具有極強(qiáng)的理論性，授課內(nèi)容以分析材料行為的原理、規(guī)律和方法為主，課程的趣味化程度不高，學(xué)生難以有濃厚的興趣。同時(shí)，傳統(tǒng)的課堂教學(xué)方式以“教師在講臺(tái)上講，學(xué)生在講臺(tái)下聽”的模式來開展，學(xué)生總是被動(dòng)扮演著知識(shí)的“接受者”這一角色，沒有時(shí)間思考和消化課堂內(nèi)容。同時(shí)，目前在校的大學(xué)生一半以上為“00后”，這個(gè)群體具有極強(qiáng)的個(gè)性，傳統(tǒng)的教學(xué)方式很難獲得他們的認(rèn)同感，不利于建立平等和諧共同發(fā)展的師生關(guān)系[1，3]。

（三）教學(xué)缺乏權(quán)威教材

我校是一所以林業(yè)為優(yōu)勢和特色的綜合型大學(xué)，生物質(zhì)材料的研究和應(yīng)用是推動(dòng)土木工程領(lǐng)域技術(shù)開發(fā)創(chuàng)新的重要?jiǎng)恿?。就目前而言，市面上并沒有特別適用于林業(yè)高校學(xué)科特色的權(quán)威教材。國內(nèi)知名高校出版的教材中，主要參考趙方冉、王起才、嚴(yán)捍東編撰的《土木工程材料》（同濟(jì)大學(xué)出版社，2004年）和宋少民、孫凌編著的《土木工程材料（第二版）》（武漢理工大學(xué)出版社，2013年）兩個(gè)版本。上述教材僅以較少篇幅講述《木材》章節(jié)的內(nèi)容，對于生物質(zhì)材料領(lǐng)域取得的研究進(jìn)展及相關(guān)前沿科技動(dòng)態(tài)少有提及[4]。

（四）課時(shí)少，缺乏現(xiàn)場觀感

土木工程是綜合性極強(qiáng)的專業(yè)，要求學(xué)生掌握較為扎實(shí)的基礎(chǔ)知識(shí)和原理，同時(shí)還應(yīng)具備較強(qiáng)的動(dòng)手能力。但是，本課程理論講授部分僅40學(xué)時(shí)，課時(shí)數(shù)較少。教師要在有限的課時(shí)內(nèi)講授土木工程材料的基本性質(zhì)、氣硬性膠凝材料、水泥、混凝土、砂漿、裝飾材料、金屬材料、木材、土木工程功能材料、土木工程高分子材料等章節(jié)，只能簡單講解一些基礎(chǔ)知識(shí)和概念，無法深入揭示材料性能與其本質(zhì)機(jī)理。土木工程材料配套實(shí)驗(yàn)課為16學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)課中通過動(dòng)手來培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力，以助于理解理論內(nèi)容。由于受到實(shí)驗(yàn)場地、環(huán)境、設(shè)備等實(shí)驗(yàn)條件的限制，無法完全真實(shí)模擬實(shí)際施工過程中的復(fù)雜情況;有些實(shí)驗(yàn)以教師演示為主，學(xué)生的直觀感受不佳，不利于培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作能力[5]。

三、土木工程材料課程教學(xué)方法改革

（一）組織具有多學(xué)科背景的教學(xué)團(tuán)隊(duì)，豐富學(xué)生材料學(xué)專業(yè)知識(shí)

土木工程材料屬于學(xué)科交叉類課程，要求教學(xué)團(tuán)隊(duì)具有多學(xué)科背景的專任教師，要求學(xué)生具備物理、化學(xué)、材料學(xué)、土木工程等多領(lǐng)域基礎(chǔ)知識(shí)。從上述思路出發(fā)，經(jīng)過近10年的建設(shè)和打造，本課程逐步建立了一支以尹健教授為核心，年齡結(jié)構(gòu)、職稱結(jié)構(gòu)、學(xué)緣結(jié)構(gòu)合理的教學(xué)團(tuán)隊(duì)。該教學(xué)團(tuán)隊(duì)由5人組成，其中教授1名、副教授1名、講師3名，職稱結(jié)構(gòu)形成自然梯隊(duì)，教師教學(xué)經(jīng)驗(yàn)豐富;45歲以上教師1名，35歲以上教師2名，35歲以下2名，中青年教師占主體，發(fā)展?jié)摿Υ?授課教師均具有“985”高校的博士學(xué)位，學(xué)科背景更涵蓋材料科學(xué)與工程、道路與鐵道工程、結(jié)構(gòu)工程等多個(gè)方向，充分體現(xiàn)多學(xué)科交叉融合的特點(diǎn)。其次，鑒于學(xué)生在材料學(xué)領(lǐng)域的專業(yè)知識(shí)相對有限，在保證教學(xué)質(zhì)量的基礎(chǔ)上，教師適當(dāng)向?qū)W生介紹材料學(xué)中的基本概念、理論以及材料典型制備技術(shù)，并向?qū)W生推薦相關(guān)資料、數(shù)據(jù)和熱門公眾號，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行課后自助學(xué)習(xí)。例如，在講解混凝土的碳化過程時(shí)，以菲克擴(kuò)散定理引出推導(dǎo)碳化方程，進(jìn)而揭示混凝土的耐久性與材料性質(zhì)、設(shè)計(jì)和施工的關(guān)系。又如，在講解“金屬材料”章節(jié)時(shí)，結(jié)合教師的相關(guān)科研經(jīng)歷向?qū)W生闡釋鐵碳合金相圖中點(diǎn)、線、面的含義，指明碳鋼和鑄鐵成分、溫度、組織和性能之間關(guān)系的理論基礎(chǔ)，同時(shí)介紹各類金屬熱處理工藝（正火、退火、時(shí)效、固溶處理、時(shí)效處理、淬火、回火等）的工藝方法和作用。

通過教改，學(xué)生增加了一定的材料學(xué)知識(shí)儲(chǔ)備，這不僅不會(huì)與土木工程專業(yè)相互抵觸，反而能幫助學(xué)生從材料學(xué)的角度思考繼而解決建筑物設(shè)計(jì)、造價(jià)、施工和監(jiān)理等環(huán)節(jié)中的各類問題，為新材料、新技術(shù)在土木工程領(lǐng)域的開發(fā)和應(yīng)用帶來生機(jī)和活力。

（二）以嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)精神滲透教學(xué)環(huán)節(jié)，以教師學(xué)識(shí)魅力感染學(xué)生

理論課程包含大量專業(yè)術(shù)語、定理、計(jì)算公式等抽象內(nèi)容，學(xué)習(xí)在學(xué)習(xí)過程中難以直接獲得代入感從而產(chǎn)生濃厚的學(xué)習(xí)興趣。如何以科學(xué)性和趣味性相結(jié)合的方式來講授理論課，幫助學(xué)生將抽象的理論知識(shí)融入具體的生活實(shí)例和工程實(shí)踐中，是值得授課教師思考的重要問題。首先，教師應(yīng)當(dāng)以個(gè)人學(xué)識(shí)魅力感染學(xué)生，避免照本宣科的講課方式。交叉學(xué)科講授教師需要具備較為廣闊的知識(shí)面以及多學(xué)科教育背景，教授內(nèi)容源于教材更應(yīng)高于教材。例如，在講授土木工程材料的發(fā)展進(jìn)程中，教師可以緊扣“材料的發(fā)展是人類進(jìn)步的里程碑”這一主題，以人文和歷史知識(shí)來吸引學(xué)生感受土木工程材料之美。其次，以科研精神滲透教學(xué)環(huán)節(jié)是一種創(chuàng)新性的思路。教師常規(guī)的教學(xué)流程中，教師通常直接提出既有問題，并通過講解知識(shí)點(diǎn)予以解答，學(xué)生被動(dòng)接受知識(shí)點(diǎn)。學(xué)生既沒有參與對未知事物及存在問題的探索，也沒有足夠的時(shí)間來消化吸收獲得的知識(shí)。發(fā)現(xiàn)問題、探索消化這一系列環(huán)節(jié)的缺失，也使得學(xué)生對于課程的學(xué)習(xí)興趣不高。授課教師可以結(jié)合學(xué)科前沿、社會(huì)熱點(diǎn)問題及自身的科研經(jīng)歷來提出問題，引導(dǎo)學(xué)生通過互聯(lián)網(wǎng)、圖書館等各種方式來查詢資料，嘗試分析出現(xiàn)上述現(xiàn)象的主要原因，同時(shí)鼓勵(lì)學(xué)生將問題形成自己的規(guī)律性分析總結(jié)。教師將學(xué)生形成的各種總結(jié)放在課堂上討論，并進(jìn)行學(xué)生互評和教師點(diǎn)評，最后教師總結(jié)討論的結(jié)果，從而引出后續(xù)知識(shí)點(diǎn)。

（三）建設(shè)符合本校學(xué)科特色的教材

一本適用性強(qiáng)的教材是有效完成教學(xué)計(jì)劃、確保教學(xué)質(zhì)量、提高教學(xué)水平的必要保障。對比目前各版本土木工程材料教材的側(cè)重點(diǎn)及不足，結(jié)合我校學(xué)科特色及人才培養(yǎng)定位，授課團(tuán)隊(duì)于2015年編著了《土木工程材料》新版教材（尹健主編，中國鐵道出版社）。該教材基于團(tuán)隊(duì)教師實(shí)際教學(xué)經(jīng)驗(yàn)和豐富的多學(xué)科專業(yè)領(lǐng)域知識(shí)，教材內(nèi)容編排合理、內(nèi)容條理清晰，提高了林業(yè)院校土木工程相關(guān)專業(yè)人才培養(yǎng)的質(zhì)量。教材以土木工程材料作為開篇內(nèi)容，主要講述無機(jī)膠凝材料、混凝土、砌筑材料、金屬材料、木材、高分子材料、瀝青及瀝青基材料、纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、建筑功能材料、土木工程材料試驗(yàn)等內(nèi)容。從知識(shí)結(jié)構(gòu)來看，每一章均以材料的組成與結(jié)構(gòu)、物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)、耐久性與安全性和應(yīng)用范圍的邏輯關(guān)系來開展。其中，本教材從林業(yè)高校土木工程專業(yè)人才培養(yǎng)特色出發(fā)，突出了木材的技術(shù)性質(zhì)和特性，并在授課過程中向?qū)W生介紹了生物質(zhì)材料（米纖維素混凝土等）的相關(guān)研究動(dòng)態(tài)。

（四）結(jié)合企業(yè)工程實(shí)際，以互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)輔助教學(xué)

著名數(shù)學(xué)家華羅庚曾指出：“人們對數(shù)學(xué)產(chǎn)生枯燥無味、神秘難懂的印象，原因之一是數(shù)學(xué)教學(xué)脫離了實(shí)際?！庇纱丝梢?，將抽象的理論知識(shí)和定理與具體的工程實(shí)際相結(jié)合，并用生動(dòng)的實(shí)例來講解枯燥的內(nèi)容，課堂內(nèi)容將會(huì)變得生動(dòng)而有趣，能夠有效加深學(xué)生對于基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)的理解。教師在講授過程中，以工程背景的案例為教學(xué)切入點(diǎn)，立足于既定教學(xué)內(nèi)容，優(yōu)化土木工程材料課堂知識(shí)的講授方法。授課教師與企業(yè)建立緊密聯(lián)系，收集大量工程現(xiàn)場的圖片、音頻、視頻，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生感官功能，激發(fā)學(xué)生多視角、多方位、多形式探索問題的興趣。例如，在講解混凝土塌落度測試方法時(shí)，給學(xué)生播放施工現(xiàn)場泵送混凝土塌落度試驗(yàn)流程的視頻，并請企業(yè)專業(yè)技術(shù)人員介紹混凝土質(zhì)量控制要點(diǎn)，引導(dǎo)學(xué)生樹立“材料質(zhì)量控制是工程建設(shè)第一生命線”的正面認(rèn)識(shí)。

專業(yè)技術(shù)人員提供的圖片及音頻視頻資料充分展示了教學(xué)手段的多樣化，很大程度上彌補(bǔ)了課堂教學(xué)在空間、時(shí)間上的局限性，讓理論教學(xué)不再停留在“紙上談兵”的階段。經(jīng)過教改，學(xué)生課堂互動(dòng)積極性不高的現(xiàn)象顯著改善，分析、解決實(shí)際問題的能力有一定提高。

四、結(jié)語

交叉學(xué)科課程土木工程材料是土木工程相關(guān)專業(yè)的一門學(xué)科基礎(chǔ)課程，該課程的開設(shè)符合當(dāng)前社會(huì)創(chuàng)新型復(fù)合人才的培養(yǎng)目標(biāo)。針對該課程在教學(xué)過程中存在的問題及面臨的挑戰(zhàn)，筆者提出了一系列課程教學(xué)改革與實(shí)踐的方法，擴(kuò)展了學(xué)生多學(xué)科領(lǐng)域的知識(shí)與技能，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性，教學(xué)質(zhì)量得以持續(xù)改進(jìn)。

參考文獻(xiàn)

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