“新工科”背景下高?！巴聊竟こ滩牧稀闭n程教學(xué)創(chuàng)新性研究

朱婧 徐方

摘?要：在當(dāng)今全球第四次工業(yè)革命的科技浪潮中，在我國“新工科”體系建設(shè)與促進(jìn)學(xué)科交叉融合發(fā)展背景下。本研究通過針對“土木工程材料”課程的特點及教學(xué)現(xiàn)狀，從教學(xué)模式、知識體系、考核標(biāo)準(zhǔn)、創(chuàng)新改革等多個方面進(jìn)行持續(xù)優(yōu)化改進(jìn)。按照人才成長規(guī)律改進(jìn)人才課程培養(yǎng)機(jī)制，加快培養(yǎng)出符合國家科技人才培養(yǎng)要求和社會需要的工程綜合型專業(yè)人才，為加快建設(shè)成教育強(qiáng)國、科技強(qiáng)國、人才強(qiáng)國提供不竭動力。

關(guān)鍵詞：新工科；創(chuàng)新；土木工程材料；學(xué)科交叉；專業(yè)人才

2013年德國提出工業(yè)4.0后，以深度網(wǎng)絡(luò)化、綠色資源化、高度智能化、個性化工業(yè)定制及人工智能等為主要特征的第四次工業(yè)革命正在以前所未有之勢逐漸達(dá)到全球化。人工智能、虛擬現(xiàn)實、3D打印、物聯(lián)網(wǎng)、基因工程等一系列新興技術(shù)領(lǐng)域不斷突破其瓶頸，從而刷新甚至顛覆了人類對傳統(tǒng)制造工業(yè)的認(rèn)知。我國隨后提出了以網(wǎng)絡(luò)化、智能化、數(shù)字化制造為發(fā)展趨勢特點的《中國制造2025》，將制造工業(yè)的發(fā)展與現(xiàn)代化網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)進(jìn)行高度融合，為工程行業(yè)的新發(fā)展提供了新方向。本文以第四次工業(yè)革命、“新工科”建設(shè)為研究背景，以“土木工程材料”課程為對象，主要研討了“土木工程材料”課程特點、現(xiàn)狀、建議、創(chuàng)新改革等內(nèi)容［1］。

1?傳統(tǒng)“土木工程材料”課程特點及地位

“土木工程材料”課程是土木工程、安全工程、管理等工程類專業(yè)的必修課程之一，該課程含有大量工程類材料基礎(chǔ)專業(yè)知識，涉及范圍較廣、綜合性知識較多、理論與實踐結(jié)合較強(qiáng)，該課程涉及工程材料的發(fā)展、各個材料的基本性質(zhì)與用途，其中包括凝膠復(fù)合材料、普通木材、金屬與非金屬材料、有機(jī)與無機(jī)化學(xué)材料、普通硅酸鹽混凝土、瀝青混凝土等諸多內(nèi)容。

目前高校在工程類學(xué)生專業(yè)培養(yǎng)方案中，“土木工程材料”課程都占據(jù)著不可撼動的地位，中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院的學(xué)生培養(yǎng)計劃中，“土木工程材料”課程共48學(xué)時，其中，理論教學(xué)共安排12周，平均每周安排1～2節(jié)理論課，實驗課教學(xué)為7次，按照實驗類型依次排課，占比為14學(xué)時，理論課程與實驗課程相結(jié)合。

工程材料是建筑物的重要組成部分，建筑物的使用年限很大一部分受到材料的影響［2］，因此選取合適的材料可以達(dá)到事半功倍的效果。同時，隨著復(fù)雜工程的逐漸增加，也推動了“土木工程材料”的創(chuàng)新發(fā)展，兩者是緊密相連的?！巴聊竟こ滩牧稀弊鳛槿瞬排囵B(yǎng)方案中的專業(yè)核心課程之一，人才培養(yǎng)的高要求也對課程教學(xué)提出了更高的要求。因此，針對該課程進(jìn)行“新工科”的培養(yǎng)理念與教學(xué)改革的探索，對工程類專業(yè)的教學(xué)改革具有重要指導(dǎo)意義。

2?“土木工程材料”課程教學(xué)現(xiàn)狀及建議

2.1?傳統(tǒng)理論教學(xué)方式缺乏活力

目前大多數(shù)高校的專業(yè)課教學(xué)方式仍基于傳統(tǒng)的多人數(shù)式教學(xué)，教師過于注重課本中專業(yè)知識的傳播，忽略了對學(xué)生接收能力的培養(yǎng)，再加上“土木工程材料”課程內(nèi)容較多、內(nèi)容較散、客觀敘述性強(qiáng)，課堂缺乏積極性與趣味性，學(xué)生主動學(xué)習(xí)能力差，很容易對知識的理解與實踐應(yīng)用能力產(chǎn)生負(fù)面效果。

在實驗課程方面，課程的實驗教學(xué)包括不同鋼筋的力學(xué)性能檢測實驗、水泥砂漿配合比優(yōu)化設(shè)計實驗、建筑材料的基本性質(zhì)實驗、混凝土強(qiáng)度檢測和易性實驗、膠凝材料力學(xué)性能實驗等?？紤]到實驗安全性、參與人數(shù)密度大等諸多問題，有些課程只是教師進(jìn)行簡單示范，未必能夠較好地培養(yǎng)學(xué)生的實踐動手能力與創(chuàng)新性思維。

建議：高校要進(jìn)行教學(xué)創(chuàng)新，可以嘗試研究討論式教學(xué)、翻轉(zhuǎn)課堂、線上教學(xué)、小班教學(xué)等新教學(xué)方式。我校在進(jìn)行線上教學(xué)時主要采用雨課堂學(xué)習(xí)平臺，課上可以實現(xiàn)多元化教學(xué)，相比于傳統(tǒng)板書講述，信息化的教學(xué)更加方便。利用網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺，學(xué)生可以登錄平臺提前進(jìn)行課件預(yù)習(xí)。網(wǎng)絡(luò)平臺還可以實現(xiàn)線上教學(xué)答疑和遠(yuǎn)程管理，課下師生可以通過學(xué)習(xí)平臺進(jìn)行不定期的學(xué)習(xí)復(fù)盤等。借助雨課堂平臺進(jìn)行的“土木工程材料”課程，師生反饋效果較好。

在傳統(tǒng)實驗教學(xué)中，實驗室也只能在指定時間由教師的帶領(lǐng)才能使用，為了培養(yǎng)學(xué)生動手能力和增加分析與思考的時間，實驗室采取開放式措施。為合理利用實驗室資源，提高利用率，重新制定了實驗室使用制度和實驗室管理規(guī)定，實施了實驗申請預(yù)約和實驗計劃審批制度，實現(xiàn)了實驗時間、空間、項目、設(shè)備和指導(dǎo)的全面開放［3］。在保證一次性進(jìn)入實驗室人數(shù)2人以上、提高安全防護(hù)意識、且滿足前提規(guī)則后，實驗室在教學(xué)期間24h對學(xué)生開放，開放式的實驗大環(huán)境可以打破課時限制，學(xué)生可以自主合理地安排實驗時間，對于感興趣且有創(chuàng)新想法的實驗可以多次進(jìn)行，不僅滿足了創(chuàng)新技術(shù)產(chǎn)生的硬性條件，還滿足部分虛擬仿真實驗與現(xiàn)實實驗相結(jié)合，真正做到了模擬與實踐的融會貫通。

2.2?理論教學(xué)與實際行業(yè)對接不足

我國在公路、鐵路、橋梁、隧道、房屋建設(shè)等一系列大規(guī)?；A(chǔ)建設(shè)中穩(wěn)居世界前列，建筑行業(yè)不僅大力推動發(fā)展了一大批新的施工工藝、技術(shù)和新型建筑材料，也產(chǎn)生了相對應(yīng)的新施工管理方法和理論。

一方面，由于目前理工科類高校中工程教材通常采用經(jīng)典教材，高校理論教材遠(yuǎn)遠(yuǎn)滯后于工程實際，新技術(shù)、新工藝、新材料的發(fā)展在課本中更新也較為緩慢。單以工程專業(yè)教學(xué)大綱“土木工程材料”作比較，常用的課本中常見的膠凝材料類混凝主要有普通硅酸鹽混凝土、石膏混凝土、瀝青混凝土等，與實際工程中的混凝土聯(lián)系緊密但還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。比如目前工程中較為新型的混凝土材料主要有輕質(zhì)混凝土、自密實混凝土、粉煤灰含量較高的混凝土等。目前創(chuàng)新性工程智能材料有壓磁材料、光導(dǎo)纖維、碳纖維智能材料等［4］；目前使用較為成熟的新型工程材料有：超高性能混凝土、液態(tài)金屬、3D材料、保溫防火保溫板、抗?jié)B水混凝土、修復(fù)型膠凝材料、過硫磷石膏礦渣混凝土等［5］。

另一方面，區(qū)域性工程項目的技術(shù)壁壘導(dǎo)致學(xué)生專業(yè)性技術(shù)發(fā)展不全面。例如在我國西南地區(qū)，多以山地丘陵為主要地貌，地形高差也較為懸殊，地質(zhì)情況較為復(fù)雜，相比于我國中部地區(qū)，以平原為主，地形高差起伏不大，地質(zhì)情況相對簡單，區(qū)域工程也勢必符合當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)情況而生，由此產(chǎn)生的工程類型可能會存在較多的差異，會導(dǎo)致學(xué)生在工程認(rèn)知方面存在不足。這些都在一定程度上阻礙了人才培養(yǎng)的全面化、綜合性發(fā)展。

建議：在教學(xué)與研究過程中需要合理地引用當(dāng)前工程項目中的新工藝、新技術(shù)、新方法，適當(dāng)?shù)靥蕴滩闹械呐f技術(shù)、舊工藝，遵循課程教學(xué)聯(lián)系當(dāng)前施工新技術(shù)的教學(xué)原則，以施工實際為導(dǎo)向全方位引起教學(xué)的重點，有利用減少學(xué)生與施工實際接觸較少形成的壁壘，從而從教材方面先行，達(dá)到事半功倍的教學(xué)效果。

在了解并學(xué)習(xí)常見的工程材料外，同時提高課程中對新材料的敏感度，在課堂教學(xué)中適當(dāng)引入一些建筑行業(yè)的新型材料，讓學(xué)生先在課下通過不同途徑尋找目前工程行業(yè)發(fā)展已經(jīng)投入生產(chǎn)、即將投入生產(chǎn)的新材料，在課上讓同學(xué)講解新材料的特點及應(yīng)用領(lǐng)域，進(jìn)行展示后同學(xué)互相進(jìn)行交流，這樣不僅可以將被動接受式學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)換為主動探討式學(xué)習(xí)，可以增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性、趣味性，還可以有效激發(fā)學(xué)生的探索興趣、學(xué)習(xí)興趣、思考問題的能力。

2.3?課程評價考核量化不足、可操作性不強(qiáng)

目前，高校理論實踐課課程考查方式主要有平時成績計分、課堂參與出勤率、單元測試、隨堂測試、課后作業(yè)、學(xué)習(xí)報告、理論試卷考查、論文考查等。課程考查方式層出不窮，為多元化考核提供了參考依據(jù)。

原本考查課程的方式僅體現(xiàn)在對學(xué)生理論知識的考核，其考查標(biāo)準(zhǔn)過于單一。通過考試與實驗兩部分為參考依據(jù)，不能完全體現(xiàn)出學(xué)生的創(chuàng)新能力。通過課堂檢測、小組類型的課堂展示、課后作業(yè)均不能有效地反應(yīng)學(xué)生的課程學(xué)習(xí)與掌握情況?？己藰?biāo)準(zhǔn)的改變是為了適應(yīng)“新工科”的建設(shè)要求而進(jìn)行的匹配性改革，但制定出合理的課程考核標(biāo)準(zhǔn)需要進(jìn)行科學(xué)的評價方法。該標(biāo)準(zhǔn)的制定不僅是學(xué)科建設(shè)與教學(xué)改革的重要任務(wù)，也是“新工科”教學(xué)的重要體現(xiàn)之一。

建議：現(xiàn)擬采取一種考核標(biāo)準(zhǔn)多元化的方法，結(jié)合“新工科”教學(xué)培養(yǎng)理念，從知識掌握能力、綠色環(huán)保創(chuàng)新性思維能力、實踐操作能力、項目完成情況、課程論文幾個方面進(jìn)行考核、校準(zhǔn)多元化的評價，從理論、創(chuàng)新思維、動手能力、結(jié)合實際、創(chuàng)作能力多方面出發(fā)，在檢驗中進(jìn)行學(xué)習(xí)總結(jié)并加強(qiáng)鍛煉。多元化的考核標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)點是可以較好地體現(xiàn)出學(xué)生在課程學(xué)習(xí)后的知識積累量，缺點是考核內(nèi)容偏多，側(cè)重點可能會突出不明顯。因此，考核標(biāo)準(zhǔn)還需要繼續(xù)完善，達(dá)到相對科學(xué)、合理、符合學(xué)生的比例標(biāo)準(zhǔn)后進(jìn)行考核，例如標(biāo)準(zhǔn)的實施需要結(jié)合課程同時進(jìn)行，這樣可以有效避免學(xué)生結(jié)課后考核任務(wù)較多產(chǎn)生負(fù)面影響。因為學(xué)生思維能力與寫作能力具有先天差異性明顯這一特點，創(chuàng)新思維與論文的考核占比應(yīng)相對較少。同時，動手能力與理論學(xué)習(xí)能力占比應(yīng)在中等范圍，學(xué)者認(rèn)為，應(yīng)突出學(xué)生結(jié)合工程實際的能力，學(xué)生在校學(xué)習(xí)專業(yè)理論知識后應(yīng)為實際工程而出發(fā)。課程進(jìn)程中以及結(jié)束后，教師及時給予學(xué)生針對性的建議，以有效建議促進(jìn)學(xué)生進(jìn)步和促進(jìn)學(xué)生教學(xué)反思，進(jìn)而達(dá)到檢驗的目的性、有效性。

優(yōu)化學(xué)生對課程教師評價體系，較多高校目前尚未特別關(guān)注學(xué)生對教師的課程評價。評價通常以問卷形式進(jìn)行，問卷的形式缺乏真實性、客觀性，單一的評價方式會在一定程度上限制了教師的教學(xué)方式，因此，各高校需要建立科學(xué)的課堂、課下質(zhì)量評價；完善教學(xué)質(zhì)量評價的指標(biāo)體系，從不同角度出發(fā)，不同課程采用不同的評價指標(biāo)［6］；建議教學(xué)質(zhì)量評價的信息反饋機(jī)制，定期定量地進(jìn)行評價正反饋。

3?“土木工程材料”課程的創(chuàng)新改革

3.1?基礎(chǔ)學(xué)科交叉的理論優(yōu)勢

多學(xué)科交叉是目前高校培養(yǎng)應(yīng)用型、復(fù)合型、創(chuàng)新型人才的重要體現(xiàn)之一［7］。本次學(xué)科交叉將化學(xué)專業(yè)、物理專業(yè)的課程理論知識融入“土木工程材料”課程的水泥、石膏、混凝土、瀝青、石灰等章節(jié)，從化學(xué)工藝、反應(yīng)機(jī)理和物理性質(zhì)角度出發(fā)，跳出傳統(tǒng)的知識框架，更加深入地了解各材料物理特點、化學(xué)反應(yīng)機(jī)理形成工程材料的完整體系，深入了解各材料特性，形成膠凝材料的機(jī)理；促使學(xué)生能夠自主運用化學(xué)物理專業(yè)相關(guān)理論知識掌握工程材料的基本性能以及技術(shù)特征，并能夠在以后的實際施工應(yīng)用中多角度分析其機(jī)理。交叉學(xué)科下的新課程可以充分?jǐn)U展學(xué)生視野，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。同時，引導(dǎo)學(xué)生將我國土木工程行業(yè)發(fā)展需要和可持續(xù)發(fā)展理念相融合，培養(yǎng)學(xué)生的社會責(zé)任感和專業(yè)情感，促使學(xué)生探索出對“土木工程材料”的創(chuàng)新和優(yōu)化設(shè)計方法，培養(yǎng)高素質(zhì)綜合型人才。

3.2?實驗教學(xué)與虛擬現(xiàn)實等信息化技術(shù)相結(jié)合

隨著我國工業(yè)信息化、自動化的深入推廣，新時代的建筑施工技術(shù)也正朝著該方向發(fā)展。中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）不但擁有安全工程、土木工程等一流學(xué)科，還擁有“雙一流”建設(shè)學(xué)科，分別是地質(zhì)學(xué)、地質(zhì)資源與地質(zhì)工程等。我院教師還自主研發(fā)了“新奧法隧道施工工法虛擬仿真實驗”等多種新型模擬仿真實驗平臺，不僅可以實現(xiàn)高度模擬真實的工程施工條件，還能對設(shè)定的實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行理論推導(dǎo)分析，評估實驗的可行性與風(fēng)險性、預(yù)測實驗的結(jié)果等。因此，我校在引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行科技創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)結(jié)合方面、學(xué)科深化理論研究方面、虛擬現(xiàn)實、仿真模擬實驗方面具有潛在優(yōu)勢。利用虛擬仿真實驗與課程教學(xué)結(jié)合，可以有效增強(qiáng)教學(xué)的直觀性、生動性和豐富性，避免危險實驗；能夠達(dá)到污染實驗綠色化、操作盲區(qū)可視化、長時實驗短時化、大型實驗簡要化，可以幫助學(xué)生更好地去探索工程實驗類學(xué)科實驗知識，提高整體學(xué)科素養(yǎng)。在“土木工程材料”實驗課教學(xué)中，實驗教學(xué)可以結(jié)合工程材料方面的已生產(chǎn)創(chuàng)新成果的新材料［8］。在線上進(jìn)行教學(xué)是要確保讓每位學(xué)生在做模擬實驗前都能夠提前進(jìn)行預(yù)習(xí)。線下由任課教師親自進(jìn)行課堂講解、演示、豐富和拓展實驗課程的教學(xué)內(nèi)容，讓學(xué)生親自動手參與，教師與學(xué)生進(jìn)行實驗討論。在培養(yǎng)動手能力的同時，不斷促進(jìn)創(chuàng)新思維的形成。讓學(xué)生真正做到學(xué)習(xí)有所依據(jù)、學(xué)時有所思考，學(xué)后有所收獲。

3.3?創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)、挑戰(zhàn)杯等賽教融合

學(xué)校積極舉辦或組織參與相關(guān)的大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實踐培訓(xùn)、挑戰(zhàn)杯、結(jié)構(gòu)大賽等創(chuàng)新性項目，比賽的內(nèi)容可以與“土木工程材料”理論課程以及實驗教學(xué)環(huán)節(jié)高效緊密結(jié)合，即實現(xiàn)了教學(xué)內(nèi)容可操作化，還鍛煉并增強(qiáng)了學(xué)生的創(chuàng)新性思維能力。大賽組隊鼓勵不同學(xué)院、不同專業(yè)、不同年級學(xué)生交叉組隊參賽，目的就是讓大多數(shù)學(xué)生更積極地參與大賽項目，實現(xiàn)各學(xué)科、各年級的學(xué)生優(yōu)勢互補(bǔ)，用比賽的形式激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維，提升學(xué)生“土木工程材料”方面的理論水平，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維，營造濃厚的科技交流學(xué)習(xí)氛圍，不斷加強(qiáng)大學(xué)生科學(xué)創(chuàng)新精神和社會科學(xué)素養(yǎng)的培養(yǎng)。此外，小組有專業(yè)教師進(jìn)行指導(dǎo)，如果學(xué)生在參賽期間有了新的創(chuàng)意想法，也能夠及時地和實驗教師一起進(jìn)行交流探討。

結(jié)語

在“新工科”工程專業(yè)方向，各工科類院校研究的重點是如何培養(yǎng)新形勢下的土木工程專業(yè)高素質(zhì)復(fù)合型人才，怎樣可以有效提高學(xué)生解決工程問題的實踐能力［9］。本文主要在課程教學(xué)方法上進(jìn)行研究與探索，研究注重以學(xué)生為主導(dǎo)地位，學(xué)生自主學(xué)習(xí)、提前預(yù)習(xí)、課下復(fù)習(xí)，線上線下教學(xué)相結(jié)合的學(xué)習(xí)方式，通過虛擬仿真實驗加強(qiáng)實踐操作能力，通過課程報告、相關(guān)創(chuàng)新性比賽增強(qiáng)實踐操作。為工程行業(yè)發(fā)展凝聚新興力量，為社會主義現(xiàn)代化強(qiáng)國的發(fā)展培養(yǎng)更多具有創(chuàng)新能力、實踐能力和國際競爭力的工程專業(yè)技術(shù)人才。此次土木類學(xué)生在“土木工程材料”課程理論知識體系方面與實踐能力提升方面的探索對于培養(yǎng)應(yīng)用復(fù)合型人才具有重要意義。

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基金項目：全國青年教師教育教學(xué)研究課題（2018?QNJ032）

作者簡介：朱婧（1982—?），女，漢族，湖北武漢人，碩士，講師，研究方向：土木工程材料課程教學(xué)研究。