新時代“雙碳”背景下土木工程材料課程教學改革

李秀君 彭斌 宋明洋

摘 ?要：土木工程材料課程是土木方向的重要專業(yè)基礎課，有應用范圍廣、知識體系復雜、實踐性高和對學生學習能力要求高等特點。在新時代“雙碳”戰(zhàn)略背景下，國家要求推進土木工程材料和土木工程向綠色低碳和精細化管理方向發(fā)展，對大學生的基礎技能和專業(yè)技術能力提出新的要求。而目前傳統(tǒng)土木工程材料課程教學中存在課程內(nèi)容多，教材內(nèi)容滯后，教學與試驗結(jié)合不足，與學生工作和科研聯(lián)系不足等問題。因此，應通過工程技術案例化教學，梳理教學內(nèi)容；進行教學內(nèi)容改革，增加成熟再生材料及施工工藝，貼近實際工程；進行創(chuàng)新化試驗教學，通過創(chuàng)新試驗設計與講解，提升教學效果；推進科研創(chuàng)新研討化教學，鼓勵學生參與科技項目與課題研究等方式，進而全面提升教學效果，提高學生的基礎技能和專業(yè)技術能力。

關鍵詞：土木工程材料；“雙碳”戰(zhàn)略；教學模式；教學改革；教學效果

中圖分類號：G642 ? ? ? ?文獻標志碼：A ? ? ? ? ?文章編號：2096-000X（2023）33-0012-04

Abstract： The course of Building Materials is an important basic course of civil engineering. It has the characteristics of wide application， complex knowledge system， high practicality and high requirement for students' learning ability. Under the background of the "two-carbon" strategy in the new era， the state requires to promote the development of building materials and construction projects to the direction of green， low-carbon and fine management， which puts forward new requirements on the basic skills and professional technical ability of college students. However， there are many problems in the teaching of traditional building materials， such as excessive course content， lagging textbook content， insufficient combination of teaching and experiment， and insufficient connection with students' work and scientific research. Therefore， the teaching content should be sorted out through the case teaching of engineering technology. We carry out the teaching content reform， increase mature recycled materials and construction technology， close to the actual project. We carry out innovative experimental teaching， visually display new materials to improve the teaching effect. We promote research innovation and discussion teaching， encourage students to participate in science and technology projects and subject research and other ways， so as to comprehensively improve the teaching effect， improve students' basic skills and professional technical ability.

Keywords： Building Materials; "Two-carbon" strategy; teaching mode; teaching reform; teaching effect

土木工程材料是土木工程、公路工程、巖土工程等專業(yè)的一門重要專業(yè)基礎課，課程內(nèi)容較多，包含理論、試驗學習和課程實踐等內(nèi)容，對學生學習能力要求較高，如圖1所示。而且隨著科技與時代的發(fā)展，新型土木工程材料和設計方法大量出現(xiàn)，同時國家和社會對土木工程材料不斷提出新的需求。

2020年9月22日，習近平主席在第七十五屆聯(lián)合國大會一般性辯論上的講話中承諾，中國“二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和”。2021年中共中央、國務院印發(fā)《國家綜合立體交通網(wǎng)規(guī)劃綱要》明確指出，加快推進綠色低碳發(fā)展，交通領域二氧化碳排放盡早達峰[1]。

工程教育是工程學科的重要組成部分，其教學質(zhì)量和水平是影響我國工程技術人才培養(yǎng)的重要因素之一。我國《工程教育認證標準》要求工程教育以成果導向教育為理念，要求工程教育必須具有扎實的理論基礎、廣泛的知識面、全面的專業(yè)技能，能夠與社會需求和國家發(fā)展戰(zhàn)略相結(jié)合。因此在新時代“雙碳”戰(zhàn)略背景下，高等院校應在人才培養(yǎng)目標、培養(yǎng)理念、教學內(nèi)容等角度，全面推進工程教育教學改革[2]。在土木工程材料教學時，應根據(jù)新時代“雙碳”戰(zhàn)略背景要求，針對土木工程材料課程特點，結(jié)合科學技術發(fā)展，革新教學內(nèi)容與理念，培養(yǎng)學生基本技能和專門技術工作能力。

圖1 ?土木工程材料課程內(nèi)容與工程應用

一 ?土木工程材料課程教學中的問題

（一） ?課程內(nèi)容較多，章節(jié)邏輯性較弱

土木工程材料課程涉及水泥、石灰、瀝青、集料、鋼材、瀝青混合料和混凝土等材料，不同材料各成體系，互相聯(lián)系較少，內(nèi)容繁雜[3]。所以學生學習過程中無法建立清晰的邏輯結(jié)構(gòu)，只能機械記憶不同章節(jié)內(nèi)容，難以抓住重點，進而導致學生學習效率不高、學習難度較大。同時，土木工程材料課程涉及土木工程、公路工程、巖土工程等多個專業(yè)，而多個專業(yè)學生對不同材料也有各自的側(cè)重點[4]。因此，需要任課教師根據(jù)不同專業(yè)的側(cè)重點，科學規(guī)劃不同專業(yè)側(cè)重點所占課時，進而提升教學質(zhì)量。

（二） ?教材內(nèi)容滯后，內(nèi)容與實際工程脫節(jié)

近年來，我國對于可持續(xù)發(fā)展的重視和對環(huán)境保護的需求日益增加，因此新型土木工程材料和施工工藝的發(fā)展變得越發(fā)迅速。交通運輸部在《中國可持續(xù)交通發(fā)展報告》中提出，要大力推動廢舊材料和工業(yè)廢棄物再生利用，加快建立循環(huán)利用的新體系，提高土木工程資源利用效率[5]。而目前，由于傳統(tǒng)教材的更新較為緩慢，導致大部分院校的教材內(nèi)容并未及時更新再生材料的相關技術和施工工藝，從而導致教材內(nèi)容與實際工程存在脫節(jié)的情況。為解決該問題，需要進一步完善土木工程材料課程教學體系，推進校企合作，進而對學生綜合素質(zhì)和專業(yè)技能進行培養(yǎng)。針對再生材料的相關知識和技術，高等院校需要盡快調(diào)整教育內(nèi)容，并與實際工程緊密銜接，注重教學的實踐性和應用性。同時，還需要建立完善的評估體系，不斷地對教學質(zhì)量和效果進行監(jiān)控和評估，保障教育質(zhì)量的穩(wěn)定和提升。

（三） ?教學內(nèi)容與試驗結(jié)合不足

《中華人民共和國學位條例》要求高等院校本科畢業(yè)生較好地掌握本門學科的基礎理論、專門知識、基本技能，具有從事科學研究工作或擔負專門技術工作的初步能力[6-7]。土木工程材料課程既包含不同材料的理論知識，也涉及各種材料的性能試驗。材料的性能試驗與實際工程相關性很高，也可以輔助學生理解相關材料理論知識。但在傳統(tǒng)授課中，學生主要學習的內(nèi)容是不同材料的理論知識，而對各種材料的性能試驗關注較少，并且高等院校試驗設備通常較為老舊與實際工程中的試驗設備差距較大，不利于學生對學科基本技能的學習和專門技術工作能力的形成。

（四） ?理論知識與工作、科研方向聯(lián)系不足

土木工程材料是各種工程結(jié)構(gòu)構(gòu)件發(fā)揮性能的基礎，是工程質(zhì)量的基石。同時土木工程材料也是土木工程學科的重要基礎，是土木與水利、巖土工程和橋梁與隧道工程等研究生專業(yè)的重要科研方向。目前新型綠色、再生土木工程材料研究占比逐年提高，并大量應用有限元、離散元、分子模擬等軟件進行數(shù)值模擬研究和工程設計。而在傳統(tǒng)土木工程材料課程教學中，對新型綠色、再生土木工程材料及應用于研究的數(shù)值模擬軟件教學較少，造成學生學習的知識與工作科研方向聯(lián)系不足，不利于培養(yǎng)學生初步科研工作能力。

二 ?土木工程材料課程改革思路

當前，我國高等院校正不斷推進工程教育改革，加強對學生工程實踐與工程思維能力的培養(yǎng)。新型工程教育教學模式應是以學生為主體，以任課教師為主導，構(gòu)建立體化、多元化的學習、實踐、科研和創(chuàng)新體系，培養(yǎng)創(chuàng)新型和應用型高層次人才，滿足社會經(jīng)濟發(fā)展對工程實踐和科技創(chuàng)新的需求。在新型工程教育教學模式下，學生是學習和實踐的主體，而任課教師則需充分發(fā)揮自身專業(yè)知識和教學經(jīng)驗，指導學生的學習和實踐，幫助學生建立自主思考和創(chuàng)新的靈感。與傳統(tǒng)工程教育相比，新型工程教育教學模式更強調(diào)對學生的引導和激發(fā)，要求學生深度學習，注重實踐和科研能力的培養(yǎng)，使學生掌握創(chuàng)新方法、技能和工程思維。在新型工程教育教學體系下，應以工程實踐為中心，構(gòu)建由基礎教育、課程教育、實踐教育和科研教育組成的教學體系，全面提高學生對工程實踐與工程思維的理解和掌握。同時，在教學中應注重鼓勵和引導學生參加創(chuàng)新項目活動，培養(yǎng)創(chuàng)新精神和科研意識，從而幫助學生更好地適應高科技發(fā)展的社會需求。

針對目前土木工程材料課程教學中存在的問題，應明確以培養(yǎng)工程應用和科研創(chuàng)新復合型人才為導向，緊密結(jié)合“雙碳”背景下工程應用和土木工程材料科學發(fā)展，采用再生材料工程案例教學、增加再生材料教學內(nèi)容、理論試驗結(jié)合教學和科研創(chuàng)新研討教學等方式，全面培養(yǎng)學生工程應用和科研創(chuàng)新能力。

三 ?土木工程材料課程改革舉措

（一） ?土木工程材料與施工技術案例化教學，發(fā)掘各章節(jié)內(nèi)在聯(lián)系

傳統(tǒng)土木工程材料教學重點通常在不同材料的化學性質(zhì)、物理力學特性和技術要求上，忽略了不同材料在工程結(jié)構(gòu)中的作用，學生很難形成系統(tǒng)認識。而采用工程技術案例教學，可以通過介紹不同土木工程材料在工程中的作用，從而串聯(lián)不同章節(jié)內(nèi)容，使學生形成較為系統(tǒng)的認識。以水泥穩(wěn)定就地再生基層技術為例，如圖2所示，該技術充分利用現(xiàn)有路面的舊材料，具有減少砂石材料、節(jié)能降耗、降低工程成本、縮短施工工期和保持原路面不再抬升等優(yōu)點。目前已廣泛應用于公路養(yǎng)護大中修工程，通過講解水泥穩(wěn)定就地再生基層技術，可以使學生較為直觀地建立水泥及無機結(jié)合料的知識體系，并且可以進一步向?qū)W生介紹典型路面結(jié)構(gòu)，通過典型的面層、基層、底基層、路基和功能層路面結(jié)構(gòu)，將水泥、集料、石灰、無機結(jié)合料、瀝青及瀝青混合料和建筑功能材料等知識進行串聯(lián)，使學生建立不同章節(jié)的內(nèi)容聯(lián)系，進而提升學習效率。

（二） ?教學內(nèi)容改革，增加成熟再生材料及施工工藝

以公路工程為例，《“十四五”公路養(yǎng)護管理發(fā)展綱要》要求大力推動廢舊路面材料、工業(yè)廢棄物等再生利用；提出高速公路、普通國省道瀝青路面材料循環(huán)利用率分別達到95%、80%以上[8]。針對再生材料目前國家、行業(yè)、地方政府也已出臺相應推薦性標準，并廣泛應用于高速和國省縣道公路養(yǎng)護大中修工程中，取得良好路用效果。但是，目前高等院?！锻聊竟こ滩牧稀方滩闹?，對再生材料介紹相對較少。因此，應結(jié)合再生材料發(fā)展前景及政策文件要求，在教材和課堂中增加講解再生材料及其施工工藝等教學內(nèi)容。同時再生材料及其施工工藝通常涉及水泥基材料、瀝青類材料和集料等內(nèi)容，通過再生材料及其施工工藝的教學，可以加強教學中理論知識與實際工程的聯(lián)系，也可以增進學生對不同類型土木工程材料知識的學習。目前公路領域主要再生技術有：泡沫瀝青冷再生、水泥穩(wěn)定再生基層、乳化瀝青全再生和瀝青路面熱再生等。

（三） ?試驗教學創(chuàng)新化，通過創(chuàng)新試驗設計與分析提升教學效果

土木工程材料課程包含大量試驗內(nèi)容，傳統(tǒng)試驗課程教學中，任課教師主要講解材料的工作性能驗證試驗，使學生了解材料的物理、力學性質(zhì)[9-11]。目前，高等院校中試驗設備通常較為老舊，與實際工程中的試驗設備差距較大，因而在教學中不利于實現(xiàn)理論知識與試驗結(jié)合的目標。因此高等院校應對試驗設備進行更新，同時增加試驗課時在土木工程材料課程教學中的占比。并且隨著社會對大學生的專業(yè)技術和科研能力要求逐漸提高，學生不僅需要完成課程內(nèi)基礎試驗學習，也需要通過自發(fā)探索、深入學習創(chuàng)新試驗，為未來的工作或研究生學習奠定基礎。如在基礎的半柔性瀝青混合料低溫彎曲小梁試驗中，可采用細觀顯微鏡掃描，觀察分析瀝青與水泥基材料的分布與黏附對試驗結(jié)果的影響，并可進一步進行電子顯微鏡掃描試驗，從微觀角度分析瀝青與水泥基材料的“嵌鎖”，研究瀝青與水泥基材料的黏附機理。因此，土木工程材料教學改革應采取增加試驗課程占比和試驗教學創(chuàng)新化培養(yǎng)學生分析和解決問題的能力。

（四） ?科研創(chuàng)新研討化教學，鼓勵學生參與科技項目與課題研究

土木工程材料是土木類各學科的基礎，學生通過參與土木工程材料方向的科學研究和研討，可以深化學生對土木工程材料課程知識的學習；提升學生學習效率和科研能力；增進學生學習知識與工作科研聯(lián)系的作用。因此，應鼓勵學生課外積極參與省、市、學校的科技創(chuàng)新項目，或者參與研究生課題研究。通過參與瀝青材料相關課題研究，使學生提早接觸、學習Materials Studio等分子動力學科研軟件，從物質(zhì)分子微觀層面加深對瀝青材料化學組成和物理力學性質(zhì)的理解，提升學生的科研能力；通過瀝青混合料小梁構(gòu)件的數(shù)值模擬，讓學生了解PFC3D等離散元軟件，直觀了解集料、瀝青、礦粉等不同材料在小梁構(gòu)件中起到的骨架、填充、黏附作用，提升學生的學習效率，增進學生學習知識與未來科研的聯(lián)系；通過路面的數(shù)值模擬，讓學生學習Abaqus等有限元軟件，深入了解不同結(jié)構(gòu)層土木工程材料的物理力學特性，增進學生學習知識與工作的聯(lián)系。綜上，土木工程材料教學改革可采用科研創(chuàng)新研討化教學，鼓勵學生參與科技項目與課題研究，進而全面、系統(tǒng)培養(yǎng)學生的工程應用和科研創(chuàng)新能力。

四 ?結(jié)束語

本文通過分析土木工程材料課程傳統(tǒng)教學模式，認為傳統(tǒng)教學中存在課程內(nèi)容較多；教材內(nèi)容滯后，內(nèi)容與實際工程脫節(jié)；教學內(nèi)容與試驗結(jié)合不足；理論知識與工作、科研方向聯(lián)系不足等問題。

在新時代“雙碳”背景下土木工程材料課程的教學改革，應以培養(yǎng)工程應用和科研創(chuàng)新復合型人才為導向，通過土木工程材料與施工技術案例化教學，使學生建立不同章節(jié)的內(nèi)容聯(lián)系，進而提升學習效率；進行教學內(nèi)容改革，增加成熟再生材料及施工工藝，可以加強教學中理論知識與實際工程的聯(lián)系，也可以增進學生對不同類型土木工程材料知識的學習；試驗教學創(chuàng)新化，更新高等院校試驗設備，增加試驗課時占比，并通過創(chuàng)新試驗分析與設計提升教學效果，培養(yǎng)學生分析和解決問題的能力；推進科研創(chuàng)新研討化教學，鼓勵學生參與科技項目與課題研究，使學生提早接觸、學習分子動力學、離散元和有限元等科研工作軟件，進而深化學生對課程知識的學習，提升學生學習效率和科研能力，增進學生學習知識與工作科研聯(lián)系，最終全面、系統(tǒng)地提升學生工程應用和科研創(chuàng)新能力。

參考文獻：

[1] 中共中央 國務院印發(fā)《國家綜合立體交通網(wǎng)規(guī)劃綱要》[EB/OL].https：//www.gov.cn/gongbao/content/2021/content_5593440.htm.

[2] 陳嶸，靳賀松，楊世玉，等.建筑材料課程“六位一體”教學模式的改革探索及應用[J].西南師范大學學報（自然科學版），2021，46（10）：146-152.

[3] 商興艷，周中冠，陳娟.建筑材料實驗課教學改革探索[J].科教導刊，2021（21）：104-106.

[4] 李志新，徐開東，王繼娜，等.“新工科”背景下《建筑材料實驗》教學模式的改革與探索[J].教育現(xiàn)代化，2020，7（19）：40-42.

[5] 《中國可持續(xù)交通發(fā)展報告》發(fā)布[J].空運商務，2021（10）：63.

[6] 中華人民共和國學位條例[J].新法規(guī)月刊，2004（10）：17-18.

[7] 張治國，方蕾，葉黔元，等.新媒體時代基于工程應用型人才培養(yǎng)的塑性力學教學改革[J].高等建筑教育，2020，29（6）：125-132.

[8] 《“十四五”公路養(yǎng)護管理發(fā)展綱要》出臺 加快構(gòu)建統(tǒng)一開放規(guī)范有序養(yǎng)護市場[J].交通企業(yè)管理，2022，37（3）：27.

[9] 曹婷.材料、形式、力的互動：設計導向下建筑材料課程的教學改革[J].建筑學報，2023（1）：98-104.

[10] 李福海，何肖云峰，李瑞，等.建筑材料實驗教學三位一體模式探索[J].實驗室研究與探索，2020，39（3）：155-159，189.

[11] 高健，田繼龍，王喜剛，等.基于應用型轉(zhuǎn)型的“道路建筑材料”課程教學改革研究[J].遼寧科技學院學報，2017，19（3）：59-60.