嚴(yán)敏嘉　張佳敏　何夏萱　蔣明輝　卜曄婷

[摘 要] 在新工科建設(shè)背景下，土木工程專業(yè)亟待從學(xué)習(xí)目標(biāo)、培養(yǎng)方案、教學(xué)模式等方面持續(xù)改進(jìn)，加快培養(yǎng)出符合新工科要求和社會(huì)需要的專業(yè)人才?；诟咝，F(xiàn)有教學(xué)體系，針對(duì)高校開設(shè)的“土木工程材料”課程，本次教學(xué)改革將“土木工程材料”課程、化學(xué)工程與工藝專業(yè)理論知識(shí)進(jìn)行融合教學(xué)，對(duì)該課程教學(xué)方法做出相應(yīng)的探索和改進(jìn)，進(jìn)而提出將化學(xué)工程與工藝專業(yè)課程和土木工程材料課程進(jìn)行融合教學(xué)的策略。改進(jìn)后的教學(xué)方法，可為高校其他工科課程教學(xué)改革提供參考。

[關(guān)鍵詞] 新工科;土木工程材料;化學(xué);課程融合;教學(xué)改革

[基金項(xiàng)目] 2021年度廣西高等教育本科教學(xué)改革工程項(xiàng)目“新工科背景下‘土木工程材料課程與化學(xué)工程與工藝專業(yè)課程融合教學(xué)的探索與實(shí)踐”（2021JGA170）;2021年度廣西高等教育教學(xué)改革工程項(xiàng)目“基于弘揚(yáng)廣西少數(shù)民族文化色彩的建筑學(xué)設(shè)計(jì)色彩課程教學(xué)的探索與實(shí)踐”（2021JGA169）;2019年度廣西民族大學(xué)校級(jí)高等教育教學(xué)改革工程立項(xiàng)項(xiàng)目“以創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育為導(dǎo)向的民族院?！聊竟こ滩牧险n程教學(xué)方法探索與實(shí)踐”（2019XJGY38）

[作者簡(jiǎn)介] 嚴(yán)敏嘉（1991—），女，湖北宜昌人，土木工程博士，廣西民族大學(xué)建筑工程學(xué)院講師，主要從事土木工程專業(yè)教育研究;何夏萱（1992—），女，廣西南寧人，城市設(shè)計(jì)碩士，廣西民族大學(xué)建筑工程學(xué)院教師（通信作者），主要從事建筑學(xué)與土木工程專業(yè)教育研究。

[中圖分類號(hào)] TU-85 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A[文章編號(hào)] 1674-9324（2022）04-0099-04[收稿日期] 2021-08-26

在新工科背景下，土木工程專業(yè)亟待從學(xué)習(xí)目標(biāo)、培養(yǎng)方案、教學(xué)模式等方面持續(xù)改進(jìn)，加快培養(yǎng)出符合新工科要求和社會(huì)需要的專業(yè)人才[1，2]?！巴聊竟こ滩牧稀闭n程具有較強(qiáng)的理論性、綜合性及實(shí)踐性，是土木工程專業(yè)的學(xué)科基礎(chǔ)課程，為后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)及研究工作奠定基礎(chǔ);同時(shí)，該課程也是其他工程類專業(yè)（如建筑學(xué)、工程管理等）的重要課程[3]。因此，針對(duì)該課程進(jìn)行教學(xué)改革的探索，對(duì)土木工程及其他工程類專業(yè)的教學(xué)改革具有重要意義[4-6]。

基于此，本次教學(xué)改革結(jié)合“土木工程材料”課程、化學(xué)工程與工藝專業(yè)理論知識(shí)進(jìn)行融合教學(xué)，有利于開拓土木工程專業(yè)學(xué)生對(duì)工程材料的理解和認(rèn)知，培養(yǎng)同時(shí)掌握土木工程和化學(xué)工程與工藝專業(yè)知識(shí)的復(fù)合型人才[7，8]。同時(shí)，能夠使學(xué)生通過自主創(chuàng)新設(shè)計(jì)試驗(yàn)提高邏輯思維，激發(fā)專業(yè)學(xué)習(xí)能力以及研究潛能，促使學(xué)生運(yùn)用化學(xué)工程與工藝專業(yè)知識(shí)探索出對(duì)土木工程材料的創(chuàng)新和優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。這既是對(duì)我國(guó)當(dāng)前土木工程行業(yè)中材料的傳承與創(chuàng)新，也是對(duì)新工科背景下土木工程專業(yè)課程教學(xué)進(jìn)行多元化探索的嘗試。

一、課程教學(xué)存在的問題

“土木工程材料”課程不僅是高等院校土木工程專業(yè)的學(xué)科基礎(chǔ)課程，同時(shí)也是其他工程類專業(yè)（如建筑學(xué)、工程管理等）的重要課程[3]。該課程主要介紹土木工程行業(yè)中大量應(yīng)用工程材料的概念、基礎(chǔ)理論、基本性能以及在實(shí)際工程中的應(yīng)用特點(diǎn)等，其教學(xué)內(nèi)容與化學(xué)工程與工藝專業(yè)理論課程知識(shí)（如有機(jī)化學(xué)、無機(jī)化學(xué)、高分子化學(xué)等課程知識(shí)）聯(lián)系緊密。

然而，目前“土木工程材料”課程的教學(xué)存在以下不足：一是在教學(xué)過程中，教師并未考慮該課程屬于土木工程專業(yè)和化學(xué)工程與工藝專業(yè)的交叉領(lǐng)域，若教師僅從土木工程角度出發(fā)進(jìn)行教學(xué)，會(huì)導(dǎo)致學(xué)生無法從化學(xué)工程與工藝角度學(xué)習(xí)工程材料。二是該課程僅從工程應(yīng)用的角度向?qū)W生講解工程材料的性能及其應(yīng)用，導(dǎo)致學(xué)生無法運(yùn)用化學(xué)反應(yīng)機(jī)理分析材料的組織、結(jié)構(gòu)和成分，進(jìn)而無法確定其工程應(yīng)用范圍。三是該課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容僅涉及工程材料的一些簡(jiǎn)單性質(zhì)（如力學(xué)性質(zhì)、工藝性質(zhì)）和技術(shù)要求，學(xué)生直接接受相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、規(guī)程和指南而無法跳出其框架的約束，導(dǎo)致無法基于化學(xué)反應(yīng)機(jī)理形成工程材料的完整知識(shí)體系，也不能為土木工程材料課程實(shí)驗(yàn)及自主創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)奠定必要的化學(xué)基礎(chǔ)。

這些問題的存在，與“以學(xué)生為本”，強(qiáng)調(diào)學(xué)生自主性的教學(xué)理念并不相符，直接制約著新工科人才培養(yǎng)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

二、新工科背景下“土木工程材料”課程教學(xué)改革的意義

對(duì)“土木工程材料”課程教學(xué)模式進(jìn)行改革，使高校在新工科背景下，結(jié)合時(shí)代發(fā)展要求培養(yǎng)高素質(zhì)復(fù)合型人才，并具備以下專業(yè)能力：掌握工程材料完整知識(shí)體系;能夠運(yùn)用化學(xué)反應(yīng)機(jī)理分析材料的組織、結(jié)構(gòu)和成分，進(jìn)而確定其工程應(yīng)用范圍;從化學(xué)工程與工藝角度對(duì)工程材料進(jìn)行學(xué)習(xí)和創(chuàng)新;能夠解決與工程材料相關(guān)的復(fù)雜工程問題。

在融合教學(xué)過程中，化學(xué)工程與工藝專業(yè)課程相關(guān)理論知識(shí)為“土木工程材料課程”教學(xué)模式的探索與實(shí)踐提供了理論基礎(chǔ)。在融合環(huán)境下展開土木工程材料課程，學(xué)生可以學(xué)到從古至今各類型工程材料的基本性能、制作原理及應(yīng)用范圍，提升學(xué)生的民族自豪感，培養(yǎng)其專業(yè)情感，達(dá)到課程思政的教學(xué)效果。同時(shí)，學(xué)生可通過自主創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)提高邏輯思維，激發(fā)學(xué)生的專業(yè)學(xué)習(xí)能力以及研究潛能，促使學(xué)生對(duì)土木工程材料進(jìn)行創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)[9]。這既是對(duì)我國(guó)當(dāng)前土木工程行業(yè)中材料的傳承與創(chuàng)新，也是對(duì)土木工程專業(yè)教學(xué)進(jìn)行多元化探索的嘗試。

三、教學(xué)改革的探索與嘗試

為培養(yǎng)符合新工科建設(shè)要求的土木工程專業(yè)人才，本次教學(xué)改革將化學(xué)工程與工藝專業(yè)相關(guān)課程（無機(jī)化學(xué)、物理化學(xué)、有機(jī)化學(xué)等）理論知識(shí)融入“土木工程材料”課程，在有限的學(xué)時(shí)中，讓學(xué)生能夠通過分析工程材料運(yùn)用化學(xué)反應(yīng)機(jī)理來分析材料的組織、結(jié)構(gòu)和成分，進(jìn)而確定其工程應(yīng)用范圍，引導(dǎo)學(xué)生從化學(xué)角度對(duì)土木工程材料進(jìn)行學(xué)習(xí)，同時(shí)啟迪學(xué)生對(duì)現(xiàn)代土木工程材料進(jìn)行探索和優(yōu)化設(shè)計(jì)的自主創(chuàng)新思維。本次教學(xué)改革措施如下。

（一）將“無機(jī)化學(xué)”理論知識(shí)融入“土木工程材料”課程

在《土木工程材料》的“無機(jī)氣硬性膠凝材料”章節(jié)中，現(xiàn)行教材講授了石灰、石膏等材料的基本原材料及生產(chǎn)方式。石灰的生產(chǎn)、熟化、硬化過程均含有氧化還原反應(yīng)，“無機(jī)化學(xué)”中的氧化還原反應(yīng)能夠使學(xué)生了解氧化還原反應(yīng)的方向和進(jìn)度。其中，在石灰的熟化與硬化部分，現(xiàn)行教材僅講述煅燒良好且氧化鈣含量高的生石灰熟化較快、放熱量大且體積增大較多，但并未詳細(xì)解釋其中的化學(xué)反應(yīng)及機(jī)理，導(dǎo)致學(xué)生無法通過化學(xué)機(jī)理解釋反應(yīng)現(xiàn)象，而“無機(jī)化學(xué)”中的熱化學(xué)理論知識(shí)能夠讓學(xué)生掌握利用熱力學(xué)等相關(guān)理論觀點(diǎn)判斷化學(xué)反應(yīng)的方向性和反應(yīng)過程中的能量變化，以及化學(xué)熱力學(xué)的相關(guān)計(jì)算。

針對(duì)石膏的生產(chǎn)過程，因加熱方式、溫度不同，會(huì)得到不同性質(zhì)的石膏產(chǎn)品?，F(xiàn)行教材中僅用文字簡(jiǎn)略講述其過程，未從熱化學(xué)理論解釋其結(jié)果，導(dǎo)致學(xué)生無法從能量吸收、熱化學(xué)理論的角度理解其機(jī)理。同時(shí)，在建筑石膏的硬化過程中，“土木工程材料”教材僅用文字描述了建筑石膏與水拌合后的溶解、化合、凝結(jié)聚成晶體、硬化，并未從無機(jī)化學(xué)的角度分析整個(gè)過程的現(xiàn)象及機(jī)理，導(dǎo)致學(xué)生無法理解其本質(zhì)。實(shí)際上，石膏的凝結(jié)和硬化是一個(gè)連續(xù)的、復(fù)雜的化學(xué)變化過程，而“無機(jī)化學(xué)”中的晶體結(jié)構(gòu)理論知識(shí)，能夠讓學(xué)生通過晶體的特征和質(zhì)點(diǎn)間的相互作用力、晶體的類型與物質(zhì)性質(zhì)的關(guān)系，理解建筑石膏凝結(jié)聚成晶體、晶體成長(zhǎng)共生及離子特征對(duì)溶解度產(chǎn)生影響的本質(zhì)，從而讓學(xué)生從物理化學(xué)的角度理解建筑石膏硬化時(shí)體積微膨脹、硬化后孔隙率較大且具有很強(qiáng)吸濕性等特征。

（二）將“物理化學(xué)”理論知識(shí)融入“土木工程材料”課程

水泥屬于水硬性膠凝材料，是土木工程中非常重要的材料之一，可用“物理化學(xué)”的知識(shí)對(duì)其凝結(jié)硬化的初始反應(yīng)期、潛伏期、凝結(jié)期、硬化期進(jìn)行解釋。例如，在初期反應(yīng)期，水泥與水接觸后立即發(fā)生水化反應(yīng)，溶液過飽和后氫氧化鈣開始結(jié)晶析出。在潛伏期中，水泥表面附著的水化硅酸鈣凝膠阻止水泥與水接觸，所以該階段水化反應(yīng)速度慢，水化放熱小;在水泥中摻入石膏起緩凝作用，其機(jī)理在于石膏與鋁酸三鈣作用產(chǎn)生鈣礬石沉淀在水泥顆粒表面形成保護(hù)膜，阻礙水化反應(yīng)，從而延緩水泥凝結(jié)時(shí)間，而石膏摻入過多則會(huì)繼續(xù)參與反應(yīng)，形成高硫型水化硫鋁酸鈣，產(chǎn)生促凝作用且增大體積，這也是部分實(shí)際工程穩(wěn)定性不良的根本原因。因此，在水泥凝結(jié)硬化部分引入“物理化學(xué)”理論知識(shí)，能夠讓學(xué)生從物理化學(xué)反應(yīng)機(jī)理了解石膏在水泥水化過程中所起的緩凝、促凝原因，由此掌握選取適宜的石膏摻量以避免出現(xiàn)水泥體積穩(wěn)定性不良的方法，從而保障實(shí)際工程的安全穩(wěn)定性。

混凝土的堿-集料反應(yīng)被許多專家稱為混凝土的“癌癥”，是混凝土集料中存在堿活性二氧化硅與混凝土微孔中的堿溶液產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，活性二氧化硅逐步解聚后堿金屬離子吸附在新形成的反應(yīng)產(chǎn)物表面形成堿-硅酸凝膠，遇水膨脹后在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生較大的膨脹應(yīng)力，從而引起混凝土開裂。進(jìn)一步地，空氣、水、二氧化碳等侵入裂縫，引起混凝土碳化和鋼筋銹蝕速度加快，而鋼筋銹蝕產(chǎn)物鐵銹的體積遠(yuǎn)大于鋼筋原來的體積，使得裂縫持續(xù)擴(kuò)大直至造成混凝土工程的綜合性破壞。因此，在堿-集料反應(yīng)部分引入“物理化學(xué)”理論知識(shí)，能夠用物理化學(xué)反應(yīng)機(jī)理向?qū)W生解釋堿-集料反應(yīng)如何造成混凝土耐久性下降，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)使混凝土喪失使用價(jià)值。同時(shí)，教師能夠引導(dǎo)學(xué)生在以后的實(shí)際工程應(yīng)用中避開堿-集料反應(yīng)的必要條件，掌握對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)破壞預(yù)防、修補(bǔ)和挽救的措施，增強(qiáng)實(shí)際工程的安全穩(wěn)定性。

（三）將“有機(jī)化學(xué)”理論知識(shí)融入“土木工程材料”課程

我國(guó)富產(chǎn)石蠟基和中間基瀝青，在土木工程中主要用作防潮、防水、防腐蝕材料，用于屋面及各類防水工程中。瀝青作為有機(jī)膠凝材料，是高分子碳?xì)浠衔锛捌浞墙饘傺苌锝M成的極其復(fù)雜的混合物，其技術(shù)性質(zhì)與化學(xué)組分及其化學(xué)結(jié)構(gòu)有關(guān)。蠟屬于直鏈烷烴為主的化學(xué)結(jié)構(gòu)，蠟的形態(tài)和數(shù)量對(duì)瀝青工程性能具有重大影響。教師可以將“有機(jī)化學(xué)”相關(guān)理論知識(shí)引入分析過程，讓學(xué)生從有機(jī)化學(xué)的角度理解瀝青的技術(shù)性質(zhì)。例如，在高溫環(huán)境下蠟會(huì)使瀝青軟化，導(dǎo)致瀝青路面的高溫穩(wěn)定性降低;而在低溫環(huán)境下，蠟會(huì)使瀝青脆硬，容易出現(xiàn)裂縫;蠟會(huì)使瀝青與石料的黏附性降低，在有水的條件下導(dǎo)致路面石子剝落破壞路面。此外，蠟含量過高，會(huì)降低瀝青路面的抗滑性，影響路面行車安全等。

基于此，在路面工程中需要對(duì)瀝青材料進(jìn)行改性?，F(xiàn)行教材中對(duì)瀝青改性僅說明采用何種材料改進(jìn)瀝青的何種技術(shù)性質(zhì)，并未從有機(jī)化學(xué)機(jī)理角度進(jìn)行分析。教師需要從有機(jī)化學(xué)角度向?qū)W生揭示其機(jī)理，例如，蠟含量較多使其溫度敏感性大，所以工程上會(huì)加入滑石粉、石灰石粉等礦物填充料對(duì)其進(jìn)行改性，減小其溫度敏感性?；鄣闹饕瘜W(xué)成分是含水硅酸鎂，石灰石粉的主要成分為碳酸鈣，瀝青呈單分子狀態(tài)排列在礦物顆粒表面形成結(jié)合力牢固的瀝青薄膜，所以改性后會(huì)使其具有較高的黏性和耐熱性能。

本次教學(xué)改革將化學(xué)工程與工藝專業(yè)的“無機(jī)化學(xué)”“物理化學(xué)”“有機(jī)化學(xué)”課程理論知識(shí)分別融入“土木工程材料”課程的石灰、石膏、水泥、混凝土、瀝青等章節(jié)，促使學(xué)生能夠自主運(yùn)用化學(xué)工程與工藝專業(yè)相關(guān)理論知識(shí)掌握工程材料的技術(shù)特征、基本性能，并能夠在以后的實(shí)際工程應(yīng)用中從化學(xué)工程與工藝專業(yè)理論知識(shí)的角度分析其機(jī)理。同時(shí)，引導(dǎo)學(xué)生將我國(guó)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)生的專業(yè)情感和社會(huì)責(zé)任感，促使學(xué)生探索出對(duì)土木工程材料的創(chuàng)新和優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。

參考文獻(xiàn)

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Teaching Reform of Civil Engineering Materials in Colleges and Universities under the Background of? Emerging Engineering Education

— Integration of Chemical Engineering and Technique Specialty Courses

YAN Min-jia 1， 2， ZHANG Jia-min 1， HE Xia-xuan 1， JIANG Ming-hui 1， BU Ye-ting 1

（1. School of Civil Engineering and Architecture， Guangxi University for Nationalities， Nanning， Guangxi 530006， China; 2. School of Civil Engineering and Architecture， Wuhan University of Technology， Wuhan， Hubei 430070， China）

Abstract： Under the background of the construction of Emerging Engineering Education， the civil engineering specialty urgently needs to continue to improve from the aspects of learning objectives， training programs and teaching modes， so as to speed up the training of professionals to meet the requirements of? Emerging Engineering Education and social needs. Based on the existing teaching system of colleges and universities， and aiming at Civil Engineering Materials course offered by colleges and universities， this teaching reform integrates the course and the theoretical knowledge of chemical engineering and technology， and makes corresponding exploration and improvement on the teaching method of this course. We put forward the teaching strategy of integrating the courses of Chemical Engineering， Technique and Civil Engineering Materials. The improved teaching method can provide reference for the teaching reform of other engineering courses in colleges and universities.

Key words：? Emerging Engineering Education; Civil Engineering Materials; Chemistry; curriculum integration; teaching reform