李志鵬 張津瑞 楊榮偉 朱海濤

[摘 要] 我國土木工程基礎(chǔ)設施的大力建設帶動了新型土木工程材料及工藝的迅速發(fā)展。當前“土木工程材料”課程存在教學內(nèi)容陳舊，新材料、新技術(shù)、新工藝的發(fā)展更新緩慢的問題，導致學生對建材試驗課程的學習興趣不高、實際的教學效果不佳等問題?；谛鹿た瓢l(fā)展背景，融合OBE理念，從五個方面提出了若干改革創(chuàng)新舉措：將新型土木工程材料和實驗技術(shù)與教學內(nèi)容有機結(jié)合，延伸和豐富教學內(nèi)容，真正讓學生動起來、忙起來;將專業(yè)設計大賽和大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目融入實驗課程中，著力提升學生分析和解決工程問題的能力;將虛擬現(xiàn)實等信息化技術(shù)應用到實驗課程之中，有效解決部分學生參與度不高的現(xiàn)狀，最終實現(xiàn)培養(yǎng)新工科背景下實踐和創(chuàng)新型人才的目的。

[關(guān)鍵詞] 土木工程材料;新材料和實驗技術(shù);虛擬現(xiàn)實技術(shù)

[基金項目] 2020年度天津大學新工科人才培養(yǎng)平臺“智能建筑與建造人才培養(yǎng)平臺”

[作者簡介] 李志鵬（1982—），男，山西大同人，工學碩士，天津大學建筑工程學院工程師，主要從事綠色混凝土試驗技術(shù)研究。

[中圖分類號] G642.0 [文獻標識碼] A [文章編號] 1674-9324（2022）09-0089-04 [收稿日期] 2021-09-06

一、背景

“土木工程材料”課程屬于土木工程專業(yè)課程中的核心課程，是構(gòu)成整個土木工程項目的基石。當前，一些學者對“土木工程材料”課程進行了教學改革探討，主要集中在如何解決土木工程材料課程課時少、教學內(nèi)容繁雜、提高學生的參與度以及調(diào)動學生自主學習的能力等方面的問題。劉冰宇等人結(jié)合“三創(chuàng)”教育對土木工程材料課程進行創(chuàng)新，旨在激發(fā)學生的創(chuàng)新能力[1]。時國松等主張采用項目驅(qū)動法進行土木工程材料課程改革，提出改變課堂考核機制，從創(chuàng)新驅(qū)動和任務驅(qū)動兩大方向著手課程改革[2]。曲廣雷等人結(jié)合“雨課堂+PBL”的教學模式，對土木工程材料課程進行了教學改革與實踐，旨在探索契合工程教育專業(yè)認證“解決復雜工程問題”理念的教學方法，豐富工程教育理論，提供一種簡單、可行的“土木工程材料”課程教學方法[3]。

總之，“土木工程材料”課程的特點在于知識面廣泛、理論與實踐緊密結(jié)合。當前，新工科建設和“工程教育專業(yè)認證”稱為熱點問題，新工科是一種新的工科形態(tài)，是對教育理念、專業(yè)結(jié)構(gòu)、培養(yǎng)模式、教學質(zhì)量、發(fā)展體系的提升;工程教育的OBE（Outcomes-Based Education）理念堅持以成果為導向、以學生發(fā)展為中心、持續(xù)改進的現(xiàn)代工程本科教育教學理念，為新一代工科的教學落實工作提供了重要參考[4]。高校從事工科專業(yè)教育教學改革發(fā)展應以我國新工科教育理念實踐為發(fā)展牽引，嘗試積極探索新的工科教學模式。

二、課程教學現(xiàn)狀分析

“土木工程材料”課程涉及理論教學和實驗教學，其教學目標是讓學生熟練掌握土木工程材料的基本概念及原理;熟練掌握土木工程材料性質(zhì)與材料結(jié)構(gòu)的相關(guān)關(guān)系;了解土木工程新材料及實驗新技術(shù)。本文從教學內(nèi)容和教學方法兩個方面對“土木工程材料”教學實踐現(xiàn)狀進行分析。

（一）教學內(nèi)容

在課堂教學中，“土木工程材料”課程主要講授土木工程材料基本性質(zhì)，無機膠凝材料、水泥混凝土、水泥砂漿、建筑鋼材、木材、建筑高分子材料等材料性質(zhì)與材料結(jié)構(gòu)的關(guān)系，各種材料的力學性質(zhì)、測定方法及影響因素。隨著土木工程新材料、新技術(shù)不斷地更新迭代，“土木工程材料”課程以介紹傳統(tǒng)土木工程材料的基本理論知識為主，內(nèi)容偏于陳舊且時效性差，導致學生對新型土木工程材料了解較少，對傳統(tǒng)課堂內(nèi)容的興趣不高。

課程的實驗教學包括土木工程材料的基本性質(zhì)實驗、水泥實驗、無機膠凝材料實驗、水泥砂漿質(zhì)量指標檢測及配合比設計實驗、新拌混凝土和易性及強度檢測實驗、鋼筋力學性能實驗、石油瀝青實驗等。這些實驗教學項目按照預先分配的課時分散進行，試驗課程涉及的試驗偏于單一，不適合學生進行整體試驗內(nèi)容的了解，所學內(nèi)容未能形成一個整體，同時也缺乏對實驗新技術(shù)的了解。

因此，在當今新工科建設背景下，結(jié)合工程教育OBE理念，開展“土木工程材料”課堂教學和實驗教學內(nèi)容的創(chuàng)新與實踐是十分必要的。

（二）教學方法

“土木工程材料”大多通過各種多媒體電子課件形式進行課堂教學，以任課教師主動講解和學生操作課堂演示內(nèi)容為主，學生被動接受所學知識，課堂教學枯燥無味，課堂教學以任課教師為指導主體，學生被動接受灌輸，缺少課堂師生互動，學生自主學習知識的積極性不高，不利于知識的掌握與專業(yè)培養(yǎng)。試驗課程的教學內(nèi)容相對陳舊，教學內(nèi)容繁雜，知識點眾多，而學時有限，教學任務量大。建筑材料領(lǐng)域的新材料及新工藝未能在日常的試驗教學課程中體現(xiàn)出來，特別是建筑材料試驗課程，并未針對新型土木工程材料編制并設計相應的試驗課程;同時建材試驗課程目前沒有進行過相應內(nèi)容的更新，導致學生在實際學習的過程中興趣不高。在新工科背景下建筑領(lǐng)域與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的融合也勢在必行，如何將互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與傳統(tǒng)的混凝土技術(shù)進行有機結(jié)合實現(xiàn)智能建造的目的，也是目前試驗課程改革的一個方向。

三、教學改革與創(chuàng)新

基于以上存在的問題，結(jié)合新工科建設和工程教育改革理念，從五個方面提出了改革舉措，形成了“土木工程材料”課程改革思路（如圖1所示）。

（一）將土木工程新材料納入課堂教學中

隨著新材料的不斷發(fā)展，可以將土木工程新材料納入課堂教學中。在土木工程領(lǐng)域應用較為成熟的新型材料有：透水混凝土、自修復混凝土材料、FRP復合材料、高強混凝土等。

本文以透水混凝土、自修復混凝土材料為例進行講解。透水混凝土是一種無細骨料的多孔、輕質(zhì)結(jié)構(gòu)[5]，透水性和透氣性良好，能夠有效緩解城市內(nèi)澇，改善城市生態(tài)環(huán)境。透水混凝土一般多用在輕交通情況下，例如人行道或者小區(qū)路面[6]。自修復混凝土是混凝土向智能化發(fā)展的產(chǎn)物?；炷猎谕饬蛘攮h(huán)境作用下會產(chǎn)生裂縫，影響使用壽命。自修復混凝土能夠?qū)⒎置诔龅酿そY(jié)液滲透到裂縫中，使其裂縫重新愈合，實現(xiàn)恢復甚至提高混凝土性能的效果[7]，確?；炷两Y(jié)構(gòu)安全并延長使用壽命。美國伊利諾伊大學的ATRE實驗室在混凝土橋面上使用脆性管和密封膠進行橫向收縮裂縫現(xiàn)場控制和修復，發(fā)現(xiàn)由于修復膠黏劑彈性模量低，相比未開裂前，裂縫愈合區(qū)表現(xiàn)出更大的變形能力[8]。

以上土木工程新材料可以采用線下和線上教學相結(jié)合的方式，學生在線上完成相關(guān)知識的學習，線下可以以研討的方式讓學生展現(xiàn)所學知識，并討論新材料的特點及應用領(lǐng)域，增強學生學習的主動性。

（二）將先進實驗技術(shù)體現(xiàn)在實驗環(huán)節(jié)中

先進的實驗技術(shù)為土木工程材料發(fā)展注入了強心劑。隨著我國工業(yè)4.0建筑過程工業(yè)化深入推廣，建筑施工信息技術(shù)正朝著工業(yè)信息化和全自動化的方向快速發(fā)展[9]。3D打印混凝土在建造過程中實現(xiàn)了無模板應用，同時不需要機械振搗，減少了對人力資源和資金的需求，推動了建筑行業(yè)的自動化生產(chǎn)。3D打印混凝土技術(shù)按照數(shù)字模型成型的行進路徑，將水泥基材料作為打印材料，通過層層堆疊，最終形成三維結(jié)構(gòu)或者構(gòu)件的技術(shù)。在“土木工程材料”實驗教學中，可以有機結(jié)合土木工程實驗材料新技術(shù)，采用線上線下相結(jié)合的方式，線上讓學生了解土木工程材料實驗新技術(shù)的概念及基本原理，線下豐富和拓展實驗教學內(nèi)容，真正讓學生動起來、忙起來。

（三）以賽促教，賽教融合，提升教學質(zhì)量

大賽為大學生量身打造科技實踐創(chuàng)新平臺，不斷加強培養(yǎng)大學生的科學創(chuàng)新精神和社會科學素養(yǎng)，提升工程師的實踐創(chuàng)新能力，促進校際的科技文化交流。以賽促教，賽教融合，可以提升教學質(zhì)量。結(jié)合每年舉辦的3D打印混凝土龍舟大賽，通過比賽提升學生的土木工程材料方面的理論水平與實踐能力。在參賽過程中，通過混凝土配合比性能設計檢查環(huán)節(jié)，考查參賽學生3D打印混凝土設計方案的合理性、科學性、經(jīng)濟性和適用性;考查參賽學生的理論基礎(chǔ)、掌握成熟程度和綜合動手操作能力;通過動手操作和技能訓練環(huán)節(jié)，考查參賽學生動手操作的規(guī)范性、熟練程度及現(xiàn)場凝土配合比性能調(diào)整的主動應變能力;通過拌合物工作性能預估評價檢查環(huán)節(jié)，考查參賽學生設計所得新型的拌合物混凝土綜合工作性能與期望結(jié)果之間的性能匹配合理程度、操作規(guī)范性、分析嚴謹性和理論科學性。大賽充分鍛煉了參賽學生的語言溝通表達能力和團隊協(xié)調(diào)合作意識。該大賽對大學生土木工程材料實踐能力的培養(yǎng)有極強的推動作用。

此外，由教育部無機非金屬專業(yè)教學指導委員會主辦的全國大學生混凝土材料設計大賽極具創(chuàng)造性和挑戰(zhàn)性。積極動員學生參加此大賽，能夠提高學生的土木工程材料領(lǐng)域的理論水平與綜合實踐能力。通過專業(yè)知識筆試、配合比設計及試驗操作三方面，綜合考查學生的土木工程材料基礎(chǔ)理論知識及混凝土配合比自主設計等應用能力。通過參加此大賽，可以提升學生的動手和創(chuàng)新能力、運用專業(yè)知識和相關(guān)工具解決問題的能力，這些能力的提升也符合新工科建設思想及工程教育OBE理念。

（四）與大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目高效結(jié)合

高校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育改革是中央高校教育教學改革的突破口和重中之重[10]。將全國大學生高校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實踐訓練項目與“土木工程材料”的實驗教學各個環(huán)節(jié)高效緊密結(jié)合，在任課教師的專業(yè)指導下，讓廣大學生更加能夠主動地積極投入實踐教學中。這種全新的課堂實踐教學方式能夠有效引導學生主動進行思考，在教學實驗中如果學生發(fā)現(xiàn)到了問題，能夠及時地和實驗教師一起進行交流探討。在開展創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實踐訓練項目中，鼓勵學生提前接觸各類科研項目，走進實驗室，協(xié)助研究生開展科研實驗，能夠充分調(diào)動學生參與各類科研活動的興趣，積極培養(yǎng)大學生的實踐能力。

（五）實驗教學與虛擬現(xiàn)實等信息化技術(shù)有機結(jié)合

實驗教學是“土木工程材料”教學課程的重要環(huán)節(jié)，但由于實驗室教學客觀條件的限制，通常是由任課教師親自進行課堂講解、演示，或者教師播放一段課堂相關(guān)實驗教學視頻后，由6～8名學生組成主導小組共同開展課堂實驗，這種教學模式導致課堂實驗往往由個別同學主導進行，部分學生的實驗參與度不高，很難通過整個課堂實驗教學步驟來加深對實驗基礎(chǔ)知識的深入理解?？梢詫⑻摂M現(xiàn)實等信息化技術(shù)與實驗教學有效結(jié)合，首先嘗試采用“一人一機”的教學形式讓學生進行模擬實驗操作，確保每位實驗學生對具體實驗教學目的、方法、步驟和結(jié)果數(shù)據(jù)分析等內(nèi)容有充分的了解后，再開展實體性實驗。這樣不僅可以保證讓每位學生對所完成的實驗做到心中有數(shù)，也可以有效避免因?qū)W生實驗操作不熟練而導致的各種安全隱患。

在當今新工科體系建設和工程教育專業(yè)認證發(fā)展背景下，本文基于教學內(nèi)容和教學方法進行了“土木工程材料”的教學現(xiàn)狀分析。接著基于新工科融合OBE，提出了改革舉措：將土木工程新材料和實驗新技術(shù)納入教學中，延伸和豐富教學內(nèi)容，真正讓學生動起來、忙起來;將專業(yè)設計大賽和大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目融入實驗課程中，著力提升學生分析和解決工程問題的能力;將虛擬現(xiàn)實等信息化技術(shù)應用到實驗課程之中，有效改善部分學生參與度不高的現(xiàn)狀，同時也改善教學內(nèi)容繁多課時緊張的現(xiàn)狀。通過“土木工程材料”課程的教學改革，可提高教學質(zhì)量，實現(xiàn)培養(yǎng)新工科背景下實踐和創(chuàng)新型人才的目的。

參考文獻

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Exploration and Practice of the Teaching of Civil Engineering Materials Course with OBE Concept under the Background of “Emerging Engineering Education”

LI Zhi-peng， ZHANG Jin-rui， YANG Rong-wei， ZHU Hai-tao

（School of Architecture and Engineering， Tianjin University， Tianjin 300350， China）

Abstract： The vigorous construction of civil engineering infrastructure in China has led to the rapid development of new civil engineering materials and technology. At present， there are some problems in the course of Civil Engineering Materials， such as the outdated teaching content， the slow updating of the development of new materials， new technologies and new processes， which leads to students’ low interest in the study of the Building Materials Experiment Course and the poor teaching effect of the course. Based on the development background of “emerging engineering education” and the OBE concept， this paper puts forward several reform and innovation measures from five aspects： organically combining new civil engineering materials and experimental technology with the teaching content， extending and enriching the teaching content， and really making students busy in study; integrating the professional design competition and college students’ innovation and entrepreneurship projects into the experimental courses to improve students’ ability to analyze and solve engineering problems; applying virtual reality and other information technologies experimental courses can effectively solve the current problem of low participation of some students， and finally achieve the goal of training practical and innovative talents under the background of “emerging engineering education”.

Key words： Civil Engineering Materials; new materials and experimental technology; virtual reality technology