姜春萌，李雙喜，宮淼淼，宮經(jīng)偉

（新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院，新疆烏魯木齊 830052）

新工科是基于新一輪技術(shù)革命和產(chǎn)業(yè)變革時代背景，以“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”為核心內(nèi)容的工程教育新方向，深化課程教學(xué)改革是新工科建設(shè)的重要突破口[1]。建筑材料是水利水電工程、農(nóng)業(yè)水利工程、工程管理等水利類專業(yè)課程體系中的一門技術(shù)基礎(chǔ)課，其教學(xué)內(nèi)容主要包括無機非金屬材料、金屬材料、有機材料和復(fù)合材料等，課程內(nèi)容復(fù)雜、工程實踐性強，與學(xué)生科學(xué)思維、實操能力及工程意識聯(lián)系緊密，是培養(yǎng)高質(zhì)量應(yīng)用型人才和落實“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”的重要學(xué)科之一[2]。

在傳統(tǒng)教學(xué)模式下，建筑材料課程具有內(nèi)容繁多、知識點分散、實驗占比高、講授方式單一和課時數(shù)偏少等特點，學(xué)生普遍存在“理論知識強記憶”“實踐應(yīng)用難理解”等問題，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)熱情不足、工程認(rèn)知不深入，難以達到新工科建設(shè)背景下“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”提出的目標(biāo)能力要求[3]。針對以上問題，本文擬從水利類專業(yè)建筑材料課程特點出發(fā)，圍繞課程結(jié)構(gòu)、教學(xué)體系、授課方法、評價模式等方面開展探索，提出符合新時代卓越工程師培養(yǎng)目標(biāo)的教學(xué)改革方案，為高校課程教學(xué)模式改革提供參考。

1 水利類專業(yè)建筑材料課程任務(wù)與特點

1.1 課程任務(wù)

水利類專業(yè)建筑材料課程內(nèi)容主要包括建筑材料基本性質(zhì)、無機膠凝材料、水泥混凝土、建筑砂漿、瀝青及瀝青混合料、建筑鋼材、墻體材料、屋面材料、防水材料、絕熱材料、吸聲材料及裝飾材料的基本理論與實驗技能，其中水泥、水泥混凝土、瀝青及防水材料等內(nèi)容是水利類專業(yè)課程教學(xué)的重點。此外，建筑材料實驗是本課程的重要教學(xué)環(huán)節(jié)，通過實驗操作和數(shù)據(jù)分析，可以加深學(xué)生對材料科學(xué)的感性認(rèn)知以及對工程項目的深入理解，培養(yǎng)學(xué)生實操技能、科學(xué)素養(yǎng)和解決工程實際問題的能力[4]。

建筑材料是水利類專業(yè)的基礎(chǔ)性課程，凡從事工程建設(shè)領(lǐng)域的相關(guān)人員均需要具備一定的建筑材料知識儲備。本課程通常在本科第3 學(xué)期或第4 學(xué)期開設(shè)，教學(xué)前要求學(xué)生掌握高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理、材料力學(xué)等基礎(chǔ)知識。課程教學(xué)結(jié)束后，學(xué)生應(yīng)掌握工程常見建筑材料的基本物理力學(xué)性能、工程應(yīng)用范圍、設(shè)計計算理論以及規(guī)范實驗方法。此外，本課程內(nèi)容與水工鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計、水工鋼結(jié)構(gòu)、水工建筑物等后續(xù)課程密切相關(guān)，因此在水利類學(xué)科人才培養(yǎng)體系中具有重要的基礎(chǔ)性地位。

1.2 課程特點

水利類建筑材料課程知識體系龐雜、基礎(chǔ)性要求較高，涉及的材料種類和材料性質(zhì)內(nèi)容繁多、分散。例如水泥、瀝青、石灰、混凝土、鋼筋等，每種材料的邏輯關(guān)系較差，導(dǎo)致各章節(jié)間的課程關(guān)聯(lián)度不高。本課程是一門既要求掌握理論知識又強調(diào)實踐應(yīng)用的專業(yè)學(xué)科，盡管教材中少有復(fù)雜難懂的數(shù)學(xué)公式和邏輯推理，但涉及較多物理、化學(xué)、力學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科知識，綜合性、理論性較強，要求學(xué)生具備一定的基礎(chǔ)知識和較強的理解能力，同時對于授課教師的知識儲備與講授技巧也提出很高要求[5]。此外，建筑材料課程具有鮮明的實驗學(xué)科特點，各章節(jié)理論知識均配有相關(guān)實驗任務(wù)，例如水泥的凝結(jié)時間與標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量實驗、骨料的密度及顆粒級配實驗、混凝土拌合物系列實驗以及硬化混凝土的物理、力學(xué)性能實驗等，對于培養(yǎng)學(xué)生的實踐動手能力和規(guī)范意識具有較高要求。然而，對于國內(nèi)水利類本科院校開設(shè)的建筑材料課程，其理論教學(xué)多為30～40 個課時，實驗教學(xué)為8～14 個課時，相比于其他基礎(chǔ)技術(shù)學(xué)科，課時量偏少。

2 建筑材料傳統(tǒng)教學(xué)現(xiàn)狀與存在的不足

2.1 教學(xué)模式單一，課程交互性不強

建筑材料課程體系至今已沿用三四十年，教材、培養(yǎng)方案以及知識結(jié)構(gòu)較為陳舊，傳統(tǒng)教學(xué)模式以教師講授基本知識點、演示實驗流程為重點，課程教學(xué)過程中的材料基本概念、物理化學(xué)性質(zhì)、力學(xué)及耐久性能、用途范圍，以及實驗教學(xué)過程中的實驗流程、操作要點、計算公式等都需要機械記憶，仍以“教師講授、學(xué)生實踐”的先學(xué)后用模式為主，建筑材料與工程實際相結(jié)合的案例分析和知識講解較少，未能建立成熟的課程交互機制[6]。盡管教師可將PPT、實驗視頻等作為授課媒介，但由于本課程與材料生產(chǎn)端、工程應(yīng)用端結(jié)合緊密，致使學(xué)生對部分概念理解起來比較困難，難以調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和積極性。此外，隨著我國水利工程的快速發(fā)展，超級工程項目建設(shè)逐漸增多，超高性能材料應(yīng)用越發(fā)廣泛，由此衍生的工程和科研新問題廣受關(guān)注，而現(xiàn)階段課程講授內(nèi)容難以及時跟上新時代工程發(fā)展方向。在建筑材料技術(shù)發(fā)展迅速、特種新型材料大量出現(xiàn)、工程應(yīng)用領(lǐng)域愈發(fā)細(xì)化的趨勢下，由一位教師全程授課的模式難以對不同建筑材料特性進行深入、科學(xué)講解。

2.2 課堂講授占比高，實踐聯(lián)動性差

建筑材料課程教學(xué)和實驗教學(xué)仍以教師課堂講授為主，學(xué)生主動學(xué)習(xí)和實驗操作占比較低。實驗教學(xué)是本課程的重要環(huán)節(jié)，通過現(xiàn)場實操和結(jié)果分析，可以豐富學(xué)生感性認(rèn)識、提高學(xué)生科學(xué)實驗技能，進而培養(yǎng)其解決工程實際問題的能力[7]。目前，課程大綱制定的實驗內(nèi)容局限于規(guī)范方法下的建筑材料性能測試，實現(xiàn)順序多為教師講授實驗步驟與操作要點，學(xué)生機械記憶、記錄數(shù)據(jù)、書寫報告，該模式無法調(diào)動學(xué)生主動學(xué)習(xí)的積極性。另外，傳統(tǒng)的建筑材料實驗課程僅圍繞材料基本性質(zhì)展開實驗，例如骨料物理力學(xué)指標(biāo)測試、水泥混凝土配制、拌合物實驗和基本力學(xué)性能實驗等，其類型仍以基礎(chǔ)性實驗、驗證性實驗為主，基于課程內(nèi)容的探索性實驗、創(chuàng)造性實驗、綜合性實驗占比極低，與材料密切相關(guān)的結(jié)構(gòu)性能、施工工藝等知識在實驗教學(xué)中未體現(xiàn)，致使實驗教學(xué)未發(fā)揮培養(yǎng)學(xué)生實踐操作能力的重要作用[8]。

2.3 考核方式單一，學(xué)生獲得感低

傳統(tǒng)的建筑材料課程考核方式以期末考試為主，綜合考慮平時作業(yè)、課堂表現(xiàn)與出勤率、實驗報告完成情況，期末考試成績等，給出最終評分，其中各項指標(biāo)的占比根據(jù)授課教師的要求略有不同。盡管此種方式涉及了課程學(xué)習(xí)的幾個方面，但仍未實現(xiàn)全過程考核，難以反饋教學(xué)效果，未有效調(diào)動學(xué)生的創(chuàng)造性，未增強學(xué)生的參與感。比如，期末考試成績占比較大，學(xué)生通過期末臨時記憶課程知識也能取得不錯的成績；實驗課程評價標(biāo)準(zhǔn)僅以實驗報告為主，缺乏過程考核，對于分組條件下不同學(xué)生的完成情況、貢獻程度無法有效區(qū)分，影響了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情；無論期末考試、平時作業(yè)，還是實驗報告，均為靜態(tài)性文字材料，難以有效表征課堂和實驗過程中各章節(jié)內(nèi)容的差異化特點，對學(xué)生綜合分析能力、科研思維以及表達能力等方面的評價不到位，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)獲得感較低。

3 建筑材料課程模塊化教學(xué)模式探索

3.1 基于“項目驅(qū)動、模塊教學(xué)”的課程體系優(yōu)化

項目驅(qū)動是指將教學(xué)內(nèi)容劃分為不同子模塊，將理論知識融入各個教學(xué)模塊的完成過程中，進而實現(xiàn)理論與實踐相結(jié)合的一種教學(xué)模式[9]。如表1 所示，根據(jù)課程內(nèi)容特點，以梯度化、差異化方式展開建筑材料教學(xué)方案實施，將教學(xué)內(nèi)容劃分為5 個模塊，由擅長相關(guān)領(lǐng)域的不同教師負(fù)責(zé)對應(yīng)項目的理論教學(xué)、實驗演示和項目競賽等工作，并在此過程中針對性地融入虛擬仿真、翻轉(zhuǎn)課堂等教學(xué)手段。通過這種“項目驅(qū)動、模塊教學(xué)”的課程體系優(yōu)化，重新梳理知識點，圍繞項目需求設(shè)計理論和實操課程內(nèi)容，將傳統(tǒng)教學(xué)相互割裂的理論教學(xué)與實驗教學(xué)進行融合，打破二者學(xué)時上的限制，逐步形成自上而下、自下而上雙向發(fā)力的教學(xué)格局[10-11]。

表1 基于項目驅(qū)動的模塊化教學(xué)內(nèi)容及時間安排

3.2 圍繞“理論—實訓(xùn)—競賽”模式的教學(xué)方法創(chuàng)新

改變學(xué)生傳統(tǒng)學(xué)習(xí)過程中“先學(xué)后用”的模式，在不同教學(xué)模塊內(nèi)實現(xiàn)理論學(xué)習(xí)和實踐操作的同步進行，并將精心設(shè)計的競賽單元有針對性地嵌入主要教學(xué)模塊。通過這種“理論—實訓(xùn)—競賽”模式的教學(xué)方法創(chuàng)新，學(xué)生可將課堂上學(xué)到的理論知識及時應(yīng)用于實踐，并且在應(yīng)用過程中實現(xiàn)理論知識的進一步鞏固和加深理解，能夠有效提升學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和成就感[12]。此外，由具有不同專長的教師負(fù)責(zé)課程講授，將科研課題知識穿插到本科教學(xué)課堂中，并通過以綜合性、探索性實驗內(nèi)容為主的學(xué)科競賽，激發(fā)學(xué)生對建筑材料課程的學(xué)習(xí)熱情，提高學(xué)生對理論知識的綜合運用能力，能夠培養(yǎng)學(xué)生的發(fā)散思維和主動思考問題的習(xí)慣，提升其科學(xué)素養(yǎng)，最大限度激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性和科學(xué)探究能動性[13]。

3.3 緊貼“材料+結(jié)構(gòu)+施工”的跨學(xué)科聯(lián)動實踐

新工科建設(shè)著眼于培養(yǎng)面向未來的卓越工程創(chuàng)新人才，其內(nèi)涵表現(xiàn)為學(xué)生能夠利用理論知識指導(dǎo)工程實踐，并通過工程實踐進一步驗證理論知識。為此，設(shè)計多學(xué)科聯(lián)合、多方參與的開放式教學(xué)實踐平臺，以單元競賽為載體，融入多學(xué)科課程知識，構(gòu)建“材料+結(jié)構(gòu)+施工”全鏈條工程人才素質(zhì)培養(yǎng)模式，全面提升水利類專業(yè)學(xué)生的實踐創(chuàng)新能力。例如，在競賽單元4（見表1）開展閘墩建造設(shè)計競賽，需要學(xué)生在建筑材料課程內(nèi)容的基礎(chǔ)上，自行查閱、學(xué)習(xí)教師提供的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計、水工建筑物和水利工程施工等相關(guān)知識并開展設(shè)計計算，然后在實驗室內(nèi)完成支模板、綁鋼筋、澆混凝土、養(yǎng)護拆模等完整施工工序，該過程實現(xiàn)多學(xué)科交叉聯(lián)動，有助于解決工程卓越人才、創(chuàng)新人才培養(yǎng)過程中存在的工程應(yīng)用環(huán)節(jié)薄弱、理論和實踐脫鉤、興趣驅(qū)動不足等問題[14]。

圖1 混凝土材料設(shè)計競賽

3.4 開展“多時段、多元化、多維度”的課程考核評價

傳統(tǒng)的建筑材料課程考核方式較單一，評價結(jié)果難以反饋真實教學(xué)情況，對學(xué)生難以產(chǎn)生激勵效果。為此，在“項目驅(qū)動、模塊教學(xué)”體系、“理論—實訓(xùn)—競賽”方法和“材料+結(jié)構(gòu)+施工”實踐的基礎(chǔ)上，提出多時段、多元化、多維度的課程考核評價方法，成績分?jǐn)?shù)評價占比如圖2 所示。其中，多時段是指在不同教學(xué)模塊下的理論、實訓(xùn)和競賽單元中對學(xué)生的參與和表現(xiàn)情況量化賦分，多元化是指通過競賽答辯、期中測試、翻轉(zhuǎn)課堂授課、結(jié)業(yè)論文等多種方式對學(xué)生課程知識掌握情況進行綜合評價，多維度是指在評價方法中加入學(xué)生合作能力、表達能力、寫作能力、創(chuàng)新能力、動手能力等多種軟性考核指標(biāo)，并且引入小組互評、師生共同參評等機制，實現(xiàn)課程評價體系的真實性和全面性，對于教學(xué)目標(biāo)的達成具有更加積極的反饋[15]。

3.5 適應(yīng)“新工科人才培養(yǎng)需求”的教學(xué)持續(xù)改進

將以上基于項目驅(qū)動的建筑材料模塊化教學(xué)模式在新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)2020 級水利水電工程專業(yè)課程教學(xué)中運行1 個學(xué)期，通過期末成績、項目報告、實操表現(xiàn)、問卷調(diào)研等方式對教改效果進行評價，建立課程教學(xué)的持續(xù)改進機制，如圖3 所示。評價結(jié)果表明，與傳統(tǒng)教學(xué)班級對比，采用本教學(xué)模式的班級成績有明顯提高，學(xué)生學(xué)習(xí)積極性明顯提高，對于理論知識和實驗操作的理解更加透徹。此外，在項目驅(qū)動教學(xué)模式下，積極引導(dǎo)學(xué)生參與基礎(chǔ)科研課題實施，學(xué)期結(jié)束前實施教學(xué)改革的班級成功申報大學(xué)生創(chuàng)新項目3 項（自治區(qū)級1 項、校級2 項），以學(xué)生為第一作者發(fā)表學(xué)術(shù)論文2 篇。需要指出的是，此教學(xué)模式也存在一些不足之處，有待在實踐教學(xué)中持續(xù)改進。例如：（1）競賽單元模式需將班級學(xué)生分為6～8 人的項目小組，部分學(xué)生在項目完成過程中無法發(fā)揮作用，今后需要明確成員角色，更加科學(xué)地設(shè)計競賽內(nèi)容與項目分工；（2）在閘墩設(shè)計制作的交叉實踐競賽單元中，對于設(shè)計規(guī)范性要求偏高，導(dǎo)致材料、設(shè)計和施工三個部分的精力分配和時間分配不合理，今后需對此設(shè)計過程進行簡化，明確以培養(yǎng)學(xué)生對多學(xué)科知識的綜合運用能力為主要目標(biāo)。

圖3 建筑材料課程教學(xué)改革技術(shù)路線

4 結(jié)語

建筑材料是水利類工程專業(yè)的重要基礎(chǔ)課，其教學(xué)質(zhì)量直接關(guān)系水利工程專業(yè)卓越工程師培養(yǎng)計劃的達成效果。本文針對傳統(tǒng)課程教學(xué)中存在的不足，以新工科背景下創(chuàng)新人才培養(yǎng)需求為導(dǎo)向，提出以“項目驅(qū)動、模塊教學(xué)”模式為基礎(chǔ)、以“理論—實訓(xùn)—競賽”體系為方法、以“材料+結(jié)構(gòu)+施工”實踐為導(dǎo)向、以“多時段、多元化、多維度”評價為目標(biāo)的教學(xué)改革思路，并圍繞新工科建設(shè)內(nèi)涵對其進行持續(xù)改進。實踐表明，該教學(xué)模式下學(xué)生專業(yè)知識水平、實操動手能力均得到有效提升，科研創(chuàng)新意識增強，學(xué)習(xí)積極性和主動性大幅提高，取得了初步的教學(xué)成果，可為其他高校課程改革提供參考。