王雪帆，徐能雄，張 彬

(中國地質(zhì)大學(xué)(北京),北京 100083)

0 引言

從全球范圍來看,眾多學(xué)者認(rèn)為教育改革中“跑得最快、范圍最廣、影響最深”的是工程學(xué)科教育[1]。近幾十年,逐漸形成“工程科技改變世界,工程教育領(lǐng)跑創(chuàng)新”的趨勢。麻省理工發(fā)布的《全球一流工程教育發(fā)展的現(xiàn)狀》報告中指出,工程教育進(jìn)入了快速和根本性變革時期,最好的工程教育不限于世界一流研究型大學(xué)和小而精的學(xué)校,新的競爭者將為未來優(yōu)秀工程教育建立新的標(biāo)準(zhǔn)[2]。隨著計算機(jī)信息技術(shù)的飛速發(fā)展,工程學(xué)科教育正迎來從量變到質(zhì)變的關(guān)鍵時期。

針對工程教育發(fā)展關(guān)鍵時期,習(xí)近平總書記提出了“新工科建設(shè)”的概念,強調(diào)用好學(xué)科交叉融合的“催化劑”,對傳統(tǒng)工科專業(yè)進(jìn)行升級改造,瞄準(zhǔn)科技前沿和關(guān)鍵領(lǐng)域,加快培養(yǎng)工程領(lǐng)域緊缺人才[3-4]。隨著計算機(jī)信息技術(shù)的飛速發(fā)展,融合數(shù)字化與智能化技術(shù)的土木工程專業(yè)是“新工科”的重要組成部分。在此“新工科”背景下,深入分析土木工程專業(yè)相關(guān)課程的新型教學(xué)模式具有重要意義。一方面,面對多元學(xué)科交叉融合后的土木工程專業(yè),需要探討如何設(shè)計相關(guān)課程的教學(xué)內(nèi)容;另一方面,面對傳統(tǒng)理論與新興技術(shù)相結(jié)合的教學(xué)內(nèi)容,需要思考如何針對性地設(shè)計授課方式。

香港大學(xué)工程學(xué)院于1912年成立,其中土木工程專業(yè)是其優(yōu)勢學(xué)科,處于全球領(lǐng)先位置(2023年QS世界大學(xué)土木工程學(xué)科排名第19位)。香港大學(xué)土木工程系于2014年在工程學(xué)科教育轉(zhuǎn)型時期,進(jìn)行了本科生課程改革,新的課程內(nèi)容與教學(xué)模式更加側(cè)重以項目為基礎(chǔ)的體驗式學(xué)習(xí),注重培養(yǎng)多元化工程人才,讓學(xué)生更早更多的接觸與土木工程相關(guān)的應(yīng)用領(lǐng)域[5]。課程改革后,土木工程系排名穩(wěn)中有升,向全世界提供了大批能夠適應(yīng)高新技術(shù)的創(chuàng)新型人才,在學(xué)術(shù)界和工業(yè)界都享有良好的聲譽。此外,香港大學(xué)是中國香港的一所歷史悠久的綜合性國際化公立研究型大學(xué),在中外文化經(jīng)歷多年沉淀并交流融合的背景下,其本科生課堂教學(xué)模式更加具有參考價值[6]。因此,新工科背景下香港大學(xué)土木工程課堂教學(xué)模式值得進(jìn)行深入的思考與探討。

作者在2018年—2021年期間,連續(xù)三個學(xué)年擔(dān)任香港大學(xué)土木工程系《巖土工程理論與技術(shù)》本科生課程助教,并獲得香港大學(xué)高等教育教學(xué)證書,主要負(fù)責(zé)該課程的隨堂討論、試驗課授課、作業(yè)批改與答疑以及野外實習(xí)等環(huán)節(jié)。綜上,本文以作者擔(dān)任多年助教的《巖土工程理論與技術(shù)》課程為例,回顧并分析香港大學(xué)土木工程系本科生專業(yè)課課堂教學(xué)模式,結(jié)合內(nèi)地高等院校特點,深入探討新工科背景下土木工程專業(yè)課程設(shè)計相關(guān)內(nèi)容。

1 《巖土工程理論與技術(shù)》課程設(shè)計

1.1 課程概述

《巖土工程理論與技術(shù)》是香港大學(xué)土木工程系為高年級本科生開設(shè)的一門專業(yè)必修課程。遵循以學(xué)生為中心的“體驗式”教學(xué)理念,采用“小組式”的教學(xué)模式,結(jié)合課堂研討、試驗操作、野外實習(xí)三種授課方式,由2位教授、5位土木及地質(zhì)行業(yè)專家、2位助教共同講授工程地質(zhì)、巖石力學(xué)與土力學(xué)、工程應(yīng)用三個章節(jié)的內(nèi)容。該課程共64課時,先修課程包括高等數(shù)學(xué)、材料力學(xué)、普通地質(zhì)學(xué)等基礎(chǔ)課程,上課學(xué)生人數(shù)約為110人。

1.2 教學(xué)內(nèi)容

《巖土工程理論與技術(shù)》教學(xué)內(nèi)容主要分為三部分。按授課時間先后順序,第一部分為工程地質(zhì)。該部分教學(xué)內(nèi)容主要講授工程活動與地質(zhì)環(huán)境之間的相互作用[7],可概括為以下幾個方面:1)介紹巖石和土的成分與結(jié)構(gòu),以及相應(yīng)的工程地質(zhì)分類;2)介紹工程場地和周邊地區(qū)中巖體和土體的區(qū)域分布特征與工程地質(zhì)性質(zhì);3)介紹影響工程活動及人類生存安全的各種地質(zhì)作用,包括地震、崩塌、滑坡、泥石流等災(zāi)害;4)掌握工程地質(zhì)基本技能,包括礦物和巖石的識別、羅盤的使用、赤平投影的繪制等;5)了解香港典型地區(qū)的工程地質(zhì)情況。第二部分為巖石力學(xué)與土力學(xué)。該部分教學(xué)內(nèi)容主要講授巖石與土在外界因素作用下的破壞與穩(wěn)定,可概括為以下幾個方面:1)介紹巖體與土體的基本工程特性;2)介紹巖體與土體強度及變形理論;3)介紹巖體與土體的彈塑性本構(gòu)模型;4)了解工程活動中巖土體原位測試方法;5)掌握巖土體室內(nèi)試驗方法。第三部分為工程應(yīng)用。該部分教學(xué)內(nèi)容主要講授典型的巖土工程,可概括為以下幾個方面:1)邊坡工程;2)隧道與地下工程;3)地基工程;4)國際工程項目管理方法及相關(guān)法律法規(guī)。

1.3 教學(xué)模式

《巖土工程理論與技術(shù)》課程涉及的知識點較廣泛,以多方面視角學(xué)習(xí)巖土工程理論與技術(shù),從工程地質(zhì)學(xué)領(lǐng)域的巖石和礦物的基本特性介紹,到構(gòu)造地質(zhì)學(xué)領(lǐng)域的區(qū)域工程地質(zhì)環(huán)境介紹,再到巖石力學(xué)與土力學(xué)相關(guān)的基本理論,最后落腳于工程應(yīng)用。該課程的主要特點是學(xué)習(xí)范圍相對較廣,學(xué)習(xí)深度相對較淺,既注重理論教學(xué)和工程應(yīng)用,又兼顧野外實踐和動手能力。針對這些特點,該課程主要采用了以下教學(xué)模式:

首先,該課程全部內(nèi)容均采用“小組式”教學(xué)模式。學(xué)生根據(jù)各自的情況自由組合,以7名～8名學(xué)生為一個小組,共分15個小組,每個小組設(shè)一名組長。該課程的各個環(huán)節(jié)都以小組形式進(jìn)行,課堂教學(xué)環(huán)節(jié)以小組為單位就坐聽課并開展課堂問題研討,試驗課和操作課環(huán)節(jié)以小組為單位排在不同時間段分別進(jìn)行,野外實習(xí)環(huán)節(jié)以每5個小組為單位在不同的地質(zhì)專家?guī)ьI(lǐng)下進(jìn)行。

其次,該課程針對不同的教學(xué)內(nèi)容采用不同的授課方式:1)對于第一部分(工程地質(zhì))和第二部分(巖石力學(xué)與土力學(xué))的理論教學(xué)內(nèi)容,采用課堂授課及課堂問答方式,由兩位教授進(jìn)行授課;2)對于第一部分的工程地質(zhì)基本技能教學(xué)內(nèi)容,采用操作課授課方式,在實驗室以及校園巖石礦物展覽館,進(jìn)行相關(guān)內(nèi)容的講解并讓每一位學(xué)生自己動手操作,以小組為單位完成操作報告,由兩位助教進(jìn)行授課;3)對于第一部分了解香港典型地區(qū)工程地質(zhì)情況相關(guān)教學(xué)內(nèi)容,采用野外實習(xí)授課方式,實習(xí)地點位于香港馬屎州地區(qū),以小組為單位完成實習(xí)報告,由3位土木及地質(zhì)專家和2位助教編寫實習(xí)手冊并進(jìn)行授課;4)對于第二部分的巖土體室內(nèi)試驗環(huán)節(jié),采用試驗課授課方式,在實驗室進(jìn)行相關(guān)內(nèi)容的講解并讓每一位學(xué)生負(fù)責(zé)部分試驗流程,以小組為單位完成試驗報告,由兩位助教進(jìn)行授課;5)對于第三部分(工程應(yīng)用)的教學(xué)內(nèi)容,采用小組研討課授課方式,由兩位土木及地質(zhì)行業(yè)專家進(jìn)行授課。

最后,該課程的教學(xué)模式遵循以學(xué)生為中心的“體驗式”教學(xué)理念。試驗課和操作課環(huán)節(jié)在助教的帶領(lǐng)下,讓每一位學(xué)生自己動手通過試件和顯微鏡識別巖石和礦物,自己動手學(xué)習(xí)使用羅盤的野外工具,自己動手繪制赤平投影等。野外實習(xí)環(huán)節(jié)在行業(yè)專家及助教的帶領(lǐng)下,讓每一位學(xué)生在現(xiàn)場學(xué)習(xí)香港典型地區(qū)工程地質(zhì)情況。工程應(yīng)用教學(xué)環(huán)節(jié)在土木及地質(zhì)行業(yè)專家的帶領(lǐng)下,通過分享真實工程案例,將理論知識應(yīng)用于工程實踐。

2 《巖土工程理論與技術(shù)》課程設(shè)計及教學(xué)過程的思考

作者作為該課程連續(xù)三個學(xué)年的助教,根據(jù)自身授課經(jīng)歷和學(xué)生反饋,總結(jié)該課程的教學(xué)效果。同時,結(jié)合內(nèi)地高等院校特點,探討應(yīng)如何借鑒并改良該課程的教學(xué)模式,進(jìn)而為設(shè)計新工科背景下內(nèi)地高校土木工程專業(yè)課程提供參考。主要概括為對于教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式、思政元素三方面的思考(見圖1)。

1)關(guān)于教學(xué)內(nèi)容的思考:該課程的教學(xué)內(nèi)容圍繞巖土工程這一條主線,涉及了很多相關(guān)領(lǐng)域,為學(xué)生建立了以巖土工程或工程地質(zhì)為核心的基本理論與實踐體系。課程從不同角度梳理了巖土工程理論與技術(shù),詳細(xì)介紹了工程活動與地質(zhì)環(huán)境之間的相互作用,深入剖析了巖石力學(xué)與土力學(xué)的基本理論與測試方法,全面講解了典型巖土工程案例,為學(xué)生在該領(lǐng)域的學(xué)術(shù)研究和應(yīng)用實踐打下了堅實的基礎(chǔ)。但是,這種課程設(shè)計對于教師的專業(yè)知識以及相關(guān)領(lǐng)域知識儲備提出了較高的要求,需要以巖土工程為主線將相關(guān)知識融會貫通。香港大學(xué)土木工程系選擇了兩位有多年授課經(jīng)驗的教授講述大部分課堂內(nèi)容,同時,選擇了5位土木及地質(zhì)行業(yè)經(jīng)驗豐富的專家講述工程應(yīng)用案例以及帶領(lǐng)野外實習(xí)。因此,內(nèi)地高校土木工程專業(yè)課程需加強師資隊伍建設(shè),并且需要考慮邀請相關(guān)領(lǐng)域的專家或一線工程人員為本科生帶來更加直觀全面的教學(xué)。

2)關(guān)于教學(xué)模式的思考:該課程采用“小組研討式”教學(xué)模式,以“體驗式”作為教學(xué)理念,讓每位同學(xué)都參與了課堂互動、室內(nèi)試驗、動手操作、野外實踐等環(huán)節(jié),提高了本科生的學(xué)習(xí)興趣,提升了課堂活力,讓學(xué)生在自主學(xué)習(xí)的同時,與小組成員溝通合作,共同完成課程的每一個環(huán)節(jié)。在這一過程中,每一位小組成員既是受教者,也是講授者,提高了整體教學(xué)效率。但是,這種教學(xué)模式給授課老師增加了大量的額外工作量。香港大學(xué)土木工程系選擇了兩位助教,主要負(fù)責(zé)試驗課、操作課以及野外實踐,給予獎助學(xué)金的同時,需要完成相應(yīng)的工作時長,并且助教在授課前需要完成一系列的培訓(xùn)工作。因此,內(nèi)地高校土木工程專業(yè)課程設(shè)計可以從兩方面參考:一方面,可以將重點難點理論內(nèi)容改為“大班授課+小組課堂研討”模式,既能提高課堂教學(xué)質(zhì)量,又能減輕相應(yīng)的工作量;另一方面,需要更多重視在讀博士后及博士等資源,完善授課培訓(xùn)及教學(xué)獎勵機(jī)制,為相關(guān)課程補充高質(zhì)量教學(xué)人員。

3)關(guān)于思政元素的思考:新工科背景下,需要從專業(yè)角度培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)責(zé)任感以及家國情懷[8]。該課程這方面涉及的內(nèi)容較少,學(xué)生對于國家在該領(lǐng)域的發(fā)展歷史、工程建設(shè)了解較少,亟需激發(fā)學(xué)生科技報國的使命擔(dān)當(dāng)。因此,內(nèi)地高校土木工程專業(yè)課程設(shè)計,一方面,可圍繞國家重大工程建設(shè)的發(fā)展歷史與實際案例,結(jié)合工程建設(shè)遇到的各種科學(xué)問題與解決方法,講述工程背后的真實故事與人文情懷,激發(fā)工程類本科生的民族自豪感與使命感;另一方面,可圍繞全球范圍內(nèi)重大自然災(zāi)害與重大工程事故,從專業(yè)的角度講述災(zāi)害與事故發(fā)生的原因以及如何進(jìn)行預(yù)警與防范治理,激發(fā)工程類本科生的科學(xué)責(zé)任感,培養(yǎng)具有家國情懷、具有大國工匠精神的優(yōu)質(zhì)工程人才。

3 結(jié)語

香港大學(xué)土木工程本科生專業(yè)課程《巖土工程理論與技術(shù)》具有“體驗式”的教學(xué)內(nèi)容以及“小組研討式”的教學(xué)模式,本文全面總結(jié)了對于該課程設(shè)計的教學(xué)思考。在新工科背景下,內(nèi)地高校土木工程專業(yè)課程建設(shè)需加強師資隊伍的教學(xué)寬度,邀請相關(guān)領(lǐng)域的一線專家分享經(jīng)驗,重視在讀博士等教學(xué)資源并完善相應(yīng)培訓(xùn)機(jī)制,加強思政元素,培養(yǎng)具有科技報國精神的多元化、創(chuàng)新型工程人才。