以新工科需求为导向的土木工程实践课程改革——以土木工程材料课程实践环节为例
时间：2023-01-25 16:40:08 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
崔 冬，徐志洪，赖建中
（1.南京理工大学 理学院，南京 210094；
2.南京理工大学 材料科学与工程学院，南京 210094）
人类社会已经进入了一个前所未有的科技创新活跃阶段。习近平总书记曾经在2016 年举办的全国高校思想政治工作会议上指出，“我们对高等教育的需要比以往任何时候都更加迫切，对科学知识和卓越人才的渴求比以往任何时候都更加强烈”。近年来，教育部立足于“中国制造2025”“大众创业、万众创新”等重大发展战略，主动应对新一轮的科技变革与产业革命，开展新工科建设[1-2]，力争成为全球新一轮工程教育改革的先导者与引领者。新工科高校建设“三部曲”——“北京指南”“复旦共识”“天大行动”的陆续提出，更是直接聚焦未来新兴行业领域，开辟工程教育改革新征途[3]。在新工科建设的大背景下，探索工程人才的培养规律，创新工程人才的培养模式，构筑工程人才的素质框架，已然成为国内高校工科教育急需解决的重要课题。
作为人类作用于自然环境的重要活动之一，土木工程是举足轻重的国民经济支柱型行业。如今，将可持续发展的思想纳入土木工程行业的建设与发展中，实现经济社会与自然环境的协调统一，更是成为当前土木工程行业的关注热点和发展趋势，同时也对土木工程专业培养的毕业生质量提出了更高的要求。在新工科建设思想的战略指导下，国内高校应优化土木工程专业的人才培养模式，构建体系化的实践教学管理机制[4]，从人才培养方案的修订着手，积极推动专业建设、校企合作和产教融合，对土木工程专业进行全面的教学改革，其中，也包括对于课程教学中的实践环节进行深度改革[5-6]。
作为国内高校工科土木建筑类各专业的基础课程之一，土木工程材料课程，其教学任务是向学生阐述土木工程材料的基本理论，让学生明确工程材料的组成要素、制备工艺、组织结构与宏观性能的构效关系；
使学生掌握常见土木工程材料的性能指标、检测手段及其应用场景等基础知识及专业技能[7]。长期以来，国内工科高等教育存在着不同程度上的理论与实践分配不均衡问题。具体表现之一是，在土木工程专业的人才培养方案和教学设计环节，对于实践本身缺乏足够的重视，理论占比大，实验教学的课时相对不足。但是，从学生的知识框架或者是专业需求上来看，土木工程专业的学生毕业后主要从事的设计规划、工程管理及健康监测等就业方向，其实都是更加注重于实用性的。在这种客观情况下，书本中的理论知识固然重要，但更为关键的是要学以致用。国内学生的操作能力相对薄弱，这是不争的事实。因此，必须从课程设计这一源头上加以修正。另外，在现有实验课程的安排中，验证性实验居多，其设置初衷主要是为了支撑教材结论，而非引导学生思考。实验教学方法比较简单，方式也较为单一，主要由指导教师直接进行操作演示。课堂氛围灵活性差，师生互动少，学生的学习积极性难以充分调动，对于学生操作能力的培养达成度更是严重不足。此外，还存在实验考核评价机制不合理、实验教学内容滞后于现代工程技术的实际发展等弊端。上述问题的存在，都直接阻碍了符合新工科内涵的土木工程专业高质量人才的培养。
因此，需要对现有的实验教学方式进行改革，将教学任务由单一型目标转变为复合型目标，保持与现代土木工程技术的同步发展。经过长期探索，结合土木工程专业主干课程实践环节的内容及特点，将存在关联或相似性高的课程实验进行整合、归纳，将传统的验证性实验优化为综合的开放性实验，并引导学生积极开展以发明创造为目标的研究型实验，深化实践课程改革，建设实践教学平台。接下来，以土木工程材料课程为例，阐述以新工科发展需求为导向的土木工程专业课程教学实践环节的实施路径。
作为一种全新的工程教育理念，新工科建设的落足点，是培养具备严谨求实特征、批判性思维、全球化视野、善于沟通与交流等核心竞争力，能够适应甚至引领未来工程发展的复合型人才，可以做到自主学习、终身学习，守正创新，追求卓越。基于新工科的理念内涵，主要尝试从课程内容、实验平台、管理机制和工程实践等几个方面深入开展实践环节的教学改革与创新探索。
（一）脉络清晰，凝练多层次的实践教学课程内容
首先，要在有限的实验课时内，尽可能让课程内容结构完整、脉络清晰，需要在现有的实验内容中进行挑选，合理布局，统筹安排。具体来说，应当加强基础实验的教学内容[6]，保证有关常规材料性能试验的课时数是充足的。比如水泥标准稠度用水量测试、普通混凝土拌合物和易性测试等，这些实验项目作为基础内容需要强化，而那些相对耗时较长的实验项目，比如水泥体积安定性测量、水泥净浆凝结时间测量等，就可以考虑在课堂上以倍速播放实验视频，将实际操作与多媒体手段相结合，保证实验过程的完备性，同时也提升了课堂效率。另外，考虑到某些实验的相似度比较高，可以进行合理的归并、删减。比如混凝土用骨料试验，无论是细骨料——粒径小于4.75 mm 的砂，还是粗骨料——粒径大于4.75 mm 的石子，其筛分析、表观/堆积密度等试验的测定方法是类似的。因此，学生只需系统地学习细骨料的筛分实验，即可掌握重点内容。
其次，化零为整、举一反三，考察学生综合能力。可以考虑将几个有内在关联的实验内容，整理成一个完整的设计综合型实验[6]。例如，普通混凝土配合比设计试验，这一实验涵盖了土木工程材料课程中相关章节的多个知识点，如混凝土用骨料性能、混凝土拌合物试样制备、拌合物和易性测定及立方体抗压强度检验等多项内容，原则上可以整合成一个连贯性很强的综合型实验。在具体的教学过程中，由于是已经讲解过的知识点，指导教师无需亲历亲为，可以只进行必要的口头提示，提供实验装置、场地和源材料，由学生为主体完成实验环节。这样的教学模式，不但提升学生的参与度、活跃课堂气氛，对于培养学生统筹兼顾的全局观念也大有裨益。
再者，把握科技脉搏，增设智能制造内容。在“科教兴国”“智能强国”的时代背景下，新产品、新技术不断问世，为我国科技创新和经济社会发展添薪助力。为了适应当今社会和新兴产业对于高技能复合型人才的迫切需求，“增材制造技术应用”已于2019 年6 月被教育部纳入新增专业名录。俗称“3D 打印”的增材制造技术，是一项通过计算机辅助软件设计与材料加工成型数控系统，将金属、陶瓷和塑料等源材料层层堆叠，从而搭建出实体结构的制造技术，有着“能够引领产业变革的颠覆性技术之一”的美誉，目前在生物医药、服装服饰、集成电路、房屋建筑及航空航天领域都有所应用。结合大数据研究与人工智能系统，可以实现复杂产品的多功能集成优化设计，更是为增材制造技术在材料、工艺、结构和性能等方面的跨越式发展提供支撑。增材制造领域的复合型人才需求日益增加[8]，但是，增材制造专业领域现有的课程体系，主要是在原本相近专业的基础上增设的，人才培养规模总体偏小，理论与实践环节的教学比例协调性不足，培养出来的毕业生与企业需求有一定脱节，现阶段还无法满足社会、行业的需求。另外，如果想要建设出一个真正意义上完备的实验操作平台，考虑到增材制造领域种类繁多，需要购置大量价格不菲的软、硬件设施，这对绝大多数的院系来说，是无法独立支撑的。因此，有限的实验室条件，直接导致增材制造专业的实践教学体系不够完善。鉴于增材制造对于专业教学设备需求的特殊性，在进行课程体系建设时，更需要通盘考虑理论内容与实践环节的协调与均衡，考虑社会、行业与企业的人才需求，让学生在掌握增材制造基础理论知识与实践技能的同时，具备应对不同岗位需求的定制化技能，真正实现人才的个性化培养。
（二）开放共享，打造创新型的实践教学实验平台
工科专业的实验实训平台，通常对于开放时间有着严格的规定，一般只在教学期间对外开放，要求学生在规定的时段完成实验项目，这就导致学生所开展的实验工作往往缺乏深度，只是一味地模仿，一定程度上抑制了学生的发散思维，扼杀了学生的求知欲，也不利于学生创新意识和实践能力的培养。为了营造出自由的学术氛围，在保障日常实验教学的前提下，打破封闭状况，统筹安排实验时间，对于实验室管理与实验教学都进行了改革，尝试打造出开放、共享和创新型实践教学实验平台。
安全有序是高校实验室日常运行的重点。如何建立健全高校实验室的安全保障体系，在确保安全的大前提下保质保量地完成各项实验教学任务，已经成为高校实验室管理部门的工作重点。在实验过程中的任何一个环节里，任何人的安全意识都必须贯彻始终。学生经过实验室安全教育与培训后，可根据实际情况选择感兴趣的课题，全天候地进入到实验实训场所，充分使用设备资源。鼓励行有余力、兴趣盎然的学生参与到教师的科研项目中，将科学研究成果转化为实践教学内容，以研促教。比如，鼓励学生参与教师的混凝土结构耐久性研究课题，了解混凝土中氯离子侵蚀、碱-骨料反应及碳化与钢筋锈蚀等耐久性指标，这样可以让学生更加深刻地理解钢筋混凝土结构耐久性研究的重要性。此类创新型研究活动，作为课堂教学的拓展与延伸，也是学生科学思维培养的重要环节，能够激发学生对于从事科研工作的浓度兴趣，对于学生的职业生涯规划产生潜移默化、润物无声的影响。
同时，以“苏博特”杯混凝土材料设计大赛、“挑战杯”科技学术竞赛和“互联网+”创新创业大赛等活动为载体，鼓励学生积极参与各类创新创业赛事，并提供研究项目供学生挑选，经由各类型学术竞赛与创新创业大赛，以赛促学，培养学生的创业创新精神和团队协作意识。可供选择的研究课题所涉范围广泛、层次丰富，比如，医疗与医技保障功能综合集成的方舱医院，是如何在短短几日内交付竣工，体现“中国速度”的？如何将大数据和BIM 技术结合，做好工程造价信息化的顶层设计，提升工程造价管理绩效？再比如，聚焦“碳达峰”“碳中和”战略目标，开展混凝土与水泥制品全行业的低碳转型研究，以科技创新为能源转型保驾护航。结合工程事故案例，如上海长宁区厂房“5·16”坍塌重大事故、福建泉州欣佳酒店“3·7”房屋坍塌事故和湖南长沙望城区“4·29”居民自建房倒塌事故等，向学生强调材料性能对于工程结构质量的重要性，让学生学会在专业技能与日常生活、生产实践之间建立联系，并以此为契机做好价值引领，塑造学生的社会责任意识与职业道德规范。
（三）智慧课堂，构建体系化的实践教学管理机制
为了培养出适应未来需求的卓越工程科技人才，努力建设智慧型实践教学管理平台，构建体系化的实践教学管理机制。由于土木工程材料课程内容繁多、体系冗杂，因此在实际教学时，教师要格外注重授课内容的精细化，提质去量，梳理脉络，精心组织，将核心内容和重点内容充分展现出来，方便学生进行主次分明、详略得当的学习。而想要深入推进土木工程专业实验教学环节和工程实践的改革，首先需要构建出一支年龄布局合理、学缘结构均衡，基础扎实、技艺精湛、责任心强及认真负责的师资队伍；
同时在不同层次的实验教学中，注重不同专业、年龄层次的教师搭配，充分发挥资深教师的经验优势与青年教师的富有激情和创新精神，多专业交汇、多层次融合，形成一门课程，多名教师协同授课、相互补充和相互促进的教学模式。
重视利用智慧教学媒介的优势，推动实验实践教学的信息化与智能化，促进实验教学与过程管理的深度融合，完善从网络选课、教学管理、安全教育与培训、微课讲解和实践操作到课程考核与评价等全方位、一体化的实践测评体系与教学管理机制，打造辐射课内与课外、线上与线下的智慧型、体系化的工程教育实践教学综合管理系统。高度信息化的管理水平，在一定程度上也将有益于推动高校工程教育实践教学管理机制更加丰富的内涵建设。
（四）知行合一，开展零距离的工程实践教学活动
在“产学研”深度融合、协同育人的指导思想下，土木工程材料课程应该调整授课内容的分配比例，在确认听课学生已充分理解理论专业知识、掌握操作技能后，可适当增加与实际生产密切关联的实践环节。让学生能有机会零距离地接触到实际工程。比如，在墙体材料的实践教学环节，可组织学生到建筑施工现场进行参观、调研，不仅让学生见识到砖、砌块和板材等墙体材料，还可以进一步了解到应根据当地的资源优势和环境因素，因地制宜、因天制宜地进行墙体材料的挑选。例如，我国南方地区工装建筑的墙面材料要多考虑防潮防水、耐候抗压性，而北方地区工装建筑的墙面材料要多考虑保温隔热性。这种专业知识讲授与工程实际生产相互促进、交叉渗透的工程实践教学模式，弥补了单纯课堂教学的不足，大幅度提升了总体的教学效果。
“大厦之成，非一木之材也；
大海之阔，非一流之归也”。在高等院校工科专业的人才培养中，校内教师由于缺乏实际生产与试样设计的实战经验，无论采用何种教学方式，其实也很难精准把握企业需求，这就需要高校与企业层面通力合作、共同发力，协同培养兼具专业技能和创新精神的综合型人才。首先，高校应支持并鼓励专任教师参与到企业项目的实际开发中，近距离接触生产线，积累生产经验，促进学校与企业的深度融合。一方面，这将有助于科技成果向实际生产力转化；
另一方面，也为专任教师培养符合新工科建设需求的应用综合型人才提供源头活水。其次，高校应主动聘请具有丰富施工经验的工程技术人员，作为学校兼职教师定期开办讲座，也可以参与到日常教学中；
并与校内专任教师协力合作，修订人才培养方案；
共同打造工程专业实验实训基地，为增材制造卓越人才教育培养提供物质基础和技术保障。最后，高校应积极接洽发展方向融合点多且融合度高的相关企业，保持长期稳定的合作关系，定期组织师生走入企业调研，熟悉企业生产规范，了解合作企业的文化及运营流程；
开阔眼界、增长见闻，提升学生的应用能力与就业竞争力。
新工科建设如火如荼，对于我国高校工科教育与土木工程专业人才培养提出了新的要求。以土木工程材料课程为例，对土木工程专业的实践教学环节进行深度改革，凝练课程内容，打造实验平台，构建管理机制，开展工程实践，不断升级符合新工科建设内涵要求的教学新方法、教育新途径，在强化基础实验的前提上增加综合型、探索型实验，并与新兴技术结合，鼓励学生以赛促学，兼顾基础专业技能与创新实践能力的全面提升，为培养符合新工科建设需求的高素质人才提供有力保障。
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