新时代“双碳”背景下土木工程材料课程教学改革

李秀君 彭斌 宋明洋

摘  要：土木工程材料课程是土木方向的重要专业基础课，有应用范围广、知识体系复杂、实践性高和对学生学习能力要求高等特点。在新时代“双碳”战略背景下，国家要求推进土木工程材料和土木工程向绿色低碳和精细化管理方向发展，对大学生的基础技能和专业技术能力提出新的要求。而目前传统土木工程材料课程教学中存在课程内容多，教材内容滞后，教学与试验结合不足，与学生工作和科研联系不足等问题。因此，应通过工程技术案例化教学，梳理教学内容；进行教学内容改革，增加成熟再生材料及施工工艺，贴近实际工程；进行创新化试验教学，通过创新试验设计与讲解，提升教学效果；推进科研创新研讨化教学，鼓励学生参与科技项目与课题研究等方式，进而全面提升教学效果，提高学生的基础技能和专业技术能力。

关键词：土木工程材料；“双碳”战略；教学模式；教学改革；教学效果

中图分类号：G642        文献标志码：A          文章編号：2096-000X（2023）33-0012-04

Abstract： The course of Building Materials is an important basic course of civil engineering. It has the characteristics of wide application， complex knowledge system， high practicality and high requirement for students' learning ability. Under the background of the "two-carbon" strategy in the new era， the state requires to promote the development of building materials and construction projects to the direction of green， low-carbon and fine management， which puts forward new requirements on the basic skills and professional technical ability of college students. However， there are many problems in the teaching of traditional building materials， such as excessive course content， lagging textbook content， insufficient combination of teaching and experiment， and insufficient connection with students' work and scientific research. Therefore， the teaching content should be sorted out through the case teaching of engineering technology. We carry out the teaching content reform， increase mature recycled materials and construction technology， close to the actual project. We carry out innovative experimental teaching， visually display new materials to improve the teaching effect. We promote research innovation and discussion teaching， encourage students to participate in science and technology projects and subject research and other ways， so as to comprehensively improve the teaching effect， improve students' basic skills and professional technical ability.

Keywords： Building Materials; "Two-carbon" strategy; teaching mode; teaching reform; teaching effect

土木工程材料是土木工程、公路工程、岩土工程等专业的一门重要专业基础课，课程内容较多，包含理论、试验学习和课程实践等内容，对学生学习能力要求较高，如图1所示。而且随着科技与时代的发展，新型土木工程材料和设计方法大量出现，同时国家和社会对土木工程材料不断提出新的需求。

2020年9月22日，习近平主席在第七十五届联合国大会一般性辩论上的讲话中承诺，中国“二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和”。2021年中共中央、国务院印发《国家综合立体交通网规划纲要》明确指出，加快推进绿色低碳发展，交通领域二氧化碳排放尽早达峰[1]。

工程教育是工程学科的重要组成部分，其教学质量和水平是影响我国工程技术人才培养的重要因素之一。我国《工程教育认证标准》要求工程教育以成果导向教育为理念，要求工程教育必须具有扎实的理论基础、广泛的知识面、全面的专业技能，能够与社会需求和国家发展战略相结合。因此在新时代“双碳”战略背景下，高等院校应在人才培养目标、培养理念、教学内容等角度，全面推进工程教育教学改革[2]。在土木工程材料教学时，应根据新时代“双碳”战略背景要求，针对土木工程材料课程特点，结合科学技术发展，革新教学内容与理念，培养学生基本技能和专门技术工作能力。

图1  土木工程材料课程内容与工程应用

一  土木工程材料课程教学中的问题

（一）  课程内容较多，章节逻辑性较弱

土木工程材料课程涉及水泥、石灰、沥青、集料、钢材、沥青混合料和混凝土等材料，不同材料各成体系，互相联系较少，内容繁杂[3]。所以学生学习过程中无法建立清晰的逻辑结构，只能机械记忆不同章节内容，难以抓住重点，进而导致学生学习效率不高、学习难度较大。同时，土木工程材料课程涉及土木工程、公路工程、岩土工程等多个专业，而多个专业学生对不同材料也有各自的侧重点[4]。因此，需要任课教师根据不同专业的侧重点，科学规划不同专业侧重点所占课时，进而提升教学质量。

（二）  教材内容滞后，内容与实际工程脱节

近年来，我国对于可持续发展的重视和对环境保护的需求日益增加，因此新型土木工程材料和施工工艺的发展变得越发迅速。交通运输部在《中国可持续交通发展报告》中提出，要大力推动废旧材料和工业废弃物再生利用，加快建立循环利用的新体系，提高土木工程资源利用效率[5]。而目前，由于传统教材的更新较为缓慢，导致大部分院校的教材内容并未及时更新再生材料的相关技术和施工工艺，从而导致教材内容与实际工程存在脱节的情况。为解决该问题，需要进一步完善土木工程材料课程教学体系，推进校企合作，进而对学生综合素质和专业技能进行培养。针对再生材料的相关知识和技术，高等院校需要尽快调整教育内容，并与实际工程紧密衔接，注重教学的实践性和应用性。同时，还需要建立完善的评估体系，不断地对教学质量和效果进行监控和评估，保障教育质量的稳定和提升。

（三）  教学内容与试验结合不足

《中华人民共和国学位条例》要求高等院校本科毕业生较好地掌握本门学科的基础理论、专门知识、基本技能，具有从事科学研究工作或担负专门技术工作的初步能力[6-7]。土木工程材料课程既包含不同材料的理论知识，也涉及各种材料的性能试验。材料的性能试验与实际工程相关性很高，也可以辅助学生理解相关材料理论知识。但在传统授课中，学生主要学习的内容是不同材料的理论知识，而对各种材料的性能试验关注较少，并且高等院校试验设备通常较为老旧与实际工程中的试验设备差距较大，不利于学生对学科基本技能的学习和专门技术工作能力的形成。

（四）  理论知识与工作、科研方向联系不足

土木工程材料是各种工程结构构件发挥性能的基础，是工程质量的基石。同时土木工程材料也是土木工程学科的重要基础，是土木与水利、岩土工程和桥梁与隧道工程等研究生专业的重要科研方向。目前新型绿色、再生土木工程材料研究占比逐年提高，并大量应用有限元、离散元、分子模拟等软件进行数值模拟研究和工程设计。而在传统土木工程材料课程教学中，对新型绿色、再生土木工程材料及应用于研究的数值模拟软件教学较少，造成学生学习的知识与工作科研方向联系不足，不利于培养学生初步科研工作能力。

二  土木工程材料课程改革思路

当前，我国高等院校正不断推进工程教育改革，加强对学生工程实践与工程思维能力的培养。新型工程教育教学模式应是以学生为主体，以任课教师为主导，构建立体化、多元化的学习、实践、科研和创新体系，培养创新型和应用型高层次人才，满足社会经济发展对工程实践和科技创新的需求。在新型工程教育教学模式下，学生是学习和实践的主体，而任课教师则需充分发挥自身专业知识和教学经验，指导学生的学习和实践，帮助学生建立自主思考和创新的灵感。与传统工程教育相比，新型工程教育教学模式更强调对学生的引导和激发，要求学生深度学习，注重实践和科研能力的培养，使学生掌握创新方法、技能和工程思维。在新型工程教育教学体系下，应以工程实践为中心，构建由基础教育、课程教育、实践教育和科研教育组成的教学体系，全面提高学生对工程实践与工程思维的理解和掌握。同时，在教学中应注重鼓励和引导学生参加创新项目活动，培养创新精神和科研意识，从而帮助学生更好地适应高科技发展的社会需求。

针对目前土木工程材料课程教学中存在的问题，应明确以培养工程应用和科研创新复合型人才为导向，紧密结合“双碳”背景下工程应用和土木工程材料科学发展，采用再生材料工程案例教学、增加再生材料教学内容、理论试验结合教学和科研创新研讨教学等方式，全面培养学生工程应用和科研创新能力。

三  土木工程材料课程改革举措

（一）  土木工程材料与施工技术案例化教学，发掘各章节内在联系

传统土木工程材料教学重点通常在不同材料的化学性质、物理力学特性和技术要求上，忽略了不同材料在工程结构中的作用，学生很难形成系统认识。而采用工程技术案例教学，可以通过介绍不同土木工程材料在工程中的作用，从而串联不同章节内容，使学生形成较为系统的认识。以水泥稳定就地再生基层技术为例，如图2所示，该技术充分利用现有路面的旧材料，具有减少砂石材料、节能降耗、降低工程成本、缩短施工工期和保持原路面不再抬升等优点。目前已广泛应用于公路养护大中修工程，通过讲解水泥稳定就地再生基层技术，可以使学生较为直观地建立水泥及无机结合料的知识体系，并且可以进一步向学生介绍典型路面结构，通过典型的面层、基层、底基層、路基和功能层路面结构，将水泥、集料、石灰、无机结合料、沥青及沥青混合料和建筑功能材料等知识进行串联，使学生建立不同章节的内容联系，进而提升学习效率。

（二）  教学内容改革，增加成熟再生材料及施工工艺

以公路工程为例，《“十四五”公路养护管理发展纲要》要求大力推动废旧路面材料、工业废弃物等再生利用；提出高速公路、普通国省道沥青路面材料循环利用率分别达到95%、80%以上[8]。针对再生材料目前国家、行业、地方政府也已出台相应推荐性标准，并广泛应用于高速和国省县道公路养护大中修工程中，取得良好路用效果。但是，目前高等院校《土木工程材料》教材中，对再生材料介绍相对较少。因此，应结合再生材料发展前景及政策文件要求，在教材和课堂中增加讲解再生材料及其施工工艺等教学内容。同时再生材料及其施工工艺通常涉及水泥基材料、沥青类材料和集料等内容，通过再生材料及其施工工艺的教学，可以加强教学中理论知识与实际工程的联系，也可以增进学生对不同类型土木工程材料知识的学习。目前公路领域主要再生技术有：泡沫沥青冷再生、水泥稳定再生基层、乳化沥青全再生和沥青路面热再生等。

（三）  试验教学创新化，通过创新试验设计与分析提升教学效果

土木工程材料课程包含大量试验内容，传统试验课程教学中，任课教师主要讲解材料的工作性能验证试验，使学生了解材料的物理、力学性质[9-11]。目前，高等院校中试验设备通常较为老旧，与实际工程中的试验设备差距较大，因而在教学中不利于实现理论知识与试验结合的目标。因此高等院校应对试验设备进行更新，同时增加试验课时在土木工程材料课程教学中的占比。并且随着社会对大学生的专业技术和科研能力要求逐渐提高，学生不仅需要完成课程内基础试验学习，也需要通过自发探索、深入学习创新试验，为未来的工作或研究生学习奠定基础。如在基础的半柔性沥青混合料低温弯曲小梁试验中，可采用细观显微镜扫描，观察分析沥青与水泥基材料的分布与黏附对试验结果的影响，并可进一步进行电子显微镜扫描试验，从微观角度分析沥青与水泥基材料的“嵌锁”，研究沥青与水泥基材料的黏附机理。因此，土木工程材料教学改革应采取增加试验课程占比和试验教学创新化培养学生分析和解决问题的能力。

（四）  科研创新研讨化教学，鼓励学生参与科技项目与课题研究

土木工程材料是土木类各学科的基础，学生通过参与土木工程材料方向的科学研究和研讨，可以深化学生对土木工程材料课程知识的学习；提升学生学习效率和科研能力；增进学生学习知识与工作科研联系的作用。因此，应鼓励学生课外积极参与省、市、学校的科技创新项目，或者参与研究生课题研究。通过参与沥青材料相关课题研究，使学生提早接触、学习Materials Studio等分子动力学科研软件，从物质分子微观层面加深对沥青材料化学组成和物理力学性质的理解，提升学生的科研能力；通过沥青混合料小梁构件的数值模拟，让学生了解PFC3D等离散元软件，直观了解集料、沥青、矿粉等不同材料在小梁构件中起到的骨架、填充、黏附作用，提升学生的学习效率，增进学生学习知识与未来科研的联系；通过路面的数值模拟，让学生学习Abaqus等有限元软件，深入了解不同结构层土木工程材料的物理力学特性，增进学生学习知识与工作的联系。综上，土木工程材料教学改革可采用科研创新研讨化教学，鼓励学生参与科技项目与课题研究，进而全面、系统培养学生的工程应用和科研创新能力。

四  结束语

本文通过分析土木工程材料课程传统教学模式，认为传统教学中存在课程内容较多；教材内容滞后，内容与实际工程脱节；教学内容与试验结合不足；理论知识与工作、科研方向联系不足等问题。

在新时代“双碳”背景下土木工程材料课程的教学改革，应以培养工程应用和科研创新复合型人才为导向，通过土木工程材料与施工技术案例化教学，使学生建立不同章节的内容联系，进而提升学习效率；进行教学内容改革，增加成熟再生材料及施工工艺，可以加强教学中理论知识与实际工程的联系，也可以增进学生对不同类型土木工程材料知识的学习；试验教学创新化，更新高等院校试验设备，增加试验课时占比，并通过创新试验分析与设计提升教学效果，培养学生分析和解决问题的能力；推进科研创新研讨化教学，鼓励学生参与科技项目与课题研究，使学生提早接触、学习分子动力学、离散元和有限元等科研工作软件，进而深化学生对课程知识的学习，提升学生学习效率和科研能力，增进学生学习知识与工作科研联系，最终全面、系统地提升学生工程应用和科研创新能力。

参考文献：

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