新工科背景下融合OBE的土木工程材料教学探索与实践

李志鹏 张津瑞 杨荣伟 朱海涛

[摘 要] 我国土木工程基础设施的大力建设带动了新型土木工程材料及工艺的迅速发展。当前“土木工程材料”课程存在教学内容陈旧，新材料、新技术、新工艺的发展更新缓慢的问题，导致学生对建材试验课程的学习兴趣不高、实际的教学效果不佳等问题。基于新工科发展背景，融合OBE理念，从五个方面提出了若干改革创新举措：将新型土木工程材料和实验技术与教学内容有机结合，延伸和丰富教学内容，真正让学生动起来、忙起来;将专业设计大赛和大学生创新创业项目融入实验课程中，着力提升学生分析和解决工程问题的能力;将虚拟现实等信息化技术应用到实验课程之中，有效解决部分学生参与度不高的现状，最终实现培养新工科背景下实践和创新型人才的目的。

[关键词] 土木工程材料;新材料和实验技术;虚拟现实技术

[基金项目] 2020年度天津大学新工科人才培养平台“智能建筑与建造人才培养平台”

[作者简介] 李志鹏（1982—），男，山西大同人，工学硕士，天津大学建筑工程学院工程师，主要从事绿色混凝土试验技术研究。

[中图分类号] G642.0 [文献标识码] A [文章编号] 1674-9324（2022）09-0089-04 [收稿日期] 2021-09-06

一、背景

“土木工程材料”课程属于土木工程专业课程中的核心课程，是构成整个土木工程项目的基石。当前，一些学者对“土木工程材料”课程进行了教学改革探讨，主要集中在如何解决土木工程材料课程课时少、教学内容繁杂、提高学生的参与度以及调动学生自主学习的能力等方面的问题。刘冰宇等人结合“三创”教育对土木工程材料课程进行创新，旨在激发学生的创新能力[1]。时国松等主张采用项目驱动法进行土木工程材料课程改革，提出改变课堂考核机制，从创新驱动和任务驱动两大方向着手课程改革[2]。曲广雷等人结合“雨课堂+PBL”的教学模式，对土木工程材料课程进行了教学改革与实践，旨在探索契合工程教育专业认证“解决复杂工程问题”理念的教学方法，丰富工程教育理论，提供一种简单、可行的“土木工程材料”课程教学方法[3]。

总之，“土木工程材料”课程的特点在于知识面广泛、理论与实践紧密结合。当前，新工科建设和“工程教育专业认证”称为热点问题，新工科是一种新的工科形态，是对教育理念、专业结构、培养模式、教学质量、发展体系的提升;工程教育的OBE（Outcomes-Based Education）理念坚持以成果为导向、以学生发展为中心、持续改进的现代工程本科教育教学理念，为新一代工科的教学落实工作提供了重要参考[4]。高校从事工科专业教育教学改革发展应以我国新工科教育理念实践为发展牵引，尝试积极探索新的工科教学模式。

二、课程教学现状分析

“土木工程材料”課程涉及理论教学和实验教学，其教学目标是让学生熟练掌握土木工程材料的基本概念及原理;熟练掌握土木工程材料性质与材料结构的相关关系;了解土木工程新材料及实验新技术。本文从教学内容和教学方法两个方面对“土木工程材料”教学实践现状进行分析。

（一）教学内容

在课堂教学中，“土木工程材料”课程主要讲授土木工程材料基本性质，无机胶凝材料、水泥混凝土、水泥砂浆、建筑钢材、木材、建筑高分子材料等材料性质与材料结构的关系，各种材料的力学性质、测定方法及影响因素。随着土木工程新材料、新技术不断地更新迭代，“土木工程材料”课程以介绍传统土木工程材料的基本理论知识为主，内容偏于陈旧且时效性差，导致学生对新型土木工程材料了解较少，对传统课堂内容的兴趣不高。

课程的实验教学包括土木工程材料的基本性质实验、水泥实验、无机胶凝材料实验、水泥砂浆质量指标检测及配合比设计实验、新拌混凝土和易性及强度检测实验、钢筋力学性能实验、石油沥青实验等。这些实验教学项目按照预先分配的课时分散进行，试验课程涉及的试验偏于单一，不适合学生进行整体试验内容的了解，所学内容未能形成一个整体，同时也缺乏对实验新技术的了解。

因此，在当今新工科建设背景下，结合工程教育OBE理念，开展“土木工程材料”课堂教学和实验教学内容的创新与实践是十分必要的。

（二）教学方法

“土木工程材料”大多通过各种多媒体电子课件形式进行课堂教学，以任课教师主动讲解和学生操作课堂演示内容为主，学生被动接受所学知识，课堂教学枯燥无味，课堂教学以任课教师为指导主体，学生被动接受灌输，缺少课堂师生互动，学生自主学习知识的积极性不高，不利于知识的掌握与专业培养。试验课程的教学内容相对陈旧，教学内容繁杂，知识点众多，而学时有限，教学任务量大。建筑材料领域的新材料及新工艺未能在日常的试验教学课程中体现出来，特别是建筑材料试验课程，并未针对新型土木工程材料编制并设计相应的试验课程;同时建材试验课程目前没有进行过相应内容的更新，导致学生在实际学习的过程中兴趣不高。在新工科背景下建筑领域与互联网技术的融合也势在必行，如何将互联网技术与传统的混凝土技术进行有机结合实现智能建造的目的，也是目前试验课程改革的一个方向。

三、教学改革与创新

基于以上存在的问题，结合新工科建设和工程教育改革理念，从五个方面提出了改革举措，形成了“土木工程材料”课程改革思路（如图1所示）。

（一）将土木工程新材料纳入课堂教学中

随着新材料的不断发展，可以将土木工程新材料纳入课堂教学中。在土木工程领域应用较为成熟的新型材料有：透水混凝土、自修复混凝土材料、FRP复合材料、高强混凝土等。

本文以透水混凝土、自修复混凝土材料为例进行讲解。透水混凝土是一种无细骨料的多孔、轻质结构[5]，透水性和透气性良好，能够有效缓解城市内涝，改善城市生态环境。透水混凝土一般多用在轻交通情况下，例如人行道或者小区路面[6]。自修复混凝土是混凝土向智能化发展的产物。混凝土在外力或者环境作用下会产生裂缝，影响使用寿命。自修复混凝土能够将分泌出的黏结液渗透到裂缝中，使其裂缝重新愈合，实现恢复甚至提高混凝土性能的效果[7]，确保混凝土结构安全并延长使用寿命。美国伊利诺伊大学的ATRE实验室在混凝土桥面上使用脆性管和密封胶进行横向收缩裂缝现场控制和修复，发现由于修复胶黏剂弹性模量低，相比未开裂前，裂缝愈合区表现出更大的变形能力[8]。

以上土木工程新材料可以采用线下和线上教学相结合的方式，学生在线上完成相关知识的学习，线下可以以研讨的方式让学生展现所学知识，并讨论新材料的特点及应用领域，增强学生学习的主动性。

（二）将先进实验技术体现在实验环节中

先进的实验技术为土木工程材料发展注入了强心剂。随着我国工业4.0建筑过程工业化深入推广，建筑施工信息技术正朝着工业信息化和全自动化的方向快速发展[9]。3D打印混凝土在建造过程中实现了无模板应用，同时不需要机械振捣，减少了对人力资源和资金的需求，推动了建筑行业的自动化生产。3D打印混凝土技术按照数字模型成型的行进路径，将水泥基材料作为打印材料，通过层层堆叠，最终形成三维结构或者构件的技术。在“土木工程材料”实验教学中，可以有机结合土木工程实验材料新技术，采用线上线下相结合的方式，线上让学生了解土木工程材料实验新技术的概念及基本原理，线下丰富和拓展实验教学内容，真正让学生动起来、忙起来。

（三）以赛促教，赛教融合，提升教学质量

大赛为大学生量身打造科技实践创新平台，不断加强培养大学生的科学创新精神和社会科学素养，提升工程师的实践创新能力，促进校际的科技文化交流。以赛促教，赛教融合，可以提升教学质量。结合每年举办的3D打印混凝土龙舟大赛，通过比赛提升学生的土木工程材料方面的理论水平与实践能力。在参赛过程中，通过混凝土配合比性能设计检查环节，考查参赛学生3D打印混凝土设计方案的合理性、科学性、经济性和适用性;考查参赛学生的理论基础、掌握成熟程度和综合动手操作能力;通过动手操作和技能训练环节，考查参赛学生动手操作的规范性、熟练程度及现场凝土配合比性能调整的主动应变能力;通过拌合物工作性能预估评价检查环节，考查参赛学生设计所得新型的拌合物混凝土综合工作性能与期望结果之间的性能匹配合理程度、操作规范性、分析严谨性和理论科学性。大赛充分锻炼了参赛学生的语言沟通表达能力和团队协调合作意识。该大赛对大学生土木工程材料实践能力的培养有极强的推动作用。

此外，由教育部无机非金属专业教学指导委员会主办的全国大学生混凝土材料设计大赛极具创造性和挑战性。积极动员学生参加此大赛，能够提高学生的土木工程材料领域的理论水平与综合实践能力。通过专业知识笔试、配合比设计及试验操作三方面，综合考查学生的土木工程材料基础理论知识及混凝土配合比自主设计等应用能力。通过参加此大赛，可以提升学生的动手和创新能力、运用专业知识和相关工具解决问题的能力，这些能力的提升也符合新工科建设思想及工程教育OBE理念。

（四）与大学生创新创业训练计划项目高效结合

高校创新创业教育改革是中央高校教育教学改革的突破口和重中之重[10]。将全国大学生高校创新创业实践训练项目与“土木工程材料”的实验教学各个环节高效紧密结合，在任课教师的专业指导下，让广大学生更加能够主动地积极投入实践教学中。这种全新的课堂实践教学方式能够有效引导学生主动进行思考，在教学实验中如果学生发现到了问题，能够及时地和实验教师一起进行交流探讨。在开展创新创业实践训练项目中，鼓励学生提前接触各类科研项目，走进实验室，协助研究生开展科研实验，能够充分调动学生参与各类科研活动的兴趣，积极培养大学生的实践能力。

（五）实验教学与虚拟现实等信息化技术有机结合

实验教学是“土木工程材料”教学课程的重要环节，但由于实验室教学客观条件的限制，通常是由任课教师亲自进行课堂讲解、演示，或者教师播放一段课堂相关实验教学视频后，由6～8名学生组成主导小组共同开展课堂实验，这种教学模式导致课堂实验往往由个别同学主导进行，部分学生的实验参与度不高，很难通过整个课堂实验教学步骤来加深对实验基础知识的深入理解。可以将虚拟现实等信息化技术与实验教学有效结合，首先尝试采用“一人一机”的教学形式让学生进行模拟实验操作，确保每位实验学生对具体实验教学目的、方法、步骤和结果数据分析等内容有充分的了解后，再开展实体性实验。这样不仅可以保证让每位学生对所完成的实验做到心中有数，也可以有效避免因学生实验操作不熟练而导致的各种安全隐患。

在当今新工科体系建设和工程教育专业认证发展背景下，本文基于教学内容和教学方法进行了“土木工程材料”的教学现状分析。接着基于新工科融合OBE，提出了改革举措：将土木工程新材料和实验新技术纳入教学中，延伸和丰富教学内容，真正让学生动起来、忙起来;将专业设计大赛和大学生创新创业项目融入实验课程中，着力提升学生分析和解决工程问题的能力;将虚拟现实等信息化技术应用到实验课程之中，有效改善部分学生参与度不高的现状，同时也改善教学内容繁多课时紧张的现状。通过“土木工程材料”课程的教学改革，可提高教学质量，实现培养新工科背景下實践和创新型人才的目的。

参考文献

[1]刘冰宇，杨光.基于“三创”教育的《土木工程材料》课程教学改革探索[J].创新创业理论研究与实践，2018，1（10）：34-35.

[2]时国松，王巍浩，齐彦萌.土木工程材料课程项目驱动法教学改革[J].智库时代，2019（28）：164-165.

[3]曲广雷，仲玉侠，常广利，等.基于“雨课堂+PBL”的“土木工程材料”课程教学改革与实践研究[J].科技与创新，2021（15）：162-163.

[4]顾佩华.新工科与新范式：概念、框架和实施路径[J].高等工程教育研究，2017（6）：1-13.

[5]易晨光，谭燕，张维维，等.透水混凝土的透水性能试验研究[J].混凝土，2021（1）：110-114.

[6]张国强.透水混凝土试验性能研究[D].广州：广州大学，2018.

[7]刘鹏，贾平，周宗辉，等.自修复混凝土研究进展[J].济南大学学报（自然科学版），2006（4）：287-291.

[8]MJL García， A M Camarasa. Repair and prevention of damage due to transverse shrinkage cracks in bridge decks[J]. Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering，1999，3671（3）：253-256.

[9]張超，邓智聪，侯泽宇，等.混凝土3D打印研究进展[J].工业建筑，2020，50（8）：16-21.

[10]刘贵芹.深化高校创新创业教育改革进一步提高人才培养质量[J].中国高等教育，2016（21）：5-7.

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