《土木工程材料》模块化课程构建与实践

汪洋 张劲松 王艳丽 王青

摘要：以多年《土木工程材料》课程教学实践为前提，以合肥学院模块化教学改革为背景，探索《土木工程材料》课程模块化改革如何适合应用型本科高校的办学指导方针，其中重点探讨了模块化内容、模式、方法及其具体实施和实际效果，为本课程以及土木类其它专业基础课和专业课的教学模式改革和教学内容优化提供借鉴和参考.

关键词：模块化课程;能力培养;工程实践;CDIO工程教育

中图分类号：G642.0  文献标识码：A  文章编号：1673-260X（2019）08-0138-04

0 引言

随着我国工业化发展，在生产、服务等领域，对面向一线、掌握一定操作技能的应用型人才的需求愈加迫切，这对地方高校的人才培养提出了新的要求.

合肥学院作为应用型本科院校，正在进行卓有成效的模块化课程改革.所谓模块化课程，指对现有的课程进行重新组织，注重以能力本位课程观为指导，重构新的课程体系，聚焦应用型人才培养目标，设定多个考核单元，训练学生具有较强的实践能力、学习能力以及分析解决问题的能力[1].

在这样的背景下，通过遵循模块整合理念，建立了《土木工程材料》课程模块，设置核心任务驱动、对相应内容分解重组等，使各子模块之间相对独立也互相贯穿.近年来经过多轮严谨细致的组织实施，较好地实现了模块化所要达到的基本目的，同时也有效地改善了本课程传统教学模式所固有的一些缺陷.

1 模块课程建设思路与目标

1.1 传统课程教学存在的问题

《土木工程材料》是“大土木”背景下一门重要的专业基础课，在土建类人才培养教学体系中占有重要地位.

传统教学方式存在的问题主要有：（1）理论教学偏重于基本的内容体系，结构单一，平铺直叙，各部分内容之间相互割裂，教材编排过于理论化，和工程实际脱节，缺少前沿性知识.这是典型的以学科为导向的课程体系，教学模式不适合应用型本科高校以专业能力为导向的指导方针，课程的能力输出效果不甚明显[2].

（2）实验教学环节，由于受学时数限制，大都只能够开展水泥、混凝土、沥青等主要材料的基础实验，一些用量越来越大的新材料被忽视;实验课和理论课内容不连贯，和实践应用联系不紧密.学生按照既定步骤完成的实验，只起到一个增强动手能力的目的，与建筑施工的设计、探究型内容不相一致，不利于学生的工程素质锻炼.

（3）学习成绩衡量仅凭期末的一纸试卷，量化指标过于直接单一.本课程教材内容多数是文字描述，但每字每句表达的都是灵活多变的施工工程，平时思维僵化的学习方式对应期末机械刻板的试题测评，即便取得高分，也很难说获得了好的效果.

1.2 模块改革思路

为了克服传统教学模式诸多弊端，模块课程在教学进程中，力求确立以学生为中心，转变思路，由“本课程需要讲授哪些内容”转变为“本模块能使学生具备哪些能力”.

通过对建筑施工企业的调研，以及参考用人单位反馈的调查信息等，确立了以学生工程应用能力输出作为模块课程教学的指导思想，并进一步细化了“土木工程材料”模块对于应用能力培养所承担的任务，由此在模块内容上进行相应的重组.

具體的实施阶段，在模块课程的内容设置上，突出工程施工管理技能知识;课堂教学方面，强化工程案例特别是工程事故反面案例的展示;课后自主学习时间，由简单的书本复习转变成以特定任务驱动的理论实践相结合模式;学习效果评价，由单一的考试成绩转变为全过程的多元化考核等等.

1.3 模块教学目标

模块的基本目标要使学生掌握主要土木工程材料的性质、用途、制备和使用以及检测和质量控制方法，并了解材料性质与材料结构的关系和性能改善的途径，获得有关土木工程材料的性质与应用的基础理论.

要求学生在掌握各种材料的技术性质和应用特点基础上，具备如下方面的能力：了解材料的设计参数、掌握材料的施工工艺、熟悉材料成本控制、新材料应用等等，总体而言，整个教学过程强调理论与实践的无缝对接、紧密结合.

模块教学宗旨在于培养学生的工程应用能力.通过模块学习，应了解材料与设计参数及施工措施选择的相互关系，从而能够针对不同工程项目要求，合理选择材料品种，扬长避短，灵活使用.

2 模块课程改革核心内容

2.1 模块内容重新组织

《土木工程材料》模块内容由理论课、基础实验和综合实验三部分构成，课余安排自主学习时间60学时，模块实施进程中重视学生的自主学习，由下述可知，本模块具体操作中，60学时的自主学习时间，学生都得到了充分的利用.

实施过程中，执行N+2考核模式.所谓2，指的是期末考试和课堂笔记（或课程总结、读书笔记等）这两项，分别占比50%、10%，而其余40分则体现在N，包含若干个过程考核环节.期末考试题在已建立的试题库中抽取，以案例分析为主考内容，除了基本概念外其它无需死记硬背，以知识的灵活掌握和工程应用为考核目的;笔记分两次检查，第一次课堂突击检查，在课程进行到三分之二时进行，通过查阅笔记、书本和针对性提问等方式，了解学生的课堂听课情况和课下预习复习情况.第二次为补充检查，期末进行.基础实验和综合实验放在一起单独计算成绩.

本模块教学团队老师均具有硕士及以上学位以及教学工程双师资格，理论教学和实验指导老师配置合理.

在经过模块重组整合后，使得内容相对独立又互相交叉，形成一种综合性的内在关联（图1），图示下半部分的方框和线条代表每一个任务模块和传统体系内容的联系，可以看出，重组后的各个任务子模块，都几乎涉及或覆盖到传统课程体系的所有内容，形成一种多维、立体学习模式.其中综合实验以基础理论和基础实验为前提，把综合性前沿性理论和设计性创新性实践二者结合起来.

模块内容重新组合构建以后，梳理得出三大核心任务，分别是“普通混凝土配合比设计”、“材料应用设计及技术经济分析”和“建筑节能（墙体节能）专题研讨”，视作三个独立的任务模块.安排40分的过程考核（即前述N+2中的N）量化学习效果，充分实现课内和课外、书本上基础内容和前沿知识的结合，更重要的是，这三项任务，都充分体现了理论和实践的完美融合，具体如下.

2.2 普通混凝土配合比设计

普通混凝土配合比设计是本课程模块最重要的内容.具体操作过程是，课前布置预习关于普通混凝土的基本知识，课堂上讲解并归纳总结组成材料、三项主要技术性质、配合比设计步骤等基本内容，进而给学生提供典型的例题自学并答疑，在此基础上，进行普通混凝土配合比设计课堂测验，测验分数计入过程考核成绩，测验出现的典型错误在课堂上有针对性讲解，测验中每位学生得出的初步配合比设计参数在随后的基础实验中使用，做到与实验无缝对接，在实验中得出实验室配合比和施工配合比，写出实验报告.经过这样一个综合过程，使学生灵活掌握该部分内容（图2）.

紧接着，在自主学习时间段，要求学生根据兴趣，选做如下三项题目其中的一项.题目一，查閱资料，写出智能混凝土专题报告;题目二，就近参观混凝土搅拌站，了解实际配合比设计操作模式和商品混凝土的生产工艺，写出调查报告;题目三，利用学过的C语言或VFP，尝试编制混凝土配合比设计的小程序（学生自己编制的软件，虽然不够完善，却能够使之更加深入理解配合比设计的过程和关键步骤，更接近于工程实践）.

2.3 材料应用设计及技术经济分析

通过学习林林总总的材料，对各品种材料的技术性质、应用特点有了一定的认知，以此为基础，给学生布置一个综合设计题，把学过的零散知识串联起来.题目是：130平米建筑面积的内部未分割毛坯住宅，从各类建筑材料（主要是功能材料和墙体材料两大类）选用的角度实现总体设计，要求调研建材大市场，并充分查阅网上相关资料，折算出使用面积，绘制平面图，划分四室两厅的房间单元尺寸作为后面的计算依据，提供高档（约50万，包含硬装和软装）和低档（约10万）两种方案，并从技术经济角度加以分析比较，列出各种材料的名称、用量、单价、合价、技术指标等参数.

学生通过网上查找资料做好知识储备，再到装饰材料大市场调研.最后画出平面图（或效果图），写出调研报告和设计报告.

本课程材料分三大门类，即结构材料、墙体材料和功能材料，通过上述两个任务的训练，使模块中理论和实验实践有效衔接，使学生对这三大类材料有了深入和综合的认识.

2.4 建筑节能（墙体节能）专题研讨

学生以后从事建筑的设计、施工、管理等无论哪方面，建筑节能都是一个绕不开的课题，教材的基本知识体系中涉及到新型墙体材料和墙体节能的一些内容学完以后，布置一个关于建筑节能的专项训练，如果说任务二体现出专业知识的横向广度，则此项任务体现出专业知识的纵向深度，具有研究性学习的性质.具体实训过程是，先介绍关于建筑节能的技术和管理两个方面理论体系，重点介绍其中的墙体节能部分，让学生自主选择感兴趣的知识点，课下登陆图书馆数据库查阅论文，从指定的关键词中检索出最新论文，其中英文论文不少于5篇，且要求均出自ASCE（美国土木工程师协会）期刊，写出专题总结报告.

紧接着，依托本系建筑节能实验室和建筑节能研究所，以及近年来本模块团队老师关于建筑节能方面的科研项目（纵向项目如“典型外墙外保温系统缺陷分析及耐久性研究”，横向项目如“合肥市节能住宅模式调查”等），准备了“建筑围护体传热系数和保温效果检测”“利用红外热像仪现场检测建筑物热工缺陷”“太阳能光-电、光-热和光-光利用实验”等综合课题，要求学生自主开展实验，并尝试用英文写出实验报告.

专题训练获得了较好的实施效果.例如“利用红外热像仪检测热工缺陷”实验小组，首先熟悉了教材中的墙体材料内容，了解节能墙体中外墙外保温构造，进而直接就地选取本班上课所在教学楼的外墙外保温为研究对象，这栋楼的保温层是玻化微珠保温砂浆，该构造近年来产生很多的缺陷如装饰面层剥落、吸湿严重等.通过学生现场实测、数据处理、结果分析等，编写实验报告，报告中为学院教学楼外墙的修缮修复提出了建设性的意见，颇具现实意义.

本任务是体现学生自主学习能力的重要环节，让学生认识到理论知识对于指导工程实践和解决实际问题的重要性，将所学知识充分结合实际.

3 模块教学改革保障措施

3.1 有效的教学组织与实施

本模块改革前已具备多年的教学经验，积累了完备的教学资料.在多媒体资源开发方面，准备了四个层次的课件，分别是：和教材同步的基本理论体系课件、以图片和视频为主的案例课件、双语课件和英文课件，在模块化教学实践中，主要用到前三种，英文课件提供给部分学有余力且英文水平高对英语感兴趣的学生自学.

让有限的理论课时间高效利用从而保证课堂教学效果，是本课程模块最终取得成效的前提和保证.课堂教学重点关注两个方面：

（1）课堂上保持开放性思路，内容广泛联想.比如“石灰”章节，以于谦的《石灰吟》作为开篇，这首诗映照了石灰的原料、生产工艺、形态颜色等;“混凝土水灰比”章节，阐述W/C和W.C.的区别，顺带描述一个外国牧师把WC（Water Closet）理解成WC（Wayside Chapel）从而产生反串效果的幽默小品;“硅酸盐水泥”章节，教学中扩展PS的多种意思，除了有本课程中矿渣水泥Portland Slag Cement、聚苯乙烯Polystyrene，还有其它的Photoshop， Postscript等.这样的内容拓展，让学生在轻松愉悦中活跃思维，加深印象.

（2）课堂上注重知识点的对比、类比和综合.比如，由于材料的体积膨胀而产生的危害及引发的工程事故，表现在材料抗冻性、石灰水化、水泥体积安定性、大体积混凝土、硫酸盐侵蚀、混凝土碱骨料反应等方面，要求学生对比归纳各表现形式、产生原因、引发后果、防治措施等，老师提供事故案例，让学生从反面教材中加深印象，培养从业责任心.

3.2 借鉴与融合CDIO工程教育模式

CDIO工程教育模式是近年来国际工程教育改革的一项重要成果，CDIO代表构思（Conceive）、设计（Design）、实现（Implement）和运作（Operate），它让学生以主动的、实践的、课程内容之间有机联系的方式学习工程.CDIO培养大纲将工程类毕业生的能力分为工程基础知识、个人能力、人际团队能力和工程系统能力等四个层面[3].

本课程模块核心任务的学习过程，完整体现了CDIO学习理念.前述三个任务模块，首先要求学生根据所学基础内容构思项目，再通过各种自主学习手段，组建工作团队，熟悉并开展项目，辅之以实验实践环节实现项目预期要求，最后以文本文档等形成最终成果（图3）.

在这样的CDIO全过程中，通过引导性、体验性的学习过程，进一步培养学生的自学/沟通/协作能力，增强执业技术能力，提高从业职业道德，适应社会对应用型人才的需求[4].

3.3 对比与参考国外教学质量控制方法

通过笔者在美访学期间旁听北亚利桑那大学（NAU）4门土木类的专业课，并和任课老师有深入细致的交流等，发现此校专业课教学和我们的模块化教学有很多相似之处.其教学大纲和课程描述，和我院模块大纲和模块描述基本一致，笔者详细阅读了其专业课学生的“网上评教”系统，也和我院模块教学评教系统相似，但NAU所设计的问题更加深入具体，学生的参与积极性更高，学生留言中有更多的评价、感悟、建议等等.

NAU老师设定的评分标准每门课有所差异，但基本思路也都是期末考试加过程考核，很多老师对课堂测验（quiz）环节比较重视;一些上大课的专业基础课老师对考勤环节（Class Participation and Attendance）量化分值占比较高;虽然最终成绩评定是五分制（ABCDF），但老师中间计分都是按100分或1000分计算，显示出其严谨细致的态度;学生的过程成绩在教学系统中从学期开始到结束同步显示，每个学生随时能够看到进度分数从而能够及时补缺补差;老师尽心尽力做Teaching、Research和Services三大任务，他们把自己的工作比喻为Juggle，意思是一种双手抛接3个小球的杂耍，以此来形容事务繁忙停不下来的一种状态，令人感触颇深，体会到美国高校老师的工作压力.

借鉴NAU的教学管理方法，在本模块课程的教学实践中，设置了课堂测验环节，强化课堂管理，学生平时成绩充分细化，并通过班级群定期向学生发布，使之实时了解自己的过程考核情况.课程模块中的双语教学、核心任务中指定英文论文阅读、部分学生用英文提交作业实验报告等任务设置，通过对比国外教学，也深感有必要进一步强化.本模块所属专业培养方案的能力矩阵中，要求学生具备专业英语熟练的阅读和书面表达能力，更好地适应“新工科”的时代特色，同时也符合本校应用型和国际化的办学宗旨.

3.4 建立并完善严格的过程考核机制

经过内容重组后的三项主要任务模块，都体现了对网络资源的充分利用.三项任务均要求学生在自主学习时段查阅网络资料，这些资料除了图书馆宝贵的中英文数据库资源，如知网、ASCE等，还有日常使用的因特网，学生普遍关注互联网的娱乐功能，迫切需要重视培养学生的互联网学习思维[5].

三项任务模块都实现了多种学习手段并重.使课堂和课后相结合;被动学习和自主学习、理论课和实验课相结合;使基础理论教学结合学术前沿[6]，等等.

三项任务模块提升了学生的综合能力.如主动分析并掌握问题重点的能力，思考及分析个案的能力，表达个人观点的能力，通过讨论找出最合适的解决问题的方法的能力，团队协作能力，理解综合能力，工程实践应用能力，沟通表达能力，开拓创新潜质等等[7].

要实现这些目标，仅靠最后一次期末考试无法衡量，需要把目标控制转变为过程控制.过程考核可以说遍布整个教学过程，除了过程测验、小论文、设计报告等书面成果以外，考勤、课堂表现、课堂回答问题、课下讨论问题、自主学习检查等情况也随时记录，并按权重计分.经过这样全方位、多角度考核环节的分数量化，给学生以压力和动力.理想情况是通过合理的考核机制，使最终的成绩评定，能够准确客观地反映每一个学生在本模块上所花时间和学习效果.

4 结语

专业素养是一个长期累积的过程，本模块开设在大一下学期，彼时学生还没有建立起系统的专业认知，思路仍停留在基础课的学习阶段，这就需要师生共同付出更多的精力.

模块化实践过程使教师的能力和责任心得到加强.对授课内容理解更加清晰和深入，通过带领学生参与更多的横向工程实践和纵向研究项目，从理论和实践两方面提高了教师自身的综合业务能力，达到学院注重“双能型”师资队伍建设的要求.

在模块教与学这样一对相互依存的矛盾中，个人认为当前主要薄弱环节在于学生的学习能力和态度，本模块教学的各种过程操作，其实际效果受制于学生的先天能力、自觉性主动性、英文水平等因素，现实情况是，少部分学生并没有适应我们模块化教学的高标准严要求，如何使学生在课上“坐到前排来，把头抬起来，提出问题来[8]”，课下认真积极主动、不抄袭不偷懒，成为需要正视并亟待解决的问题.

希望在今后持续的模块化教学实践过程中，通过师生共同努力，取得更加显著的成果.

——————————

参考文献：

〔1〕余国江.课程模块化：地方本科院校课程转型的路径探索[J].中国高教研究，2014，（11）：99-102.

〔2〕余国江，秦逊.应用型本科的特征和属性[J].应用型高等教育研究，2016（3）：13-19.

〔3〕P. J. Armstrong. The CDIO Syllabus： Learning Outcomes For Engineering Education[J]. Rethinking Engineering Education. Springer， Boston， MA （2007）：654 -659.

〔4〕周艷华，吴勇翀，彭剑.CDIO工程教育模式在《土木工程材料》中的应用研究[J].教育现代化，2017，4（14）：51-54.

〔5〕刘书军.浅议高校土木工程类课程教学方法创新[J].科技教育，2016（31）：112-114.

〔6〕董素芬.土木工程材料课程教学创新切入点初探[J].黑龙江教育，2016（3）：13-14.

〔7〕陈先华，高英，黄晓明，等.以双语教学为契机的土木工程材料课程教学改革探析[J].陕西教育，2014（2）：74-76.

〔8〕陈宝生.教育部：全国高等学校本科教育工作会议[EB/OL].（2018-06-22）.[2019-01-05].http：//www.gov.cn/xinwen/2018-06/22/content_5300334.htm.