新工科背景下“土木工程概论”课程模块化教学模式探索

向 泽， 宋 娟， 杨期柱， 贺海斌

(邵阳学院 城乡建设学院， 湖南 邵阳 422000)

“工业4.0”给工程教育带来了新挑战和新机遇，未来工程教育要解决专业技能知识的局限问题，将人文情怀融入科学技术，实现知识、素质与能力的平衡，提高综合水平。“新工科”是我国工程教育在新经济与新技术方面提出的重要对策，培养应用型创新人才已成为“新工科”建设的核心目标，而实现该目标的基础和关键在于课程教学。

“土木工程概论”是学生了解土木工程专业知识的首要课程，对学生树立正确的工程思维具有重要作用。传统的“土木工程概论”课程教学模式具有教学目标不明确、教学内容固化及教学方法单一等诸多弊端，缺乏对学生主观意识的引导，限制了学生的创新思维，严重地阻碍了土木工程应用型创新人才的培养。因此，探索新的“土木工程概论”课程教学模式已成为“新工科”土木专业课程教学创新的关键课题。

随着高等教育的多元化发展，应用型高等院校快速崛起，模块化教学模式以一种新型教育理念进入高等教育领域。应基于教学目标，按照模块化教学思路重构教学内容，将知识、能力与素质融入各个模块，并借助适当的教学方法，充分调动学生积极性，提高学生的创新思维、团队协作意识及批判反思精神，加深学生对土木工程建造属性的科学认识。作为传统工科专业的典型，土木工程专业因受到传统教学模式与固定思维范式的影响，模块化课程教学改革并不深入。本文面向“新工科”建设目标，对“土木工程概论”课程教学目标、教学内容以及教学方法等进行改革，探索以学生为中心的模块化教学模式，引导学生积极思考，培养其工程意识和创新思维，塑造其精益求精、追求卓越的职业工匠精神，以推动土木专业课程教学的高质量开展，对促进工程教育专业认证和提高土木工程应用型创新人才培养质量具有较大意义。

一、“土木工程概论”课程教学现状

质量为王，标准先行，教学标准是改善教学质量的重要前提和基础。根据图1所示的“新工科”课程建设理念[1-2]，目前我国高等院校的“土木工程概论”课程教学存在多方面不足，难以满足新时代工程教育的可持续发展及应用型创新人才的培养要求。

图1 “新工科”课程建设理念

(一)教学目标脱离应用型人才培养方案

传统“土木工程概论”课程教学目标的制定是学科导向的，土木工程专业是根据学科划分设置的，教学模式用于解决确定的及显性的问题，专业知识注重学科知识框架的整体性，教学目标强调学科需求，而对实际需求考虑不足，通常不考虑毕业要求或培养目标。这也导致学生甚至教师对“土木工程概论”课程认识片面，缺乏对创新意识、工程思维及工匠精神培养的重视。

林健等基于“新工科”背景下的普渡大学工程教育创新建设，提出专业课程的教学目标除了专业基本技能的知识要求外，还应该加强挖掘专业知识传授过程中的人文元素，以提高学生的职业精神等综合素质[3]。王仪等基于模糊综合评价理论，构建了以应用型创新人才培养方案为导向的教学目标达成度模糊综合评价体系，能帮助发现支撑培养方案指标的“土木工程概论”课程教学目标的不足[4]，有效促进教学质量的持续提升。Qin等以实际土木工程应用为出发点，制定了“土木工程概论”课程教学目标[5]，有助于土木工程应用型创新人才的培养。

(二)教学内容固化

传统的“土木工程概论”课程教学内容通常固定不变，是基于教材设置的，与毕业要求并无直接关联。“土木工程概论”课程教学内容过分注重知识框架的整体性，而缺乏多学科多专业的交叉融合，难以训练土木工程专业学生的创新思维。“土木工程概论”课程教学走进了讲授局限于教材的怪圈，与信息时代高速发展的土木工程新知识严重脱节。

周新刚等基于毕业要求的内涵指出：根据毕业要求，不仅可以确定“土木工程概论”课程教学内容是否达到标准，还可以核查教学目标是否恰当[6]。据此构建的土木工程专业课程矩阵才能使“土木工程概论”课程教学目标符合毕业要求，实现课程教学内容支撑起毕业要求的目的。郑娟等针对“新工科”背景下应用型本科土木工程专业课程开展了教学创新，认为学生除了学习土木工程专业的知识外，还应加强对哲学艺术等人文情怀的培养，以实现工程教育的高素质人才培养目标[7]。面对大数据时代土木工程的发展，张婵韬等指出“土木工程概论”作为土木工程专业基础课程，其教学内容需适应时代的发展趋势，提高学生培养质量[8]。

(三)教学方法单一

传统“土木工程概论”课程教学为“填鸭式”的灌输型模式，课程知识主导课堂，教师是知识传输的权威，而学生为知识接收的工具。课堂教学只是为了完成知识复制，严重降低了课堂教学质量。这种课堂扼杀了学生的高阶能力，忽视了深度思维在事物改造中的功效。重教轻学，师生沟通机制不灵活，是传统教学模式下的典型弊病，至今仍占主导地位，不利于“新工科”建设目标的实现。

Sherif等针对2016—2017学年的三个土木工程本科班级，尝试运用以学生为中心的教学方法，以提供更多有意义的学习机会，加强学生对教学内容的理解，并通过期中小组访谈和期末调查收集学生的反馈，评估新教学方法的效果。结果表明，新教学方法有效地提高了学生的创新思维等综合能力[9]。徐亚利基于模块化教学创新思路，开展了合肥学院土木工程专业课程模块化教学模式研究，有效融合了知识与创新，提高了土木人才的综合素质[10]。为改变学生被动接收知识的现状，孟萍提出将工程案例引导式教学方法应用于课堂[11]，重视方案的思考过程及解决问题的方法，培养学生的创造力和想象力。程思嫄等针对土木工程专业实践性强的特性，开展了研究并指出：工程案例教学方法能够提高学生自主解决问题的水平[12]。陈春来等结合教学过程中“以学生为本”的思想，对“土木工程概论”课程教学方法进行了创新研究，提出了理论联系实践的工程案例教学方法[13]。陈卓异等针对“土木工程概论”课程提出了中英双语教学模式[14]，前沿化教学内容，使教学与国际化人才需求接轨，体现了工程教育的可持续化发展。

土木工程作为典型的传统工科，尤其需要创新发展。虽然土木工程专业的部分课程已有面向“新工科”建设的教学改革研究与实践，但“土木工程概论”课程这方面的深入研究仍极为缺乏。因此，亟需基于“新工科”建设目标，探索“土木工程概论”课程模块化创新教学模式，提升课程教学质量，为培养土木工程应用型创新人才奠定基础。

二、模块化教学模式

应基于“新工科”建设目标，以学生能力培养为导向，对“土木工程概论”课程教学目标、教学内容以及教学方法进行改革，形成高质量的模块化教学模式，推进“新工科”建设。

(一)明确新工科课程教学目标

“新工科”建设需要切实做好人才的需求调研，根据市场需求确定土木工程人才培养方案和毕业要求，然后再修订“土木工程概论”课程教学目标。“土木工程概论”课程的教学目标应以构建专业基础知识框架、培养工程思维以及树立社会责任感为主。

在“新工科”形式的驱动下，“土木工程概论”课程应引导学生主动了解和发现市场应用，做到多学科交叉融合，让学生认识当今土木工程发展趋势及行业需求，培养其专业兴趣，引导学生自主学习，为后续课程学习打下坚实基础。模块化教学模式将基于“新工科”土木工程应用型创新人才能力培养要求，以行业需求为导向，制定“土木工程概论”课程教学目标，从多角度提升学生的综合素质，特别要注重其创新意识的培养与工匠精神的塑造，为培养土木工程应用型创新人才奠定基础，使“新工科”建设与“课程思政”建设产生协同效应。

(二)重构教学内容

为合理地确定课程教学内容，教师需要根据制定的课程教学大纲，钻研国内外高等院校同学科专业的课程教学内容；基于学校办学理念，重新构建课程教学内容，让知识点更丰富、新颖，使重难点突出，以实现理论学习与工程实践的结合。

“土木工程概论”课程教学内容应围绕教学目标展开，对教学章节内容进行细化与重组，将教学内容模块化(如表1)，分为绪论、土木工程材料、基础工程等七个内容模块，而将土木工程施工、工程防灾减灾(如抗风抗震等)、学科发展前沿等知识点科学合理地融入相应的内容模块。每个内容模块与相应的教学目标对应，构成知识点—教学目标的相关性矩阵，以保证“土木工程概论”课程教学目标的达成。要完成教学内容、实现教学目标，关键在于建立能有效提升学生创新能力、塑造其工匠精神并与教学模块内容直接相关的土木工程案例库。

表1 模块化教学模式

当今，技术发展极为迅速，大量新事物伴随新技术不断涌现。因此，“新工科”概念被应时提出，强调注重多学科创新融合来适应新发展；课程教学需要密切关注产业规划，融入技术创新。“土木工程概论”课程的教学内容应结合实际土木工程，如港珠澳跨海大桥、青藏铁路及疫情期间火速建造的方舱医院等真实工程项目，加强专业知识和科学技术的创新融合：应用最新的技术发明及研究成果，如新型建造材料、施工方法、BIM技术、3D打印以及智能监测等，持续丰富课程教学内容。由于科学技术的高速进步，新的知识大量呈现，很多知识在“土木工程概论”教材中已无法同步，需及时丰富课程内容，确保课程教学内容的先进性。“土木工程概论”课程的教学内容涵盖土木工程多项基础设施，需要根据时代发展持续更新。如，在开展课程教学时，基于“交通强国”战略的推进，在道路工程模块增加了交通工程相关知识点；基于可持续发展的绿色建造理念，引入超高性能混凝土(UHPC)及耐候钢材在土木工程中的应用；随着跨海超级工程的建造，增加了深海桥梁墩台及基础工程的局部冲刷内容介绍；随着人工智能技术在土木工程领域中的创新应用，将信息技术融入各项土木工程单体设施的建造过程中，如人工智能机器人在桥梁工程检测中的应用、智能优化理论在土木工程设计中的应用推广等。

模块化教学模式将基于“新工科”建设下的“土木工程概论”课程教学目标，模块化教学内容，并根据土木工程发展前沿、身边工程项目及当前媒体热点等持续更新教学内容，开拓学生思维，培养创新意识。

(三)多样化教学方法

教学方法是“土木工程概论”课程教学改革的重点，是落实教学目标和适配教学内容的关键。“新工科”建设特别强调研究型教学方法而不是灌输型教学方法。知识的传授应将单向教育转变为双向或多向互动，使得知识在师生之间多向传输，提高知识传递的效率；思考是创新的关键，思维的活动应将传统的“句号式”课堂升华为新型“问号式”课堂。教师应该激发学生自主思考，对知识产生“问号”，而学生应该进一步变“问号”为“句号”。师生间的情感活动应融入知识课堂，这样不仅能增加情感交流，更能引起学生的课堂兴趣。此外，引入开放式课堂能高效协调时间、空间和教学内容。时间上将课堂向课外进一步延伸，空间上将教室拓展至图书馆或土木工程实验室等，而内容上则突破教材限制，充分利用网络化资源。这样，学生可以基于“土木工程概论”课程知识，不断提升自主学习的能力。

模块化教学模式将基于“新工科”建设目标，重点探索适应“新工科”应用型创新人才培养的“土木工程概论”课程的模块化教学方法，对每个模块的教学内容配套工程案例进行讲授，以案例驱动教学。同时，对于课程内容较多的模块，可采用翻转课堂进行教学，充分调动学生课外学习知识的积极性，提高课堂的学习效率；对于章节知识点有鲜明特征的内容，可通过对比分析的教学方法，引导学生主动思考，培养其自主创新的能力，如桥梁工程与建筑工程的力学原理、桥梁工程设计与道路工程设计的关联性等；而对于日常生活中常见的工程问题，可以问题导向的方式开展分组讨论，培养学生自主解决问题的能力，如石膏粉刷的墙壁开裂、基础沉降导致的墙体开裂等。基于教学内容特点采用多样化的教学方法，可以培养学生的工匠精神，激励学生不断提升自身综合素质，每个内容模块所对应的主要教学方法如表1所示。

“土木工程概论”课程教学方法注重将教学内容以创新丰富的方式展现出来，针对教学大纲的每个教学内容模块，结合新时代土木绿色低碳建造、工业化装配式结构、综合管廊、高性能工程结构、BIM技术、3D打印、智慧城市与智能交通等创新技术，建立经典土木工程案例库并持续更新，将案例反映的工程建造过程、人文伦理以及社会责任感等信息传输给学生，以达到预期教学目标。

三、结语

在“新工科”建设背景下，结合工程教育专业认证，通过提出“土木工程概论”课程的模块化创新教学思路，探索与高等教育理念、工程建造机理以及社会发展规律相符的新课程教学模式。在新的模块化教学模式下，课程教学将打破学科结构，直面社会需求，实现多学科知识的交叉融合；学生将打破传统应试方式，立足学生的综合能力培养。“土木工程概论”课程模块化教学模式，真正彰显了“新工科”背景下的“新”，融合了专业知识和创新能力，有利于提升学生认知水平和综合能力，并能为其他工学类专业课程的教学改革提供借鉴。