新工科建设背景下水利类专业建筑材料课程模块化教学模式探索

姜春萌，李双喜，宫淼淼，宫经伟

（新疆农业大学 水利与土木工程学院，新疆乌鲁木齐 830052）

新工科是基于新一轮技术革命和产业变革时代背景，以“卓越工程师教育培养计划”为核心内容的工程教育新方向，深化课程教学改革是新工科建设的重要突破口[1]。建筑材料是水利水电工程、农业水利工程、工程管理等水利类专业课程体系中的一门技术基础课，其教学内容主要包括无机非金属材料、金属材料、有机材料和复合材料等，课程内容复杂、工程实践性强，与学生科学思维、实操能力及工程意识联系紧密，是培养高质量应用型人才和落实“卓越工程师教育培养计划”的重要学科之一[2]。

在传统教学模式下，建筑材料课程具有内容繁多、知识点分散、实验占比高、讲授方式单一和课时数偏少等特点，学生普遍存在“理论知识强记忆”“实践应用难理解”等问题，导致学生学习热情不足、工程认知不深入，难以达到新工科建设背景下“卓越工程师教育培养计划”提出的目标能力要求[3]。针对以上问题，本文拟从水利类专业建筑材料课程特点出发，围绕课程结构、教学体系、授课方法、评价模式等方面开展探索，提出符合新时代卓越工程师培养目标的教学改革方案，为高校课程教学模式改革提供参考。

1 水利类专业建筑材料课程任务与特点

1.1 课程任务

水利类专业建筑材料课程内容主要包括建筑材料基本性质、无机胶凝材料、水泥混凝土、建筑砂浆、沥青及沥青混合料、建筑钢材、墙体材料、屋面材料、防水材料、绝热材料、吸声材料及装饰材料的基本理论与实验技能，其中水泥、水泥混凝土、沥青及防水材料等内容是水利类专业课程教学的重点。此外，建筑材料实验是本课程的重要教学环节，通过实验操作和数据分析，可以加深学生对材料科学的感性认知以及对工程项目的深入理解，培养学生实操技能、科学素养和解决工程实际问题的能力[4]。

建筑材料是水利类专业的基础性课程，凡从事工程建设领域的相关人员均需要具备一定的建筑材料知识储备。本课程通常在本科第3 学期或第4 学期开设，教学前要求学生掌握高等数学、大学物理、材料力学等基础知识。课程教学结束后，学生应掌握工程常见建筑材料的基本物理力学性能、工程应用范围、设计计算理论以及规范实验方法。此外，本课程内容与水工钢筋混凝土结构设计、水工钢结构、水工建筑物等后续课程密切相关，因此在水利类学科人才培养体系中具有重要的基础性地位。

1.2 课程特点

水利类建筑材料课程知识体系庞杂、基础性要求较高，涉及的材料种类和材料性质内容繁多、分散。例如水泥、沥青、石灰、混凝土、钢筋等，每种材料的逻辑关系较差，导致各章节间的课程关联度不高。本课程是一门既要求掌握理论知识又强调实践应用的专业学科，尽管教材中少有复杂难懂的数学公式和逻辑推理，但涉及较多物理、化学、力学等基础学科知识，综合性、理论性较强，要求学生具备一定的基础知识和较强的理解能力，同时对于授课教师的知识储备与讲授技巧也提出很高要求[5]。此外，建筑材料课程具有鲜明的实验学科特点，各章节理论知识均配有相关实验任务，例如水泥的凝结时间与标准稠度用水量实验、骨料的密度及颗粒级配实验、混凝土拌合物系列实验以及硬化混凝土的物理、力学性能实验等，对于培养学生的实践动手能力和规范意识具有较高要求。然而，对于国内水利类本科院校开设的建筑材料课程，其理论教学多为30～40 个课时，实验教学为8～14 个课时，相比于其他基础技术学科，课时量偏少。

2 建筑材料传统教学现状与存在的不足

2.1 教学模式单一，课程交互性不强

建筑材料课程体系至今已沿用三四十年，教材、培养方案以及知识结构较为陈旧，传统教学模式以教师讲授基本知识点、演示实验流程为重点，课程教学过程中的材料基本概念、物理化学性质、力学及耐久性能、用途范围，以及实验教学过程中的实验流程、操作要点、计算公式等都需要机械记忆，仍以“教师讲授、学生实践”的先学后用模式为主，建筑材料与工程实际相结合的案例分析和知识讲解较少，未能建立成熟的课程交互机制[6]。尽管教师可将PPT、实验视频等作为授课媒介，但由于本课程与材料生产端、工程应用端结合紧密，致使学生对部分概念理解起来比较困难，难以调动学生学习的主动性和积极性。此外，随着我国水利工程的快速发展，超级工程项目建设逐渐增多，超高性能材料应用越发广泛，由此衍生的工程和科研新问题广受关注，而现阶段课程讲授内容难以及时跟上新时代工程发展方向。在建筑材料技术发展迅速、特种新型材料大量出现、工程应用领域愈发细化的趋势下，由一位教师全程授课的模式难以对不同建筑材料特性进行深入、科学讲解。

2.2 课堂讲授占比高，实践联动性差

建筑材料课程教学和实验教学仍以教师课堂讲授为主，学生主动学习和实验操作占比较低。实验教学是本课程的重要环节，通过现场实操和结果分析，可以丰富学生感性认识、提高学生科学实验技能，进而培养其解决工程实际问题的能力[7]。目前，课程大纲制定的实验内容局限于规范方法下的建筑材料性能测试，实现顺序多为教师讲授实验步骤与操作要点，学生机械记忆、记录数据、书写报告，该模式无法调动学生主动学习的积极性。另外，传统的建筑材料实验课程仅围绕材料基本性质展开实验，例如骨料物理力学指标测试、水泥混凝土配制、拌合物实验和基本力学性能实验等，其类型仍以基础性实验、验证性实验为主，基于课程内容的探索性实验、创造性实验、综合性实验占比极低，与材料密切相关的结构性能、施工工艺等知识在实验教学中未体现，致使实验教学未发挥培养学生实践操作能力的重要作用[8]。

2.3 考核方式单一，学生获得感低

传统的建筑材料课程考核方式以期末考试为主，综合考虑平时作业、课堂表现与出勤率、实验报告完成情况，期末考试成绩等，给出最终评分，其中各项指标的占比根据授课教师的要求略有不同。尽管此种方式涉及了课程学习的几个方面，但仍未实现全过程考核，难以反馈教学效果，未有效调动学生的创造性，未增强学生的参与感。比如，期末考试成绩占比较大，学生通过期末临时记忆课程知识也能取得不错的成绩；实验课程评价标准仅以实验报告为主，缺乏过程考核，对于分组条件下不同学生的完成情况、贡献程度无法有效区分，影响了学生的学习热情；无论期末考试、平时作业，还是实验报告，均为静态性文字材料，难以有效表征课堂和实验过程中各章节内容的差异化特点，对学生综合分析能力、科研思维以及表达能力等方面的评价不到位，导致学生学习获得感较低。

3 建筑材料课程模块化教学模式探索

3.1 基于“项目驱动、模块教学”的课程体系优化

项目驱动是指将教学内容划分为不同子模块，将理论知识融入各个教学模块的完成过程中，进而实现理论与实践相结合的一种教学模式[9]。如表1 所示，根据课程内容特点，以梯度化、差异化方式展开建筑材料教学方案实施，将教学内容划分为5 个模块，由擅长相关领域的不同教师负责对应项目的理论教学、实验演示和项目竞赛等工作，并在此过程中针对性地融入虚拟仿真、翻转课堂等教学手段。通过这种“项目驱动、模块教学”的课程体系优化，重新梳理知识点，围绕项目需求设计理论和实操课程内容，将传统教学相互割裂的理论教学与实验教学进行融合，打破二者学时上的限制，逐步形成自上而下、自下而上双向发力的教学格局[10-11]。

表1 基于项目驱动的模块化教学内容及时间安排

3.2 围绕“理论—实训—竞赛”模式的教学方法创新

改变学生传统学习过程中“先学后用”的模式，在不同教学模块内实现理论学习和实践操作的同步进行，并将精心设计的竞赛单元有针对性地嵌入主要教学模块。通过这种“理论—实训—竞赛”模式的教学方法创新，学生可将课堂上学到的理论知识及时应用于实践，并且在应用过程中实现理论知识的进一步巩固和加深理解，能够有效提升学生学习兴趣和成就感[12]。此外，由具有不同专长的教师负责课程讲授，将科研课题知识穿插到本科教学课堂中，并通过以综合性、探索性实验内容为主的学科竞赛，激发学生对建筑材料课程的学习热情，提高学生对理论知识的综合运用能力，能够培养学生的发散思维和主动思考问题的习惯，提升其科学素养，最大限度激发学生的学习主动性和科学探究能动性[13]。

3.3 紧贴“材料+结构+施工”的跨学科联动实践

新工科建设着眼于培养面向未来的卓越工程创新人才，其内涵表现为学生能够利用理论知识指导工程实践，并通过工程实践进一步验证理论知识。为此，设计多学科联合、多方参与的开放式教学实践平台，以单元竞赛为载体，融入多学科课程知识，构建“材料+结构+施工”全链条工程人才素质培养模式，全面提升水利类专业学生的实践创新能力。例如，在竞赛单元4（见表1）开展闸墩建造设计竞赛，需要学生在建筑材料课程内容的基础上，自行查阅、学习教师提供的钢筋混凝土结构设计、水工建筑物和水利工程施工等相关知识并开展设计计算，然后在实验室内完成支模板、绑钢筋、浇混凝土、养护拆模等完整施工工序，该过程实现多学科交叉联动，有助于解决工程卓越人才、创新人才培养过程中存在的工程应用环节薄弱、理论和实践脱钩、兴趣驱动不足等问题[14]。

图1 混凝土材料设计竞赛

3.4 开展“多时段、多元化、多维度”的课程考核评价

传统的建筑材料课程考核方式较单一，评价结果难以反馈真实教学情况，对学生难以产生激励效果。为此，在“项目驱动、模块教学”体系、“理论—实训—竞赛”方法和“材料+结构+施工”实践的基础上，提出多时段、多元化、多维度的课程考核评价方法，成绩分数评价占比如图2 所示。其中，多时段是指在不同教学模块下的理论、实训和竞赛单元中对学生的参与和表现情况量化赋分，多元化是指通过竞赛答辩、期中测试、翻转课堂授课、结业论文等多种方式对学生课程知识掌握情况进行综合评价，多维度是指在评价方法中加入学生合作能力、表达能力、写作能力、创新能力、动手能力等多种软性考核指标，并且引入小组互评、师生共同参评等机制，实现课程评价体系的真实性和全面性，对于教学目标的达成具有更加积极的反馈[15]。

3.5 适应“新工科人才培养需求”的教学持续改进

将以上基于项目驱动的建筑材料模块化教学模式在新疆农业大学2020 级水利水电工程专业课程教学中运行1 个学期，通过期末成绩、项目报告、实操表现、问卷调研等方式对教改效果进行评价，建立课程教学的持续改进机制，如图3 所示。评价结果表明，与传统教学班级对比，采用本教学模式的班级成绩有明显提高，学生学习积极性明显提高，对于理论知识和实验操作的理解更加透彻。此外，在项目驱动教学模式下，积极引导学生参与基础科研课题实施，学期结束前实施教学改革的班级成功申报大学生创新项目3 项（自治区级1 项、校级2 项），以学生为第一作者发表学术论文2 篇。需要指出的是，此教学模式也存在一些不足之处，有待在实践教学中持续改进。例如：（1）竞赛单元模式需将班级学生分为6～8 人的项目小组，部分学生在项目完成过程中无法发挥作用，今后需要明确成员角色，更加科学地设计竞赛内容与项目分工；（2）在闸墩设计制作的交叉实践竞赛单元中，对于设计规范性要求偏高，导致材料、设计和施工三个部分的精力分配和时间分配不合理，今后需对此设计过程进行简化，明确以培养学生对多学科知识的综合运用能力为主要目标。

图3 建筑材料课程教学改革技术路线

4 结语

建筑材料是水利类工程专业的重要基础课，其教学质量直接关系水利工程专业卓越工程师培养计划的达成效果。本文针对传统课程教学中存在的不足，以新工科背景下创新人才培养需求为导向，提出以“项目驱动、模块教学”模式为基础、以“理论—实训—竞赛”体系为方法、以“材料+结构+施工”实践为导向、以“多时段、多元化、多维度”评价为目标的教学改革思路，并围绕新工科建设内涵对其进行持续改进。实践表明，该教学模式下学生专业知识水平、实操动手能力均得到有效提升，科研创新意识增强，学习积极性和主动性大幅提高，取得了初步的教学成果，可为其他高校课程改革提供参考。