新工科背景下高校“土木工程材料”课程教学改革

[摘 要] 在新工科建设背景下，土木工程专业亟待从学习目标、培养方案、教学模式等方面持续改进，加快培养出符合新工科要求和社会需要的专业人才。基于高校现有教学体系，针对高校开设的“土木工程材料”课程，本次教学改革将“土木工程材料”课程、化学工程与工艺专业理论知识进行融合教学，对该课程教学方法做出相应的探索和改进，进而提出将化学工程与工艺专业课程和土木工程材料课程进行融合教学的策略。改进后的教学方法，可为高校其他工科课程教学改革提供参考。

[关键词] 新工科;土木工程材料;化学;课程融合;教学改革

[基金项目] 2021年度广西高等教育本科教学改革工程项目“新工科背景下‘土木工程材料’课程与化学工程与工艺专业课程融合教学的探索与实践”（2021JGA170）;2021年度广西高等教育教学改革工程项目“基于弘扬广西少数民族文化色彩的建筑学设计色彩课程教学的探索与实践”（2021JGA169）;2019年度广西民族大学校级高等教育教学改革工程立项项目“以创新创业教育为导向的民族院校‘土木工程材料’课程教学方法探索与实践”（2019XJGY38）

[作者简介] 严敏嘉（1991—），女，湖北宜昌人，土木工程博士，广西民族大学建筑工程学院讲师，主要从事土木工程专业教育研究;何夏萱（1992—），女，广西南宁人，城市设计硕士，广西民族大学建筑工程学院教师（通信作者），主要从事建筑学与土木工程专业教育研究。

[中图分类号] TU-85 [文献标识码] A [文章编号] 1674-9324（2022）04-0099-04 [收稿日期] 2021-08-26

在新工科背景下，土木工程专业亟待从学习目标、培养方案、教学模式等方面持续改进，加快培养出符合新工科要求和社会需要的专业人才[1，2]。“土木工程材料”课程具有较强的理论性、综合性及实践性，是土木工程专业的学科基础课程，为后续专业课程的学习及研究工作奠定基础;同时，该课程也是其他工程类专业（如建筑学、工程管理等）的重要课程[3]。因此，针对该课程进行教学改革的探索，对土木工程及其他工程类专业的教学改革具有重要意义[4-6]。

基于此，本次教学改革结合“土木工程材料”课程、化学工程与工艺专业理论知识进行融合教学，有利于开拓土木工程专业学生对工程材料的理解和认知，培养同时掌握土木工程和化学工程与工艺专业知识的复合型人才[7，8]。同时，能够使学生通过自主创新设计试验提高逻辑思维，激发专业学习能力以及研究潜能，促使学生运用化学工程与工艺专业知识探索出对土木工程材料的创新和优化设计方法。这既是对我国当前土木工程行业中材料的传承与创新，也是对新工科背景下土木工程专业课程教学进行多元化探索的尝试。

一、课程教学存在的问题

“土木工程材料”课程不仅是高等院校土木工程专业的学科基础课程，同时也是其他工程类专业（如建筑学、工程管理等）的重要课程[3]。该课程主要介绍土木工程行业中大量应用工程材料的概念、基础理论、基本性能以及在实际工程中的应用特点等，其教学内容与化学工程与工艺专业理论课程知识（如有机化学、无机化学、高分子化学等课程知识）联系紧密。

然而，目前“土木工程材料”课程的教学存在以下不足：一是在教学过程中，教师并未考虑该课程属于土木工程专业和化学工程与工艺专业的交叉领域，若教师仅从土木工程角度出发进行教学，会导致学生无法从化学工程与工艺角度学习工程材料。二是该课程仅从工程应用的角度向学生讲解工程材料的性能及其应用，导致学生无法运用化学反应机理分析材料的组织、结构和成分，进而无法确定其工程应用范围。三是该课程实验教学内容仅涉及工程材料的一些简单性质（如力学性质、工艺性质）和技术要求，学生直接接受相应的标准、规范、规程和指南而无法跳出其框架的约束，导致无法基于化学反应机理形成工程材料的完整知识体系，也不能为土木工程材料课程实验及自主创新性实验奠定必要的化学基础。

这些问题的存在，与“以学生为本”，强调学生自主性的教学理念并不相符，直接制约着新工科人才培养目标的实现。

二、新工科背景下“土木工程材料”课程教学改革的意义

对“土木工程材料”课程教学模式进行改革，使高校在新工科背景下，结合时代发展要求培养高素质复合型人才，并具备以下专业能力：掌握工程材料完整知识体系;能够运用化学反应机理分析材料的组织、结构和成分，进而确定其工程应用范围;从化学工程与工艺角度对工程材料进行学习和创新;能够解决与工程材料相关的复杂工程问题。

在融合教学过程中，化学工程与工艺专业课程相关理论知识为“土木工程材料课程”教学模式的探索与实践提供了理论基础。在融合环境下展开土木工程材料课程，学生可以学到从古至今各类型工程材料的基本性能、制作原理及应用范围，提升学生的民族自豪感，培养其专业情感，达到课程思政的教学效果。同时，学生可通过自主创新设计实验提高逻辑思维，激发学生的专业学习能力以及研究潜能，促使学生对土木工程材料进行创新性实验[9]。这既是对我国当前土木工程行业中材料的传承与创新，也是对土木工程专业教学进行多元化探索的尝试。

三、教学改革的探索与尝试

为培养符合新工科建设要求的土木工程专业人才，本次教学改革将化学工程与工艺专业相关课程（无机化学、物理化学、有机化学等）理论知识融入“土木工程材料”课程，在有限的学时中，让学生能够通过分析工程材料运用化学反应机理来分析材料的组织、结构和成分，进而确定其工程应用范围，引导学生从化学角度对土木工程材料进行学习，同时启迪学生对现代土木工程材料进行探索和优化设计的自主创新思维。本次教学改革措施如下。

（一）将“无机化学”理论知识融入“土木工程材料”课程

在《土木工程材料》的“无机气硬性胶凝材料”章节中，现行教材讲授了石灰、石膏等材料的基本原材料及生产方式。石灰的生产、熟化、硬化过程均含有氧化还原反应，“无机化学”中的氧化还原反应能够使学生了解氧化还原反应的方向和进度。其中，在石灰的熟化与硬化部分，现行教材仅讲述煅烧良好且氧化钙含量高的生石灰熟化较快、放热量大且体积增大较多，但并未详细解释其中的化学反应及机理，导致学生无法通过化学机理解释反应现象，而“无机化学”中的热化学理论知识能够让学生掌握利用热力学等相关理论观点判断化学反应的方向性和反应过程中的能量变化，以及化学热力学的相关计算。

针对石膏的生产过程，因加热方式、温度不同，会得到不同性质的石膏产品。现行教材中仅用文字简略讲述其过程，未从热化学理论解释其结果，导致学生无法从能量吸收、热化学理论的角度理解其机理。同时，在建筑石膏的硬化过程中，“土木工程材料”教材仅用文字描述了建筑石膏与水拌合后的溶解、化合、凝结聚成晶体、硬化，并未从无机化学的角度分析整个过程的现象及机理，导致学生无法理解其本质。实际上，石膏的凝结和硬化是一个连续的、复杂的化学变化过程，而“无机化学”中的晶体结构理论知识，能够让学生通过晶体的特征和质点间的相互作用力、晶体的类型与物质性质的关系，理解建筑石膏凝结聚成晶体、晶体成长共生及离子特征对溶解度产生影响的本质，从而让学生从物理化学的角度理解建筑石膏硬化时体积微膨胀、硬化后孔隙率较大且具有很强吸湿性等特征。

（二）将“物理化学”理论知识融入“土木工程材料”课程

水泥属于水硬性胶凝材料，是土木工程中非常重要的材料之一，可用“物理化学”的知识对其凝结硬化的初始反应期、潜伏期、凝结期、硬化期进行解释。例如，在初期反应期，水泥与水接触后立即发生水化反应，溶液过饱和后氢氧化钙开始结晶析出。在潜伏期中，水泥表面附着的水化硅酸钙凝胶阻止水泥与水接触，所以该阶段水化反应速度慢，水化放热小;在水泥中掺入石膏起缓凝作用，其机理在于石膏与铝酸三钙作用产生钙矾石沉淀在水泥颗粒表面形成保护膜，阻碍水化反应，从而延缓水泥凝结时间，而石膏掺入过多则会继续参与反应，形成高硫型水化硫铝酸钙，产生促凝作用且增大体积，这也是部分实际工程稳定性不良的根本原因。因此，在水泥凝结硬化部分引入“物理化学”理论知识，能够让学生从物理化学反应机理了解石膏在水泥水化过程中所起的缓凝、促凝原因，由此掌握选取适宜的石膏掺量以避免出现水泥体积稳定性不良的方法，从而保障实际工程的安全稳定性。

混凝土的碱-集料反应被许多专家称为混凝土的“癌症”，是混凝土集料中存在碱活性二氧化硅与混凝土微孔中的碱溶液产生化学反应，活性二氧化硅逐步解聚后碱金属离子吸附在新形成的反应产物表面形成碱-硅酸凝胶，遇水膨胀后在混凝土内部产生较大的膨胀应力，从而引起混凝土开裂。进一步地，空气、水、二氧化碳等侵入裂缝，引起混凝土碳化和钢筋锈蚀速度加快，而钢筋锈蚀产物铁锈的体积远大于钢筋原来的体积，使得裂缝持续扩大直至造成混凝土工程的综合性破坏。因此，在碱-集料反应部分引入“物理化学”理论知识，能够用物理化学反应机理向学生解释碱-集料反应如何造成混凝土耐久性下降，严重时还会使混凝土丧失使用价值。同时，教师能够引导学生在以后的实际工程应用中避开碱-集料反应的必要条件，掌握对混凝土结构破坏预防、修补和挽救的措施，增强实际工程的安全稳定性。

（三）将“有机化学”理论知识融入“土木工程材料”课程

我国富产石蜡基和中间基沥青，在土木工程中主要用作防潮、防水、防腐蚀材料，用于屋面及各类防水工程中。沥青作为有机胶凝材料，是高分子碳氢化合物及其非金属衍生物组成的极其复杂的混合物，其技术性质与化学组分及其化学结构有关。蜡属于直链烷烃为主的化学结构，蜡的形态和数量对沥青工程性能具有重大影响。教师可以将“有机化学”相关理论知识引入分析过程，让学生从有机化学的角度理解沥青的技术性质。例如，在高温环境下蜡会使沥青软化，导致沥青路面的高温稳定性降低;而在低温环境下，蜡会使沥青脆硬，容易出现裂缝;蜡会使沥青与石料的黏附性降低，在有水的条件下导致路面石子剥落破坏路面。此外，蜡含量过高，会降低沥青路面的抗滑性，影响路面行车安全等。

基于此，在路面工程中需要对沥青材料进行改性。现行教材中对沥青改性仅说明采用何种材料改进沥青的何种技术性质，并未从有机化学机理角度进行分析。教师需要从有机化学角度向学生揭示其机理，例如，蜡含量较多使其温度敏感性大，所以工程上会加入滑石粉、石灰石粉等矿物填充料对其进行改性，减小其温度敏感性。滑石粉的主要化学成分是含水硅酸镁，石灰石粉的主要成分为碳酸钙，沥青呈单分子状态排列在矿物颗粒表面形成结合力牢固的沥青薄膜，所以改性后会使其具有较高的黏性和耐热性能。

本次教学改革将化学工程与工艺专业的“无机化学”“物理化学”“有机化学”课程理论知识分别融入“土木工程材料”课程的石灰、石膏、水泥、混凝土、沥青等章节，促使学生能够自主运用化学工程与工艺专业相关理论知识掌握工程材料的技术特征、基本性能，并能够在以后的实际工程应用中从化学工程与工艺专业理论知识的角度分析其机理。同时，引导学生将我国土木工程行业发展需要和可持续发展理念相融合，培养学生的专业情感和社会责任感，促使学生探索出对土木工程材料的创新和优化设计方法。

参考文献

[1]崔京浩.土木工程的学科优势和人力资源开发[J].土木工程学报，2017，50（5）：1-11.

[2]王尧鸿.新工科背景下土木工程施工课程的教学方法研究[J].中国现代教育装备，2020（21）：50-52.

[3]李宏斌，宇云飞，孟志良.新工科背景下土木工程专业试验课程教学改革——以土木工程材料课程试验为例[J].河北农业大学学报，2020，22（5）：115-120.

[4]王美平.“土木工程材料”课程教改研究[J].广东化工，2016，43（1）：154+167.

[5]郭钟群，朱易春，秦艳华.培养创新和应用能力的土木工程材料教学改革探讨[J].教育教学论坛，2019（28）：88-89.

[6]田冬梅.培养创新能力与工程素养的土木工程材料教学改革实践[J].现代职业教育，2016（30）：30-31.

[7]赵亮，李永强，姚爽.“新工科”背景下土木工程材料实验课程创新性研究[J].河南建材，2019（3）：336-337.

[8]赵亮，姚爽，李永强.“新工科”背景下《土木工程材料》教学改革与实践探讨[J].河南建材，2019（4）：273-274.