鄒府兵 王信剛 周子皓 趙華 周耐根 丁成平

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目“高性能C-X-S-H納米晶核構(gòu)建低碳水泥基材料體系的活化機(jī)理與時(shí)效調(diào)控”（52202023）；2023年江西省普通本科高校教育教學(xué)研究改革課題“雙碳背景下基于科研能力培養(yǎng)的土木工程材料課程教學(xué)改革與實(shí)踐”（JXJG-23-1-29）；2023年南昌大學(xué)校級(jí)教學(xué)改革研究課題“雙碳背景下《土木工程材料》課程教學(xué)改革與探索”（NCUJGLX-2023-149-83）；2023年南昌大學(xué)學(xué)位與研究生教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目“雙碳背景下土木工程材料方向研究生創(chuàng)新能力培養(yǎng)模式改革與探索——以《膠凝材料學(xué)》課程為例”（NCUYJSJG-2023-077）；2023年南昌大學(xué)學(xué)位與研究生教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目“基于一流學(xué)科建設(shè)的土木工程材料研究生創(chuàng)新型人才培養(yǎng)模式構(gòu)建與實(shí)踐”（NCUYJSJG-2023-049）

第一作者簡介：鄒府兵（1992-），男，漢族，江西南昌人，工學(xué)博士，講師，碩士研究生導(dǎo)師。研究方向?yàn)榈吞寄z凝材料高性能化、固碳建筑材料以及隔熱保溫材料。

*通信作者：王信剛（1977-），男，漢族，江西宜春人，工學(xué)博士，教授，博士研究生導(dǎo)師。研究方向?yàn)樗嗷δ懿牧吓c低碳負(fù)碳建筑材料。

DOI：10.19980/j.CN23-1593/G4.2024.19.035

摘? 要：土木工程材料課程作為培養(yǎng)土建類方向大學(xué)生的重要專業(yè)必修課，在“雙碳”背景下，其教學(xué)過程中面臨匹配的教材少、教學(xué)內(nèi)容滯后、層次化綜合實(shí)驗(yàn)缺乏及科研能力培養(yǎng)不足等突出問題。通過開展基于“雙碳”理念的前沿教學(xué)內(nèi)容、層次化綜合性實(shí)驗(yàn)與科研能力培養(yǎng)及構(gòu)建多維度課程評(píng)價(jià)體系三方面的改革，學(xué)生上課積極性和對(duì)實(shí)驗(yàn)操作的掌握程度顯著改善，綜合素養(yǎng)和科研能力得到較大提升，教師授課質(zhì)量和師資隊(duì)伍建設(shè)也得到進(jìn)一步強(qiáng)化和提升，起到良好的教學(xué)相長和協(xié)同育人效應(yīng)。教學(xué)改革成果經(jīng)豐富和完善后可為相關(guān)開設(shè)土木工程材料課程的高校提供一定的經(jīng)驗(yàn)和思路，對(duì)涉及“雙碳”理念的其他課程也有一定的借鑒作用。

關(guān)鍵詞：“雙碳”戰(zhàn)略；土木工程材料；科研能力培養(yǎng)；教學(xué)改革；教學(xué)實(shí)踐

中圖分類號(hào)：G642? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號(hào)：2096-000X（2024）19-0147-06

Abstract： The course of Civil Engineering Materials is an important professional compulsory course for the students of civil engineering and construction. Under the background of "double carbon"， there are some outstanding problems during the teaching process， such as few matching textbooks， lagging teaching content， lack of hierarchical comprehensive experiments and insufficient training of scientific research ability. Through the development of cutting-edge teaching content based on the concept of "double carbon"， hierarchical comprehensive experiment and scientific research ability training， and the construction of multi-dimensional curriculum evaluation system. The enthusiasm for students in class and their mastery of experimental operations have been significantly improved， and their comprehensive literacy and scientific research ability have been greatly improved. The quality of teachers' teaching and the construction of teachers' team have also been further strengthened and improved， which has played a good role in teaching and learning and collaborative education. The results of teaching reform can provide some experience and ideas for colleges and universities that set up Civil Engineering Materials course after being enriched and improved， and also have certain reference for other courses involving the concept of "double carbon".

Keywords： "double carbon" strategy; Civil Engineering Materials; scientific research ability training; teaching reform; teaching practice

土木工程材料是土木工程的基石，伴隨和見證了人類的建筑史和文明史。資料顯示[1]，當(dāng)前我國土木工程材料生產(chǎn)全過程與建筑運(yùn)行階段碳排放占我國碳排放總量的近一半，而土木工程材料生產(chǎn)全過程碳排放占碳排放總量的四分之一。我國政府在第七十五屆聯(lián)合國大會(huì)上提出了“二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和”的“雙碳”目標(biāo)。在國家“雙碳”戰(zhàn)略背景下，土木工程材料的低碳固碳化發(fā)展前景廣闊，同時(shí)迫在眉睫。

土木工程材料課程是一門集土木、材料、化學(xué)與環(huán)境等學(xué)科知識(shí)交叉的土建類專業(yè)基礎(chǔ)課，同時(shí)也是材料科學(xué)與工程學(xué)科在土木工程領(lǐng)域的重要分支。以南昌大學(xué)（以下簡稱“我校”）為例，開設(shè)此課程的專業(yè)有土木工程、水利水電工程、工程管理、工程力學(xué)、建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程、建筑學(xué)及城鄉(xiāng)規(guī)劃[2]。土木工程材料課程作為培養(yǎng)新土木方向接班人的重要基地，授課老師如何在課堂教學(xué)階段，串聯(lián)起“雙碳”戰(zhàn)略背景、筑牢土木工程材料多學(xué)科交叉基礎(chǔ)理論、強(qiáng)化創(chuàng)新意識(shí)和實(shí)現(xiàn)科研能力培養(yǎng)等方面提升本科生綜合素養(yǎng)具有重大意義。

相關(guān)學(xué)者從不同角度對(duì)土木工程材料課程教學(xué)改革進(jìn)行了闡述，并已取得了積極進(jìn)展。如曾剛等[3]提出的挖掘科研工作凝練轉(zhuǎn)化為課程理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的科教協(xié)同理念，提升了學(xué)生專業(yè)技能和綜合能力。陳嶸等[4]提出可視化教學(xué)、工程案例教學(xué)、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)、科研研討教學(xué)、網(wǎng)絡(luò)輔助教學(xué)和考核方式多樣性“六位一體”教學(xué)模式，有助于提升學(xué)生對(duì)土木工程材料的理解，能夠充分掌握各種材料的特性及應(yīng)用。王子賡等[5]提出的課程思政融入模式，培養(yǎng)了學(xué)生的環(huán)境保護(hù)、愛國主義、生態(tài)文明、職業(yè)道德、集體合作和工匠精神意識(shí)。闞晉等[6]提出的智慧教學(xué)工具助力土木工程材料創(chuàng)建線下一流課程，有效提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效果。李維維等[7]提出的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考和獨(dú)立解決問題的能力，以及創(chuàng)新思維和創(chuàng)業(yè)意識(shí)。袁曉露等[8]提出的基于科研能力培養(yǎng)的土木工程材料實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式探索與實(shí)踐，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題，分析、解決問題的科研意識(shí)和創(chuàng)新精神。嚴(yán)敏嘉等[9]提出的學(xué)科交叉融合教學(xué)，促使學(xué)生運(yùn)用化學(xué)工程與工藝專業(yè)相關(guān)理論知識(shí)掌握工程材料的技術(shù)特征。張?zhí)O等[10]研究了中美高校土木工程材料課程教學(xué)差異，提出我國高校應(yīng)適度增加實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)，可借鑒美國的研究生助教制度，強(qiáng)化課堂和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的指導(dǎo)及課下與學(xué)生的溝通交流。孟瑋等[11]提出將成果導(dǎo)向（Outcome-based education，簡稱OBE）教育理念融入教學(xué)活動(dòng)實(shí)踐中。鄭召[12]指出從課程思政進(jìn)課堂、“產(chǎn)-科-教”融合、面向鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略、體現(xiàn)科研特色和引入智能建造概念培養(yǎng)高質(zhì)量創(chuàng)新型人才。

截至2023年，僅有較少學(xué)者報(bào)道了關(guān)于“雙碳”背景下的土木工程材料課程教學(xué)改革，如李秀君等[13]提出土木工程材料與施工技術(shù)案例化、增加成熟再生材料及施工工藝、創(chuàng)新試驗(yàn)設(shè)計(jì)和科研創(chuàng)新研討化的新時(shí)代“雙碳”背景下土木工程材料課程教學(xué)改革。然而，該教學(xué)改革側(cè)重于工程實(shí)踐與施工技術(shù)，主要講述水泥基材料、瀝青類材料和集料等內(nèi)容。劉婉娟等[14]提出樹立學(xué)生低碳意識(shí)，滿足“雙碳”目標(biāo)下企業(yè)的用人需求的土木工程材料課程體系改革設(shè)計(jì)。從該部分可知，與“雙碳”戰(zhàn)略匹配的土木工程材料課程教材少、教學(xué)內(nèi)容較為滯后、層次化綜合實(shí)驗(yàn)較缺乏及科研能力培養(yǎng)不足等問題依然突出。當(dāng)前土木工程材料課程教學(xué)已不能滿足培養(yǎng)具有“雙碳”理念、創(chuàng)新意識(shí)、創(chuàng)業(yè)精神的應(yīng)用型土建類人才，亟需教學(xué)改革。

基于此，本文首先論述了土木工程材料課程現(xiàn)狀，進(jìn)而闡述“雙碳”背景下基于科研能力培養(yǎng)的土木工程材料課程教學(xué)改革與實(shí)踐的思路，包括基于“雙碳”理念的前沿教學(xué)內(nèi)容改革、層次化綜合性實(shí)驗(yàn)與科研能力培養(yǎng)，以及構(gòu)建多維度課程評(píng)價(jià)體系。依托國家“雙碳”戰(zhàn)略背景，結(jié)合最新科研進(jìn)展與工程案例，融入課程思政元素，將科研工作凝練轉(zhuǎn)化為實(shí)驗(yàn)教學(xué)育人資源的銜接點(diǎn)，創(chuàng)建多學(xué)科交叉創(chuàng)新綜合性實(shí)驗(yàn)，形成層次化科研能力培養(yǎng)模式和多維度的考核評(píng)價(jià)方法。

一? 土木工程材料課程現(xiàn)狀

（一）? 教學(xué)內(nèi)容較為陳舊

當(dāng)前土木工程材料課程的教學(xué)依然圍繞各章節(jié)講授基本知識(shí)點(diǎn)，在最新國家政策導(dǎo)向、建材產(chǎn)業(yè)重大需求，以及國內(nèi)外最新科研和工程進(jìn)展及課程思政的教學(xué)內(nèi)容未能及時(shí)更新，無法讓學(xué)生及時(shí)了解全球知名高校、科研機(jī)構(gòu)、上下游企業(yè)及相關(guān)工程案例的最新研究與發(fā)展動(dòng)態(tài)?；凇半p碳”背景的理論教學(xué)內(nèi)容較缺乏，學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)有待加強(qiáng)，理論框架和知識(shí)體系有待革新。

（二）? 教學(xué)模式較為傳統(tǒng)

任課老師一般仍采用以教材和PPT演示為主的傳統(tǒng)教學(xué)模式，這讓未及時(shí)進(jìn)行課前預(yù)習(xí)的同學(xué)在面對(duì)大量課程內(nèi)容時(shí)學(xué)習(xí)效果較差。在課程講授中多為老師主動(dòng)講授知識(shí)、學(xué)生被動(dòng)接受知識(shí)的狀態(tài)，師生之間高效同頻共振的力度和效果還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。任課老師對(duì)上一次課程的重點(diǎn)知識(shí)未能做到及時(shí)梳理并向?qū)W生們開展復(fù)習(xí)或者梳理得還不夠。

（三）? 層次化科研能力培養(yǎng)不足

以往土木工程材料課程的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容多為水泥、砂石骨料及混凝土等驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，關(guān)于“雙碳”理念的綜合創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)較少。針對(duì)不同需求的學(xué)生在層次化科研能力上培養(yǎng)不足、科研訓(xùn)練參與度較低。同時(shí)，未能有效構(gòu)建基于科研訓(xùn)練與大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目、“挑戰(zhàn)杯”中國大學(xué)生創(chuàng)業(yè)計(jì)劃競(jìng)賽及省級(jí)大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽等專業(yè)性比賽和項(xiàng)目的高效銜接與聯(lián)動(dòng)。

（四）? 課程評(píng)價(jià)體系不完善

課程改革前，考核方式主要由期中考試、期末考試及平時(shí)成績（多以考勤簽到為準(zhǔn)）三部分組成。由于課程考核中考試占比過大，學(xué)生們往往存在考前死記硬背、臨時(shí)抱佛腳的學(xué)習(xí)狀態(tài)，這不利于學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性及充分體現(xiàn)學(xué)生的課程學(xué)習(xí)效果。因此，構(gòu)建多維度課程評(píng)價(jià)體系迫在眉捷。

二? 基于“雙碳”理念的前沿教學(xué)內(nèi)容改革

（一）? 基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的現(xiàn)代化教學(xué)方法

建立基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的現(xiàn)代化教學(xué)方法，通過MOOC、愛課程、全國先進(jìn)土木工程材料進(jìn)展公開課、各類線上學(xué)術(shù)會(huì)議、終身教育平臺(tái)及各院校和科研機(jī)構(gòu)網(wǎng)站等，學(xué)生可以接觸到世界名校及科研機(jī)構(gòu)的教學(xué)課程和資源，加深與同行之間的學(xué)習(xí)。

（二）? 革新教學(xué)模式

授課采用問答型教學(xué)（Problem Based Learning， PBL）、知識(shí)圖譜類板書，穿插講授晶體學(xué)、材料學(xué)、化學(xué)和環(huán)境學(xué)等學(xué)科知識(shí)及材料分析測(cè)試技術(shù)表征，對(duì)每一章節(jié)重點(diǎn)知識(shí)點(diǎn)做到及時(shí)講解練習(xí)題。讓學(xué)生知其所以然，啟迪和培養(yǎng)學(xué)生對(duì)土木工程材料課程的認(rèn)識(shí)和興趣。課程結(jié)束后，下一堂課程開始前采用聯(lián)想記憶法、對(duì)比記憶法及簡化模型等教學(xué)手段幫助學(xué)生強(qiáng)化和鞏固知識(shí)點(diǎn)。

（三）? 優(yōu)化整合教學(xué)內(nèi)容

如圖1和表1所示，整合“雙碳”戰(zhàn)略背景下土木工程材料課程前沿?zé)狳c(diǎn)、多學(xué)科知識(shí)及工程案例，保留傳統(tǒng)內(nèi)容的同時(shí)，增設(shè)具有“雙碳”理念的前沿內(nèi)容。如低碳膠凝材料、固碳建筑材料、節(jié)能材料與技術(shù)開發(fā)和仿生石材與木材等模塊的前沿進(jìn)展，讓學(xué)生對(duì)“雙碳”戰(zhàn)略在土木工程材料領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀有一定的了解，起到很好的認(rèn)知補(bǔ)充作用。

此外，挖掘“雙碳”戰(zhàn)略背景下的土木工程材料課程思政，如中國古代留下的一些石灰砌筑的建筑物，至今仍有很高的強(qiáng)度，并不是因?yàn)楣糯屹|(zhì)量特別好，而是由于長年累月的碳化所致[15]。眾多“雙碳”背景工程案例，如世界首條用CO2制備混凝土磚生產(chǎn)線在華新水泥成功運(yùn)行、日本Tomakomai CCS示范項(xiàng)目中心研發(fā)出負(fù)碳排放混凝土、全球主要水泥生產(chǎn)商CEMEX與瑞士光熱技術(shù)企業(yè)Synhelion在2022年2月首次將水泥熟料燒成過程與太陽能聚光熱利用相結(jié)合，太陽能接收器反應(yīng)塔內(nèi)工作溫度能達(dá)到1 500 ℃以上，能夠替代100%的化石能源。在前沿科研進(jìn)展方面，如泰國學(xué)者[16]報(bào)導(dǎo)了將水泥基摩擦納米發(fā)電機(jī)開發(fā)用于收集機(jī)械能的研究，即利用納米TiO2增強(qiáng)硅酸鹽水泥復(fù)合材料的介電性能，在垂直接觸-分離模式下產(chǎn)生高電輸出，比純水泥體系高出三倍。韓國學(xué)者[17]提出一種以炭纖維為結(jié)構(gòu)能源材料的水泥基導(dǎo)電復(fù)合材料，同時(shí)引入摩擦納米發(fā)電機(jī)，能夠收集建筑物外表面的風(fēng)能、雨滴敲擊能及人走動(dòng)時(shí)的運(yùn)動(dòng)能。武漢理工大學(xué)與山東京博控股集團(tuán)有限公司旗下山東京博環(huán)保材料有限公司聯(lián)合開發(fā)的CO2仿生礦化固結(jié)材料可作為仿生礦化人造石材[18]。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)俞書宏院士團(tuán)隊(duì)[19]提出的高性能再生各向同性木材，相比天然木材，其最低點(diǎn)燃燒溫度顯著提高，防火性能突出，抗沖擊性能好，能量吸收遠(yuǎn)優(yōu)于天然木材且可直接大規(guī)模生產(chǎn)。東南大學(xué)材料學(xué)院佘偉教授和普渡大學(xué)李恬教授開發(fā)出一種新型水泥基氣凝膠，具有負(fù)泊松比、比強(qiáng)度高等優(yōu)異的綜合性能，解決了現(xiàn)有常規(guī)氣凝膠材料強(qiáng)度低、脆性大、工藝復(fù)雜和難以宏量化生產(chǎn)的難題[20]。麻省理工學(xué)院和哈佛大學(xué)學(xué)者提出了一種碳水泥超級(jí)電容器，可作為一種可擴(kuò)展的大容量儲(chǔ)能解決方案[21]。上述課程內(nèi)容的改革，能夠顯著提升學(xué)生對(duì)土木工程材料的科研興趣和創(chuàng)新思維。

三? 層次化綜合實(shí)驗(yàn)與科研能力培養(yǎng)

如圖2所示，全體學(xué)生保留驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)：水泥實(shí)驗(yàn)、砂石骨料實(shí)驗(yàn)、普通混凝土實(shí)驗(yàn)及高性能混凝土實(shí)驗(yàn)。部分感興趣的同學(xué)增設(shè)水化硅酸鈣晶核合成、低碳膠凝材料制備、硅酸鈣熟料燒成與固碳材料二氧化碳礦化實(shí)驗(yàn)。

在上述實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，如圖2和表2所示，針對(duì)擬參加科研能力訓(xùn)練項(xiàng)目、“挑戰(zhàn)杯”、省級(jí)以上學(xué)科競(jìng)賽及對(duì)土木工程材料方向科研感興趣的同學(xué)，將根據(jù)教師的科研項(xiàng)目安排講授關(guān)于“材料的合成、測(cè)試與表征技術(shù)”“實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可視化處理與結(jié)果分析”“發(fā)明專利與科技論文寫作”及“科研匯報(bào)與學(xué)術(shù)報(bào)告”等科研能力培養(yǎng)內(nèi)容，提升學(xué)生的科研能力。

四? 多維度課程考核體系

針對(duì)課程改革前考核方式中考試占比過大，不利于充分體現(xiàn)學(xué)生的課程學(xué)習(xí)效果的問題，結(jié)合課程特點(diǎn)，將考核模塊更加具體化，同時(shí)更加注重學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作及科研素養(yǎng)的提高。多維考核評(píng)價(jià)體系如圖3所示，構(gòu)建期末考試（60%）、實(shí)驗(yàn)操作（10%）、提問與問題回答（10%）、實(shí)驗(yàn)報(bào)告（10%）和考勤（10%）的多維考核體系。

五? 創(chuàng)新教學(xué)模式效果分析

表3是改革前后土木工程材料課程教學(xué)效果，將“雙碳”理念融入教學(xué)全過程，在一定程度上解決了傳統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容的滯后性，學(xué)生對(duì)課程的滿意度、層次化綜合實(shí)驗(yàn)和科研成果表達(dá)式培養(yǎng)的參與度得到了較為明顯的改善。教師授課質(zhì)量和師資隊(duì)伍建設(shè)也在教學(xué)改革中得到了進(jìn)一步強(qiáng)化和提升，起到了良好的教學(xué)相長和協(xié)同育人效應(yīng)。

六? 結(jié)束語

將“雙碳”理念與科研能力培養(yǎng)融入土木工程材料課程教學(xué)全過程，能夠起到科研反哺教學(xué)，為大學(xué)生今后解決實(shí)際工程問題和科研創(chuàng)新做好準(zhǔn)備。融合課程思政與工程案例讓學(xué)生們深刻感受到“雙碳”戰(zhàn)略對(duì)土木工程材料轉(zhuǎn)型升級(jí)發(fā)展的重要性、必要性與迫切性，提升學(xué)生們作為新土木方向接班人的使命感和自豪感。

改革后取得的教學(xué)效果比較理想，學(xué)生上課積極性與實(shí)驗(yàn)操作的掌握程度顯著改善、綜合素養(yǎng)和科研能力得到較大提升，師生在課堂之間高效同頻共振的力度和效果得到提升，探索了基于“雙碳”理念教學(xué)的土木工程材料課程與大學(xué)生科研訓(xùn)練、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練 計(jì)劃項(xiàng)目、職業(yè)規(guī)劃大賽和“挑戰(zhàn)杯”中國大學(xué)生創(chuàng)業(yè)計(jì)劃競(jìng)賽等專業(yè)性比賽和項(xiàng)目的高效銜接與聯(lián)動(dòng)育人模式。教師授課質(zhì)量和師資隊(duì)伍建設(shè)得到強(qiáng)化和提升。進(jìn)一步豐富和完善后可為相關(guān)開設(shè)土木工程材料課程的高校提供一定的經(jīng)驗(yàn)和思路，對(duì)涉及“雙碳”理念的其他專業(yè)課程也有一定的借鑒作用。

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