中美高校土木工程材料课程教学差异研究

2024-02-20张苹金祖权张鹏崔祎菲鲍玖文

高教学刊 2024年5期

张苹金祖权张鹏崔祎菲鲍玖文

摘要：对中美高校土木工程材料课程的课堂授课、实验及考核等方面进行比较研究。美国的土木工程材料课程设置及讲授注重实验和工程应用，重基础知识和自主学习。我国注重课堂基础教学，提倡线上教育。提出我国高校应适度增加实验学时，并根据专业方向不同对授课内容有所侧重；可借鉴美国的研究生助教制度，强化课堂和实验教学的指导以及课下与学生的沟通交流，进一步提高教学质量。

关键词：土木工程材料；工程实践；中美高校；教学差异；学时分配

中图分类号：G640 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2024）05-0001-06

Abstract： This paper presents a comparative study made on the classroom teaching， experimentation and assessment of the Civil Engineering Materials courses between Chinese and American universities. Compared with domestic universities， more school hours are allocated to the experimentation in America， which illustrates the America universities putting great emphasis on students' mastery of basic knowledge and students' improvement of practical and engineering abilities， as well as their independent learning ability. In terms of teaching mode， online education is playing an increasingly important role in domestic universities. It has been proposed in this paper that Chinese universities should increase experimental hours appropriately and start to use different teaching content according to different majors. In addition， the teaching assistant system in the United States is worth learning by domestic colleges and universities. It can strengthen the communication between teachers and students after class and hereby improvethe quality of teaching.

Keywords： Civil Engineering Materials; engineering practice; Chinse and American universities; teaching differences; allocation of hours

土木工程材料課程是土木工程及相关专业的一门必修技术基础课，理论性、实践性、综合性很强。在新工科国际化人才需求及建设土木工程学科国际化课程教育体系的大背景下[1-3]，国内学者近年来对美国[4-5]、日本[6]、欧洲[7]、澳洲[8]等的工科课程课堂授课及实验授课的模式进行了研究，并加以学习、借鉴和吸收。本文以美国密苏里大学和青岛理工大学（以下简称“我校”）为例，通过访学得到的第一手资料对中美两国土木工程专业的土木工程材料课程授课情况进行了比较，包括课堂授课、实验开设及考核方式等方面。鉴于我校土木工程专业在全国高校排名30名左右，而密苏里大学土木工程学科全美排名40名左右，双方的比较具有一定的代表性和参考性。我校土木工程材料课程2016年入选第一批“国家级精品资源共享课”，基本能反映国内同类高校的授课情况。

一课程目的

美国密苏里大学土木工程材料课程的主要目的是着重于应用型人才培养，强调学生对于基本概念、不同建筑材料的基本性能测试方法及所依据的各种标准及细则的掌握。培养学生可以应用不同的策略解决与建筑材料相关的实际问题的能力。尤其强调了这种能力包括作为个体（as an individual）和作为合格团队一员（as a team member）的能力。这种能力主要在小组作业及实验过程中加以培养和强化，美国之所以在一门专业课中强调合作能力并着重提出，体现了美国人对沟通能力和团队精神的推崇。这在某种程度上与我国现在提倡的将“思政教育”潜移默化地融进课堂教育的思想相似。而我校土木工程材料课程的目的主要服务于应用研究型人才培养目标，配合近些年硕博士研究生招生规模的逐年增加，要求学生不仅掌握土木工程材料基础知识和专业知识，用于推演、分析专业工程问题，还要能具备一定的科研能力，为以后硕、博士阶段的继续深造打下基础。

二课程内容与设置

（一）课堂授课

表1和表2列举了中美高校土木工程材料（以下简称“本课程”）课堂授课的主要内容及学时分配情况，可以看出，美国课程除基本的建材种类及定义、各种术语、配合比计算、各种材料的基本性能及测试方法外，还有几个不同于国内的显著特点。

1）国内概论部分，是对土木工程材料课程的介绍，基本设置1个学时，一般会简要介绍课程主要内容，学时分配、实验部分和考核方式等。而密苏里大学设置了4个学时，在4个学时中除了教授和国内相似的内容，还着重讲了土木工程材料历史的发展，东西方的差异，及基本上把本课程所涉及的概念及之间的内在联系全部讲授完，从第一次课开始就布置大量阅读任务（reading assignment）和课后作业（homework），在阅读任务中不仅有大量的背景知识还有最新的学术论文，在课后作业中有大量联系工程实际的内容，比如讲到混凝土开裂的概念时，要求学生从身边的建筑、道路、桥梁中拍摄裂纹的图片，先对开裂有一个非常直观强烈的印象，并在后续的混凝土高级课堂中结合讨论其成因机理等，这些都帮助学生迅速地认识本课程并快速深入进去。所以美国概论课在某种程度上是一种“大概论”。

2）课程内容中沥青混合料所占比重较大，涉及沥青性能及沥青混凝土的相关知识点，美国高校这部分明确的课堂授课时间占总学时的13.9%，我校只有10%；涉及沥青的实验项目有2次课6个学时，包括沥青混合料集料及拌合实验（表3），占项目总数的1/4。这与美国的国情是分不开的。美国是“车轮上的国家”，美国的交通主要靠公路，主要交通工具是汽车。无论是生活还是物资，产品的运输大部分都依赖公路交通，这就使道路用沥青混凝土材料显的尤为重要，所以美国各大学的土木工程专业建筑材料授课中，这部分内容占有的比重较高，而国内只有道桥方向的学生在学习这门课时才会有所侧重。

3）国内授课水泥、砂浆、混凝土及功能材料等各部分之间泾渭较分明，且涉及水化、耐久性等机理部分内容较多，与绪论一样，美国老师上课时则把水泥和砂浆的内容揉进了混凝土初步和高级两部分，并着重讲述了骨料性能和混凝土性能，注重知识之间的串联，引导学生自己建立知识体系，体现了其课程目标及定位，即注重综合应用，注重工程能力的培养。

4）美国授课教师一般不指定教科书，但会给学生布置大量的课前相关阅读、预习、知识背景了解等，并且在上课时默认学生都已完成，国内高校学生自主学习有待加强[9]。国内在讲授时总是尽可能多讲，以“教”为中心，以“教师讲学生听”为主。美国高校教师授课时在课堂上表现为引导学生思考，以学生为中心，同时结合授课教师本身的研究方向予以扩展和延伸，学生在课堂上也经常会向教师提问或质疑。

（二）实验授课

表3和表4分别为美中高校土木工程材料课程开设实验的情况，可以看出，美国高校本课程的实验学时远远多于国内，达到了24学时，而我校只有10学时，美国实验比重较大是与其课程目的相对应，美国本科着眼于职业能力的培养，注重培养工程实用型人才，重视基本实验技能的掌握及通过具体实验过程增加对基本概念及术语的理解。所以通过大量实验来验证和巩固理论知识，增强感性认识，同时锻炼和培养学生的实践动手能力和科研能力，为将来的学习和研究工作打下基础。

土木工程材料课程的实验有一个较为明显的特点就是周期长，美国的实验学时及内容设置充分考虑到了这个特点，给学生提供了一个较宽松的时间、空间条件。例如，密苏里大学的混凝土实验分为骨料性能、混凝土成型和硬化体性能测试3个实验项目，分3个不同的时间段进行，每次3学时，这充分考虑到每阶段所需要的时间及实验数据的前后关系。而国内高校普遍将混凝土实验设为1个实验项目，包括配合比设计、拌合、强度测试三部分内容，但普遍只给予3学时的时长[10]。众所周知，从混凝土成型到进行强度测试，最少也需要间隔3 d的养护时间，这给实验教学的组织和实施都带来了一定的困难。

近几年，随着教育部大力支持教学教改研究项目，国内高校在引导学生掌握基本方法的同时，采取许多灵活的方法提高实验效能，增加综合性设计性实验的比重[11]，我校在近些年的土木工程材料实验教学授课中，也逐步加大综合类及设计类实验项目的比重。在具体实验小项和实验设备没有大改变的前提条件下，引导学生拓宽思路，培养学生解决工程实践、实际问题的能力。比如，在水泥性质测试实验中，改变了以往逐项介绍水泥标准稠度用水量、安定性、凝结时间及砂浆强度和水泥细度等的具体测试方法，然后让学生逐一操作的教学模式，改为提供一份水泥，让学生自己查阅相关标准，独立自主确定应检测哪些项目才能对水泥是否是合格产品进行检测鉴定，根据水泥品种的不同测试项目会有差别。这样就锻炼了学生思考问题及解决问题的能力，而不是机械地去学习相关实验操作，增加了学生的学习兴趣。

与国内强调的增加综合性设计性实验的趋势不同，密苏里大学虽然混凝土实验学时项目较多，但基本仍为面向工程实践的传统类基础实验，比如其混凝土配比相对较单一且固定，但极为侧重对相关规范、检验方法和标准的掌握。而我校的混凝土配合比綜合性实验引导学生就一个综合课题展开配合比设计，配合比组数经常达到十数组，学生之间共享实验结果去完成实验报告，在最大程度上服务于应用研究型人才培养的目标。但某种程度上国内由于学时有限，追求在较为集中的时间里使学生最大程度地接触实验，且由于实验条件、实验时间和组织管理上的限制，学生在实验基本功方面有待加强。在实验依据方面我国实验主要依据国家标准和行业标准，美国主要依据协会标准和州交通部标准。

三考核方式及成绩构成

我校本课程考核包括平时成绩、实验成绩和期末考试成绩，平时成绩中线上学习情况占总成绩的10%，线下作业5%，课堂讨论5%，每一项按百分制单独计分，平均值作为最终平时成绩。成绩比例及考核细则如图1所示。美国试卷成绩占55%，我校为50%，相差不大，但美国试卷成绩比较分散，分为期中三次测验和期末一次总测验。且实验成绩、期中成绩和期末成绩三项中有两项达不到及格（C）标准，直接视为本课程不合格，在无特殊情况不安排补考，直接重修。“宽进严出”一直是美国高等教育异于我国的地方，密苏里大学每年都有近1/3的学生拿不到毕业证，原因之一就是课程考核达不到规定要求且一般没有补考。

国内近几年开始强调线上教育的重要性及参与度[12]，有些学校有制度性指标，比如对学生的登录次数，老师的线上辅导时间有硬性要求。我校的成绩中亦比密苏里大学多了线上成绩10%的要求。虽然美国高校计算机的应用远比我国要早及广泛，但密苏里大学只是由老师将学习资料（课堂资料、实验资料）上传到课程网页，学生登陆后可自由下载查看，除此之外并没有硬性要求学生的登录次数、网上必须完成的习题等，但学生的部分实验报告可在线提交，教师在线批改给出成绩。

四授课情况

授课形式上，密苏里大学实施20～25人小班化教学，每次课1学时，师生比远高于国内；教师教案是PPT电子教案和书面教案相结合，基本各占50%，而国内有全面电子化教案的趋势，尤其在年轻教师中板书教学越来越弱化。电子PPT有时存在节奏过快，学生印象模糊等缺点，板书教学有其特有的优势，可以吸引学生注意力，调节课堂节奏，应提倡电子教案和板书的适度结合[13]，充分发挥各自优势。

在授课教师组成上，美国高校存在成熟的RA（科研助理，researching assistant）和TA（教学助理，teaching assistant）制度，均由博、硕士研究生担任。但多数为博士研究生。其中TA可以承担实验教学任务，从下发实验指导书到实际指导学生实验操作到最后给出实验成绩，均由TA来完成。但TA一般不独立承担，通常是由不同级的2～3人共同承担，以保证在新旧更替时的教学质量。TA也可以帮助授课教师承担课堂教学的辅助工作，比如批改课后作业、批改试卷、线上线下负责给学生答疑等。学有余力的学生，或自主要求，或由教师招募，在语言和绩点达到一定要求后，参加学院组织的面试和答辩后可获得参与的机会。学校需同时给予学生一定的劳务报酬。国内虽然通常会由课堂授课教师兼职或专职的实验教师进行实验授课，但建筑材料类实验课会涉及大量的实验材料准备及数据处理等课下辅导工作，所以也可以在实验教学方面借鉴这种助教制度，聘请一定量的硕、博士作为实验授课教师的辅助人员，一方面可以缓解实验人员配备不足，对学生课下沟通指导能够更充分，还可以使硕博士的个人能力得到锻炼。

五建议

比较中美高校土木工程材料课程教学之异同，有几方面可以讨论和借鉴。

（一）课程内容方面

可以因科研资源、专业方向、地域等不同有所侧重。例如，可视土木、建筑、隧道和材料等专业方向不同，在课堂内容安排上有不同侧重；或者根据高校各自的科研优势，将科研资源融入教学内容，再比如沿海高校也可适当增加海工混凝土等有针对性的实验项目等，打造特色课程。

（二）学时分配方面

适度增加实验比重甚至可以考虑单独设置实验课。土木工程材料是一门实用性很强的土木工程专业课程，只有通过一定强度的实验才能使学生对土木工程材料有一定的感性认识，对相关规范、检验方法和评价标准有初步的了解和掌握。不管是工程实践还是科学研究，动手能力都是重要一环，不应培养只会纸上谈兵的人才。美国高校实验人员配置、场地设备等条件普遍优于国内，我国实验教学比重小，在掌握实验技能及通过实验巩固深化课堂知识上存在不足，实验学时应适度增加。在有条件时还可以考虑单独设课。目前我国高校中只有清华大学、浙江大学、重庆大学等为数不多的高校对土木工程材料实验教学单独设课。单独设课可以给予实验老师更大的自主权来安排实验过程，也能给予学生更大的动力来学习这门课。在不减少基础实验学时的基础上，给学生更大的发挥空间。

（三）教学手段方面

不论是理论授课还是实验授课，均加大网络化和信息化建设，引导教师及学生的积极投入、参与线上網络教育，建设网络教学资源。我国线上教学的巨大作用和优势在新冠病毒感染疫情期间已经得到了充分展现。在常态教学中，也应该注重充分发挥线上教学的独特优势。除理论授课外，实验教学也应该充分利用“视频+文字”的形式，改革传统纯文字形式的实验指导书（简单包括实验目的、实验步骤、实验器材和若干思考问题），必要时穿插一些编程、大数据、建模等。丰富的视频会给学生更直观的印象，也更具有科学性，更加形象生动具体。编程大数据等的应用更能增加学生兴趣，从而更有利于学生知识掌握、开拓思路及扩展。而在国际合作和全球科技融合大背景下，土木工程材料实验双语教学也可以加以开展。

六结论

1）课程的培养目标定位方面，美国本科阶段特色分明，即注重夯实专业基础和职业技能训练，致力于培养实用型/应用型/工程型人才，我校则由应用型向应用研究型转变，应根据不同国情、自身定位、社会岗位需求等制定不同的授课目标。

2）应根据高校自身及地域特点等发展特色教学，增加实验教学的比重，在线上网络教育方面，引导教师及学生积极参与，在夯实基础知识的同时实现教学效果的整体提升。

参考文献：

[1] 金峤，吴翔宇，孙丽.土木工程专业本科课程体系国际化建设策略研究——以沈阳建筑大学为例[J].沈阳建筑大学学报（社科版），2019（1）：92-98.

[2] 冯锦艳.本科生国际化培养模式探索——以北京航空航天大学土木与机场工程专业为例[J].高等建筑教育，2019，28（1）：47-53.

[3] 李福海，靳贺松，胡丁涵，等.国际化趋势下建筑材料实验教学改革探讨[J].实验科学与技术，2019，17（3）：140-146.

[4] 彭光金，侯世英，熊兰，等.浅论中美高校工科工程基础实验教学之差异[J].电气电子教学学报，2015，37（2）：94-96，118.

[5] 吴其胜，李娟，诸华军，等.中美应用型本科材料科学与工程专业课程体系的比较研究[J].化工高等教育，2019，36（3）：27-32，69.

[6] 蓝蔚青，谢晶，陈江华，等.日本高校实验室建设与管理工作启示[J].实验室研究与探索，2017，36（8）：255-258.

[7] 饶平平，陈有亮，宋忠强，依托中德合作与交流的土木工程办学研究与实践[J].中国电力教育，2013（10）：55-56.

[8] 刘照球，张飞，荀勇.澳洲高校土木工程专业教育模式的比较研究——以新南威尔士大学为例[J].高等建筑教育，2016，25（6）：27-31.