土木工程材料课程教学改革研究

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0引言

土木工程材料课程是我国土木工程本/专科学生及相关专业学生大二年级必修的专业基础课程。该课程作为一门理论与实践并重的课程，以混凝土、钢材、砌体等工程结构材料为教学重点，在课程的学习过程中要求学生熟悉各类土木工程材料概念与分类，掌握常用土木工程材料的组成与基本性能，从而在不同工程中根据实际需要选择和设计合适的土木工程材料。与其他土木工程专业基础课特别是力学类课程相比，土木工程材料课程理论推导与计算少，专业名词和概念多，知识点琐碎且逻辑性较差，章节之间独立性较强[1]。该课程可分为理论课时和实验课时两类，教学内容丰富，知识点较多但较为琐碎，且部分章节无明显逻辑关系。由于课程教学过程中学时较为紧张，为保证知识点的覆盖，教师的授课进度相对较快，部分内容必须依靠学生自学，而学生普遍反映在授课过程中对知识点印象不深，课后复习重点不明确[1-2]。并且，长期灌输式教学致使学生的学习兴趣与积极性较低，进而导致学生学习效果较差，缺乏明确的学习目标，出现疲惫学习甚至厌学情绪。此外，土木工程材料授课过程中普遍存在教学重难点不突出、课堂效果沉闷、师生交流互动少等现象。总体来看，与其他专业基础课相比，目前土木工程材料课程教学质量相对较低且其传统教学方式局限性较大，亟需开展基于新型教学模式的改革与实践。

1教学改革思路探索

传统教学方式一般以教师课堂现场讲授为主完成知识的传授，学生通过课后作业、练习或实践完成的知识的理解与内化，而翻转课堂则是将老师由知识传授者与课堂管理者转变为学习督导者与课堂评论者[3]。教师在课堂上通过对学生在课下自主学习中产生的问题进行评判和探究指导帮助学生完成知识的进一步理解与内化[4]。因此，翻转课堂有别于传统课堂的最显著特征即为学生身份由被动学习中的知识接受者转变为主动学习中的知识研究者。思维导图（TheMindMap）是以关键词或想法为中心，采用辐射线形连接所有的代表性字词、想法、任务或其他关联项目构成的图形，其实质为一种将思维形象化的方法，即通过图形捕捉表达发散性思维，将人类的思考过程进行外部表达和呈现[5-6]。因此，采用思维导图作为可视化学习工具，可引导和创造个人在学习过程中的思考，这不仅可以提高学生的学习效率，还可以提高学生的创造力与学习兴趣。目前，已有学者开始尝试将翻转课堂这一新的授课方式应用于土木工程材料课程中进行教学改革，并初步取得成效[7-8]。在初期借鉴翻转课堂进行土木工程材料课程教学改革探索中发现，该方法仍存在一些明显问题，如学生课前学习过程中学习目标不明确，知识学习缺乏逻辑性，知识点掌握模糊或碎片化，对概念原理理解不到位，认知体系架构混乱等。尽管采用翻转课堂教学一定程度上改善了课程教学质量，但上述问题仍阻碍了土木工程材料课程教学改革目标的实现。将思维导图和翻转课程进行有机结合，以期解决上述土木工程材料翻转课堂教学中存在的问题。

2基于思维导图与翻转课堂的教学实践

2.1思维导图教学指引在土木工程材料课程教学前，教师根据课程学习内容和已有课件资料，首先通过MindMaster、XMind、GitMind等商业软件绘制课程章节内容思维导图，作为学生翻转课堂教学前的自主学习指引材料。该思维导图在绘制过程中应采用文字、符号、形状、颜色、连接线等形式，着重突出课程学习中应注意的重点难点、前后章节逻辑关系、需要思考的问题。通过思维导图让学生在翻转课堂学习前对所学内容有所了解并提高认知程度，特别是通过形象思维理清所学关键内容之间的逻辑关系，从而帮助学生加深对课程中的重难点印象并引起关注，激发学生对所学内容的兴趣和好奇心，进而让学生在可视化思维过程中产生一系列待解答的问题，最终大大提高学生在下一步翻转课堂学习过程中求知欲和主动性。在课程学习结束后，教师将下次课程学习中需要的纸质或电子版思维导图发给学生，从而让学生对下次课程所学内容产生初步印象。此外，教师在教学过程中鼓励学生通过思维导图在翻转课堂自主学习阶段中提出和记录问题，在翻转课堂教学阶段中对思维导图进行批注，并在课后予以整理。图1为采用MindMaster软件制作的土木工程材料课程中水泥章节的一张典型思维导图。图1主要基于原材料的组成对不同类型通用硅酸盐水泥进行分类和对比，着重强调不同类型水泥的定义和特点，并强调不同类型水泥的技术指标和应用特点。通过图1，可与水泥生产工艺及矿物组成、混合材种类和特点与水泥水化产物形成模块化教学内容。例如，学生可通过该思维导图回顾上节课中水泥原材料的选择及比例控制、“两磨一烧”具体生产工艺、水泥熟料中硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙、铁铝酸四钙4种矿物组成特点，进而重点复习水泥熟料中这4种矿物相的不同水化硬化特性，明确水泥熟料在通用硅酸盐水泥中的主导作用，最终为课程中不同类型的通用硅酸盐水泥技术指标和应用特点学习构筑坚实的理论基础。因此，通过思维导图进行模块化学习，有助于提高学生对知识点的掌握程度并构建章节整体知识体系。教学实践中一般以章节作为基本单位，通过多张思维导图把各部分相对独立的教学模块形成具有较强系统性与逻辑性的教学整体，这不仅有利于学生在后续翻转课堂中对课程重难点内容的掌握，而且有利于教师指导学生进行课堂讨论和工程案例学习。同时，在课程知识复习过程中，教师指导学生批注后的思维导图可作为原始资料，帮助学生快速整理和巩固课程中的重难点，大大提高学生的后续学习与考前复习效率。

2.2翻转课堂教学设计在翻转课堂教学阶段，教师首先根据所学章节内容在课前通过慕课、学堂在线、雨课堂、超星学习通、Bilibili等在线教育教学或视频平台，为学生选择剪辑或直接录制教学视频，让学生对照思维导图在课前通过电脑或手机进行有目的、有逻辑的自主学习，即通过思维导图和课件视频及其他学习资料将部分课堂教学内容提前到课前进行。课前学习课件一般通过视频剪辑以“微课”形式提供给学生，每段视频课件时长应控制在20min左右，配合制作的思维导图，力求让学生在自主学习过程中初步构建知识体系架，从而让学生发散思维，寻找兴趣点与问题，同时要求学生对照思维导图进行自主批注。在教学实践中，一般每个微课视频对应1~2张思维导图，每次翻转课堂课程（2课时）对应2~3个微课视频。在课程水泥章节教学过程中，以重庆大学土木工程材料网络教学公开课为范例，教师通过微课视频可直接给学生讲解通用硅酸盐水泥抗冻、干燥收缩、耐高温、抗碳化、耐磨、耐腐蚀等多项具体性能知识，并与思维导图（见图1）中的通用硅酸盐水泥应用特点相呼应。学生通过观看学习微课视频可在掌握各类通用硅酸盐水泥分类与组成的基础上，明确通用硅酸盐水泥的应用特点，并与通用硅酸盐水泥的各项技术指标进行对比，从而有效增进知识点的理解与内化。在课堂教学阶段，首先鼓励学生提出在自主学习遇到的难点与问题，并予以归纳与总结。然后教师基于思维导图、微课视频及课件资料利用25~30min的时间对课程内容中的重难点内容与学生的问题进行讲解及评述。最后教师进一步提出问题，结合具体工程案例与学生展开15~20min的课堂互动讨论，通过师生双方自由讨论，让学生体会课程内容对工程案例的指导作用，从而让学生理解所学知识对未来学习和工作的重要意义和价值，并进一步增强学生对土木工程材料课程的兴趣。同时，布置适当的课后作业让学生进一步巩固课程重难点，加强知识的内化，通过作业让学生完成对课程知识点的梳理，并尽可能结合具体案例提高学生应用理论知识解决实际问题的能力，增进学生对学习目标的认识。此外，教师课后根据课堂教学与学生反馈情况，可进一步为学生补充相关资料或鼓励学生主动查阅相关书籍文献进行自主学习，形成师生互动求知的良好教学氛围。

2.3教学效果评估与分析结合学生课后作业完成情况与科目考试成绩，并通过学生问卷、访谈会等形式对基于思维导图与翻转课堂土木工程材料课堂教学改革效果进行调查与评估。根据评价结果发现，采用该新型教学模式后，学生完成课后作业的积极性显著增加，课程考试卷面成绩与最终加权平均分较改革前有所提高，且课程学习成绩优良人数明显增多。约80%学生认为，该新型混合教学模式可以让他们较好地掌握土木工程材料课程的重点知识与概念原理，增进他们对土木工程材料学习目标的理解，较好地完成预期教学目标；大部分学生认为，新型教学模式大大增加他们对土木工程材料课程的兴趣；部分学生还表示，在课程学习中阅读相关的文献资料，让他们对走进实验室参与学科竞赛、创新创业项目产生较高的热情；甚至有学生通过学习课程，对土木工程材料科研产生浓厚兴趣；此外，学生普遍反映在新的授课模式下语言表达能力得到锻炼和提高。在教学改革过程中，各位老师通过备课学习也可提升和更新自身的专业知识，增强个人综合教学能力，提高教学热情和教学改革的积极性，实现师生双方一举多得的教学效果。因此，基于思维导图和翻转课堂对土木工程材料课程进行教学改革，可有效提升整体教学质量，较好地完成预期的课程教改目标。值得注意的是，在教改调研中也发现，目前学生往往对实际工程建设仍缺乏了解，这导致课堂中结合专业知识对具体工程案例的讨论多停留于表面。同时，部分学生参与案例讨论程度有限，并且由于缺少实践，对于工程应用直接相关的知识点的理解仍存在一定的不足和局限。因此，在未来基于思维导图和翻转课堂的土木工程材料课程教学改革过程中，应着重考虑通过提供内容丰富和细节贴切的工程实践案例作为教学素材，通过渐进式学习和分组讨论，鼓励学生参与课堂交流互动环节，加强学生对课程专业知识及技能实践与应用能力的培养，提高学生综合能力和核心素养，从而进一步提升课程教学改革效果。

3结语

介绍了结合思维导图与翻转课堂对土木工程材料课程教学改革的具体方法和实践经验。课前利用思维导图帮助学生建立知识点逻辑关系，加深学生对课程中的重难点印象并引起关注，进而基于思维导图结合微课视频及课件资料进行翻转课堂教学，激发学生对课程内容的学习兴趣，培养学生自主学习和互动交流能力，提高整体学习效率。教学实践与调研结果表明，基于思维导图与翻转课堂进行教学改革明显提高了学生对课程知识及技能的掌握程度，增强了学生把课堂理论知识应用于工程实践的能力，明确了课程学习目的与作用，进一步强化了学生综合能力和核心素养。因此，基于思维导图与翻转课堂进行教学改革有效提高了土木工程材料课程教学质量。

参考文献

[1]黄谦.“土木工程材料”实验教学的改革与创新[J].安徽建筑,2022,29（4）:2.

[2]崔冬,徐志洪,赖建中.以新工科需求为导向的土木工程实践课程改革——以土木工程材料课程实践环节为例[J].高教学刊,2022,8（34）:4.

[3]殷智超,孔敏,闵长莉,等.基于OBE理念的工程类课程翻转课堂教学模式探索[J].皖西学院学报,2022,38（5）:54-58.

[4]燕乐纬,梁颖晶,王菁菁,等.“MOOC+翻转课堂”模式在理论力学课程教学中的实践与分析[J].高等建筑教育,2021,30（3）:114-119.

[5]王晨飞,陈昉健,曾月.基于思维导图的混凝土结构设计教学研究[J].安徽建筑,2021,28（8）:172-173.

[6]孙茜,陆益军,许文宇,等.思维导图在土力学教学中的应用[J].教育教学论坛,2019（17）:191-192.

[7]贾兴文,彭小芹,刘芳.土木工程材料翻转课堂教学内容模块化设计与实践[J].新课程研究：下旬,2019（11）:3.

[8]宋双,李令令.任务驱动+翻转课堂在土木工程材料课程中的应用[J].四川建材,2022,48（9）:2.

作者:吴萌 施鑫 薛维培 蔡海兵 单位:安徽理工大学