摘要: 针对《土木工程材料》课程传统教学模式中与工程实践脱节、教学方法单一、考核机制片面等问题，文章提出“三维四阶”混合式教学模式。该模式以“知识–能力–素质”三维目标为核心，通过“案例导入→问题分析→验证优化→创新实践”四阶递进路径重构教学流程。以国产盾构轴承钢的研发为案例：学生从事故案例构建材料性能知识框架，经多目标决策分析选型方案，通过虚实结合实验验证优化，最终产出创新方案。未来计划深化校企协同与分层教学，重点建设混凝土、沥青等核心章节案例库，开发标准化教学方案，联合企业共建虚实结合实验平台，优化资源整合与师资配置，推动模式系统化与标准化应用。
Abstract: Addressing the issues in the traditional teaching mode of the “Civil Engineering Materials” course—such as disconnection from engineering practice, a single teaching method, and a one-sided assessment mechanism—this paper proposes a “Three-Dimensional and Four-Stage” hybrid teaching model. Centered around the three-dimensional objectives of “knowledge-ability-quality,” this model reconstructs the teaching process through a four-stage progressive path: “case introduction → problem analysis → verification and optimization → innovative practice”. Using the development of domestic shield-bearing steel as a case study, students construct a knowledge framework of material properties based on accident cases, analyze the selection scheme through multi-objective decision-making, verify and optimize through a combination of virtual and physical experiments, and ultimately produce innovative solutions. Future plans include deepening university-enterprise collaboration and hierarchical teaching, focusing on building case libraries for core chapters such as concrete and asphalt, developing standardized teaching programs, jointly establishing virtual-physical integrated experimental platforms with enterprises, optimizing resource integration and faculty allocation, and promoting systematic and standardized application of the model.
1. 引言
《土木工程材料》课程作为城市地下空间工程、土木工程等专业的核心基础课程，对学生理解材料基本性能、掌握工程应用技术和提高综合实践能力具有关键作用[1]-[3]。然而，传统教学模式存在以下痛点：课程内容以理论讲授为主，缺乏与工程实际的紧密联系；教学方式单一，以“教师讲授–学生听讲”为主；考核机制重结论轻过程，难以全面衡量学生解决复杂工程问题的能力。这些问题制约了学生从“知识获取”向“能力转化”的进阶[4]。
针对上述问题，本文以中国地质大学(北京)城市地下空间工程专业《土木工程材料》课程为例，提出基于“三维四阶”混合式教学模式的实践方案。在40课时的教学计划中，重新设计了课程内容(如图1所示)，并融入实验实践环节。在教学过程中，关注学生个体进步与多维度能力提升，并对课程考核机制进行优化。最后，通过系统分析教学实施成效与现存问题，旨在为同类课程的教学改革提供可借鉴的实践范式与优化路径。
Figure 1. Curriculum system and class hour allocation for “Civil Engineering Materials”
图1. 《土木工程材料》课程体系及课时分配
2. 课程特点与教学设计内涵
2.1. 《土木工程材料》课程特点
《土木工程材料》课程以实际应用为导向，强调对材料性能与工程应用场景的深度解析，教学过程中系统引入专业术语与核心概念[5]。通过这种教学设计，引导学生扎实掌握材料基本性质，在无需复杂公式推导的条件下理解材料行为机理。课程内容体系涵盖传统材料(如混凝土、钢材)与新型复合材料等多类别，各章节虽保持相对独立性，结构看似松散，实则映射土木工程实践中材料选择的多样性与灵活性特征，要求学生基于具体工程条件与技术需求开展综合研判与应用实践[6]。
2.2. “三维四阶”混合式教学设计内涵
“三维四阶”混合式教学模式是指以“知识维、能力维、素质维”为目标，以“案例导入–问题分析–验证优化–创新实践”为实施路径的系统性教学框架。该模式立足课程应用属性与人才培养需求，通过整合建构主义(Constructivism)与CDIO (Conceive-Design-Implement-Operate)工程教育模式的理论框架，深入分析虚实结合实验对深度学习(Deep Learning)的促进作用[7] [8]，实现教学过程的立体化设计与递进式推进。
如图2所示，“三维”中知识维度聚焦理论体系的系统构建，通过课程内容的整合与情境化设计，帮助学生建立完整的知识网络，理解材料性能与工程应用之间的逻辑关联。能力维度强调解决复杂工程问题的实践技能培养，注重从单一知识点掌握到综合应用能力的跃升，引导学生在分析、设计、验证等环节中形成科学思维与技术应用能力。素质维度注重工程伦理与创新意识的渗透，将社会责任、可持续发展观念融入教学全过程，激发学生的职业使命感和探索精神。三者相互支撑，贯穿“四阶”教学始终，为学生提供多维度的成长路径。
“四阶”教学流程以循序渐进的方式推动学生能力跃升。第一阶段通过案例导入构建知识框架，从真实工程场景出发，帮助学生建立对材料性能与工程需求的初步认知；第二阶段分析工程问题并设计解决方案，引导学生在任务驱动下开展主动探究，培养系统性思维与协作能力；第三阶段根据具体工程案例和学校实验室条件，选择采用室内试验或企业参观调研等多种方式验证方案；第四阶段推动成果转化与创新实践，鼓励学生将学习成果转化为实际应用，强化工程问题解决与创新能力。
Figure 2. “Three-Dimensional Four-Stage” blended teaching design framework
图2. “三维四阶”混合式教学设计框架
3. “三维四阶”教学设计案例
为探索“三维四阶”案例式教学模式在《土木工程材料》课程中的实践应用，以建筑钢材章节教学为例展开具体阐述。建筑钢材是《土木工程材料》课程中的重要章节，本章的教学目标主要是让学生了解钢材的生产、组成、性质和用途，掌握建筑钢材的主要技术性能和加工工艺，熟悉各种钢材在工程上的应用范围和选用原则。建筑钢材以其高强度、良好的塑韧性、优异的可焊接性等优势被广泛应用于各类结构中。基于城市地下空间工程专业的培养目标，本文以地铁建设工程中常用的盾构机为例，引出大直径主轴承钢的极端工况要求及其重大“卡脖子”难题。通过对我国自主开发“低氧稀土钢”材料的研究过程和成果展开分析，引导学生掌握钢材性能的微–细–宏观力学机理假设与验证方法，构建从工程问题到材料创新的完整认知链条。目前该模式已在钢材章节完成教学试点，后续将逐步扩展至混凝土、沥青等核心章节，以验证其跨材料类型的适用性。
3.1. 理论与案例引入
作为“三维四阶”教学模式的首个环节，本阶段通过双案例驱动构建知识框架。以2008年上海地铁盾构刀盘轴承断裂事故为工程问题切入点，引导学生分析钢材纯净度不足导致疲劳失效的微观机理，建立“微观结构→性能指标→工程应用”的逻辑链条；同步引入“低氧稀土钢国产化突破”案例，对比阐释材料性能对工程安全的决定性作用。学生通过解读盾构工程地质勘察报告，明确屈服强度、冲击韧性等关键性能指标的工程意义，最终以小组合作完成盾构钢材性能需求方案。此阶段在夯实知识维度的同时，通过事故案例渗透工程伦理教育，培养学生的安全责任意识。
3.2. 案例分析与讨论
基于前序知识框架，本阶段聚焦能力维度培养，通过任务驱动深化案例分析。任务一，要求学生对国产低合金钢与进口瑞典钢材进行多维度量化评估，围绕强度、成本及耐腐蚀性等性能指标构建权重评分体系，掌握多目标决策方法在材料选型中的应用；任务二，结合钢材冷加工强化理论，设计不同冷拉率对屈服强度的影响曲线，并分析焊接工艺适配性参数。课堂采用“方案展示–质疑辩论–优化迭代”的互动模式，引导学生在技术经济性平衡中强化工程思维。通过国产钢材替代方案的可行性论证，进一步激发学生的民族自豪感与技术创新自信。
3.3. 方案验证与优化
作为“三维四阶”教学模式的第三阶段，本环节针对盾构主轴承加工工艺复杂、现场教学受限于安全保密的现实痛点，构建“虚实互补、深度探究”的验证体系。
首先依托数字化资源拓展认知边界(虚)：学生基于建构主义学习理论，通过虚拟仿真技术模拟钢材冷加工全过程，利用数值模拟软件分析不同冷拉率下晶粒尺寸演变规律，绘制“冷拉率–强度关系曲线”，完成理论预测的初步验证。这种沉浸式虚拟实验通过“情境建构–认知冲突–知识重构”的路径，有效促进了深度学习的发生。
其次立足校内实验室开展实体性能验证(实)：学生依据前序环节形成的选材方案，利用学校现有实验条件分组完成钢材冲击韧性、冷弯及拉伸试验，获取关键性能参数的实测数据。通过将实验结果与虚拟仿真数据进行交叉对比，学生不仅验证了材料“强韧匹配”的工艺难点，更实现了从“被动验证”到“主动探究”的思维转变，在理论与实践的映射中提升工程实践技能与科学分析素养，为后续创新实践奠定实证基础。
3.4. 创新与实践
本阶段聚焦于工程综合决策能力与创新思维的实战深化，旨在实现从数据验证到工程决策的跨越。课程组织“盾构主轴承材料选型模拟答辩会”，构建高仿真的工程采购与技术论证情境。学生分组扮演“材料研发团队”，深度整合前序环节的实验数据与仿真结论，运用层次分析法量化评估不同方案(如论证国产与进口钢材的综合性能)，最终形成选材技术论证报告。
在答辩环节，各小组需向由教师组成的“甲方专家组”全方位阐述方案，从技术指标适配性(强度与韧性平衡)、经济效益(国产替代成本优势)及工艺可行性三个维度进行防御性辩护。模拟答辩环节采用三维评分量表及组内成员个人贡献评定标准，如表1所示。该评价体系通过量化指标与多维评估结合，避免“搭便车”现象，确保考核结果的科学性与公平性。
Table 1. Simulation defense session evaluation criteria
表1. 模拟答辩环节评定标准
评价环节 |
评价维度 |
权重占比 |
模拟答辩评分 |
逻辑性(论证结构与逻辑连贯性) |
30% |
技术准确性(数据可靠性与理论支撑) |
40% |
创新性(方案新颖性与应用价值) |
30% |
组内个人贡献评定 |
任务分工记录 |
20% |
过程贡献度互评 |
30% |
教师现场观察 |
50% |
在此过程中，学生展现了极强的创新意识，例如提出“表面渗氮以弥补基体硬度不足”和“镀锌 +环氧树脂复合防腐涂层”等优化设想。通过这种对抗式的模拟演练，学生不仅锻炼了逻辑思维与语言表达能力，更通过应对复杂工程问题的训练，逐步培养了在多重约束下进行分析、权衡与决策的能力，实现了从被动接受知识到主动构建解决方案的思维转变。
4. 课程考核与教学效果评估
4.1. 考核机制设计
Figure 3. “Civil Engineering Materials” course assessment mechanism diagram
图3. 《土木工程材料》课程考核机制图
为适配“三维四阶”教学模式的能力导向目标，本阶段构建“过程–结果”双维度考核体系，突出“非标准化答案”评价导向。如图3所示，考核权重分配为：平时成绩40% (含课堂表现、小组协作质量、实验报告创新性)、期中汇报20% (采用PPT形式展示工程材料应用方案，重点考察逻辑推理与工程问题分析能力)、期末考试40% (闭卷形式侧重基础知识迁移能力，增设材料选用方案设计、工程问题解决方案等开放性题目)。通过多维度评价实现对“知识–能力–素质”三维目标的综合检验，避免传统考核中重记忆、轻应用的局限。
4.2. 教学效果评估
为系统性评估“三维四阶”教学模式的应用潜力，本方案采用对照实验与多维度测评相结合的方法，通过以下途径开展验证工作：其一，对比传统教学班级与试点班级的成绩数据，运用t检验分析新模式与传统模式在成绩方面的差异，以验证试点班级平均成绩与传统班级成绩差异的显著性；其二，借助ANOVA分析验证不同年份成绩差异的显著性。数据分布特征分析结果表明：传统教学模式下学生成绩较为分散，而新模式下学生成绩更为集中且整体有所提升。采用5分制Likert量表(1 = 非常不符合，5 = 非常符合)进行测量，结果显示学生在“批判性思维”与“工程伦理”维度的自我效能感相较于教学改革前明显提升(p < 0.05)。基于部分章节的试讲实践反馈，学生对课程的满意度较高，课程评教结果均达到99分以上。通过对学生创新方案的技术评审发现，部分小组提出的创新方案在技术构思上具有新颖性，初步具备申请专利的条件，部分小组已按照专利申报规范完成了技术交底书的撰写，通过创新成果验证了“创新实践”环节的育人成效。
4.3. 实施挑战与应对策略
“三维四阶”教学模式在实施过程中可能面临三方面关键挑战：一是实践资源约束，高端实验设备与典型工程案例不足可能制约深度实践环节的开展；二是教师负荷显著增加，项目教学的复杂性对教学设计、过程指导与多元评价提出更高要求；三是学生差异化管理难度加大，基础与能力差异在分组协作及高阶任务中可能导致学习成效不均。为此，计划从三方面应对：重点建设混凝土、沥青等核心章节的案例库，开发标准化教学包以拓展模式适用性；联合企业共建虚实结合实验平台，缓解高端设备资源约束；实施分层任务设计与动态分组机制，提升教学过程的精准性与公平性。
5. 结语
“三维四阶”教学模式以实现学生“知识–能力–素质”三维度协同发展为核心目标，通过“案例导入→问题分析→验证优化→创新实践”的四阶递进路径，构建了理论与实践深度融合的教学闭环。该模式有效驱动学生在复杂工程情境中主动构建知识体系、锻炼工程决策能力、深化实践认知并激发创新潜能，显著提升了课程教学的高阶性与挑战度。目前，该模式已在钢材章节完成教学验证，为《土木工程材料》课程提供了可操作的教学实施框架，其在教学内容组织、学习过程设计及工程能力培养等方面的创新实践，为同类工科课程的教学改革提供了具有参考价值的实践路径。未来可进一步拓展至混凝土、沥青等核心章节，通过校企协同深化资源建设，推动模式的系统化与标准化应用。