基于科研資源的路基工程課程設(shè)計實踐教學(xué)探索

孔綱強 劉漢龍 沈揚 文磊 閔凡路

摘要：路基工程課程設(shè)計是交通工程、土木工程等本科專業(yè)的重要專業(yè)必修課程。文章在分析河海大學(xué)路基工程課程設(shè)計教學(xué)現(xiàn)狀與存在問題的基礎(chǔ)上，結(jié)合并利用巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點實驗室和巖土工程國家首批重點學(xué)科的科研資源，提出“科研—實驗—教學(xué)—工程”四位一體的課程教學(xué)方案，構(gòu)建路基工程課程設(shè)計實踐教學(xué)模式，并初步探索推進實踐教學(xué)的具體措施，促進相關(guān)專業(yè)學(xué)生對路基工程有更深層次的認知與理解，提高學(xué)生的專業(yè)綜合素養(yǎng)和創(chuàng)新能力。

關(guān)鍵詞：路基工程;課程設(shè)計;實踐教學(xué);科研資源;教學(xué)探索

中圖分類號：G642.44;U416.1???文獻標志碼：A???文章編號：1005-2909（2020）03-0145-07

隨著交通工程、土木工程的快速發(fā)展，相關(guān)從業(yè)人員的職業(yè)標準在逐漸提高，相應(yīng)地對高校人才培養(yǎng)也提出了新的更高的要求[1]。傳統(tǒng)單一的理論知識教學(xué)模式已難以滿足日益發(fā)展的學(xué)科要求，新形勢下應(yīng)通過理論知識的教學(xué)、科學(xué)問題的具體研究和工程實踐的完美結(jié)合，引導(dǎo)學(xué)生靈活運用所學(xué)知識解決工程問題，著力培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新能力[2-3]。路基工程課程設(shè)計是交通工程、土木工程等本科專業(yè)的專業(yè)必修課程，不僅涉及的專業(yè)知識多，而且工程實踐性強。目前路基工程課程設(shè)計存在工程實踐教學(xué)環(huán)節(jié)較薄弱、相關(guān)設(shè)計課題與工程實際脫節(jié)等問題。實踐教學(xué)作為理論知識與工程設(shè)計相結(jié)合的最重要環(huán)節(jié)之一，不僅有利于學(xué)生掌握理論知識，而且也有利于提高學(xué)生的綜合素質(zhì)，培養(yǎng)學(xué)生良好的工程意識和實踐能力[4-5]。因此，應(yīng)著力強化實踐教學(xué)，推進實踐教學(xué)的改革探索。

新形勢下，高校人才培養(yǎng)應(yīng)依托優(yōu)勢科研資源，充分發(fā)揮優(yōu)勢學(xué)科科研資源的作用，將教學(xué)內(nèi)容與單位科研資源或?qū)嶋H工程案例相結(jié)合，優(yōu)化教學(xué)方法與教學(xué)形式，進一步提高教學(xué)質(zhì)量，實現(xiàn)新工科內(nèi)涵建設(shè)和“一流學(xué)科”建設(shè)目標[6-8]。本文在分析河海大學(xué)路基工程課程設(shè)計教學(xué)現(xiàn)狀與不足的基礎(chǔ)上，依托河海大學(xué)巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點實驗室和國家首批巖土工程重點學(xué)科等兩個優(yōu)勢學(xué)科平臺，提出“科研—實驗—教學(xué)—工程”四位一體的課程教學(xué)方案，構(gòu)建路基工程課程設(shè)計實踐教學(xué)新模式，并初步探索推進路基工程課程設(shè)計實踐教學(xué)的具體措施。旨在激發(fā)學(xué)生對交通工程、土木工程等專業(yè)課程學(xué)習(xí)的興趣，提高學(xué)習(xí)效率和教學(xué)效果，促進學(xué)生對路基工程有更深層次的認知與理解，提高學(xué)生的專業(yè)綜合素養(yǎng)和創(chuàng)新能力?！翱蒲小獙嶒灐虒W(xué)—工程”四位一體的教學(xué)方案，既能滿足重點實驗室科研與社會服務(wù)功能需求，充分發(fā)揮優(yōu)勢科研資源的作用，又符合本科生實踐教學(xué)與人才培養(yǎng)要求。

一、教學(xué)現(xiàn)狀與存在的不足

（一）學(xué)生缺乏獨立思考與提問能力

在傳統(tǒng)教學(xué)模式的長期影響下，學(xué)生已習(xí)慣被動接受知識，被動跟隨教師的講授思路，不主動參與知識點系統(tǒng)的構(gòu)建，學(xué)生自身的探索能力和思維能力未能充分激發(fā)，以致逐漸失去獨立思考與提問能力。筆者在河海大學(xué)路基工程課程設(shè)計教學(xué)中，采用“布置任務(wù)—學(xué)生思考—問題反饋—答疑解答”等多種組合形式，鼓勵學(xué)生積極思考、主動思考，但是發(fā)現(xiàn)學(xué)生學(xué)習(xí)比較被動，缺乏主動思考和提問能力。

（二）與交叉課程之間的銜接不夠

路基工程課程設(shè)計主要涉及交通工程（一般指公路）、鐵道工程、機場工程等專業(yè)知識，是在完成材料力學(xué)、工程地質(zhì)以及土力學(xué)或巖石力學(xué)等課程學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上開設(shè)的專業(yè)必修課程。根據(jù)筆者近10年路基工程課程設(shè)計指導(dǎo)情況來看，由于與交叉課程之間的銜接不夠，許多學(xué)生在路基工程課程設(shè)計時往往遺忘前續(xù)課程知識，需要教師對相關(guān)知識進行適當(dāng)回顧和點撥，學(xué)生才能理解和掌握

。

（三）課程設(shè)計與實驗、實踐教學(xué)聯(lián)系不緊密

開展實驗與實踐教學(xué)，提高學(xué)生創(chuàng)新能力是人才培養(yǎng)尤其是應(yīng)用型人才培養(yǎng)的核心和靈魂[9]。實驗教學(xué)需要投入較多的經(jīng)費，實踐教學(xué)不僅涉及較多經(jīng)費的投入，而且需要對接實際工程單位。

路基工程課程設(shè)計是路基工程課程的拓展和延伸，也是理論知識運用于實踐的重要環(huán)節(jié)。然而，目前路基工程課程設(shè)計與路基工程實驗教學(xué)、實踐教學(xué)常常脫節(jié)，教學(xué)中沒有引入科研資源和現(xiàn)場試驗等。此外，目前課程設(shè)計的主要形式仍然是學(xué)生基于給定的工程背景進行相關(guān)設(shè)計、計算，僅局限于理論知識的消化、吸收，并未涉及具體的實際工程，課程設(shè)計的實踐性不足。沒有良好的實驗教學(xué)和實踐教學(xué)作支撐，學(xué)生對路基工程課程設(shè)計的相關(guān)內(nèi)容比如擋土墻、公路路基、鐵路路基等認識模糊，難以提高課程設(shè)計的教學(xué)效果，無法達到新工科人才培養(yǎng)的目標。

二、 校內(nèi)實踐教學(xué)平臺的搭建與實踐

工程教育應(yīng)面向工程實踐。高校實踐教學(xué)環(huán)節(jié)目前主要是課程設(shè)計和野外實習(xí)。河海大學(xué)基于科研資源搭建校內(nèi)實踐教學(xué)平臺，將實驗教學(xué)、專業(yè)實踐教學(xué)開放平臺、虛擬仿真模擬實踐教學(xué)平臺以及中試實驗教學(xué)基地等四部分相結(jié)合，進一步優(yōu)化校內(nèi)實踐教學(xué)。

（一） 基于科研資源提煉實驗教學(xué)案例

近年來，河海大學(xué)巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點實驗室和國家首批巖土工程重點學(xué)科平臺，在高速鐵路/高速公路等路基工程方面開展了系列科研工作，設(shè)計樁承式路堤靜/動力響應(yīng)大比尺模型試驗系統(tǒng)、交通荷載下路基土體靜/動力特性循環(huán)扭剪儀等，承擔(dān)國家自然科學(xué)基金高鐵聯(lián)合重點基金項目等10多項科研項目

，取得了系統(tǒng)性研究成果。

1.教學(xué)觀摩

在路基工程課程設(shè)計開始之前，組織學(xué)生參觀科研試驗平臺（案例1），介紹操作過程以及相關(guān)科研結(jié)果對路基工程設(shè)計與施工的指導(dǎo)意義。

案例1：高速鐵路樁承式路堤動力響應(yīng)模型試驗系統(tǒng)

依托京滬高速鐵路樁—筏復(fù)合地基工程，參照《高速鐵路設(shè)計規(guī)范》（TB10621-2009），設(shè)計河海大學(xué)高速鐵路/高速公路樁承式路堤靜/動力響應(yīng)大比尺模型試驗系統(tǒng)。大比尺模型試驗系統(tǒng)主要包括模型槽、加載系統(tǒng)、采集系統(tǒng)等幾個部分;模型槽尺寸5 m×4 m×7 m（長×寬×高），是國內(nèi)最深的模型槽之一;電液伺服動態(tài)作動器配合控制系統(tǒng)，可輸入高速鐵路列車典型“M”型波等，最高響應(yīng)頻率可達30 Hz;無砟軌道X形樁—筏復(fù)合地基模型試驗示意圖和無砟軌道路堤模型試驗實物圖分別如圖1和2所示[10]。

2.實驗教學(xué)

根據(jù)科研試驗平臺的研究經(jīng)驗和成果積累，借助大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練等項目，在為研究生提供空心圓柱扭剪儀科研實驗的同時，也向本科生免費開放實驗教學(xué)，供學(xué)生實驗操作練習(xí)與學(xué)習(xí)（案例2）。

案例2： 交通荷載下路基土體靜動力特性土工試驗系統(tǒng)

通過自定義波輸入，空心圓柱扭剪儀可以實現(xiàn)交通荷載下心形線應(yīng)力路徑（圖3）[11]，考慮主應(yīng)力軸連續(xù)旋轉(zhuǎn)，對路基土體的變形與穩(wěn)定性開展試驗研究，為路基工程設(shè)計中的土體變形控制標準（臨界動應(yīng)力水平）提供參考依據(jù)。

（二） 搭建專業(yè)實踐教學(xué)開放平臺

（1）結(jié)合科研試驗搭建專業(yè)實踐教學(xué)開放平臺。依托國家自然科學(xué)基金、教育部重點實驗室開放基金等經(jīng)費支撐，開展科研試驗工作;依托已完成的透明土試驗技術(shù)平臺（案例3：基于透明土材料的可視化試驗技術(shù)），進行優(yōu)化設(shè)計和改造，搭建專業(yè)實踐教學(xué)開放平臺，為本科生路基工程課程設(shè)計的教學(xué)與實踐提供技術(shù)條件。

案例3： 基于透明土材料的可視化試驗技術(shù)

將透明固體顆粒材料和孔隙液體相混合，當(dāng)兩者折射率一致時，混合物整體呈透明狀，即人工合成透明土材料，利用該材料可以模擬天然飽和土體。研究結(jié)果表明，人工合成透明土材料與天然土體材料的物理力學(xué)特性相似，可以通過透明土材料模擬天然土體，并初步探討模擬天然凍土等材料的可能性[12]?；谌斯ず铣赏该魍敛牧虾蚉IV技術(shù)，可以實現(xiàn)土體內(nèi)部非嵌入式位移場、滲流場以及溫度場的可視化觀測。近年來，河海大學(xué)巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點實驗室的透明土試驗技術(shù)平臺，在土木工程、水利工程、采礦工程等領(lǐng)域的科研試驗和實踐教學(xué)獲得推廣應(yīng)用（圖4）。

（2）制定專業(yè)實踐教學(xué)開放平臺使用指南、注意事項、安全守則、預(yù)約制度和收費標準等規(guī)章制度，為開放共享提供依據(jù)。

（3）實現(xiàn)資源共享、優(yōu)勢互補。實驗平臺開放共享，提高資源利用率是高等院校實踐教學(xué)體系改革的重要內(nèi)容之一。首先，實現(xiàn)校內(nèi)不同專業(yè)、不同院系的實驗室資源共享;其次，實現(xiàn)同城或同行業(yè)領(lǐng)域高校、科研院所之間資源的共享;最后，實現(xiàn)全國乃至全球范圍內(nèi)的資源共享。比如，依托國家自然科學(xué)基金高鐵聯(lián)合重點基金項目完成的高速鐵路樁承式路堤動力響應(yīng)大比尺模型試驗系統(tǒng)專業(yè)實踐教學(xué)平臺，先在河海大學(xué)交通工程、土木工程專業(yè)，后在水利工程、地質(zhì)工程等專業(yè)開放共享，再向南京同城的南京大學(xué)、東南大學(xué)，以及同行業(yè)的華北水電大學(xué)、三峽大學(xué)等高校相關(guān)專業(yè)的本科生開放共享，最后向全國相關(guān)專業(yè)的本科生開放共享。

（三）建立仿真模擬實踐教學(xué)平臺

以建筑信息模型（Building Information Modeling， BIM）技術(shù)為核心，以Abaqus、Comsol等有限元分析軟件為工具，建立路基工程BIM模型，將路基工程受力特性仿真分析、施工全過程模擬以及成本控制等有效結(jié)合。

以計算機、互聯(lián)網(wǎng)等硬件環(huán)境為依托，以繪圖軟件（AutoCAD等）、虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)（VR）、增強現(xiàn)實系統(tǒng)（AR）和混合現(xiàn)實系統(tǒng)（MR）等軟件為載體，建立路基工程虛擬仿真實驗室。結(jié)合運用Abaqus、Comsol等數(shù)值分析軟件，為本科生實踐教學(xué)搭建仿真模擬實踐教學(xué)平臺。依托路基工程BIM實驗室，將BIM技術(shù)引入路基工程課程設(shè)計教學(xué)與工程實踐，為進一步推進課程設(shè)計與實踐教學(xué)的結(jié)合打下堅實基礎(chǔ)。

（四）打造中試實驗教學(xué)基地

以河海大學(xué)巖土工程首批國家重點學(xué)科為依托，在巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點實驗室平臺上，孵化新型樁基復(fù)合地基技術(shù)（如現(xiàn)澆X形樁、擴底楔形樁、加筋碎石樁等）與新型地基加固技術(shù)（如化學(xué)電滲法、淤泥就地固化技術(shù)等），為教師、研究生相關(guān)科研生產(chǎn)工作提供中試實驗條件，也為相關(guān)專業(yè)本科生現(xiàn)場學(xué)習(xí)提供實踐機會。比如，筆者依托主持的國家自然科學(xué)基金面上項目“振動沉樁過程及化學(xué)電滲法—現(xiàn)澆X形樁加固軟基透明土模型試驗研究”，研發(fā)新型透明土材料及試驗技術(shù)系統(tǒng)（圖4），并開展科研試驗，驗證孵化專利技術(shù)加固高速鐵路/公路路基的可行性。科研試驗完成后，將其改造為中試實驗教學(xué)基地，開展國家級本科生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項目“人工合成透明土孔隙流體的試驗研究”，并獲得優(yōu)秀結(jié)題。

三、建立校外實踐實習(xí)基地教學(xué)平臺

校外實踐實習(xí)基地（校企協(xié)同育人平臺）由學(xué)校與有關(guān)企事業(yè)單位、科研機構(gòu)共同建立，旨在借助企業(yè)的人才、技術(shù)、設(shè)備資源優(yōu)勢為教學(xué)服務(wù)，為學(xué)生提供參觀、企業(yè)實習(xí)、畢業(yè)設(shè)計實習(xí)的實踐場所，建立校外實踐實習(xí)基地教學(xué)平臺。

（一） 建立健全校外實踐教學(xué)基地管理體制

（1）建立校企合作組織協(xié)調(diào)機制，制定規(guī)范化、程序化的管理制度，明確校企合作組織機構(gòu)、運行模式以及合作期限等。

（2）結(jié)合企業(yè)具體工程項目進度和路基工程課程設(shè)計教學(xué)進展，校企共同協(xié)商制定校外實踐教學(xué)計劃和實施方案，共同應(yīng)對實踐教學(xué)過程中可能遇到的問題。

（3）加強實踐教學(xué)師資隊伍建設(shè)，鼓勵校內(nèi)教師從事實踐實習(xí)教學(xué)工作，積極吸納實踐教學(xué)基地單位的技術(shù)工程人員擔(dān)任實踐教學(xué)教師，建設(shè)一支業(yè)務(wù)精湛、樂于奉獻的實踐教學(xué)師資隊伍，為學(xué)生實踐實習(xí)提供強有力的師資支撐。

（二）創(chuàng)新校企協(xié)同育人平臺實踐教學(xué)模式

“產(chǎn)學(xué)合作、協(xié)同育人”，校企協(xié)同育人是校外實踐實習(xí)基地教學(xué)平臺建設(shè)的核心宗旨。實踐教學(xué)應(yīng)將路基工程課程理論知識與實際工程案例相結(jié)合，在實際工程案例的講解分析中有針對性地幫助學(xué)生鞏固和消化理論知識。

（1）加強校外實踐教學(xué)基地規(guī)范化與動態(tài)化建設(shè)。一方面基地建設(shè)要規(guī)范化、標準化，以滿足每年不同學(xué)生的培養(yǎng)需求，保證培養(yǎng)質(zhì)量;另一方面結(jié)合實際工程項目特點和進度，保證校外實踐教學(xué)基地的動態(tài)化建設(shè)。

（2）充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)

積極性和主動性。圍繞具體實際工程案例，通過企業(yè)工程師的講解、實地參觀體驗、教師知識點的解答等，引導(dǎo)學(xué)生親身體驗實際路基工程案例的勘察、規(guī)劃、設(shè)計、施工、檢測與監(jiān)測、維護等工程設(shè)計、施工全壽命周期。

（3）采用以個人作業(yè)和小組共同承擔(dān)實習(xí)任務(wù)相結(jié)合的考核形式，讓每位學(xué)生在實習(xí)中都有事情可做，培養(yǎng)學(xué)生的團隊合作精神和意識，充分調(diào)動學(xué)生的實踐實習(xí)積極性，避免“出工不出力”或“濫竽充數(shù)”的現(xiàn)象。

四、 結(jié)語

本文以河海大學(xué)為例，分析路基工程課程設(shè)計的教學(xué)現(xiàn)狀與存在的主要問題，結(jié)合優(yōu)勢科研資源，提出“科研—實驗—教學(xué)—工程”四位一體的教學(xué)方案，創(chuàng)建路基工程課程設(shè)計實踐教學(xué)新模式，介紹了路基工程課程設(shè)計實驗教學(xué)、校內(nèi)實踐與校外實踐教學(xué)的具體措施，將科研資源融入課程教學(xué)內(nèi)容，使路基工程理論知識講授、實踐實習(xí)與課程設(shè)計有機融為一體，幫助學(xué)生深化對路基工程的理解與認識，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題與解決問題的綜合能力。

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Practice teaching exploration on subgrade engineering course design based on scientific research resources

KONG Gangqiang1， LIU Hanlong2， SHEN Yang1， WEN Lei1， MIN Fanlu1

（1. Key Laboratory of Ministry of Education for Geomechanics and Embankment

Engineering， Hohai University， Nanjing 210024， P. R. China;

2. College of Civil Engineering， Chongqing University， Chongqing 400045， P. R. China）

Abstract：

Subgrade engineering course design is one of the most important compulsory courses for undergraduate majors， such as， transportation engineering and civil engineering， etc. The teaching status and the main problems of the subgrade engineering course design in Hohai University are pointed out. Based on the scientific research resources of the Key Laboratory of Ministry of Education for Geomechanics and Embankment Engineering and the first batch of national key disciplines of geotechnical engineering， the course teaching plan on “scientific research-experiment-teaching-engineering” is developed， and the practical teaching mode of subgrade engineering course design is refined. The specific and detailed methods of subgrade engineering course design in practice teaching are preliminarily explored. The objectives of this research are to improve the cognition and understanding of subgrade engineering for students in related majors， and further to improve their professional comprehensive skills and innovation ability.

Key words： subgrade engineering; course design; practice teaching; teaching exploration; scientific research resources

（責(zé)任編輯?王?宣）