土力學(xué)課堂和實驗教學(xué)改革的探索與實踐

加瑞 雷華陽 劉景錦 馮雙喜

摘要：為提高土力學(xué)課程的教學(xué)質(zhì)量及土木工程專業(yè)的人才培養(yǎng)質(zhì)量，對土力學(xué)課堂和實驗教學(xué)改革進行了探索與實踐。課堂教學(xué)改革主要包括：開展RBL、CBL及TBL與PBL結(jié)合的教學(xué)方法和模式探索，并積極利用雨課堂等智慧教學(xué)方式，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高課堂教學(xué)質(zhì)量;廣泛閱讀土力學(xué)教材和相關(guān)書籍，不斷提高教師的專業(yè)素質(zhì)，使課程常講常新;充分利用已有在線課程資源，積極推進基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的線上線下混合式教學(xué)和翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)改革;介紹土力學(xué)專業(yè)領(lǐng)域的國內(nèi)外杰出人物和土力學(xué)著名工程案例，有機地將思政元素融入土力學(xué)教學(xué)。實驗教學(xué)改革主要包括：將啟發(fā)式與互動式教學(xué)模式、研究性思維、OBE教育理念、大國工匠精神等引入實驗教學(xué);在實驗課程之前，讓學(xué)生觀看土力學(xué)在線開放課程的相關(guān)實驗視頻，提高實驗教學(xué)效果;充分利用國家虛擬仿真實驗教學(xué)項目共享平臺上的虛擬仿真實驗開展線上實驗教學(xué)。通過土力學(xué)課程教學(xué)改革，努力培養(yǎng)專業(yè)水平高、創(chuàng)新能力強、社會責(zé)任心強的全方位復(fù)合型土木工程人才。

關(guān)鍵詞：土力學(xué);教學(xué)改革;在線課程;課程思政;虛擬仿真實驗

中圖分類號：G6420;TU43 ? 文獻標(biāo)志碼：A ? 文章編號：1005-2909（2021）06-0039-08

2017年以來，教育部積極推進新工科建設(shè)，先后形成“復(fù)旦共識”“天大行動”和“北京指南”，指出應(yīng)培養(yǎng)大批具有行業(yè)背景知識、工程實踐能力、國際視野、勝任行業(yè)發(fā)展需求的應(yīng)用型和創(chuàng)新型工程技術(shù)人才[1-2]。隨著中國建設(shè)創(chuàng)新型國家及創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略的實施，高等教育教學(xué)改革不斷深入，要求高等院校改革教學(xué)內(nèi)容和方法，提高課程教學(xué)質(zhì)量，把創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育融入人才培養(yǎng)全過程[3]。土力學(xué)是土木工程專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，隨著國家對應(yīng)用型和創(chuàng)新型人才標(biāo)準(zhǔn)的提高，應(yīng)不斷深化土力學(xué)課程的教學(xué)改革，創(chuàng)新土力學(xué)課堂和實驗教學(xué)的方法和模式，滿足新工科教育和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育的需求。

為深入貫徹落實習(xí)近平總書記在全國高校思想政治工作會議、全國教育大會和學(xué)校思想政治理論課教師座談會上關(guān)于教育的重要論述，貫徹落實中共中央辦公廳、國務(wù)院辦公廳《關(guān)于深化新時代學(xué)校思想政治理論課改革創(chuàng)新的若干意見》，教育部于2020年5月28日印發(fā)《高等學(xué)校課程思政建設(shè)指導(dǎo)綱要》，全面推進高校課程思政建設(shè)。因此，課程思政已成為目前高等教育改革的重要內(nèi)容，授課教師應(yīng)積極進行“課程思政”教育教學(xué)改革，深入挖掘各門課程蘊含的思政元素和所承載的育人功能。

基于新工科教育、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育及課程思政教育教學(xué)改革的需要，針對土力學(xué)課程的特點，結(jié)合土力學(xué)教學(xué)實踐經(jīng)驗，從土力學(xué)課堂教學(xué)方法改革、教材使用、在線課程資源利用和課程思政融入，以及實驗教學(xué)方法改革、在線實驗課程資源利用和虛擬仿真實驗教學(xué)資源利用等方面對土力學(xué)課程的教學(xué)改革進行探索。

一、土力學(xué)課堂教學(xué)改革的探索與實踐

（一） 改革課堂教學(xué)方法和教學(xué)模式

近年來，天津大學(xué)堅持“以本為本”，落實“四個回歸”，推進“三全育人”和“五育并舉”，不斷完善立德樹人根本任務(wù)的落實機制，牢固確立人才培養(yǎng)的中心地位，不斷夯實本科教學(xué)的基礎(chǔ)地位，以卓越人才培養(yǎng)為目標(biāo)持續(xù)改進教學(xué)內(nèi)容，探索教學(xué)模式創(chuàng)新，改革評價方法，加強課程建設(shè)和研究，不斷提升課堂教學(xué)質(zhì)量。2018年，天津大學(xué)推出“一流本科教育2030行動計劃”，旨在深化教育教學(xué)改革，全面提高人才培養(yǎng)能力和質(zhì)量。

土力學(xué)是力學(xué)的一個分支，是土木工程專業(yè)的核心課程，同時也是水利水電、巖土工程、地質(zhì)工程等專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課程。土力學(xué)課程主要特色是教學(xué)內(nèi)容與工程實踐緊密結(jié)合，聚焦國家“十四五”規(guī)劃、“一帶一路”建設(shè)、京津冀協(xié)同發(fā)展和雄安新區(qū)建設(shè)等，將課程講述與國家發(fā)展緊密結(jié)合，使學(xué)生置身于工程建設(shè)的主戰(zhàn)場，增加學(xué)生對國家建設(shè)成就的自豪感，以“興學(xué)強國”為課程的最高目標(biāo)，培養(yǎng)具有扎實的基礎(chǔ)理論、寬廣的專業(yè)知識、較強的實踐能力和創(chuàng)新能力，面向未來的高級專門人才。

在土力學(xué)課堂教學(xué)方法和教學(xué)模式上進行探索與實踐：

1）在傳統(tǒng)LBL（Lecture-based Learning）教學(xué)模式中，注重對學(xué)生專業(yè)知識和工程理念的培養(yǎng)，教學(xué)過程中大量采用原理示意圖、工程及實物圖片、施工視頻及動畫幫助學(xué)生理解和記憶，注重互動交流，引導(dǎo)學(xué)生思考、發(fā)言、發(fā)問，加深學(xué)生對知識點的掌握，提高學(xué)生工程認(rèn)知能力。

2）針對一流大學(xué)和一流專業(yè)課程建設(shè)，注重本研貫通教學(xué)，開展RBL（Research-based Learning）研究型教學(xué)模式探索，在傳授知識的同時注重創(chuàng)新思維訓(xùn)練。

3）結(jié)合土力學(xué)課程實踐性強的特點，采用CBL（Case-based Learning）教學(xué)方法，每一章均設(shè)置案例分析，通過小組討論加深學(xué)生對理論知識的理解和運用。

4）探索TBL（Team-based Learning）與PBL（Problem-based Learning）相結(jié)合的教學(xué)方法，學(xué)生分小組進行課堂匯報、課堂互評，訓(xùn)練表達(dá)能力，從工程分析中提高知識應(yīng)用的能力。

5）利用雨課堂平臺的實時答題、彈幕互動、隨機點名等功能，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提升課堂教學(xué)體驗，增加師生互動，提高教學(xué)質(zhì)量。

（二） 廣泛閱讀土力學(xué)教材和書籍

已出版的土力學(xué)教材較多，表1列出了部分土力學(xué)教材和書籍。每本教材都有一定的特點和優(yōu)勢，除授課選用教材外，教師還應(yīng)廣泛閱讀其他教材和書籍，透徹理解每一個知識點，對所有知識點融會貫通，準(zhǔn)確講解各個知識點之間的聯(lián)系，并不斷學(xué)習(xí)其他土木工程專業(yè)課程的新知識，提高專業(yè)素質(zhì)，使課程常講常新。

天津大學(xué)土木工程專業(yè)選用的教材是東南大學(xué)等四校合編的《土力學(xué)》（第5版），授課時還參考了李廣信等主編的《土力學(xué)》（第2版）和松崗元主編（羅汀等譯）的《土力學(xué)》教材。另外，在講解知識點時，還參考了李廣信著的《巖土工程50講——巖壇漫話》（第2版）和《漫話土力學(xué)》，沈揚等編著的《土力學(xué)原理十記》（第2版），增加了課程的趣味性，并加深了學(xué)生對一些基本概念和知識的理解。

（三）積極利用土力學(xué)在線課程資源

教育部2018年提出要全面梳理各門課程的教學(xué)內(nèi)容，打造“金課”，指出要充分重視課堂教學(xué)這一主陣地，合理應(yīng)用現(xiàn)代信息技術(shù)手段，積極推進慕課的建設(shè)與應(yīng)用，開展基于慕課的線上線下混合式教學(xué)。針對新冠肺炎疫情對高校課堂教學(xué)造成的影響，教育部于2020年2月5日印發(fā)了《關(guān)于在疫情防控期間做好普通高等學(xué)校在線教學(xué)組織與管理工作的指導(dǎo)意見》，要求各高校在疫情防控期間開展在線教學(xué)，實現(xiàn)“停課不停教、停課不停學(xué)”。全國各高校陸續(xù)開展在線教學(xué)，教師采取多種方式開展線上教學(xué)，土力學(xué)在線課程資源得到了極大豐富。表2列出了目前中國大學(xué)MOOC、學(xué)堂在線、愛課程、超星學(xué)術(shù)視頻、智慧樹、學(xué)銀在線等在線課程學(xué)習(xí)平臺上的土力學(xué)在線開放課程，教師可充分利用已有在線課程資源，推進基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的線上線下混合式教學(xué)和翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)改革。

在2020年疫情期間，天津大學(xué)鼓勵教師利用學(xué)校已建成的在線課程資源，或選用中國大學(xué)MOOC、智慧樹、學(xué)堂在線、校內(nèi)SPOC等在線課程平臺的相關(guān)課程開展網(wǎng)絡(luò)教學(xué)。授課選用的是中國MOOC平臺上浙江大學(xué)胡安峰等講解的土力學(xué)課程視頻，并觀看了學(xué)堂在線平臺上清華大學(xué)張丙印等講解的土力學(xué)課程視頻;每次課程都在長江雨課堂平臺給學(xué)生布置10道作業(yè)題，包括單選題、多選題、填空題和主觀題，題目內(nèi)容主要是一些重點、難點知識;騰訊會議在線答疑環(huán)節(jié)，學(xué)生針對視頻和作業(yè)中的難點問題，以留言方式提問，學(xué)生提問積極，明顯多于線下課程?？荚嚥捎媒處熢陂L江雨課堂在線發(fā)布試卷、學(xué)生在網(wǎng)頁版雨課堂在線答題、雨課堂在線監(jiān)考和手機騰訊會議視頻監(jiān)考的形式。從考試成績來看，所采用的在線教學(xué)和考試形式保證了疫情防控期間的教學(xué)進度和教學(xué)質(zhì)量，較好地完成了疫情防控期間的教學(xué)工作。

（四）將課程思政融入土力學(xué)教學(xué)

課程思政已成為我國高等教育改革的重要內(nèi)容，學(xué)校制訂了《天津大學(xué)“課程思政”工作實施方案》，積極推進“課程思政”教育教學(xué)改革，鼓勵教師深入挖掘課程蘊含的思政元素和所承載的育人功能。土力學(xué)課程主要講授土的物理、滲透、壓縮和抗剪強度特性，以及土壓力、邊坡穩(wěn)定性分析和地基承載力計算，與工程實踐緊密結(jié)合，在當(dāng)前各種土木、水利、地質(zhì)、采礦及交通運輸工程建設(shè)中發(fā)揮重要作用[4]。土力學(xué)中充滿了哲學(xué)命題[5]，具備開展思政教育的條件。將思政教育融入土力學(xué)教學(xué)，一方面可以提升土力學(xué)教學(xué)的趣味性，加深學(xué)生對專業(yè)知識的認(rèn)識和理解，另一方面可以培養(yǎng)學(xué)生的良好品格，提升學(xué)生的思想水平和政治覺悟，對實現(xiàn)全方位育人具有重要意義[6]。

教師應(yīng)充分挖掘土力學(xué)課程中蘊含的思政教育元素，寓價值觀引導(dǎo)于知識傳授和能力培養(yǎng)之中，幫助學(xué)生塑造正確的世界觀、人生觀、價值觀，培養(yǎng)學(xué)生精益求精的大國工匠精神，激發(fā)學(xué)生科技報國的家國情懷和使命擔(dān)當(dāng)，將體現(xiàn)社會主義核心價值觀的思政元素及實現(xiàn)民族復(fù)興的理想和責(zé)任融入教學(xué)過程，讓學(xué)生在獲得專業(yè)知識的同時，接受思政教育，育人和育才相統(tǒng)一[7]。

在土力學(xué)課堂教學(xué)中，每章的最后都會介紹一兩位土力學(xué)專業(yè)領(lǐng)域的國內(nèi)外杰出人物，通過對這些名人及事跡的學(xué)習(xí)，感動和召喚學(xué)生的內(nèi)心，引導(dǎo)學(xué)生樹立正確的人生觀、世界觀和價值觀，建立利用專業(yè)技能為社會發(fā)展作貢獻的信念，將個人理想與國家社會發(fā)展緊密結(jié)合。另一方面，在緒論及每章開頭除介紹各種工程事故案例外，還介紹了土力學(xué)著名工程案例，如港珠澳大橋、高速鐵路、摩天大樓、南水北調(diào)等工程，講述新時代的“工匠精神”，培育愛崗敬業(yè)和追求卓越的職業(yè)素養(yǎng)，增強學(xué)生的社會責(zé)任感和職業(yè)自豪感，鼓勵學(xué)生努力學(xué)習(xí)，利用專業(yè)知識為國家、社會發(fā)展貢獻力量。另外，在教學(xué)中注重將土力學(xué)知識和原理推廣并提升為一般性哲學(xué)原理，使思政元素與課程知識點有機融合、相得益彰，達(dá)到“鹽溶于水”的效果[8]，努力培養(yǎng)專業(yè)水平高、創(chuàng)新能力強、社會責(zé)任心強的全方位復(fù)合型土木工程專業(yè)人才[9]。

二、土力學(xué)實驗教學(xué)改革的探索與實踐

（一）改革實驗教學(xué)方法和教學(xué)模式

土力學(xué)實驗是土力學(xué)課程教學(xué)的重要組成部分，不僅有助于學(xué)生對課堂知識的深入理解，而且有助于提高學(xué)生的動手能力和對知識的運用能力，是人才培養(yǎng)中不可缺少的重要環(huán)節(jié)[10]。因此，需要不斷完善實驗教學(xué)環(huán)節(jié)，優(yōu)化實驗教學(xué)方法和手段。

在土力學(xué)實驗教學(xué)方法和教學(xué)模式上進行了一定的探索與實踐：

1）將啟發(fā)式與互動式教學(xué)模式引入實驗教學(xué)中，以研究性思維指導(dǎo)實驗教學(xué)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新積極性。

2）重視培養(yǎng)學(xué)生掌握基本的實驗技能，養(yǎng)成良好的實驗習(xí)慣，實驗課采用小班進行，四人一組，及時整理實驗數(shù)據(jù)，編寫實驗報告，培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決實際問題的專業(yè)能力，以及團結(jié)協(xié)作能力。

3）基于“以學(xué)生為中心，以產(chǎn)出為導(dǎo)向”的OBE（Outcomes-based Education）教育理念，在實驗教學(xué)中注重培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力、理論聯(lián)系實踐能力、通專融合能力、大國工匠精神。

（二） 充分利用土力學(xué)實驗在線課程資源

表3列出了中國大學(xué)MOOC在線課程學(xué)習(xí)平臺上土力學(xué)實驗的在線開放課程，這些在線課程中介紹了各種土力學(xué)實驗的實驗?zāi)康?、實驗原理、實驗儀器設(shè)備、實驗步驟和實驗數(shù)據(jù)處理方法等。另外，一些土力學(xué)在線開放課程也有實驗部分的內(nèi)容，如清華大學(xué)的土力學(xué)在線課程包含了土的基本物性試驗、固結(jié)試驗和常規(guī)三軸試驗操作全過程的講解演示視頻。

天津大學(xué)土木工程專業(yè)的土力學(xué)課程實驗部分主要包括液塑限試驗、固結(jié)試驗和直剪試驗。在實驗課程之前，讓學(xué)生觀看土力學(xué)實驗在線開放課程的相關(guān)視頻，通過課前預(yù)習(xí)對實驗有更深刻的理解和認(rèn)識，提高了實驗教學(xué)的效果。

（三） 充分利用土力學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)資源

土力學(xué)實驗教學(xué)主要存在學(xué)生多儀器設(shè)備少、實驗時間長而實驗課時少等問題，因此，虛擬仿真實驗教學(xué)建設(shè)是高校實驗教學(xué)改革的重點，虛擬仿真與實驗教學(xué)互為補充，有利于提高高校實驗教學(xué)信息化水平[11]。虛擬仿真實驗采用計算機仿真技術(shù)模擬真實實驗，學(xué)生在虛擬環(huán)境中訓(xùn)練，可以重復(fù)實驗、隨時實驗、隨地實驗，有效解決土木工程實驗“高成本、高風(fēng)險和高周期”的問題，是土木工程實驗教學(xué)的重要發(fā)展方向[12]。表4列出了國家虛擬仿真實驗教學(xué)項目共享平臺上的土力學(xué)相關(guān)虛擬仿真實驗。

天津大學(xué)土木工程專業(yè)在第三學(xué)年的第二學(xué)期給不同方向的本科生分別開設(shè)了專業(yè)實驗課程，其中，地下工程方向開設(shè)的課程為結(jié)構(gòu)試驗ⅢC-專業(yè)實驗，12學(xué)時，授課學(xué)時為4學(xué)時，實驗學(xué)時為8學(xué)時。在課堂授課中主要講解了室內(nèi)試驗、模型試驗和原位測試三方面的土力學(xué)相關(guān)實驗課程知識。在實驗教學(xué)部分除線下進行動三軸試驗、隧道工程模型試驗和孔壓靜力觸探試驗外，還讓學(xué)生線上進行了表4中的土體力學(xué)性質(zhì)研究的三軸虛擬仿真實驗、超重力離心模擬虛擬仿真實驗和巖土工程靜力觸探虛擬仿真實驗3個虛擬仿真實驗。線上實驗時，每個學(xué)生都可以完成整個實驗過程和每個實驗步驟，學(xué)生積極性高，學(xué)習(xí)效果較好。

三、 結(jié)語

隨著國家對應(yīng)用型和創(chuàng)新型人才標(biāo)準(zhǔn)的提高及高校課程思政建設(shè)的全面推進，應(yīng)不斷深化土木工程專業(yè)課程的教學(xué)改革，提高土木工程專業(yè)人才的培養(yǎng)質(zhì)量。對土力學(xué)課堂和實驗教學(xué)改革進行了探索與實踐，主要包括以下幾方面：

（1）改革教學(xué)方法和教學(xué)模式。在傳統(tǒng)LBL課堂教學(xué)方法和教學(xué)模式基礎(chǔ)上，開展RBL、CBL及TBL與PBL結(jié)合的教學(xué)方法和教學(xué)模式探索，并積極利用雨課堂等智慧教學(xué)工具，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高課堂教學(xué)質(zhì)量。在培養(yǎng)學(xué)生掌握基本實驗技能，形成良好實驗習(xí)慣的基礎(chǔ)上，將啟發(fā)式與互動式教學(xué)模式、研究性思維、OBE教育理念、大國工匠精神等引入實驗教學(xué)。

（2）充分利用在線課程和虛擬仿真實驗資源。匯總目前中國大學(xué)MOOC、學(xué)堂在線、愛課程、超星學(xué)術(shù)視頻、智慧樹、學(xué)銀在線等在線課程學(xué)習(xí)平臺上的土力學(xué)和土力學(xué)實驗在線開放課程，以及國家虛擬仿真實驗教學(xué)項目共享平臺上的土力學(xué)相關(guān)虛擬仿真實驗。教師可充分利用這些已有在線課程和虛擬仿真實驗資源，推進基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的線上線下混合式教學(xué)和翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)改革，并廣泛閱讀土力學(xué)教材和相關(guān)書籍，不斷提高專業(yè)素質(zhì)。

（3）將課程思政融入土力學(xué)教學(xué)。教師在備課過程中應(yīng)充分挖掘土力學(xué)課程和知識中蘊含的思政教育元素。通過介紹土力學(xué)專業(yè)領(lǐng)域的國內(nèi)外杰出人物，引導(dǎo)學(xué)生樹立正確的人生觀、世界觀和價值觀，通過介紹土力學(xué)著名工程案例，增強學(xué)生的社會責(zé)任感和職業(yè)自豪感，將土力學(xué)知識和原理推廣并提升為一般性哲學(xué)原理，思政元素與課程知識點有機融合。

為提高土力學(xué)課程的教學(xué)質(zhì)量和土木工程專業(yè)人才的培養(yǎng)質(zhì)量，教師應(yīng)不斷深化土力學(xué)課程教學(xué)改革，努力培養(yǎng)專業(yè)水平高、創(chuàng)新能力強、社會責(zé)任心強的全方位復(fù)合型土木工程專業(yè)人才。

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Abstract： In order to improve the teaching quality of soil mechanics course and the talent training quality of civil engineering specialty， some explorations and practices on the classroom and experimental teaching reform of soil mechanics were carried out. The main classroom teaching reforms are as follows：The explorations of teaching method and mode of research-based learning， case-based learning， and team-based learning combined with problem-based learning were carried out， and the intelligent teaching tools such as rain classroom were used to arouse students’ learning interest and improve the quality of classroom teaching; In order to frequently update contents of the course， it is necessary to continually improve our professional ability by extensively reading the textbooks and related books of soil mechanics; The available online course resources were fully utilized， and online and offline mixed teaching reform and flipped classroom teaching reform based on internet+ were actively promoted; The ideological and political elements were effectively integrated into the teaching of soil mechanics by introducing distinguished domestic and foreign persons in the field of soil mechanics and famous engineering cases of soil mechanics， and enhancing the knowledge and principle of soil mechanics as general philosophical principles. The main experimental teaching reforms are as follows：The heuristic and interactive teaching mode， research-based thinking， outcomes-based education concept and great country craftsman spirit were introduced into experimental teaching; In order to enhance the effect of experimental teaching， the students were required to watch the relevant experimental videos of online open courses of soil mechanics experiment before the experimental courses; The online experimental teaching was carried out by utilizing the relevant virtual simulation experiments on the national virtual simulation experiment teaching project sharing platform. With the teaching reform of soil mechanics course， make effort to cultivate comprehensive compound civil engineering talents with high professional level， strong innovation ability， and strong sense of social responsibility.

Key words： soil mechanics; teaching reform; online course; curriculum ideological and political education; virtual simulation experiment

（責(zé)任編輯 周 沫）

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