《土力學(xué)》實驗教學(xué)的調(diào)查分析與改革探索

曹 培，楊 陽，毛無衛(wèi)

(1.同濟大學(xué) 地下建筑與工程系， 上海 200092；2.同濟大學(xué) 巖土及地下工程教育部重點實驗室, 上海 200092)

《土力學(xué)》是同濟大學(xué)土木工程學(xué)院的傳統(tǒng)優(yōu)勢課程之一，是土木、水利、地質(zhì)、港航、智能建造和工程法學(xué)等專業(yè)本科生必修的專業(yè)基礎(chǔ)課程。作為這門經(jīng)典課程的關(guān)鍵組成部分，《土力學(xué)》實驗不僅可以幫助學(xué)生更直觀地理解《土力學(xué)》的基本理論，而且能夠讓學(xué)生在學(xué)習(xí)和操作中進行知行合一的鍛煉，在培養(yǎng)本科生的實踐能力和創(chuàng)新能力方面發(fā)揮著舉足輕重的作用[1-2]。實驗課的教學(xué)目標不僅僅是讓學(xué)生掌握幾個實驗項目的操作方法，更重要的是通過實踐鍛煉引導(dǎo)學(xué)生獨立思考，潛移默化地對學(xué)生進行工程思維的熏陶，讓其在掌握知識的同時，發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力也能得到不斷的提升，并逐步升華為獨立工作的能力和創(chuàng)新能力[3-4]。不少前期教學(xué)改革研究表明，高校對《土力學(xué)》實驗教學(xué)普遍非常重視，在加強學(xué)生專業(yè)能力、提高學(xué)生綜合素養(yǎng)以及適應(yīng)新時代培養(yǎng)要求等方面做出諸多有益探索[5]。隨著現(xiàn)代化科技和產(chǎn)業(yè)革命的飛速發(fā)展，新理論、新技術(shù)、新方法和新設(shè)備層出不窮，對教育方式和教育環(huán)境產(chǎn)生了巨大的影響，也對高等院校的創(chuàng)新型專業(yè)人才培養(yǎng)提出了更高的標準和挑戰(zhàn)[6-8]。與此同時，隨著時代的發(fā)展，大學(xué)生無論是在個人綜合素質(zhì)方面，還是在專業(yè)需求方面，都在不斷發(fā)生變化[9-10]。因此，深入調(diào)查了解學(xué)生對于實驗教學(xué)的需求和反饋，對于建設(shè)以“學(xué)生為主體”的高質(zhì)量實驗教學(xué)具有重要作用。

為了充分了解《土力學(xué)》實驗的教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，從而為《土力學(xué)》實驗教學(xué)改革提供良好的思路和方向，本文設(shè)計了一系列合理的調(diào)研內(nèi)容，以大土木專業(yè)的本科生為調(diào)查對象，開展了線上問卷調(diào)查。通過對統(tǒng)計結(jié)果的深入分析，不僅獲取了學(xué)生對實驗教學(xué)的反饋和評價，而且掌握了當代本科生的實驗學(xué)習(xí)需求、學(xué)習(xí)習(xí)慣和學(xué)習(xí)能力，為改進實驗教學(xué)方式、提高實驗教學(xué)質(zhì)量提供了有效的參考依據(jù)。

1 問卷調(diào)查概述

本次問卷調(diào)查分兩次進行，分別為2019—2020學(xué)年和2020—2021學(xué)年第一學(xué)期，調(diào)查對象為同濟大學(xué)大土木專業(yè)2017級本科生和2018級本科生，共1006名。通過前期調(diào)研和咨詢，自行制定了較為詳細的調(diào)查問卷，主要內(nèi)容包括教學(xué)過程反饋、教學(xué)效果、學(xué)習(xí)習(xí)慣和需求等方面。在該學(xué)期《土力學(xué)》實驗課程結(jié)束后，以“問卷星”的形式在微信平臺推送，對全體在讀學(xué)生開展線上形式的匿名問卷調(diào)查，最大程度確保學(xué)生在填寫過程中心無顧忌，暢所欲言，從而提供真實的調(diào)查反饋。截止問卷失效，共收回問卷913份，有效率超過90%，具有較好的代表性。

2 調(diào)查結(jié)果

2.1 教學(xué)過程的反饋

現(xiàn)階段我?！锻亮W(xué)》實驗教學(xué)共開展六個實驗項目：篩分試驗、界限含水率試驗、固結(jié)試驗、直剪試驗、無側(cè)限抗壓強度試驗和三軸試驗，其中前五個項目為驗證性試驗，第六個項目為演示性試驗，采用線上虛擬仿真試驗和線下實體操作演示相結(jié)合的方式開展實驗教學(xué)。每個試驗項目安排2個學(xué)時，為保證實驗課效果，采用小班化教學(xué)，每班30人，三人分為一組合作完成實驗操作，爭取做到人人參與，人人動手。

針對實驗教學(xué)過程中學(xué)生實際動手操作情況進行的調(diào)查結(jié)果顯示，其中有超過94%的學(xué)生親自動手參與了全部實驗項目，說明整體上學(xué)生對于《土力學(xué)》實驗的參與程度較高。另一方面，約5%的學(xué)生只參與了部分實驗項目，而其中0.3%的學(xué)生一次實驗項目也沒有參與過，全程旁觀。跟進調(diào)查結(jié)果顯示學(xué)生關(guān)于未動手參與實驗的原因也五花八門，其中比較常見的原因有兩條：一是覺得實驗課沒有學(xué)分，不重視，只求速戰(zhàn)速決，應(yīng)付差事；二是覺得實驗內(nèi)容相對簡單，看看就會了，不需要動手操作。而通過觀察學(xué)生實際的實驗操作發(fā)現(xiàn)，即使是篩分等較為簡單的實驗，操作也會出現(xiàn)各種各樣的問題，這說明學(xué)生在實驗技能方面的自我認知偏高，存在著眼高手低的情況(見圖1)。

圖1 對實驗參與度的調(diào)查結(jié)果

2.2 教學(xué)效果的調(diào)查結(jié)果

實驗課教學(xué)不僅僅是要求學(xué)生掌握基本的《土力學(xué)》實驗過程和具體操作步驟，其根本目的在于對土的基本物理力學(xué)性質(zhì)進行深入了解和學(xué)習(xí)。學(xué)生的學(xué)習(xí)收獲是實驗教學(xué)效果最直接的反饋。如圖2所示，調(diào)查結(jié)果顯示超過半數(shù)的學(xué)生(54.1%)認為實驗學(xué)習(xí)對掌握土的基本物理力學(xué)性質(zhì)有很大幫助，44.7%的學(xué)生認為有一些幫助，而剩下1.2%的學(xué)生認為幾乎沒有幫助。14.7%的學(xué)生對學(xué)習(xí)效果很有信心(見圖3)，表示在實驗課后遇到類似的實驗項目能獨立完成；超過75%的學(xué)生認為自己可以獨立完成類似實驗項目，但是需查閱參考教材；8.7%的學(xué)生對于能否完成類似實驗項目持不明確態(tài)度，另有1.6%的學(xué)生表示不知道如何下手，無法獨立完成。這兩項調(diào)查結(jié)果說明大部分學(xué)生通過實驗課的學(xué)習(xí)都能夠有所收獲，但同時也存在個別學(xué)生因為某些原因?qū)W習(xí)收獲有限，在后續(xù)的實驗教學(xué)中要予以關(guān)注。

在針對學(xué)生實驗?zāi)芰μ嵘亩噙x項調(diào)查中(見圖4)，71.7%的學(xué)生認為通過實驗課程學(xué)習(xí)自己在實驗技能方面得到了明顯提升，68.8%的學(xué)生認為加深了對理論知識的理解和掌握，60.1%的學(xué)生認為動手能力得到了鍛煉，8.1%的學(xué)生認為在創(chuàng)新意識上有所助益。這一方面肯定了實驗教學(xué)的作用和意義，同時也反映出現(xiàn)有的實驗教學(xué)課程在培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力方面存在不足，為實驗教學(xué)的進一步改革指明了方向。

圖2 實驗對學(xué)生掌握土的基本物理力學(xué)性質(zhì)的幫助

圖3 學(xué)生課后獨立完成實驗項目能力的調(diào)查結(jié)果

圖4 學(xué)生能力提升的調(diào)查結(jié)果

2.3 學(xué)生學(xué)習(xí)習(xí)慣和需求的調(diào)查結(jié)果

為了更精準地了解學(xué)生的學(xué)習(xí)習(xí)慣和學(xué)習(xí)需求，有效指導(dǎo)實驗教學(xué)改革，問卷針對學(xué)生的學(xué)習(xí)習(xí)慣開展了調(diào)查。從圖5可以看出，僅有31.8%的學(xué)生能夠做到課前預(yù)習(xí)，而另外68.2%的學(xué)生則沒有進行過課前預(yù)習(xí)。而從課前預(yù)習(xí)的效果來看，12.4%的學(xué)生通過預(yù)習(xí)能夠做到對《土力學(xué)》實驗內(nèi)容和整個操作過程非常了解，74.2% 學(xué)生能夠部分掌握課程內(nèi)容，而13.4%的學(xué)生還是沒有任何概念。這說明學(xué)生對于《土力學(xué)》實驗課程重視度一般，大部分學(xué)生在課前沒有進行認真預(yù)習(xí)，而做過預(yù)習(xí)的學(xué)生，預(yù)習(xí)效果也不盡如人意。

圖5 學(xué)生實驗課前預(yù)習(xí)情況的調(diào)查結(jié)果

針對學(xué)生在實驗學(xué)習(xí)過程中的重點問題進行了調(diào)查，題目設(shè)置為多選題，以便為實驗教學(xué)改革提供有針對性的指導(dǎo)意見。如圖6所示，結(jié)果顯示約65.9%的學(xué)生認為實驗學(xué)習(xí)的重點在于實驗操作過程，半數(shù)以上的學(xué)生認為學(xué)習(xí)重點在于實驗成果整理(58.4%)、儀器設(shè)備和實驗方法(51.5%)，31.6%的學(xué)生認為實驗的學(xué)習(xí)重點在于掌握實驗原理，僅有少數(shù)學(xué)生認為實驗的學(xué)習(xí)重點在于應(yīng)用。其實無論是實驗操作、儀器設(shè)備、實驗方法、實驗原理還是實驗應(yīng)用，都是實驗學(xué)習(xí)過程中不可或缺的一部分，它們環(huán)環(huán)相扣，相輔相成，尤其是實驗應(yīng)用，更是實驗學(xué)習(xí)和訓(xùn)練的主要目標，而恰恰是學(xué)生最忽略的一面，成為學(xué)生在實驗學(xué)習(xí)過程中的薄弱環(huán)節(jié)。

圖6 學(xué)生認為實驗學(xué)習(xí)的重點環(huán)節(jié)

在關(guān)于《土力學(xué)》實驗需改進或提升方面的多項調(diào)查反饋中(見圖7)，有64.0%的學(xué)生認為應(yīng)該增加實驗項目，使實驗內(nèi)容更加豐富，更加多樣性；64.7%的學(xué)生認為應(yīng)當更新實驗儀器，40.6%的學(xué)生認為考核方式需要加以改進，還有10.4%學(xué)生選擇了實驗環(huán)境。作為《土力學(xué)》的實踐環(huán)節(jié)，《土力學(xué)》實驗課時有限，在課程安排上受到一定的約束和局限性，設(shè)置的實驗項目均為必選，未設(shè)置選修的實驗課題和項目，導(dǎo)致學(xué)生認為實驗項目不夠豐富。因此如何在有限的課時內(nèi)，開發(fā)擴充適用于實驗教學(xué)的課題或項目，拓展實驗教學(xué)的廣度和深度，將是實驗教學(xué)改革的工作重點之一。在實驗教學(xué)儀器方面，實際上近年來在學(xué)校教學(xué)經(jīng)費的支持下，已逐步對包括直剪實驗、三軸實驗等部分教學(xué)設(shè)備進行了更新?lián)Q代。為了適應(yīng)教學(xué)要求，在儀器更新時并沒有選取自動化程度較高的儀器設(shè)備，而是保留了傳統(tǒng)的手工操作功能，避免自動化程度過高影響學(xué)生實操訓(xùn)練的機會，無法實現(xiàn)對學(xué)生動手能力的培養(yǎng)。但多數(shù)學(xué)生卻認為這些儀器設(shè)備不夠智能化、不夠現(xiàn)代化?？梢姡录夹g(shù)、新智能的發(fā)展給學(xué)生群體的學(xué)習(xí)需求也帶來了很大的沖擊和影響，與傳統(tǒng)的教學(xué)習(xí)慣產(chǎn)生偏差。另外，有40%的學(xué)生認為考核方式需要加以改進。目前《土力學(xué)》實驗的考核是以學(xué)生提交的實驗報告為標準進行考核，僅以結(jié)果論成績，不能綜合反映學(xué)生對于實驗的參與度、掌握程度和應(yīng)用能力，具有一定的局限性。合理地改進實驗考核方式，以便更加科學(xué)地反映學(xué)生的綜合能力，也是需要改革探究的教學(xué)環(huán)節(jié)。

圖7 學(xué)生對實驗課改進的期待的調(diào)查結(jié)果

3 實驗教學(xué)的改革

3.1 完善實驗課程體系，滿足多樣性學(xué)習(xí)需求

通過調(diào)查問卷可以發(fā)現(xiàn)，目前的《土力學(xué)》實驗課程設(shè)置可以基本滿足學(xué)生的學(xué)習(xí)需求，但以演示性和驗證性實驗為主的實驗教學(xué)對學(xué)生的創(chuàng)新能力要求相對較低，不能有效激發(fā)學(xué)生的獨立思考能力和解決問題能力。因此，在原有實驗內(nèi)容的基礎(chǔ)上，引入了綜合性、設(shè)計性、研究性和開放性的實驗內(nèi)容[11]，對現(xiàn)有的實驗課程體系進行了優(yōu)化和完善，滿足不同程度學(xué)生的學(xué)習(xí)需求，并增強學(xué)生的實驗自主性，從而有效鍛煉學(xué)生的實踐能力、創(chuàng)新能力和團隊協(xié)作能力。

鑒于《土力學(xué)》實驗課時有限，結(jié)合本科生導(dǎo)師制項目、校級、市級和國家級大學(xué)生創(chuàng)新項目等，建立了以基礎(chǔ)性的教學(xué)型實驗為主，綜合性、設(shè)計性的專業(yè)型實驗和科研型實驗為輔的多層次實驗教學(xué)體系，將實驗教學(xué)與工程實際、科學(xué)研究進行有機融合。經(jīng)統(tǒng)計，目前同濟大學(xué)因科創(chuàng)項目等需要參與土力學(xué)實驗設(shè)備使用的本科生比例正逐步提高，其中不乏大一、大二等低年級學(xué)生，學(xué)生的實驗需求越來越大，實驗內(nèi)容也越來越多樣化[12]。常規(guī)土工實驗如含水率實驗、壓縮實驗、滲透實驗等在綜合性科學(xué)研究中往往發(fā)揮著重要作用，也可視為培養(yǎng)學(xué)生科研素養(yǎng)的基礎(chǔ)性訓(xùn)練。如為適應(yīng)該需求，通過在每學(xué)期初設(shè)置集中的實驗室開放日，在開放日中學(xué)生可自行報名參與前來見學(xué)，熟悉實驗室。另一方面，利用教學(xué)活動間隙，靈活設(shè)置實驗室開放時間，學(xué)生可以根據(jù)實際需求自由選擇預(yù)約實驗時段。通過近半年時間的改革管理，發(fā)現(xiàn)運行效果良好，不僅大大緩解了實驗室容量有限的壓力，也是對實驗教學(xué)時間的有效延伸。

3.2 改進實驗教學(xué)方法，引導(dǎo)良好的學(xué)習(xí)習(xí)慣

針對學(xué)生課前預(yù)習(xí)準備不足這一問題，一方面可以將相關(guān)課件、視頻等學(xué)習(xí)資料提前發(fā)給學(xué)生，讓學(xué)生有充足的學(xué)習(xí)資源和途徑進行課前預(yù)習(xí)；另一方面，在實驗課正式開始前，利用幾分鐘時間通過微信小程序等方法對學(xué)生開展簡單的課前測試，這樣既可以引起學(xué)生對課前預(yù)習(xí)的重視，也能相應(yīng)地強化學(xué)生通過課前預(yù)習(xí)而獲得在課堂上的成功體驗。

基于實驗教學(xué)目標，結(jié)合學(xué)生對實驗學(xué)習(xí)重點環(huán)節(jié)的反饋，對原有的實驗教學(xué)方法進行了優(yōu)化和改進。針對學(xué)生在實踐應(yīng)用方面比較薄弱的問題，在原有的“教、學(xué)、做”基礎(chǔ)上，增加了“用”的教學(xué)環(huán)節(jié)，提出了“教、學(xué)、做、用”四位一體的實驗教學(xué)法，如圖8所示。通過工程案例啟發(fā)、多媒體展示和設(shè)備演示等方法向?qū)W生教授相關(guān)實驗知識，并與工程實踐相結(jié)合，加深學(xué)生對知識點的理解和掌握；學(xué)生基于對實驗知識的理解和觀摩，自主開展實驗，通過團隊協(xié)作完成實驗操作，培養(yǎng)動手能力和團隊協(xié)作能力；學(xué)生觀察實驗現(xiàn)象，記錄實驗數(shù)據(jù)，對實驗結(jié)果進行分析，并撰寫實驗報告，鍛煉數(shù)據(jù)處理能力和分析能力；在老師的指導(dǎo)下，學(xué)生針對相關(guān)的實驗課題進行分組討論和信息收集，融會貫通、舉一反三，提出具有可操作性的實驗設(shè)計，以培養(yǎng)學(xué)生的實驗應(yīng)用能力和創(chuàng)新思維的能力。

其次，充分利用現(xiàn)代信息技術(shù)手段，將先進的技術(shù)和方法引入《土力學(xué)》實驗教學(xué)，綜合利用“慕課”、“虛擬實驗”、“翻轉(zhuǎn)課堂”等手段和資源，建立了多元化、多途徑的新型實驗教學(xué)模式。通過課上和課下、線上和線下教學(xué)的有機結(jié)合和相互補充，提高知識傳遞的效率，增加實驗學(xué)習(xí)的路徑，有助于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

圖8 實驗教學(xué)法示意圖

3.3 健全實驗考核機制，強化實驗教學(xué)效果

通過對實驗教學(xué)效果的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，雖然大部分學(xué)生都能通過實驗課加深對理論知識的理解和掌握，但是在課后大部分學(xué)生都需要依賴教材等指導(dǎo)文件才能完成實驗操作，這說明學(xué)生對實驗內(nèi)容的掌握還有待于進一步加強。實際上，對于大多數(shù)學(xué)生來說，實驗課只是一門不得不修的、相對容易拿學(xué)分的課程，帶著這種有點功利性的學(xué)習(xí)目的，大多學(xué)生非必要不會在實驗課程上花費太多時間和精力。針對這一問題一方面要強化課堂教學(xué)效果，在有限的時間內(nèi)完成高質(zhì)量的課堂教學(xué)，另一方面要健全實驗考核機制，通過考核引起學(xué)生在思想上的重視，在課堂學(xué)習(xí)中全身心的投入學(xué)習(xí)，這同時是調(diào)查問卷中學(xué)生反映的希望改進的一個方面。因此，除了上節(jié)改進實驗教學(xué)方法外，對實驗考核機制也進行了全面的改進，由單一的“惟實驗結(jié)果論”轉(zhuǎn)變?yōu)槎鄬用?、多元化的綜合素質(zhì)評價指標，從實驗預(yù)習(xí)、實驗操作和實驗報告三個層面綜合評定實驗成績。其中，實驗操作包括實驗紀律、實驗態(tài)度、具體操作過程和參與程度四個方面，對學(xué)生的實驗全過程進行綜合評價分析[13]。改進后的考核機制不僅有效地避免以往實驗教學(xué)過程中存在的學(xué)生實驗報告“搭車”現(xiàn)象，而且可以進一步的提高學(xué)生對實驗的參與度，對實驗教學(xué)效果進行強化和提升。

4 結(jié) 論

作為《土力學(xué)》實驗課程的主體，當代大學(xué)生信息獲取手段多樣，其自身的學(xué)習(xí)方式、學(xué)習(xí)習(xí)慣，以及對待實驗課程的需求和期待也正不斷發(fā)生著變化。本文獲取的效果調(diào)查問卷結(jié)果表明，始終沿用過去的教學(xué)思路與內(nèi)容，可能會使學(xué)生對實驗課程產(chǎn)生方式老舊、內(nèi)容單一的刻板印象，影響教學(xué)效果?；诳茖W(xué)、完善的教學(xué)體系，依托多樣化的能力訓(xùn)練與創(chuàng)新科研項目，結(jié)合循序漸進的教學(xué)手法以及多元的考核機制，才能保持實驗課程對學(xué)生的持續(xù)吸引力，發(fā)揮實驗課程的良好互動效應(yīng)，實現(xiàn)新形勢下高校人才培養(yǎng)的目標。