土力學(xué)教學(xué)素材信息化與教學(xué)方法改革研究

王天源，薛凱喜，吳波，李棟偉，查文華，胡艷香，何昌春，王振華

（東華理工大學(xué) 土木與建筑工程學(xué)院，江西 南昌）

一 引言

土力學(xué)是工程師和科研工作人員在長期科學(xué)研究或工程實(shí)踐中總結(jié)歸納而成的一門與土體有關(guān)的多門學(xué)科融合的專業(yè)基礎(chǔ)課程[1]，也是指導(dǎo)土木、交通、水利、地質(zhì)等領(lǐng)域科學(xué)研究和工程設(shè)計(jì)的重要理論來源。土體作為一種三相介質(zhì)，土力學(xué)專門研究土三相介質(zhì)條件下的物理力學(xué)性質(zhì)以用于解決地基與基礎(chǔ)、邊坡穩(wěn)定性等有關(guān)工程問題。

由于現(xiàn)代的建筑工程越來越多樣化、復(fù)雜化、大型化以及研究對象的非均質(zhì)、各向異性、易變等特點(diǎn)，以傳統(tǒng)的土力學(xué)基本理論來設(shè)計(jì)現(xiàn)代建筑物難以滿足要求。通過調(diào)研，大部分教師對于土力學(xué)課程的傳授主要以理論教學(xué)為主，而在可提高學(xué)生實(shí)踐和創(chuàng)新能力方面的方法和手段相對匱乏。后疫情時(shí)代，線上教學(xué)和線上線下混合式教學(xué)層出不窮，如何設(shè)計(jì)多元互動線上與線下相結(jié)合的教學(xué)活動有效提高教學(xué)質(zhì)量，成為新一輪挑戰(zhàn)和機(jī)遇。新型信息技術(shù)作為一種可深化土力學(xué)研究和提高線上教學(xué)質(zhì)量的有效手段，符合高校多學(xué)科交叉融合型人才培養(yǎng)模式的創(chuàng)新性研究。這也是我國提出“互聯(lián)網(wǎng)+”在大學(xué)教育教學(xué)中推廣應(yīng)用的主要原因之一[1]。

因此，針對土力學(xué)課程亟需實(shí)施綜合改革，探索新的“互聯(lián)網(wǎng)+土力學(xué)”多學(xué)科交叉融合型人才培養(yǎng)教學(xué)模式和教學(xué)素材信息化迫在眉睫。

二 土力學(xué)課程教學(xué)改革的必要性分析

1）教學(xué)內(nèi)容跟不上時(shí)代發(fā)展。近年來，研究人員為了突破土力學(xué)中“數(shù)據(jù)有限”和“預(yù)測預(yù)報(bào)”的“瓶頸”，將大數(shù)據(jù)、人工智能等新型信息技術(shù)加入到傳統(tǒng)土力學(xué)的研究方法中[2-3]。這種方法使土力學(xué)在與傳統(tǒng)力學(xué)、工程地質(zhì)等課程的基礎(chǔ)上交叉融合了計(jì)算機(jī)、統(tǒng)計(jì)學(xué)等內(nèi)容。然而，這種研究方法目前并未在土力學(xué)課程教學(xué)中開展。

2）課時(shí)嚴(yán)重壓縮，教學(xué)效率和實(shí)踐操作能力大打折扣。通過調(diào)研，絕大部分院校的土力學(xué)課程均存在理論課時(shí)偏少、實(shí)踐課時(shí)嚴(yán)重不足的情況。如何在有限課時(shí)的前提下充分利用新型信息技術(shù)和數(shù)值仿真技術(shù)完成高質(zhì)量的教學(xué)過程，提高師生間的教學(xué)效率，是一個(gè)重點(diǎn)研究方向。

3）教學(xué)方式傳統(tǒng)單一，未體現(xiàn)新時(shí)代信息技術(shù)的優(yōu)勢。新冠肺炎疫情以來，受線下教學(xué)活動的限制（減少師生、生生的近距離接觸），難以開展有效的實(shí)踐性教學(xué)，大部分教師是以現(xiàn)場工程案例圖片或典型工程紀(jì)錄片的形式來闡述深化土力學(xué)課程中的知識點(diǎn)。 新時(shí)代背景下，如何在傳統(tǒng)教學(xué)方式的基礎(chǔ)上融入新時(shí)代信息技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，是教學(xué)改革的另一個(gè)重要方向。

三 土力學(xué)課程教學(xué)改革的主要思路

本文以東華理工大學(xué)為例，土力學(xué)是我校土木與建筑工程學(xué)院、水資源與環(huán)境學(xué)院的專業(yè)基礎(chǔ)課，每年學(xué)習(xí)該課程學(xué)生人數(shù)約275人（如表1所示）。筆者深入調(diào)研兄弟院校該課程的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式[1,4-6]，創(chuàng)新性引入新型信息技術(shù)相關(guān)內(nèi)容，從理論教學(xué)內(nèi)容、試驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容以及教學(xué)模式和教學(xué)方法三個(gè)方面進(jìn)行改革。

表1 土力學(xué)課程學(xué)生專業(yè)分布和學(xué)時(shí)（2020年）

（一） 理論教學(xué)內(nèi)容的改革

新型信息技術(shù)背景下的土力學(xué)課程具有內(nèi)容涵蓋廣、學(xué)科發(fā)展快和工程實(shí)際聯(lián)系深等特點(diǎn)，教師在土力學(xué)理論教學(xué)過程中可能會出現(xiàn)教學(xué)主線不清晰、章節(jié)層次邏輯不明等問題，如何權(quán)衡經(jīng)典理論內(nèi)容、前沿科學(xué)研究與最新工程案例之間的關(guān)系，這都將是教師亟需解決的問題。針對以上問題，基于新型信息技術(shù)以及該技術(shù)在土力學(xué)中的應(yīng)用，筆者所在團(tuán)隊(duì)對土力學(xué)理論內(nèi)容進(jìn)行深化改革，為培養(yǎng)多學(xué)科交叉融合型人才鋪墊基礎(chǔ)。

（二） 試驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容改革

土力學(xué)作為一門半理論半經(jīng)驗(yàn)的專業(yè)基礎(chǔ)課程，土力學(xué)試驗(yàn)是認(rèn)識土力學(xué)中相關(guān)自然現(xiàn)象和自然規(guī)律的重要手段。在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)快速發(fā)展的形勢和“萬物互聯(lián)”的背景下，土力學(xué)試驗(yàn)教學(xué)不僅需要對現(xiàn)有土力學(xué)理論知識的驗(yàn)證（如土的滲透試驗(yàn)和固結(jié)試驗(yàn)等），還需要與國內(nèi)外典型工程建設(shè)發(fā)展同步，結(jié)合專業(yè)理論和實(shí)操技術(shù)來解決現(xiàn)場工程建設(shè)中遇到的各類綜合性問題（如復(fù)雜地質(zhì)條件下邊坡群的穩(wěn)定性分析和安全預(yù)警問題等）。所以，對現(xiàn)有的試驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容和形式進(jìn)行改革，探索和形成新的試驗(yàn)教學(xué)方案，對于學(xué)生掌握土力學(xué)的專業(yè)理論和土力學(xué)試驗(yàn)的實(shí)操技術(shù)具有極大的益處。

（三） 教學(xué)模式和教學(xué)方法改革

“以教師為中心”向“以學(xué)生為中心”的轉(zhuǎn)變是教學(xué)模式變革的主旋律，這樣可以引導(dǎo)學(xué)生積極主動學(xué)習(xí)?，F(xiàn)階段土力學(xué)課程教學(xué)模式仍然以教師為中心的“滿堂灌”方法，整堂課只有老師對著學(xué)生講解知識，難給學(xué)生提問和互動的機(jī)會，從而極大地降低師生間的教學(xué)效率和教學(xué)效果。所以，對傳統(tǒng)的教學(xué)模式進(jìn)行深化改變革（邀請校企合作單位的科學(xué)研究人員或工程師進(jìn)入課堂，積極引導(dǎo)學(xué)生去校企合作單位學(xué)習(xí)），搭建理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)之間銜接橋梁，為學(xué)生畢業(yè)后適應(yīng)工作環(huán)境提供條件。

四 土力學(xué)課程教學(xué)改革實(shí)踐路徑

基于新型信息技術(shù)從教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)模式兩方面開展改革研究：1）建立一個(gè)完整土力學(xué)課程體系。該課程體系不僅包含傳統(tǒng)土力學(xué)課程內(nèi)容和大數(shù)據(jù)等新型信息技術(shù)的基礎(chǔ)理論知識，還需包含應(yīng)用新型信息技術(shù)解決土力學(xué)中存在的問題等相關(guān)內(nèi)容；2）探索與構(gòu)建融合了新型信息技術(shù)的新教學(xué)模式。

（一） 優(yōu)化教學(xué)大綱提升教學(xué)內(nèi)容的系統(tǒng)性與前沿性

1.系統(tǒng)性

結(jié)合創(chuàng)新型交叉融合的人才培養(yǎng)需求，需完成《土力學(xué)》課程結(jié)構(gòu)體系變革，在傳統(tǒng)力學(xué)、工程地質(zhì)等基礎(chǔ)課程基礎(chǔ)上，引入新型信息技術(shù)基礎(chǔ)課程，使土力學(xué)課程內(nèi)容模塊化后更具系統(tǒng)性。土力學(xué)課程大綱經(jīng)優(yōu)化后基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 優(yōu)化后的土力學(xué)課程大綱

土力學(xué)前置基礎(chǔ)模塊，包括土力學(xué)課程中涉及的理論力學(xué)、材料力學(xué)、彈性力學(xué)、工程地質(zhì)學(xué)等前置學(xué)科的基礎(chǔ)知識和大數(shù)據(jù)等新型信息技術(shù)基礎(chǔ)課程；土力學(xué)基礎(chǔ)知識模塊，包括土的物理性質(zhì)和工程分類、土體滲透性與流量計(jì)算、地基中的應(yīng)力計(jì)算、土的壓縮性與地基沉降、土的抗剪強(qiáng)度等部分[7]；基礎(chǔ)知識的工程應(yīng)用模塊，包括地基承載力的確定、土壓力理論以及土坡穩(wěn)定性分析等內(nèi)容，重點(diǎn)講述采用新型信息技術(shù)解決土力學(xué)工程問題并進(jìn)行詳細(xì)的案例分析。如邊坡穩(wěn)態(tài)遠(yuǎn)程智能預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、CFG樁復(fù)合地基智能優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)開發(fā)等。

2.前沿性

土力學(xué)作為土木工程專業(yè)的基礎(chǔ)學(xué)科，新材料、新儀器、新工藝、新理論層出不窮，前沿性內(nèi)容給土力學(xué)課程帶來了深度和廣度。結(jié)合與土力學(xué)相關(guān)的工程案例和時(shí)事新聞和教師最新科研成果，貫穿在理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)整個(gè)過程，讓學(xué)生充分認(rèn)識土力學(xué)的新進(jìn)展。如2020年7月湖北恩施清江上游屯堡鄉(xiāng)馬者村沙子壩滑坡，造成清江上游形成堰塞湖；2021年4月，熱帶氣旋塞洛亞在印度尼西亞東南部和東帝汶降下暴雨，引發(fā)洪水和泥石流等。基于工程案例和時(shí)事新聞，介紹地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生機(jī)理以及最新技術(shù)和工藝在防治措施中的應(yīng)用。土力學(xué)教學(xué)內(nèi)容的系統(tǒng)性和學(xué)科的前沿性有機(jī)地成為一體，學(xué)生在這些內(nèi)容的學(xué)習(xí)過程中深刻體會到了土力學(xué)與自然和人類的關(guān)系，教學(xué)效率得到了極大改善。

（二） 虛擬與現(xiàn)實(shí)相結(jié)合增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的多樣性與實(shí)效性

1.多樣性

校內(nèi)實(shí)驗(yàn)室資源通常無法達(dá)到日常教學(xué)需求，需要引入企業(yè)真實(shí)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境、數(shù)據(jù)資源和構(gòu)建新型信息技術(shù)環(huán)境下的虛擬實(shí)驗(yàn)室，虛-實(shí)結(jié)合，一方面打破了時(shí)空限制，虛擬實(shí)驗(yàn)室資源的使用更加快速和便捷；另一方面通過項(xiàng)目案例驅(qū)動式實(shí)踐教學(xué)可令學(xué)生深刻體會企業(yè)需求和發(fā)現(xiàn)工作中可能存在的問題，促使學(xué)生更有目的的學(xué)習(xí)。本校視頻資源庫（http://www.jgnwj.com）[8]的構(gòu)建和中國大學(xué)MOOC、超星慕課等“互聯(lián)網(wǎng)+”各種平臺中視頻資源均可為教師和學(xué)生在虛擬環(huán)境中提供相關(guān)土力學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)資源；帶領(lǐng)學(xué)生去江西飛尚科技有限公司開展相關(guān)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容學(xué)習(xí)，如結(jié)合課堂講授的地基承載力理論知識，圍繞介紹現(xiàn)場平板荷載試驗(yàn)中的關(guān)鍵步驟等展開討論，讓學(xué)生更好地理解土力學(xué)相關(guān)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，為培養(yǎng)創(chuàng)新型交叉融合人才奠定實(shí)踐基礎(chǔ)。

2.實(shí)效性

大量案例已經(jīng)成功將大數(shù)據(jù)、人工智能等融入傳統(tǒng)的數(shù)值方法來再現(xiàn)試驗(yàn)過程，如非參數(shù)回歸法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，不確定分析方法，參數(shù)反演等。受限于教學(xué)課時(shí)和試驗(yàn)設(shè)備，學(xué)生沒有必要通過低效率的重復(fù)動手操作進(jìn)行試驗(yàn)來學(xué)習(xí)相關(guān)內(nèi)容?；谙嚓P(guān)工程案例，同時(shí)結(jié)合工程案例中對新型信息技術(shù)的需求，完善教學(xué)內(nèi)容的實(shí)效性?；谝延袑?shí)驗(yàn)資料，設(shè)計(jì)對應(yīng)的算法，通過數(shù)值手段（自編或在商業(yè)軟件的基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開發(fā)）再現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及進(jìn)一步分析研究復(fù)雜工程問題（室內(nèi)教學(xué)實(shí)驗(yàn)通常用來模擬簡單試驗(yàn)過程）。教師可通過數(shù)值模擬手段將復(fù)雜的工程案例直觀便捷地展示給學(xué)生理解學(xué)習(xí)，如三軸試驗(yàn)樣品塊的應(yīng)力云圖（圖2）和不同降雨單量工況下某邊坡安全系數(shù)隨時(shí)間變化關(guān)系圖（圖3）等。

圖2 土體三軸試驗(yàn)的應(yīng)力云圖

圖3 不同降雨單量工況下某邊坡安全系數(shù)隨時(shí)間變化關(guān)系圖

土體三軸條件下土體應(yīng)力、應(yīng)變和強(qiáng)度等概念和土體由彈性到塑型的變化以及土體的穩(wěn)定性分析評價(jià)可通過數(shù)值仿真手段直觀更易理解地向?qū)W生闡述，進(jìn)而將土力學(xué)課程中理論內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和工程案例在新型信息技術(shù)背景下有機(jī)融合為一體。室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合，一方面深化了學(xué)生對理論內(nèi)容的學(xué)習(xí)和強(qiáng)化了如何運(yùn)用理論內(nèi)容解決實(shí)際工程問題的能力；另一方面開展實(shí)施了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)整理和數(shù)據(jù)總結(jié)分析，讓學(xué)生對土體應(yīng)力、應(yīng)變和強(qiáng)度等特點(diǎn)和變化規(guī)律有多角度和多層次的認(rèn)識。

（三） 理論與應(yīng)用相結(jié)合提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性與積極性

大數(shù)據(jù)時(shí)代來臨，學(xué)生對于知識的獲取不再局限于教室，教師應(yīng)結(jié)合前沿性理論內(nèi)容，大膽嘗試項(xiàng)目案例驅(qū)動式教學(xué)、網(wǎng)絡(luò)在線教育、翻轉(zhuǎn)課堂等多種教學(xué)方式。在整體層面上，師生以網(wǎng)絡(luò)平臺留言問答或面對面線下交流互動，對學(xué)生在土力學(xué)學(xué)習(xí)過程中遇到的難點(diǎn)進(jìn)行答疑和討論分析。筆者定期更新國內(nèi)外熱點(diǎn)文獻(xiàn)和工程案例，讓學(xué)生以小組形式參與討論，師生互動交流，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；同時(shí)，基于大數(shù)據(jù)分析引導(dǎo)學(xué)生展現(xiàn)個(gè)人優(yōu)勢（如資料獲取、視頻編輯、PPT制作、算法設(shè)計(jì)等），提高學(xué)生學(xué)習(xí)積極性和師生間的教學(xué)效率。同時(shí)加強(qiáng)科研引導(dǎo)，鼓勵學(xué)生采用新方法、新技術(shù)解決土力學(xué)工程問題。

加強(qiáng)科研引導(dǎo)，鼓勵學(xué)生采用新方法、新技術(shù)解決土力學(xué)工程問題，從而深化學(xué)生對于土力學(xué)理論內(nèi)容學(xué)習(xí)和強(qiáng)化學(xué)生在科研方面的創(chuàng)新性能力。以土體抗剪強(qiáng)度為例來說明。土顆粒礦物成分、剪切速率、含水率、環(huán)境因素、干濕循環(huán)等因素均會影響到土體抗剪強(qiáng)度。課堂上這些內(nèi)容通常是通過枯燥的文字描述性敘述、簡單的圖片展示講述的，并不能提起學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。在大數(shù)據(jù)背景下，引導(dǎo)學(xué)生收集相關(guān)視頻資料和論文成果，輔助采用算法設(shè)計(jì)和統(tǒng)計(jì)學(xué)相關(guān)知識介紹這一部分內(nèi)容，并分析各影響因素的敏感程度，極大豐富相關(guān)內(nèi)容，提高學(xué)生研究興趣。

五 土力學(xué)課程教學(xué)改革成效

基于上述手段對學(xué)生在土力學(xué)課程學(xué)習(xí)變革，以常規(guī)教學(xué)方式和改革后教學(xué)方式設(shè)置對照班和試驗(yàn)班，對學(xué)生平時(shí)成績（包含出勤率、平時(shí)作業(yè)、課堂表現(xiàn)、土力學(xué)前沿內(nèi)容PPT制作與交流討論等）、實(shí)驗(yàn)成績和期末成績進(jìn)行總結(jié)分析（如表 2 所示）：引入新型信息技術(shù)的土力學(xué)課程教學(xué)激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，學(xué)生對于理論內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的掌握程度有大幅提高。

表2 試驗(yàn)班級和對照班級的平均成績

土力學(xué)教學(xué)改革提高了課堂教學(xué)質(zhì)量?；趩柧硇堑恼{(diào)查問卷（共74份）結(jié)果顯示，學(xué)生對師生間教學(xué)過程的滿意程度為100%。其中，十分滿意的比例為89.2%，基本滿意的比例為 10.8%。

六 結(jié)語

土力學(xué)的教學(xué)改革既要遵循經(jīng)典土力學(xué)內(nèi)容的本質(zhì)，又采用新型信息技術(shù)及其在土力學(xué)中的多維度應(yīng)用等來提高課程質(zhì)量。新型信息技術(shù)背景下土力學(xué)課程教學(xué)改革仍需要進(jìn)一步探索：

深化傳統(tǒng)土力學(xué)理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，根據(jù)教學(xué)目標(biāo)引入適當(dāng)?shù)男滦托畔⒓夹g(shù)相關(guān)內(nèi)容；加強(qiáng)校企合作，變革實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)平臺（云環(huán)境下的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室和校內(nèi)/企業(yè)真實(shí)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境并重），培養(yǎng)新時(shí)代行業(yè)需要的優(yōu)秀工程人才。

改變傳統(tǒng)土力學(xué)課程教學(xué)方式，在重視土力學(xué)課程基本概念和基本原理的基礎(chǔ)上，基于不同學(xué)生的行為數(shù)據(jù)制作更具個(gè)性化的教學(xué)方案，同時(shí)加強(qiáng)科研引導(dǎo)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，從而切實(shí)提高教學(xué)質(zhì)量。