新工科背景下基于科教融合的土力學(xué)課程教學(xué)改革研究

陳鑫 彭楊 李棟偉 何如

摘要 科教融合是實現(xiàn)課程教學(xué)目標(biāo)、提高教學(xué)質(zhì)量及土木工程新工科建設(shè)的必然選擇。依托土木工程新工科建設(shè)背景，基于科教融合理念，增強(qiáng)教師科研引導(dǎo)，文章從土力學(xué)課程教學(xué)團(tuán)隊、教材、大綱、課堂理論教學(xué)內(nèi)容、授課方式、實驗實踐教學(xué)及課程考核方面進(jìn)行了探索改革與教學(xué)實踐。結(jié)果表明，新工科背景下基于科教融合理念的土力學(xué)課程教學(xué)改革提高了教學(xué)質(zhì)量，突破了土力學(xué)實驗條件限制，構(gòu)筑理論、實踐銜接的橋梁，促進(jìn)了教學(xué)目標(biāo)的實現(xiàn)。對培養(yǎng)多學(xué)科融合的復(fù)合型、應(yīng)用型人才有重要的促進(jìn)作用。

關(guān)鍵詞 土力學(xué)；新工科；科教融合；教學(xué)改革

中圖分類號：G424文獻(xiàn)標(biāo)識碼：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2023.11.039

1概述

土力學(xué)是土木工程專業(yè)必修的核心課程，以解決地質(zhì)、采礦、水利等工程活動中涉及土的工程性質(zhì)問題為目的，具有很強(qiáng)的實用性、理論性、綜合性[1-2]。土體具有散體性、多相性、自然變異性等特點，本質(zhì)屬于碎散材料，然而目前土力學(xué)課程知識體系仍建立在連續(xù)介質(zhì)力學(xué)假設(shè)的基礎(chǔ)上。土力學(xué)知識點多、理論抽象、計算煩瑣[3]，使得土力學(xué)課程教學(xué)質(zhì)量難以提高[4]。近年來研究人員將人工智能引入土力學(xué)研究領(lǐng)域解決了如“基本假設(shè)與實際不符、影響因素不確定”等瓶頸問題[5]，但目前仍未在土力學(xué)課程教學(xué)中開展。此外，目前土力學(xué)課堂教學(xué)仍采用教師講課為主的灌輸式教學(xué)模式，學(xué)生無法真正理解土力學(xué)中抽象的理論[6]。

以云計算、人工智能等用于傳統(tǒng)工科專業(yè)升級改造的新工科建設(shè)是我國深化工程教育改革的重大行動計劃[7]。以科研項目為依托，將高水平學(xué)術(shù)成果轉(zhuǎn)化為教學(xué)內(nèi)容、動態(tài)更新教學(xué)內(nèi)容，變革教學(xué)模式，使學(xué)生學(xué)以致用去解決工程實際問題，是實現(xiàn)土力學(xué)課程教學(xué)目標(biāo)和提高教學(xué)質(zhì)量的必然選擇[8]。針對土力學(xué)課程進(jìn)行教學(xué)改革，探索新工科背景下基于科教融合的教學(xué)模式改革，對培養(yǎng)多學(xué)科融合的復(fù)合型、應(yīng)用型人才有重要的促進(jìn)作用。

2構(gòu)建新工科背景下科教融合的土力學(xué)教學(xué)體系

2.1基于科教融合理念建設(shè)土力學(xué)課程教學(xué)團(tuán)隊

傳統(tǒng)土力學(xué)課程一線教學(xué)教師具有豐富的授課經(jīng)驗，但是往往只注重教學(xué)而疏于研究。部分科研能力強(qiáng)的教師又往往存在只注重科研而疏于教學(xué)的問題。長此以往，傳統(tǒng)教學(xué)和科研分開的教學(xué)模式弊端就顯現(xiàn)出來，無法培養(yǎng)了解學(xué)科前沿知識、擁有創(chuàng)新能力的人才。

新工科背景下基于科教融合理念的土力學(xué)課程教學(xué)團(tuán)隊既包含教學(xué)型教師又包含科研型教師，由科研成果多、教學(xué)經(jīng)驗豐富的教授擔(dān)任團(tuán)隊長。通過定期有組織地開展科研教學(xué)活動、雙向互動使教學(xué)科研有機(jī)結(jié)合，使團(tuán)隊成員成長為科教并重型教師。通過參加培訓(xùn)、邀請專家開講座的方式使團(tuán)隊成員掌握云計算、人工智能算法。

2.2以科研項目為依托，編寫新工科背景下的土力學(xué)教材

土力學(xué)是一門實用的學(xué)科，隨著工程建設(shè)問題的不斷涌現(xiàn)，其知識體系更新速度也越來越快。如隨著我國“三深”探測戰(zhàn)略的全面實施，深部土、月壤土的物理力學(xué)特性成為研究的熱點，而傳統(tǒng)土力學(xué)教材沒有涉及相關(guān)方面的知識。人工智能的發(fā)展推動了傳統(tǒng)土力學(xué)研究領(lǐng)域的跨越式發(fā)展，使原來許多無法解決的問題得到解決，而傳統(tǒng)土力學(xué)教材同樣沒有涉及相關(guān)方面的內(nèi)容。此外，傳統(tǒng)土力學(xué)教材安排多呈文字性敘述，不夠生動，學(xué)生在學(xué)習(xí)時需要記憶大量抽象概念，且多為定性描述。

新工科背景下科教融合的土力學(xué)教材以科研項目為依托，挖掘優(yōu)秀機(jī)器學(xué)習(xí)算法，增設(shè)采用智能算法解決相關(guān)問題的內(nèi)容，更新原有土力學(xué)教材內(nèi)容體系。也可以將智能算法介紹、智能模型建立、分析求解步驟作為土力學(xué)教材網(wǎng)絡(luò)資源讓學(xué)生通過掃二維碼的形式獲得。

新工科背景下的土力學(xué)教材增強(qiáng)了科研引導(dǎo)性，凸顯了土力學(xué)課程的實用性，兼顧了趣味生動性，能夠提高學(xué)生的自學(xué)興趣。

2.3基于科教融合理念優(yōu)化新工科背景下土力學(xué)教學(xué)大綱內(nèi)容

新工科背景下基于科教融合的土力學(xué)教學(xué)大綱具體教學(xué)課時分配設(shè)置基本沿用傳統(tǒng)土力學(xué)教學(xué)大綱，主要變動在課程教學(xué)目標(biāo)及要求。知識目標(biāo)增設(shè)掌握常用的經(jīng)典機(jī)器學(xué)習(xí)算法。能力目標(biāo)中應(yīng)用知識的能力增加“結(jié)合云計算、機(jī)器學(xué)習(xí)等解決與土體有關(guān)的工程問題”。

2.4根據(jù)新教材及大綱，制訂土力學(xué)課堂教學(xué)內(nèi)容

結(jié)合新工科背景下人才培養(yǎng)要求，同時考慮教學(xué)課時分配，在傳統(tǒng)土力學(xué)課堂教學(xué)內(nèi)容基礎(chǔ)上有機(jī)增加機(jī)器學(xué)習(xí)算法內(nèi)容，進(jìn)一步使土力學(xué)課程內(nèi)容模塊化。新工科背景下的土力學(xué)課程教學(xué)內(nèi)容包含4個模塊，每一模塊都以為科研項目為背景，增設(shè)采用智能算法解決相應(yīng)問題的內(nèi)容，如圖1所示。每一模塊課堂教學(xué)內(nèi)容最核心的部分結(jié)合傳統(tǒng)土力學(xué)課堂教學(xué)內(nèi)容確定，在此基礎(chǔ)上兼顧應(yīng)用智能算法解決傳統(tǒng)土力學(xué)未能解決的問題。

2.5依據(jù)土力學(xué)課堂教學(xué)內(nèi)容，改革授課方式

目前課堂教學(xué)仍是人才培養(yǎng)目標(biāo)實現(xiàn)的主要陣地?，F(xiàn)階段土力學(xué)課堂教學(xué)大多仍采用教師講課為主的單向灌輸式教學(xué)模式，無法發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性。

新工科背景下基于科教融合的土力學(xué)課程教學(xué)要求教師首先要瞄準(zhǔn)學(xué)科前沿，拋出一個好問題、傳授學(xué)生一個解決問題的視角往往比單向的灌輸式教學(xué)更能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。積極嘗試變革教學(xué)方式方法，把線上線下混合式教學(xué)、翻轉(zhuǎn)課堂、“智能+”教學(xué)引入傳統(tǒng)土力學(xué)教學(xué)中。多采用研究性教學(xué)方法替代傳統(tǒng)老師講、學(xué)生聽的被動灌輸式教學(xué)。激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)科研引導(dǎo)力度，讓學(xué)生以科研的角度去學(xué)習(xí)土力學(xué)，能夠應(yīng)用所學(xué)解決實際工程甚至科學(xué)研究領(lǐng)域中相關(guān)難題，在提高教學(xué)效果方面取得實效。

2.6搭建科教融合的土力學(xué)實驗教學(xué)平臺

傳統(tǒng)土力學(xué)實驗教學(xué)是在教師指導(dǎo)下，學(xué)生按照書本操作步驟完成，提交實驗報告。這種實驗教學(xué)使得學(xué)生不注重實驗數(shù)據(jù)的積累與挖掘，也不注重實驗教學(xué)與課堂理論教學(xué)之間的聯(lián)系，無法構(gòu)筑理論與實踐銜接的橋梁，不能促進(jìn)教學(xué)目標(biāo)的實現(xiàn)。另一方面，由于研究領(lǐng)域的特殊性，大多直接反映本質(zhì)機(jī)理的模型實驗往往由于條件不具備而難以開展。

新工科背景下基于科教融合理念的土力學(xué)實驗教學(xué)以科研項目為依托，結(jié)合科研項目中擬解決的關(guān)鍵問題、項目特色與創(chuàng)新點，在教師的指導(dǎo)下讓學(xué)生自主設(shè)計實驗方案，利用實驗室儀器開展科研實驗，處理數(shù)據(jù)，繪制圖表，分析問題，探尋本質(zhì)，發(fā)表高質(zhì)量論文。教師要注意分解科研項目的研究內(nèi)容，結(jié)合學(xué)生知識儲備安排適當(dāng)?shù)倪x題，在教師的指導(dǎo)下，學(xué)生能夠很快上手且高質(zhì)量完成科研子課題。

另一方面，積極突破土力學(xué)模型實驗教學(xué)條件限制，綜合運用云計算、人工智能等對傳統(tǒng)土力學(xué)實驗教學(xué)進(jìn)行升級改造，將室內(nèi)小試樣試驗、物理模型試驗與數(shù)值仿真試驗相結(jié)合。搭建高水平，有學(xué)術(shù)性、趣味性、科普性的數(shù)值仿真平臺——APP案例庫。學(xué)生只需要熟悉工程背景與設(shè)計參數(shù)，在簡潔的APP界面上設(shè)置好相關(guān)參數(shù)，點擊按鈕即可得到分析結(jié)果。增加學(xué)習(xí)趣味性的同時降低了學(xué)習(xí)難度，加強(qiáng)實踐教學(xué)，切實提高學(xué)生專業(yè)實踐能力。

2.7新工科背景下科教融合的土力學(xué)考核

傳統(tǒng)的土力學(xué)課程考核包含三部分內(nèi)容：期終考試占70%、實驗報告占20%、平時作業(yè)占10%。考核最終加權(quán)成績只能提供排名、平均分、是否符合正態(tài)分布，以此來計算課程目標(biāo)達(dá)成度也存在一些缺陷。

新工科背景下基于科教融合理念的土力學(xué)課程考核包含五部分內(nèi)容，期終考試占比由70%減少至50%，增設(shè)占比分別為10%的科研工作表現(xiàn)及翻轉(zhuǎn)課堂表現(xiàn)?？蒲泄ぷ鞅憩F(xiàn)用于考核學(xué)生能否積極用所學(xué)去解決科研項目中遇到的土力學(xué)相關(guān)問題，甚至是考查學(xué)生能否在教師指導(dǎo)下做出高質(zhì)量研究成果。翻轉(zhuǎn)課堂表現(xiàn)用于考核學(xué)生能否積極挖掘運用優(yōu)秀的智能算法解決傳統(tǒng)土力學(xué)中存在的難題。實驗教學(xué)表現(xiàn)占考核的20%，不僅考核學(xué)生土力學(xué)實驗報告質(zhì)量，還考核學(xué)生參與土力學(xué)研究領(lǐng)域相關(guān)工程數(shù)值虛擬仿真情況?；诰垲愃惴▽己俗罱K加權(quán)成績進(jìn)行聚類分簇，根據(jù)分簇結(jié)果，針對不同類別學(xué)生實施個性化教學(xué)方案，動態(tài)優(yōu)化改進(jìn)教學(xué)方法，提高教學(xué)質(zhì)量。

3結(jié)語

依托土木工程新工科建設(shè)背景，基于科教融合理念，從土力學(xué)課程教學(xué)團(tuán)隊、教材、大綱、課堂理論教學(xué)內(nèi)容、授課方式、實驗實踐教學(xué)及課程考核方面進(jìn)行了探索改革與教學(xué)實踐。新工科背景下基于科教融合理念的土力學(xué)課程教學(xué)改革另辟蹊徑解決了原先難以用數(shù)學(xué)模型描述的實際工程難題，且方便課堂教學(xué)，有助于老師教和學(xué)生學(xué)，提高學(xué)生專業(yè)自信心，提高課堂教學(xué)質(zhì)量；增強(qiáng)了科研引導(dǎo)，突破了土力學(xué)實驗條件限制，構(gòu)筑理論、實踐銜接的橋梁，促進(jìn)了教學(xué)目標(biāo)的實現(xiàn)；改變了學(xué)生的認(rèn)知方式，提高了認(rèn)知水平，拓寬了視野，對學(xué)生就業(yè)后的成長發(fā)展起著重要的促進(jìn)作用。新工科背景下基于科教融合的土力學(xué)課程教學(xué)改革初見成效，土力學(xué)課程入選東華理工大學(xué)校級一流本科課程，在江西省全省防疫期間線上教學(xué)優(yōu)質(zhì)課評選活動中榮獲優(yōu)秀獎；團(tuán)隊成員獲批多項國家級、省級科研與教學(xué)項目；學(xué)生科研參與度明顯提高，發(fā)表高水平論文12篇，對成長為多學(xué)科融合的復(fù)合型、應(yīng)用型人才打下了良好的基礎(chǔ)。

基金項目：江西省高等學(xué)校教學(xué)改革研究項目“人工智能背景下《巖石力學(xué)》課程教學(xué)改革與實踐研究”（JXJG-19-6-18）；新工科背景下融入“核地”特色的《土力學(xué)》課程教學(xué)改革與實踐研究（JXJG-22-6-20）；土木類專業(yè)課程思政改革與建設(shè)——以《工程爆破》課程為例（JXJG-19-6-5）；基于新工科和行業(yè)特色專業(yè)學(xué)位研究生創(chuàng)新能力培養(yǎng)模式研究——以東華理工大學(xué)“土木水利”專業(yè)碩士學(xué)位為例（JXYJG-2020-113）。

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