新工科背景下土力學課程教學改革實踐探索

馮健雪，王林均，王建祥

（貴州民族大學建筑工程學院 貴州 貴陽 550025）

2018 年，教育部以新工科為龍頭系統(tǒng)推出新工科、新醫(yī)科、新農(nóng)科、新文科建設，引領 “四新” 建設蓬勃發(fā)展。面對科技革命和產(chǎn)業(yè)升級，新工科目前已成為全國高教戰(zhàn)線的廣泛共識，新工科教育教學改革是時代賦予工科教育的新課題，高校土木工程專業(yè)建設要將培養(yǎng)學生工程創(chuàng)新能力、分析問題能力和解決問題能力作為當今工作的重點。土木工程是一個實踐性、理論性極強的工科專業(yè)，土力學是該專業(yè)的核心基礎課。文章以貴州民族大學建筑工程學院為例，結(jié)合土木工程專業(yè)創(chuàng)新人才培養(yǎng)目標，探索土力學課程教學改革實踐。

1 新工科背景下土力學課程教學現(xiàn)狀

1.1 土力學教材和教學內(nèi)容缺少創(chuàng)新

土力學是土木工程專業(yè)（特別是巖土工程方向）的專業(yè)基礎課，具有承前啟后的作用，是后續(xù)學習邊坡工程、基礎工程和基坑工程等專業(yè)課的基礎。土力學是一門實踐性很強的課程，且理論性極強。然而，當前多數(shù)教材的理論內(nèi)容缺乏創(chuàng)新和簡略化。例如，大多土力學課程教材在理論性很強的固結(jié)理論部分，很少詳細闡述方程的建立和求解過程，特別是方程建立時，未清晰地從基本方程（質(zhì)量守恒的連續(xù)性方程）、運動方程（達西定律）和本構(gòu)方程（彈性的壓縮性）和有效應力原理等四個方面推導，方程求解僅一句 “由分離變量法得” 一筆帶過，學生學習時的思路混亂。隨著土木工程領域的新理論、新方法和新規(guī)范不斷涌現(xiàn)，特別是工程的新工藝和新方法不斷創(chuàng)新，如港珠澳沉管隧道、青藏鐵路等，現(xiàn)有土力學教材很少體現(xiàn)相應的新知識，只能靠教師在課堂上自行補充。

1.2 教學模式單一，缺乏活力且脫離實踐

土力學課程的實踐性、理論性極強，是土木工程專業(yè)的傳統(tǒng)課程。當前，該課程教學方法缺乏創(chuàng)新，基本沿用傳統(tǒng)板書或PPT，教育理念也相對落后，缺乏創(chuàng)新思想，這種單一的教學模式會影響學生的學習興趣和獨立思考。由于土力學涉及的地下基礎具有隱蔽性，和上部結(jié)構(gòu)相比，學生的生活感官模糊，難以理解工程中的土力學問題。單純的板書和圖片展示很難達到教學目的，故而在教學中需要更豐富的教學手段，比如視頻展示和現(xiàn)場參觀等。

土力學的課堂教學大多是教師單一 “灌輸式” 講授，由于土力學的知識體系比較龐雜，許多半經(jīng)驗半理論公式枯燥無味，很難調(diào)動學生的學習主動性和積極性，教學效果甚微。此外，受學時限制，試驗教學內(nèi)容一般只包括直剪、含水率、液塑限和擊實等試驗，其他重要且復雜的試驗（如三軸壓縮試驗和固結(jié)試驗），學生沒有機會動手實際操作。

1.3 學時較少，課程案例講解力度不夠

隨著土木工程專業(yè)學時大幅度減少，土力學課程的課時一般為40―48 學時，其中包括實驗課學時，一般為8 學時。因為許多知識點被刪除，所以重點知識點難以詳盡講解，學生也不好消化。近年高校對教師的科研考核過重，導致 “重科研、輕教學” 等情況屢見不鮮，影響了教學質(zhì)量，土力學教學效果難以得到保障。

土力學與工程實踐密切相關(guān)，但土力學教學中將工程案例與巖土大家的事跡相融合仍處于初始探索階段，未形成完整的教學體系。加上土力學課時減少，教師只能勉強完成土力學的主體知識講解，很難做到在講解知識點時將典型的工程案例和巖土大家的事跡滲透進來。

2 新工科背景下土力學課程教學探索

2.1 土力學課程課堂教學體系的探索

土力學課程教學的主體是課堂教學，課程主線包括基礎知識（土的基本物理性質(zhì)）、先導課程（土中應力計算）、三大核心知識點（滲流、變形和強度）及土力學工程應用（擋土結(jié)構(gòu)土壓力、邊坡穩(wěn)定性及地基承載力）。根據(jù)土力學課程特點和教學實踐經(jīng)驗，發(fā)現(xiàn)土力學教學有以下難點：①因為土力學的實踐性和理論性較強，且和其他力學（如材料力學和結(jié)構(gòu)力學）相比，學生往往覺得土力學理論不夠嚴密，比如在研究變形時假設土體是彈性體，而在研究土體強度時又假設土體是彈塑性體，在學習的過程中往往覺得很迷茫，從而失去興趣。因此如何提高學生的興趣是教學難點。②隨著復合型人才培養(yǎng)占比的不斷提高，土力學的課時隨之減少，因此土力學的很多知識點必然被刪減，如何解決講清楚土力學的核心知識和構(gòu)建好土力學教學體系是教學過程中的重點和難度。③土力學是一門和工程實踐聯(lián)系非常緊密的學科，除了主體知識外，學生的實踐創(chuàng)新能力和課程思政教育是當下人才培養(yǎng)的重點，要將新工科的創(chuàng)新理念和課程思政教育融入進來，需要對土力學課程體系重新架構(gòu)，明確教學的兩條主線，這也是土力學教學的另外一個重點和難點內(nèi)容。

為了解決上述問題，首先教師要轉(zhuǎn)變觀念，做到理論和實踐相互結(jié)合，講透核心概念；然后教學內(nèi)容的結(jié)構(gòu)安排要圍繞學生的學習和認知規(guī)律梳理，以學生為中心開展教學訓練；最后是教學方法，應采用引導式、研究性和討論啟發(fā)式的方法，注重工程實踐的結(jié)合，從而強化學生學習的主動性和互動性，形成一個良性循環(huán)。

在教學體系方面，課程教學是土力學教學的第一主線，由課堂理論教學和實驗教學組成，二者相輔相成，沒有土工試驗和測試就不能形成土力學理論，缺少理論的指導，土工試驗也就沒有了價值意義。通常理論教學為40 學時，實驗教學為8 學時。為了提高學生的興趣和讓理論通俗易懂，在理論教學時盡量以案例引入，深入淺出，運用演示實驗配合講解等多種教學手段相互配合。實驗課教學時，除基本試驗外，需要強調(diào)綜合性試驗和創(chuàng)新性試驗，比如擋土墻土壓力的測試與研究，理論講解的都是極限狀態(tài)下的土壓力，但實際過程中土壓力與位移有密切關(guān)系，因此可以通過該綜合性試驗激發(fā)學生的求知欲及試驗動手能力。學生自主設計和試驗，并對試驗數(shù)據(jù)結(jié)果進行整理和分析，最后和理論對比，促使學生對理論與實踐的對比思考，同時鍛煉其創(chuàng)新能力。此外，在創(chuàng)新性方面，通過與教師的科研項目相結(jié)合，也就是將優(yōu)質(zhì)科研項目引入實驗室，讓學生主動參與科研，形成教學與科研相互融合、相互共享的開放式模式。

2.2 土力學課程實踐教學體系的探索

實踐教學是土力學課堂教學的延伸，也是培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力的重要環(huán)節(jié)，對學生的創(chuàng)新意識、大國工匠精神和團隊協(xié)作意識等具有重要意義。土力學實踐教學，因具有新穎性和靈活性而越來越受歡迎和重視，是實踐創(chuàng)新人才和素質(zhì)拓展的重要教學環(huán)節(jié)。

在實踐教學體系的構(gòu)建上，應做到如下幾點。①在校企合作的平臺基礎上，定期聘請企業(yè)導師到學校開展專題講座交流，將企業(yè)最新的技術(shù)介紹給學生，讓學生及時了解當下的前沿工程，包括新工藝、新材料和新工法等。②以賽促學，以學科競賽為抓手，促進學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，特別是兩年一屆的全國大學生巖土工程競賽，該賽事在土木工程領域具有非常廣泛的影響力和權(quán)威性，對學生的創(chuàng)新意識、動手實踐能力和協(xié)作精神及同其他高校學生之間的交流溝通具有非常好的促進意義。③通過開展創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目增強學生的創(chuàng)新能力，培養(yǎng)適應新工科背景下國家建設所需的創(chuàng)新人才。在土力學課堂教學過程中，通過提前布置實踐性和創(chuàng)新性較強的綜合性課題，引導學生檢索文獻，凝練出關(guān)鍵問題，形成創(chuàng)新科研課題，然后付諸實踐，促使學生更快掌握土力學相關(guān)的科研技能，具備發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的創(chuàng)新能力。④加強實踐教學，創(chuàng)新能力的培養(yǎng)需要走出去，與外界進行交流學習。首先利用校企合作的平臺，讓學生親自參與現(xiàn)場試驗，從而達到學以致用和融會貫通的教學效果；其次在本科生導師制中，讓學生進實驗室，指導學生參與前沿性的科研項目，比如土與結(jié)構(gòu)物界面相互作用的課題、真空預壓下的排水固結(jié)課題等；再次制定好學生的學習內(nèi)容和考核要求；最后為了讓學生建立完整、系統(tǒng)的工程知識體系，讓其做學科交叉性的課程設計，比如土壓力、邊坡穩(wěn)定性和地基承載力問題都是統(tǒng)一的強度問題，可以以極限分析理論為切入點進行課程設計，由土力學教學團隊的老師一起指導，引導學生建立系統(tǒng)的工程觀。

2.3 土力學課程案例教學的探索

土力學課程案例教學的探索，需要考慮工程相關(guān)和育人相關(guān)，讓學生對土力學感興趣和對土木工程的認識上升到一定的高度。文章以土木建設的家國情懷、工程倫理和大國工匠精神等三個方面作為切入點，遴選出典型案例融入土力學課程的知識點。

在土木建設的家國情懷方面，引入茅以升在抗戰(zhàn)時期修錢塘江大橋的事跡，增強學生的民族自豪感和愛國情懷。為了國家戰(zhàn)事需要，茅以升炸橋又復橋，期間還與土力學之父太沙基研討了學術(shù)問題，運用土力學理論解決了工程難題。茅以升的案例讓學生了解中國國情，從政治上、思想上、理論上和情感上認同國家發(fā)展道路，樹立民族自豪感和社會責任感。

在工程倫理方面，以1998 江西省九江市發(fā)生的長江大堤決口事件為例，經(jīng)后面學者研究發(fā)現(xiàn)，導致堤壩發(fā)生滲流破壞的原因是擋土墻下部的粉質(zhì)土層厚度小和抗?jié)B強度低、水位上升和加固搶險滯后，從而使細粒土流失形成了滲流通道。九江的長江大堤決堤案例可用來對學生進行工程倫理教育：在學習和工作中一定要恪守職業(yè)操守、一絲不茍做工作，并要防微杜漸和及時排除工程隱患。

大國工匠精神方面，在新中國成立70 多年以來，特別是改革開放以來，我們國家在基礎設施建設方面取得了一系列重大突破和進展，如世界第一的高速公路、高速鐵路歷運營里程和超高層建筑數(shù)量等。此外，還有水利水電方面的三峽工程、南水北調(diào)、西氣東輸?shù)纫粋€個世紀工程，令世界矚目。這里面有著無數(shù)的老一輩專家學者，如茅以升、黃文熙和沈珠江等巖土大家的辛勤付出。課堂上應教育學生學習他們在工作和治學中的嚴謹精神。通過重大工程和巖土大家的事跡，培養(yǎng)學生學習大國工匠的精神，增強學生的民族自豪感和專業(yè)興趣。

3 結(jié)語

新一輪的科技革命和產(chǎn)業(yè)變革不斷升級，對土木工程專業(yè)在人才創(chuàng)新培養(yǎng)上提出了重要挑戰(zhàn)。結(jié)合貴州民族大學建筑工程學院土木工程專業(yè)創(chuàng)新人才培養(yǎng)目標，文章分析了土力學課堂教學和實踐教學中存在的主要問題，對課程課堂教學體系和實踐教學體系進行構(gòu)建，最后對土力學課程案例教學模式進行實踐探索。今后應重視學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，形成土力學專業(yè)課程改革和實踐教學創(chuàng)新相結(jié)合的教學模式。