面向土木、水利與海洋工程專業(yè)的基礎工程教學改革研究探索

摘要：基礎工程作為傳統(tǒng)土木工程專業(yè)的核心基礎課程，已經廣泛應用于海洋、水利、交通、能源、環(huán)保等領域。為了讓基礎工程課程內容更好地滿足社會和行業(yè)的需求，結合中山大學基礎工程課程的實際情況，吸納國內外高校的先進教學理念，進行了基礎工程課程的教學改革研究探索。教學內容方面，豐富和拓展教學內容的同時，對核心內容進行必要的精簡；教學方式方面，重視工程實踐教學和虛擬仿真教學的有機結合；考核方式方面，在改進傳統(tǒng)筆試的基礎上，通過課程設計全面鍛煉和考查學生運用知識解決實際問題的能力。

關鍵詞：土木、水利與海洋工程專業(yè)；基礎工程；教學改革；復合型人才

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：1005-2909（2024）06-0107-06

隨著巖土工程及相關學科的不斷發(fā)展，基礎工程課程已經成為傳統(tǒng)土木工程專業(yè)中一門具有較強理論性和實踐性的專業(yè)核心課程，是建筑、交通、水利、海洋等各類工程設計、研發(fā)、施工、管理的重要理論基礎。當前我國基礎建設正處于快速發(fā)展時期，涉及港口、橋梁、隧道、公路、鐵路等眾多工程領域，與基礎工程學科密切相關，因此，為了更好地適應社會和行業(yè)的發(fā)展需求，基礎工程課程教學的創(chuàng)新和改革尤為重要。

學者從不同角度對基礎工程課程的教學改革做出有益嘗試。王東元等［1］比較了中國與美國基礎工程課程的基本內容，概括性地總結了美式教學方法和中式教學方法的異同。于林平等［2］強調堅持土木工程專業(yè)應用型人才的培養(yǎng)目標，以工程實踐能力培養(yǎng)為主線，進行基礎工程課程教學改革。劉濤［3］總結了基礎工程課程教學現(xiàn)狀，提出了找準目標定位、突出專業(yè)特色、建設高質量教材、調整課程內容、增加課程學時、理論與實踐并重、建設高水平教師隊伍等改革措施，嘗試在我國高等教育改革的大背景下推動基礎工程應用型人才教學改革。馮錦艷等［4］以提高學生的綜合能力為目標，結合特色工程案例、工程實踐、研討型課堂、科研型課堂，構建了完善的理論課程體系，依托巖土大賽形成了創(chuàng)新型實踐設計體系，積極推進研究創(chuàng)新型課程教學。洪義等［5］結合浙江大學的基礎工程教學開展情況，探討了如何構建“課堂-實驗室-工程實踐”三位一體教學模式。曹志剛等［6］從教學內容、教學理念、教學方式、考核方式四個方面，對浙江大學基礎工程課程改革進行探索研究，闡述了基礎理論和工程案例的拓展、情景激發(fā)式教學模式的引入。馮錦艷［7］詳細介紹了北京航空航天大學對標國家一流本科課程“兩性一度”要求，推進基礎工程線下一流課程建設的過程。李彥龍等［8］基于成果導向教育OBE（Outcome Based Education）理念，圍繞著定義預期學習目標、實現(xiàn)預期學習目標、評價學習產出等方面，提出了以工程應用為導向的教學方法改革措施，構建了具備知識考核和能力考核雙重功效的課程評價體系，建立了課程的反饋與持續(xù)改進機制，包括課程成績評價、學生滿意度調查和第三方評價。

在新時代背景下，基礎工程的應用場景不斷拓展，涉及建筑、交通、能源、水利、海洋等重要領域，因此，傳統(tǒng)的基礎工程教學理念、內容和方式已經無法滿足當今社會和行業(yè)發(fā)展的現(xiàn)實需求。文章結合中山大學基礎工程課程的實際教學情況，針對傳統(tǒng)教學過程中存在的痛點和難點，分別從教學內容、教學方式、考核方式三個方面提出課程改革與建設的建議，嘗試探索更加符合人才培養(yǎng)定位和學科發(fā)展方向的教學模式。

一、培養(yǎng)目標與課程特色

中山大學的土木和水利學科有著深厚的歷史積淀和學科基礎，目前設有土木工程和水利工程兩個一級學科碩士點和博士點，2020年獲批設立土木、水利與海洋工程本科專業(yè)，并成為省級一流專業(yè)建設點。中山大學土木、水利與海洋工程專業(yè)著眼學科發(fā)展前沿，立足國家戰(zhàn)略與行業(yè)實際需求和區(qū)域發(fā)展優(yōu)勢，打破學科與行業(yè)界限，以“逢山開路，遇水搭橋，入地下海搞建設；治水防澇，固壩修道，建港筑島為人民”為使命，培養(yǎng)德才兼?zhèn)?、文理兼修的卓越工程人才?/p>

專業(yè)的培養(yǎng)方案涵蓋了基礎設施運維、地下空間工程、海洋土木工程、城市水務、水資源水生態(tài)、河海動力過程六個方向的基本知識、理論和技能。如圖1所示，基礎工程課程作為本專業(yè)人才培養(yǎng)的核心課程，以土木工程學院定位的“水-土（巖）-結構”耦合體系的災變防控共性關鍵問題為主線，設置了豐富的課程群，體現(xiàn)了“水土交融”的培養(yǎng)理念。

二、基礎工程課程現(xiàn)狀分析

（一） 基礎工程課程的新特點

基礎工程作為土木、水利與海洋工程專業(yè)學生的必修主干課，十分注重理論和實踐的緊密結合，課程內容主要包括建構筑物淺基礎和深基礎、邊坡工程、地基處理、地下空間工程等，應用場景從過去的以陸地為主，不斷拓展到河口、海岸及深海領域，不僅涉及工程力學、材料力學、彈性力學、巖石力學、土力學、工程地質學等范疇，還涵蓋水力學、工程材料、河海動力學等內容，具有明顯的學科交叉屬性和特點。

（二） 基礎工程教學存在的問題

不同高校在基礎工程的教學實踐中形成了自身的獨特風格，部分高校強調基本理論的教學，部分高校偏重工程應用和實踐教學。通過對國內外基礎工程課程進行調研，發(fā)現(xiàn)目前該課程存在如下共性問題。

（1）教學（材）部分內容陳舊。國內外工程技術發(fā)展日新月異，新的建筑形式、設計理念、施工方法不斷涌現(xiàn)，促使基礎工程學科快速發(fā)展。傳統(tǒng)的基礎工程課程往往只針對簡單的基礎內容，如淺基礎、樁基礎等，教材中關于新理論和新方法的介紹和推廣相對滯后，不能滿足現(xiàn)代工程建設快速發(fā)展的要求，更無法適應大土木背景下的人才培養(yǎng)需求。

（2）教學方式有限。一方面，傳統(tǒng)的教學不能較好地建立“啟發(fā)與互動式”教學模式，學生缺少學習的參與感和主動性；另一方面，部分高校的基礎工程課程教學過于重視課本知識，拘泥于第一課堂，缺乏工程實踐，忽視了對學生實際應用能力的培養(yǎng)，這與基礎工程課程注重理論結合實踐的基本理念不符，更無法實現(xiàn)“寬口徑、厚基礎、強實踐、多樣化”的通識教育和專業(yè)教育融合。

（3）課程考核過于依賴考試評價?？荚囋u價不能考查學生運用所學知識解決實際工程問題的能力，不能客觀全面地評判學生對課程的理解與掌握程度。同時，也不利于培養(yǎng)學生的核心能力。

三、基礎工程課程教學改革思路

（一） 課程內容建設的“加與減”

根據(jù)土木、水利與海洋工程的專業(yè)特色和人才培養(yǎng)定位，課程內容不能局限于傳統(tǒng)的基礎工程領域，需要在教學（材）內容和教學大綱方面做“加法”，即豐富和拓展教學內容，在保留淺基礎、樁基礎和地基處理等傳統(tǒng)教學核心內容的同時，拓展引入當前建筑、交通、水利、海洋等工程領域的重要理論和技術的新進展，并給學生補充介紹相關科技成果在海洋強國建設中的應用。

一方面，在基礎形式和設計方法上，海洋和陸地的差別較大。以海上風電為例，我國海上風電的開發(fā)主要分布在潮間帶及近海海域，多采用重力式基礎、高樁承臺基礎、大直徑單樁、三腳架式基礎、導管架基礎等海上固定式基礎，如圖2所示。在選擇風電機組基礎型式時，通常要綜合考慮風電機組基礎使用的海水深度、地質條件、環(huán)境條件、加工制造能力、施工裝備能力，以及經濟等因素。單立柱單樁基礎（以下簡稱單樁基礎）是樁（承）式基礎機構中應用最為廣泛的一種基礎型式［9］，一般適用于水深在0～50m內、海床較為堅硬的水域。海上風電機組結構屬于典型的高聳結構，單樁基礎的豎向抗壓、豎向變形較容易滿足，而水平變形相對不容易滿足，過大變形將嚴重影響風電機組設備的正常工作，極端情況下甚至會發(fā)生單樁基礎傾斜、倒塌等嚴重事故。樁基承載能力計算一般采用《港口工程樁基規(guī)范》（JTS167—4—2012）推薦的方法，主要分為軸向荷載能力、水平荷載能力兩方面。目前的課程教學主要介紹豎向荷載的影響，需要在教學內容中增加關于水平荷載分析的相應內容。同時，橋梁工程中的沉井基礎和海洋工程中的吸力錨基礎的應用越來越廣泛，兩者有著相似的工作原理，即真空負壓下沉，因此，在介紹深基礎這一部分內容時，可以拓展相應內容，從傳統(tǒng)建筑的樁基礎延伸至海洋和交通工程等領域。各個高校在設置拓展內容時，可以有所側重，以介紹和研討為主，突出不同高校的地域特色、學科優(yōu)勢、辦學特色，并將思政元素融入基礎工程課程，發(fā)揮“智育”和“德育”雙重育人功能。

另一方面，傳統(tǒng)的基礎工程課程教材涵蓋內容比較廣泛，例如，清華大學出版社的《基礎工程（第3版）》的內容包括地基勘察、天然地基上淺基礎的設計、柱下條形基礎、筏形基礎和箱形基礎、樁基礎與深基礎、地基處理、基坑開挖與地下水控制、特殊土地基、地基抗震分析和設計。大部分高校基礎工程課程的授課課時有限，僅為32課時（不含課程設計部分），因此，在拓展課程內容范圍的同時，必須做“減法”。在充分調研的基礎上，結合課程發(fā)展特點、社會及行業(yè)需求，對課程教材和教學大綱進行改革，刪除冗余部分，力求涵蓋建筑、交通、水利、海洋等新興行業(yè)的核心專業(yè)知識，整體把握課程內容的寬度和深度。針對計算過程過于復雜或與其他課程有內容重復的部分，如土力學、結構力學、混凝土結構，建議學生課后自學。在精簡內容時，建議對傳統(tǒng)教學中的核心重點內容進行精品化和模塊化調整［10］，例如，在地基處理設計知識模塊中，結合《建筑地基處理技術規(guī)范》，重點介紹換墊層、預壓、強夯、復合地基四種常見的地基處理辦法，通過引入代表性工程地基處理方案，講述各類方法的加固機理、適用范圍、計算方法。同時，實際工程的設計人員進行計算時，通常是直接使用設計軟件，查閱相關設計手冊或行業(yè)規(guī)范，未能深入理解概念。概念是科學原理的內核，土木工程的一些重大失誤往往是概念不清所致，因此，教學中不必要求學生將過多的精力用于記憶復雜的計算公式和參數(shù)取值，教學的重點應是促進學生學習和理解公式背后的機理和概念。

（二） 教學方式改進的“實與虛”

基礎工程課程強調理論與實踐相結合，不能過于關注課本的理論知識而脫離工程實踐的背景，應尤其重視實踐，此乃教學方式的“實”。首先，堅持開展案例教學，將工程實例作為教學材料的重要部分，以問題為導向，通過討論、問答等師生互動過程，讓學生深入了解與教學主題相關的基本原理和計算方法，培養(yǎng)學生解決實際工程問題的能力；其次，積極爭取條件開展情景式教學，帶領學生進入施工現(xiàn)場參觀實際工程，通過近距離觀察和交流，有效地幫助學生理解課本中晦澀的知識點；最后，堅持第二課堂和第一課堂的融合，邀請具有豐富實踐經驗的企業(yè)設計管理人員參與教學，工程一線人員帶來的工程實例往往比課本教學更生動，更容易激發(fā)學生的學習熱情。例如，中山大學土木工程學院定期開展“海琴一號”卓越工程師講座，邀請港珠澳大橋管理局總工程師、深中通道管理中心總工程師等行業(yè)知名專家分享工程建設的理念和經驗，培養(yǎng)學生責任感和工匠精神。

但是，基礎工程課程實驗教學中的部分內容，如樁基靜載試驗等，試驗成本高昂，且現(xiàn)場參觀具有一定的危險性，因此，可采用虛擬仿真實驗教學，有效緩解該部分課程教學所面臨的困境。虛擬仿真實驗教學作為高等教育信息化建設和實驗教學建設的重要內容，是學科專業(yè)與信息技術深度融合的產物［11］。虛擬仿真實驗能夠真實地展示試驗或施工的全過程，并能夠重復演示學生沒有觀察清楚或不理解的環(huán)節(jié)。除了基礎靜載試驗，虛擬仿真實驗教學也有助于學生理解與掌握工程現(xiàn)場施工的全流程。以樁基礎施工為例，虛擬仿真軟件可展示十四個步驟，依次是施工準備、場地整理、測量放線、開挖泥漿池、鉆機就位、埋設護筒、鉆孔、清孔、吊放鋼筋籠、下導管、二次清孔、澆筑水下混凝土及拔導管、拆除護筒、剩余樁施工，學生可以按照施工流程逐步進行操作，或點擊查看任意一個流程。在交互式的實驗系統(tǒng)中，學生可自主選擇和設計實驗項目，為學生提供了更多的試錯機會，具有獲知、激趣、求真等功能。

（三） 考核方式創(chuàng)新的“剛與柔”

課程考核有助于檢驗學生對知識點的掌握情況，也有助于教師總結經驗、改進教學方法。土木、水利與海洋工程作為一個新興專業(yè)，其考核應該服務于人才培養(yǎng)目標，建議采用“柔性”與“剛性”并舉的考核方式?！皠傂浴笨己藶閭鹘y(tǒng)筆試，約占總成績的60%。由于基礎工程課程是一門偏重設計的應用類課程，包含大量的設計圖表、計算公式和設計參數(shù)，考核不必要求學生強行記住這些復雜的公式和參數(shù)取值。例如，浙江大學等高校已采用新型半開卷模式，學生可攜帶一張A4紙進入考場［5-6］，學生可提前在紙上抄寫教材中比較復雜的公式。一方面，新型半開卷模式可以避免學生考前死記硬背大量公式，使學生有更多的精力對難點重點進行備考；另一方面，使用該模式后，可適當提高考試的深度和難度，側重考查學生對公式的適用范圍和物理含義的理解程度。

基礎工程課程設計和展示作為課程建設創(chuàng)新的重要內容，可以發(fā)揮“柔性”考核的功能，主要考查學生運用理論知識解決實際問題的能力。根據(jù)土木、水利與海洋工程專業(yè)特點，提供個性化的課程設計課題，以滿足不同方向學生的學習需求。課程設計可采用學生小組學習模式，每組3人，包括設計1（淺基礎）、設計2（深基礎）、設計3三部分設計任務，其中，設計3根據(jù)學生興趣方向選定，可以是海洋工程中的風電基礎設計，也可以是水利工程中的地基處理設計。在課程設計任務書中，給定工程現(xiàn)場的地質、環(huán)境條件、承載力要求等。同時，對每組學生分配的設計題目和設計參數(shù)數(shù)值作一些調整，有效避免學生抄襲的現(xiàn)象。最終考核采取匯報的形式，小組3位學生依次抽簽確定匯報內容，匯報不要求每位小組成員都了解三個設計涉及的所有內容（工作量太大，一周難以完成），只要求成員在設計任務中三選一，熟悉其設計方法和內容。這種考核方式可以有效地擴充課程設計的深度和廣度，調動學生的積極性。課程設計的成績分為兩部分，第一部分是小組設計方案的成績，小組成員分數(shù)一樣；第二部分成績根據(jù)學生匯報形式、演講水平和回答問題的具體表現(xiàn)確定。這種課程設計的實施和考核形式，不僅充分發(fā)揮了學生的主觀創(chuàng)造性，而且能鍛煉團隊合作能力和提高演講匯報水平，是素質教育和工程實踐結合的有益嘗試。

四、結語

新時期的基礎工程技術理論和應用場景正在快速拓展，針對這些變化帶來的新挑戰(zhàn)，文章分析了目前不同高校存在的共性問題，并結合中山大學土木、水利與海洋工程專業(yè)人才培養(yǎng)目標和培養(yǎng)方案，從課程內容、教學方式、考核方式三個方面探討了基礎工程教學改革的實施思路和方案?；A工程教學改革是一個長期的系統(tǒng)工程，往往還涉及與課程建設相關的其他保障條件，廣大專業(yè)教師應將培養(yǎng)創(chuàng)新型和復合型優(yōu)秀人才作為長期不懈努力的方向。

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（責任編輯 代小進）