新工科背景下安全工程專業(yè)“土力學(xué)與基坑安全”課程教學(xué)改革探討

彭 斌，李 理，耿偉樂

（湖南工學(xué)院 湖南 衡陽 421002）

為保證工程人才培養(yǎng)緊跟時(shí)代步伐，教育部開展了一系列關(guān)于“新工科”建設(shè)的戰(zhàn)略研討[1]，對(duì)工程人才培養(yǎng)要求形成共識(shí)：不僅要有扎實(shí)的專業(yè)知識(shí)，還要求具有全球視野、工程倫理意識(shí)、創(chuàng)新意識(shí)、合作意識(shí)、發(fā)展意識(shí)、服務(wù)意識(shí)和跨界創(chuàng)新能力[2]。為達(dá)成新工科背景下的安全工程人才培養(yǎng)要求，湖南工學(xué)院（以下簡(jiǎn)稱“我校”）安全工程人才培養(yǎng)方案中設(shè)置專業(yè)教育類職業(yè)素養(yǎng)課程，其學(xué)分占培養(yǎng)方案總學(xué)分的比例約13%，是提升學(xué)生職業(yè)素養(yǎng)的重要支撐環(huán)節(jié)。職業(yè)素養(yǎng)課程教學(xué)改革對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的職業(yè)核心能力具有重要意義[3]。本文將結(jié)合職業(yè)素養(yǎng)課程“土力學(xué)與基坑安全”教學(xué)中存在的問題，探討該課程教學(xué)改革方案，以期為本專業(yè)其他職業(yè)素養(yǎng)課程提供可借鑒的教學(xué)范式。

1 課程改革的必要性分析

建筑生產(chǎn)行業(yè)一直是高危行業(yè)，建筑領(lǐng)域的安全事故頻繁發(fā)生，給國(guó)家、人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)帶來巨大損失[4-5]。圖1（p136）表明，基坑較大事故起數(shù)在建筑施工較大事故起數(shù)中的占比在10%以上。要實(shí)現(xiàn)基坑工程施工的有效安全管理，需要既懂技術(shù)又懂管理的安全工程人才。

圖1 基坑事故統(tǒng)計(jì)

近十年來，我校安全工程專業(yè)歷屆畢業(yè)生在建筑施工領(lǐng)域從業(yè)率均在20%以上（見圖2，p136），平均從業(yè)率達(dá)到42.4%，表明建筑施工領(lǐng)域安全工程人才整體需求量較大。因此，進(jìn)一步提高建筑安全方向課程的教學(xué)質(zhì)量，對(duì)于學(xué)生從事建筑施工安全工作將大有裨益。

圖2 畢業(yè)生從業(yè)情況

2 課程教學(xué)中存在的問題

①學(xué)生存在的問題。學(xué)生對(duì)于建筑/土木工程的基礎(chǔ)知識(shí)缺少系統(tǒng)學(xué)習(xí)，土力學(xué)理論公式較多且抽象，學(xué)生反應(yīng)難以消化相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，導(dǎo)致學(xué)生有挫敗感。

②教學(xué)方法存在的問題。首先，傳統(tǒng)“填鴨式”教學(xué)不利于師生互動(dòng)，以致學(xué)生的課堂參與度不高。其次，以PPT課件為載體的傳統(tǒng)多媒體教學(xué)信息量大，知識(shí)點(diǎn)呈碎片化，學(xué)生難以掌握課程的知識(shí)脈絡(luò)。

③考核環(huán)節(jié)存在的問題。課程考核方式單一，一般為期末測(cè)試與平時(shí)考核，平時(shí)考核由考勤和課后作業(yè)組成。暫未設(shè)置配套的課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)和實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，不利于培養(yǎng)實(shí)踐能力[6]。

3 課程教學(xué)改革方案

3.1 知識(shí)圖譜構(gòu)建

根據(jù)課程教學(xué)大綱的教學(xué)內(nèi)容，基于智慧樹平臺(tái)構(gòu)建課程知識(shí)點(diǎn)圖譜。課程知識(shí)點(diǎn)圖譜圍繞土力學(xué)理論、基坑安全設(shè)計(jì)兩條主線展開，土力學(xué)理論為基坑安全設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)。土力學(xué)理論涉及的核心知識(shí)點(diǎn)包括土力學(xué)的基礎(chǔ)概念、土的物理性質(zhì)與工程分類、土中應(yīng)力與地基沉降、土的抗剪強(qiáng)度與地基承載力、土壓力和土坡穩(wěn)定性分析；基坑安全設(shè)計(jì)的核心知識(shí)點(diǎn)包括基坑支護(hù)技術(shù)和支護(hù)設(shè)計(jì)原理。知識(shí)點(diǎn)圖譜使得各個(gè)知識(shí)點(diǎn)之間的上下位、前后序關(guān)系更加合理，形成知識(shí)導(dǎo)航模式。此外，以課程知識(shí)點(diǎn)為節(jié)點(diǎn)拓展鏈接大量的教學(xué)視頻、文章、習(xí)題等資源，從而實(shí)現(xiàn)課程資源的有效管理，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。

3.2 課堂教學(xué)模式轉(zhuǎn)變

3.2.1 案例教學(xué)

教學(xué)內(nèi)容涉及計(jì)算案例較多，面對(duì)面課堂中以計(jì)算案例為載體，教師通過課件和板書拆解并剖析重點(diǎn)和難點(diǎn)，同時(shí)將講解視頻錄入慕課平臺(tái)，學(xué)生可以反復(fù)學(xué)習(xí)?；诮滩睦}舉一反三，讓學(xué)生將擴(kuò)展案例答案上傳至慕課平臺(tái)，加強(qiáng)全員互動(dòng)。在課堂上實(shí)時(shí)調(diào)用信息化教學(xué)資源，加深學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解[7]。

3.2.2 引導(dǎo)式教學(xué)

采用引導(dǎo)式教學(xué)，提高學(xué)生的參與積極性[8]。課堂教學(xué)時(shí)，教師可根據(jù)知識(shí)點(diǎn)的層級(jí)關(guān)系，運(yùn)用問題圖譜，開展遞進(jìn)式的引導(dǎo)教學(xué)。例如，在介紹課程時(shí)引導(dǎo)學(xué)生思考：“在現(xiàn)實(shí)生活當(dāng)中，同學(xué)們有沒有與土力學(xué)打交道，有沒有接觸到基坑工程，了解到基坑工程中涉及哪些土力學(xué)問題？如何利用土力學(xué)的理論方法解決基坑工程的安全問題？”

3.2.3 仿真軟件嵌入

土力學(xué)中涉及的土中應(yīng)力計(jì)算、地基沉降量計(jì)算、土壓力計(jì)算最終都是為工程實(shí)際服務(wù)，在教學(xué)過程中可以結(jié)合Matlab、GeoStudio 等仿真軟件分析土中應(yīng)力分布規(guī)律，擋土墻、邊坡以及基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性等。通過嵌入數(shù)值仿真算例可以將理論知識(shí)點(diǎn)與實(shí)際聯(lián)系起來，使學(xué)生較快地掌握和理解相關(guān)原理和方法，能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的動(dòng)手能力和解決實(shí)際問題的能力。從而培養(yǎng)學(xué)生的工程直覺、工程分析軟件應(yīng)用能力和工程實(shí)際問題分析能力[9]。

3.3 工程實(shí)踐能力訓(xùn)練

3.3.1 實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力訓(xùn)練

充分利用學(xué)校的共享實(shí)訓(xùn)資源，采用虛擬實(shí)驗(yàn)和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)并行的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式來提高學(xué)生的工程實(shí)踐能力。依據(jù)課程教學(xué)大綱，基于校內(nèi)土工實(shí)驗(yàn)室可開設(shè)常規(guī)土力學(xué)實(shí)驗(yàn)，如土的粒徑級(jí)配分析、密度測(cè)算、天然含水量與界限含水量測(cè)算、擊實(shí)試驗(yàn)、壓縮實(shí)驗(yàn)、直剪試驗(yàn)和三軸剪切實(shí)驗(yàn)。基于學(xué)校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心，開設(shè)土的滲透特性實(shí)驗(yàn)、地基承載力演示實(shí)驗(yàn)、擋土墻試驗(yàn)、邊坡穩(wěn)定性試驗(yàn)、基坑支護(hù)穩(wěn)定性試驗(yàn)等實(shí)戰(zhàn)型虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。運(yùn)用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，能夠幫助學(xué)生更好地理解土力學(xué)基本概念和基本原理，可以有效提升教學(xué)效果和學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力。

3.3.2 工程設(shè)計(jì)能力訓(xùn)練

①土坡穩(wěn)定性分析。根據(jù)土的類型設(shè)置無黏性土坡和黏性土坡穩(wěn)定性分析項(xiàng)目。

無黏性土坡穩(wěn)定性分析：根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范選定均質(zhì)干土坡、水下坡、部分水下坡的放坡方案，繪制土塊受力分析圖，計(jì)算土塊抗滑力和滑動(dòng)力的比值并分析邊坡穩(wěn)定性。

黏性土坡穩(wěn)定性分析：根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范選定黏性土坡的放坡方案，根據(jù)放坡角度搜索可能的危險(xiǎn)圓弧滑裂面，利用瑞典條分法對(duì)圓弧土體進(jìn)行條分，分析各土條處于極限平衡態(tài)時(shí)的抗滑力和滑動(dòng)力，利用積分思想確定圓弧土體的整體抗滑力和滑動(dòng)力，最后計(jì)算穩(wěn)定性系數(shù)并確定最危險(xiǎn)圓弧滑裂面。

②基坑支護(hù)設(shè)計(jì)。其包括基坑形態(tài)和大小設(shè)計(jì)，基坑支護(hù)方案比選，基坑支護(hù)體系的整體穩(wěn)定性驗(yàn)算，支護(hù)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、穩(wěn)定和變形計(jì)算，地下水控制設(shè)計(jì)。

③重力式擋土墻設(shè)計(jì)：根據(jù)工程實(shí)際地質(zhì)條件，比選擋土墻類型和墻體材料，參照工程類比法初步設(shè)計(jì)剖面尺寸，依據(jù)墻背墻傾角和光滑度確定墻背后主動(dòng)土壓力計(jì)算方法，利用力學(xué)平衡和力矩平衡原理分別驗(yàn)算墻身的抗滑移穩(wěn)定性和抗傾覆穩(wěn)定性、墻身截面抗剪抗壓強(qiáng)度和墻底地基承載力等。

④基礎(chǔ)工程設(shè)計(jì)：根據(jù)地質(zhì)條件確定基礎(chǔ)的埋深，根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)及地質(zhì)條件確定基礎(chǔ)類型，根據(jù)地基承載力與荷載計(jì)算基底面積，地基變形驗(yàn)算，基礎(chǔ)剖面設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)計(jì)算。

3.4 考核改革

①平時(shí)表現(xiàn)。由課堂表現(xiàn)和課外表現(xiàn)組成。課堂表現(xiàn)包括出勤率、課堂互動(dòng)、課堂紀(jì)律、課程筆記，課外表現(xiàn)包括線上資源學(xué)習(xí)、平時(shí)作業(yè)、小組匯報(bào)。出勤率評(píng)分不計(jì)入平時(shí)成績(jī)，按缺勤程度從課程綜合評(píng)分中扣分。課堂互動(dòng)涉及頭腦風(fēng)暴、投票題、隨堂測(cè)試、隨機(jī)點(diǎn)名答題。線上資源學(xué)習(xí)涉及視頻授課資源、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、拓展知識(shí)點(diǎn)等輔助性資源。平時(shí)作業(yè)包括課后作業(yè)和階段性測(cè)試。小組匯報(bào)主要是要求學(xué)生小組圍繞教師擬題或自主選題搜集整理文獻(xiàn)資料后撰寫文獻(xiàn)綜述并在班上進(jìn)行公開匯報(bào)。

②實(shí)踐能力?；趯?shí)驗(yàn)項(xiàng)目和工程設(shè)計(jì)訓(xùn)練項(xiàng)目，考查學(xué)生的實(shí)操能力、工程制圖能力，以及運(yùn)用土力學(xué)理論解決工程問題的能力。

③期末考試?；谥腔蹣淦脚_(tái)組織在線考試，限制考試時(shí)長(zhǎng)和切屏次數(shù)，禁止復(fù)制答案。考試內(nèi)容涉及概念性知識(shí)點(diǎn)、應(yīng)用性知識(shí)點(diǎn)群，并適當(dāng)增加工程案例分析和課程思政元素的考核權(quán)重。

4 結(jié)論

①通過構(gòu)建知識(shí)圖譜，可以幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)課程內(nèi)容體系；采用引導(dǎo)式、案例式以及項(xiàng)目式等教學(xué)方式可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性；結(jié)合自建和慕課教學(xué)資源，能夠打造立體學(xué)習(xí)氛圍。②能力培養(yǎng)是“新工科”的核心目標(biāo)。可根據(jù)專業(yè)定位以及行業(yè)需求確定工程實(shí)踐能力培養(yǎng)體系，全面提升分析和解決工程實(shí)際問題的能力。③課程考核多元化，能系統(tǒng)考查課程目標(biāo)達(dá)成情況，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。