多學(xué)科交叉融合背景下環(huán)境巖土工程課程建設(shè)與教學(xué)模式探索

朱 銳，周 峰，張 寧

（南京工業(yè)大學(xué)交通運輸工程學(xué)院 江蘇 南京 211816）

當(dāng)今世界，各國之間的科技競爭日趨激烈。要進一步推進中國工業(yè)向前發(fā)展，需有針對性地培養(yǎng)富有創(chuàng)新精神、具有創(chuàng)新能力、擁有創(chuàng)新潛力的新時代復(fù)合型工科人才。習(xí)近平總書記強調(diào)，要用好學(xué)科交叉融合的“催化劑”，加強基礎(chǔ)學(xué)科培養(yǎng)能力，打破學(xué)科專業(yè)壁壘，對現(xiàn)有學(xué)科專業(yè)體系進行調(diào)整升級，瞄準(zhǔn)科技前沿和關(guān)鍵領(lǐng)域，推進新工科建設(shè)，加快培養(yǎng)緊缺人才。由此可見，新工科建設(shè)擔(dān)負(fù)著提升綜合國力、堅定文化自信、培養(yǎng)時代新人、建設(shè)高等教育強國、推動文科教育融合發(fā)展等重大使命，承擔(dān)著推進工科專業(yè)數(shù)字化改造、主動服務(wù)國家軟實力提升和文化繁榮發(fā)展等時代任務(wù)。在此背景下，各級教育主管部門啟動了新工科建設(shè)，進一步推動傳統(tǒng)工科專業(yè)教育教學(xué)改革。當(dāng)前，科技的創(chuàng)新、突破與發(fā)展越來越依賴于多學(xué)科的交叉、融合，這就對復(fù)合型人才的培養(yǎng)提出了更高的要求。

鑒于此，本文對環(huán)境巖土課程建設(shè)與教學(xué)模式開展了探索研究，結(jié)合環(huán)境巖土工程課程的特點，系統(tǒng)總結(jié)環(huán)境巖土工程中多學(xué)科交叉融合的特征，從網(wǎng)絡(luò)平臺、虛擬仿真、室內(nèi)試驗、工程實踐四個方面提出環(huán)境巖土工程課程的建設(shè)要點，從教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法以及教學(xué)評價四個角度優(yōu)化課程教學(xué)體系，為新工科背景下高等學(xué)校環(huán)境巖土工程教育教學(xué)改革提供參考。

1 環(huán)境巖土工程課程特點

1.1 環(huán)境巖土中的材料學(xué)

材料學(xué)是指研究材料組成、結(jié)構(gòu)、工藝、性質(zhì)等問題的學(xué)科。巖土工程領(lǐng)域常用材料包括水泥、石灰等無機材料，瀝青、聚乙烯等熱塑性有機材料以及脲甲醛、聚酯等熱固性有機材料。目前，巖土工程領(lǐng)域已開展了大量新材料改性巖土體的理化特性與工程應(yīng)用研究，典型如：通過滲透試驗研究改性土滲透性能與材料摻入量的比例關(guān)系；通過掃描電鏡試驗探索摻入材料在巖土體中的賦存形態(tài)及改性巖土體性能提升機理。

1.2 環(huán)境巖土中的生物學(xué)

生物學(xué)是指研究生物的結(jié)構(gòu)、功能、發(fā)生和發(fā)展規(guī)律等問題的學(xué)科。基于微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀技術(shù)（MICP）的微生物土力學(xué)是當(dāng)下的研究熱點與新興方向，其原理在于：運用環(huán)境中普遍存在的微生物，在細(xì)胞表面吸附膠結(jié)液中的Ca2+，通過脲酶將尿素分解生成CO32-、NH4+等離子，Ca2+與CO32-結(jié)合便會在細(xì)胞表面生成大量碳酸鈣晶體，能夠有效膠結(jié)并填充巖土體內(nèi)部孔隙和裂隙，最終可改善巖土體的物理力學(xué)性能。在此背景下，學(xué)術(shù)界與工程界已開展了多尺度遞進的理論、試驗與工程應(yīng)用研究，探索了微生物加固巖土體的理化性能指標(biāo)與動力響應(yīng)特性。

1.3 環(huán)境巖土中的信息學(xué)

信息學(xué)是研究信息的產(chǎn)生、處理、識別、存儲等問題的學(xué)科，尤以計算機科學(xué)最具代表性。目前，在信息學(xué)、土力學(xué)、地質(zhì)工程等交叉融合下，部分高等院校已將計算機科學(xué)廣泛應(yīng)用于地質(zhì)與巖土工程實際案例虛擬仿真教學(xué)等課程建設(shè)中，以詳盡的文字、豐富的圖片和形象的動畫相結(jié)合的方式，建立了系列虛擬仿真試驗平臺。以南京工業(yè)大學(xué)為例，學(xué)校已完成單樁豎向抗壓靜載虛擬仿真實驗等虛擬仿真平臺搭建工作，學(xué)生通過虛擬實景的主觀感受促進對客觀理論知識的深入理解，不僅有助于培養(yǎng)學(xué)生的工科思維，還為巖土工程領(lǐng)域的課程教學(xué)與科學(xué)研究提供了新技術(shù)、新手段。

1.4 環(huán)境巖土中的水文學(xué)

水文學(xué)是地面水與地下水的特性、循環(huán)及分布的地質(zhì)學(xué)分支學(xué)科。在巖土工程領(lǐng)域，水文地質(zhì)特征往往是巖土工程安全問題的重要誘因，而地下水污染問題則是水文學(xué)在環(huán)境巖土工程中的具象體現(xiàn)，如重金屬、有機物污染場地造成的地下水污染問題日趨加劇。目前，水文學(xué)、土力學(xué)、地質(zhì)學(xué)的交叉融合已促成了大量探索性研究與工程實踐，深度體現(xiàn)了環(huán)境巖土工程的多學(xué)科交叉融合屬性。典型如：采用高性能復(fù)合材料設(shè)置地下污染屏障，阻隔污染元素并抑制由地下水滲流導(dǎo)致的污染面積擴大等問題，相關(guān)成果豐富了城市生活垃圾衛(wèi)生填埋等環(huán)境巖土工程課程的教學(xué)內(nèi)容。

2 環(huán)境巖土工程課程建設(shè)

2.1 基于網(wǎng)絡(luò)平臺的課程建設(shè)

網(wǎng)絡(luò)平臺的課程建設(shè)，即通過線上虛擬教學(xué)充實環(huán)境巖土工程課程的教學(xué)，形成新穎的師生互動教學(xué)模式，實現(xiàn)教學(xué)深度與廣度的延伸與擴展。各高校與學(xué)院應(yīng)積極響應(yīng)并共同推動軟硬件升級，如設(shè)立公眾號平臺、墨客平臺、學(xué)習(xí)通等軟件，更新大量的環(huán)境巖土工程案例與教學(xué)資源，教師通過提前錄課、網(wǎng)絡(luò)實時授課、定時布置作業(yè)、定位點名、線上測試等方法，使環(huán)境巖土工程課程的教學(xué)擺脫時間與空間的束縛，學(xué)生可利用課余時間鞏固專業(yè)知識、激發(fā)課業(yè)興趣。

2.2 基于虛擬仿真的課程建設(shè)

虛擬仿真的課程建設(shè)即借助虛擬仿真平臺，開展系列環(huán)境巖土工程實驗教學(xué)，將傳統(tǒng)線下課堂授課與線上虛擬仿真實驗有機融合。教師首先通過虛擬仿真平臺將電子版材料分發(fā)給學(xué)生，學(xué)生在虛擬場景中根據(jù)現(xiàn)實的操作步驟完成實驗的云操作，鍛煉學(xué)生的動手能力以及加深其對實驗的理解；接著將學(xué)生轉(zhuǎn)入線下土工室內(nèi)試驗室，憑照自己在虛擬場景中的操作記憶，在脫離操作手冊的前提下進行現(xiàn)場實操，以增強學(xué)生做實驗的專心度與熟練度，鞏固完善學(xué)生的綜合試驗?zāi)芰?，同時通過上述方法也可檢驗虛擬仿真實驗的教學(xué)效果。

2.3 基于室內(nèi)試驗的課程建設(shè)

要深入理解多學(xué)科交叉融合背景下的環(huán)境巖土工程課程內(nèi)容，室內(nèi)試驗的課程建設(shè)是必不可少的一個重要環(huán)節(jié)，然而由于交叉學(xué)科的特性，往往需要涉及其余專業(yè)的試驗資源。例如，利用MICP 技術(shù)加固土體，細(xì)菌是生物試驗室常規(guī)的實驗試劑。在做單元體室內(nèi)試驗時，可讓一組學(xué)生先行前往生物試驗室培育菌種，并將菌種帶到土工試驗室內(nèi)，繼而進行土體加固，以探索土樣經(jīng)加固后的各項性能指標(biāo)變化規(guī)律。這種室內(nèi)試驗教學(xué)方式，不僅在空間轉(zhuǎn)化上給學(xué)生帶來新奇的體驗，激發(fā)其學(xué)習(xí)興趣，與此同時也培養(yǎng)了學(xué)生的動手能力，讓其切身體會到環(huán)境的變化對土壤結(jié)構(gòu)所帶來的改變。

2.4 基于工程實踐的課程建設(shè)

實踐是推進學(xué)科交叉融合，推動科技創(chuàng)新的重要途徑。環(huán)境巖土工程課程教學(xué)應(yīng)結(jié)合本地區(qū)的實際情況，努力促進校企合作，為學(xué)生提供更多的實踐鍛煉機會。以南京為例，隨著城市化的進展，地鐵以及隧道開挖易造成地表塌陷、地面建筑物結(jié)構(gòu)受損等問題，通常其沿線均毗鄰重要建筑物，如醫(yī)院、學(xué)校等，在這類基坑開挖中往往會影響老舊建筑物的結(jié)構(gòu)性及安全性。因此，在條件允許的情況下，學(xué)院或教師應(yīng)多組織學(xué)生去工程現(xiàn)場進行實地考察，培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力，讓學(xué)生真正深入了解什么是環(huán)境巖土工程、環(huán)境的變化會給巖土工程帶來哪些實質(zhì)性影響、造成怎樣的規(guī)模性危害等。

3 環(huán)境巖土課程教學(xué)改革

3.1 課程教學(xué)目標(biāo)改革

針對經(jīng)濟發(fā)展新常態(tài)下高校人才培養(yǎng)與產(chǎn)業(yè)需求銜接不足的現(xiàn)狀，升級改造傳統(tǒng)課程教學(xué)目標(biāo)，培養(yǎng)適應(yīng)當(dāng)今社會發(fā)展的綜合性人才，已成為當(dāng)前高等教育領(lǐng)域亟待解決的關(guān)鍵問題。傳統(tǒng)的環(huán)境巖土工程教學(xué)目標(biāo)主要以學(xué)生掌握基本理論、熟悉課程內(nèi)容、培養(yǎng)工科思維、理解重點難點為主，忽略了該課程學(xué)科交叉的特殊性，仍以舊式目標(biāo)冠以新式方向。因此，環(huán)境巖土工程課程教學(xué)目標(biāo)應(yīng)以交叉學(xué)科建設(shè)為基礎(chǔ)，注重學(xué)生創(chuàng)新思維和實踐能力的培養(yǎng)，以達(dá)到多樣化人才培養(yǎng)的目標(biāo)。

3.2 課程教學(xué)內(nèi)容改革

從環(huán)境巖土工程課程的形成與發(fā)展現(xiàn)狀來看，該課程內(nèi)容應(yīng)緊密結(jié)合國內(nèi)外典型實例進行專題教學(xué)，并且由于其學(xué)科交叉的特殊性，應(yīng)及時更新多領(lǐng)域的課程知識并加以融會貫通。溫室效應(yīng)、城市熱島效應(yīng)等所引發(fā)的巖土工程實例正是環(huán)境巖土工程課程內(nèi)容中應(yīng)著重闡述的問題。例如：我國北方寒冷地區(qū)冬夏溫差導(dǎo)致建筑物地基失穩(wěn)、邊坡滑塌等問題頻發(fā)。多學(xué)科交叉融合是解決目前社會發(fā)展對于復(fù)合型人才需求的重要舉措，因此環(huán)境巖土工程課程教學(xué)內(nèi)容改革刻不容緩。

3.3 課程教學(xué)方法改革

環(huán)境巖土工程是以需求為導(dǎo)向的交叉學(xué)科，對學(xué)生實踐能力的要求已上升到一個新的高度。教師應(yīng)注重交叉學(xué)科課程的教學(xué)方法，探索多樣化的新興人才培養(yǎng)模式，基于環(huán)境巖土工程研究領(lǐng)域的特點，教師可通過課程講述、專題演講、自主討論、現(xiàn)場實操等環(huán)節(jié)，實施任務(wù)驅(qū)動型教學(xué)方式。傳統(tǒng)教學(xué)方法僅僅依靠課堂的傳道授業(yè)解惑已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，交叉學(xué)科人才培養(yǎng)的新模式，要基于產(chǎn)學(xué)研融合，協(xié)同各方組織協(xié)議，明確各方工作職責(zé)、責(zé)任范圍以及人才培養(yǎng)效果的檢驗標(biāo)準(zhǔn)，將課堂知識轉(zhuǎn)化為現(xiàn)場實操，從工程實踐中給予學(xué)生接觸新形勢、培養(yǎng)創(chuàng)新思維的機會。

3.4 課程教學(xué)評價改革

環(huán)境巖土工程課程的教學(xué)考核方式應(yīng)突破“一考定全局”的評價方式，學(xué)生自主閱讀文獻并將所學(xué)所想轉(zhuǎn)化為課堂匯報、專題討論，將實踐內(nèi)容以工程報告的形式提交，讓每一個教學(xué)要素在考核評價中占據(jù)合理比重，建立與教學(xué)、實踐相適應(yīng)的評價體系。如：在課堂匯報環(huán)節(jié)，根據(jù)文獻內(nèi)容將學(xué)生進行分組，組織學(xué)生自主概括、討論文中所重點闡述的環(huán)境巖土工程問題及解決方式，對小組匯報的內(nèi)容進行逐一評價；后續(xù)可讓學(xué)生結(jié)合工程實踐的所見所感，再重新對文獻中的知識點進行拓展討論，以培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實際的能力，最終教師再給出上述環(huán)節(jié)的綜合評分。

4 結(jié)語

新工科背景下，環(huán)境巖土工程課程具有很強的創(chuàng)新性與實踐性。在此背景下，環(huán)境巖土工程課程建設(shè)與教學(xué)改革首先應(yīng)該以學(xué)科交叉融合為突破口，從材料學(xué)、生物學(xué)、信息學(xué)、水文學(xué)這四個方面揭示環(huán)境巖土工程多學(xué)科交叉融合的特點，明確環(huán)境巖土工程課程的教學(xué)要素。其次，基于網(wǎng)絡(luò)平臺、虛擬仿真、室內(nèi)試驗以及工程實踐提出多維度環(huán)境巖土工程課程建設(shè)思路，重點突出多學(xué)科交叉融合在課程建設(shè)中的定位。最后，融入環(huán)境巖土工程的多元性特征，從教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法以及教學(xué)評價四個角度創(chuàng)新優(yōu)化環(huán)境巖土工程課程教學(xué)體系，切實提升教學(xué)質(zhì)量。融合多學(xué)科特點的環(huán)境巖土工程課程建設(shè)與教學(xué)改革符合新工科背景下高等院校復(fù)合型人才的培養(yǎng)要求，為環(huán)境巖土工程教育教學(xué)探索提供參考。