新工科背景下土力學(xué)課程教學(xué)改革與實踐

收稿日期：2023-11-23

作者簡介：李天霄，東北農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院教授，博士，博士生導(dǎo)師

基金項目：黑龍江省教育科學(xué)“十四五”規(guī)劃2022年度重點課題（GJB1422218）；東北農(nóng)業(yè)大學(xué)《土力學(xué)》“課程思政”試點課程建設(shè)項目（2022年）；東北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)水利工程重點專業(yè)建設(shè)項目（2022年）

摘" " 要：土力學(xué)是一門理論性和實踐性較強(qiáng)的水利類專業(yè)基礎(chǔ)課。在新工科背景下，如何有效改革現(xiàn)有土力學(xué)課程的教學(xué)模式和教學(xué)理念，對于打牢學(xué)生的專業(yè)基礎(chǔ)知識、培養(yǎng)綜合能力強(qiáng)的水利類人才具有重要的現(xiàn)實意義。文章闡述了新工科背景下土力學(xué)課程的內(nèi)涵與要求，分析了土力學(xué)課程教學(xué)改革的現(xiàn)狀和問題，梳理了土力學(xué)課程教學(xué)改革的思路與方法，提出了新工科背景下土力學(xué)課程教學(xué)改革的方向。

關(guān)鍵詞：水利工程；新工科；土力學(xué)；教學(xué)改革

中圖分類號：G642" " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A" " " " " "文章編號：1002-4107（2024）09-0018-03

2017年2月以來，教育部積極推進(jìn)新工科建設(shè)，先后形成了“復(fù)旦共識”“天大行動”和“北京指南”，并發(fā)布了《教育部高等教育司關(guān)于開展新工科研究與實踐

的通知》及《教育部辦公廳關(guān)于推薦新工科研究與實踐項目的通知》，以中國模式、中國經(jīng)驗為主要探索目標(biāo)助力高等教育強(qiáng)國建設(shè)。新工科是一個新的教育理念，土力學(xué)作為水利類專業(yè)的基礎(chǔ)課，在新工科背景下如何更好地滿足社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求，為水利工程建設(shè)的規(guī)劃、設(shè)計、施工和管理提供更好的理論支撐和技術(shù)保障，對于提升水利類人才培養(yǎng)質(zhì)量具有重要的意義。

一、新工科背景下土力學(xué)課程的內(nèi)涵與要求

（一）新工科理念的核心

新工科理念的核心是將工程教育從傳統(tǒng)的知識傳授和技能訓(xùn)練模式轉(zhuǎn)變?yōu)橐詫W(xué)生為中心的創(chuàng)新型教育模式[1]。新工科理念以實踐能力、創(chuàng)新能力、終身學(xué)習(xí)能力為主要培養(yǎng)目標(biāo)，同時也要更加注重社會責(zé)任和可持續(xù)發(fā)展教育理念的貫徹。在新工科理念下，工程教育需要注重培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊協(xié)作、創(chuàng)新思維、實踐能力、信息技術(shù)能力和領(lǐng)導(dǎo)能力等多方面的綜合素質(zhì)，以應(yīng)對快速變化的現(xiàn)代社會和全球化競爭的挑戰(zhàn)[2]。

（二）土力學(xué)課程在新工科背景下的內(nèi)涵和要求

在新工科背景下，土力學(xué)課程的內(nèi)涵和要求應(yīng)該與新工科的教育理念相一致，注重學(xué)生的能力培養(yǎng)和素質(zhì)全面提升。具體而言，土力學(xué)課程在新工科背景下的內(nèi)涵和要求可以從以下幾個方面考慮。第一，知識體系要進(jìn)行更新和拓展，隨著工程領(lǐng)域的快速發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步，土力學(xué)課程需要不斷更新和拓展知識體系，增加有關(guān)新興領(lǐng)域，如地下空間工程、巖土工程、地質(zhì)工程、環(huán)境工程等方面內(nèi)容。同時，注重知識的實用性和實踐性，引導(dǎo)學(xué)生將所學(xué)知識應(yīng)用于解決實際工程問題。第二，給予實踐教學(xué)足夠的重視，土力學(xué)課程需要明確實踐教學(xué)的重要性，加強(qiáng)學(xué)生實踐能力的培養(yǎng)，鼓勵學(xué)生參與實際工程項目的設(shè)計、建設(shè)和運營管理。通過實踐教學(xué)，學(xué)生可以為日后從事工程實踐奠定良好基礎(chǔ)。第三，注重跨學(xué)科能力的培養(yǎng)，在新工科背景下，土力學(xué)課程需要注重跨學(xué)科能力的培養(yǎng)，如結(jié)合數(shù)學(xué)、力學(xué)、材料學(xué)等學(xué)科知識，探討土力學(xué)的基本理論，結(jié)合計算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)等學(xué)科知識，開展土力學(xué)的數(shù)字模擬和分析。通過跨學(xué)科能力的培養(yǎng)，學(xué)生可以更加全面了解土力學(xué)的理論基礎(chǔ)和實際應(yīng)用，提高創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)。第四，在新工科背景下，土力學(xué)課程還需要注重培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和自主學(xué)習(xí)能力，通過開設(shè)課程討論、案例講解、小組研討等方式，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識和主動學(xué)習(xí)能力，提高學(xué)生參與課堂的積極性和互動能力。

（三）土力學(xué)課程發(fā)展應(yīng)適應(yīng)新時代要求

新時代要求培養(yǎng)學(xué)生的實際應(yīng)用能力和解決問題的能力。首先，土力學(xué)課程應(yīng)該在理論學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，注重實踐教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生對土力學(xué)知識的理解和應(yīng)用。其次，新時代的土力學(xué)研究和工程實踐中，信息技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)變得越來越重要，土力學(xué)課程應(yīng)該加強(qiáng)對信息技術(shù)的教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生使用計算機(jī)進(jìn)行模擬、數(shù)據(jù)分析等和熟練運用相關(guān)軟件對土力學(xué)問題進(jìn)行分析并解決的能力，如進(jìn)行滲流計算及土坡穩(wěn)定性分析等。最后，土力學(xué)作為一門交叉學(xué)科，應(yīng)該與其他學(xué)科密切結(jié)合，以應(yīng)對新時代的挑戰(zhàn)，開設(shè)相關(guān)的課程或模塊，培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力。

二、土力學(xué)課程教學(xué)改革的現(xiàn)狀和問題

（一）土力學(xué)課程教學(xué)改革的現(xiàn)狀

1.教學(xué)內(nèi)容方面存在的問題

當(dāng)前土力學(xué)教材存在的問題主要體現(xiàn)在以下方面：一是過于注重理論性、科學(xué)性和系統(tǒng)性，導(dǎo)致理論知識過多、過難，難以吸引學(xué)生的興趣。二是缺乏實例內(nèi)容，難以讓學(xué)生將所學(xué)知識應(yīng)用到實際工程中，對于培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)造思維缺乏有效支持。三是教學(xué)內(nèi)容單一，主要集中在驗證性實驗和經(jīng)典性實驗，不足以真正鍛煉學(xué)生的動手能力和培養(yǎng)其創(chuàng)造性思維。此外，教學(xué)內(nèi)容常常跟不上學(xué)科發(fā)展的前沿，這也是當(dāng)前教學(xué)面臨的一個難題[3]。因此，針對這些問題，需要在教學(xué)設(shè)計中更加注重實例內(nèi)容的引入，提高教學(xué)的實用性和可操作性，創(chuàng)造更多的機(jī)會讓學(xué)生進(jìn)行真實的工程實踐，從而真正培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)造性思維。同時，加快教材的更新速度，及時反映學(xué)科的新發(fā)展和研究成果，是教學(xué)改革和提高教學(xué)質(zhì)量的一個重要方向和任務(wù)。

2.教學(xué)方法方面存在的問題

傳統(tǒng)的以教師講授、學(xué)生聽講為主的教學(xué)模式無法很好地與工程實踐相結(jié)合，更難以提高學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新性思維。雖然有時會利用多媒體視頻或工程圖片來引導(dǎo)學(xué)生獲得感性認(rèn)識，但這些形式的教學(xué)內(nèi)容無法提供全面的工程實踐經(jīng)驗，學(xué)生往往只能機(jī)械地聽講，難以主動參與。此外，由于土力學(xué)課程難度大，理論和公式推導(dǎo)比較煩瑣，許多學(xué)生難以理解，導(dǎo)致學(xué)習(xí)過程缺乏趣味性和挑戰(zhàn)性，進(jìn)而使學(xué)生產(chǎn)生厭學(xué)情緒，這也在一定程度上制約了學(xué)生的學(xué)習(xí)效果和教師的教學(xué)質(zhì)量。因此，在教學(xué)方法上，教師需要運用更多先進(jìn)、有效的教學(xué)方式和手段，如通過情境教學(xué)、案例教學(xué)、問題教學(xué)等，嘗試讓學(xué)生更容易理解土力學(xué)的工程應(yīng)用，并重視教學(xué)內(nèi)容的通俗易懂性和趣味性，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和動力，幫助學(xué)生更好地掌握、應(yīng)用土力學(xué)知識，從而達(dá)到提高教學(xué)質(zhì)量和培養(yǎng)學(xué)生實踐能力的目的。

3.教學(xué)手段方面存在的問題

目前，土力學(xué)課堂教學(xué)中普遍存在用多媒體代替?zhèn)鹘y(tǒng)黑板的現(xiàn)象，這樣可能會造成更加嚴(yán)重的滿堂灌。因此，適當(dāng)運用多媒體輔助課堂教學(xué)的方式能夠啟迪學(xué)生的思維，但應(yīng)該注意運用得當(dāng)。在教學(xué)上，需要更加注重實踐訓(xùn)練的時間安排和能夠開發(fā)學(xué)生創(chuàng)造性思維的內(nèi)容，減輕學(xué)生的厭學(xué)情緒。同時，教師可以以某一具體工程為例，采用計算機(jī)數(shù)值模擬的手段，提高課堂教學(xué)的交互性和實用性，培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新性思維，從而提高教學(xué)質(zhì)量，讓學(xué)生更好地掌握土力學(xué)知識并將之應(yīng)用于工程實踐。

（二）土力學(xué)課程教學(xué)存在問題的原因

第一，土力學(xué)教材未及時更新，課本中案例少，教學(xué)資源的匱乏，一些高校土力學(xué)課程教學(xué)資源有限，無法滿足教學(xué)需要。第二，從教學(xué)方法上看，部分教師對于教學(xué)方法的創(chuàng)新能力有限，一直延用舊有的教案及課件，難以將新的教學(xué)方法運用到教學(xué)實踐中。第三，實踐教學(xué)條件也限制了土力學(xué)教學(xué)改革的創(chuàng)新，一些高校土力學(xué)課程實踐教學(xué)條件有限，模型實驗場地小甚至無實驗場地，難以提供多樣化的實踐教學(xué)環(huán)境。第四，部分高校缺乏土力學(xué)領(lǐng)域的教師，教師隊伍結(jié)構(gòu)不合理，難以為學(xué)生提供優(yōu)質(zhì)的教育資源。

三、土力學(xué)課程教學(xué)改革的思路與方法

（一）培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)

土力學(xué)教學(xué)過程中應(yīng)注重提高學(xué)生的實踐能力，特別是團(tuán)隊合作能力，注意引導(dǎo)學(xué)生開展研究性學(xué)習(xí)，例如鼓勵學(xué)生在每個學(xué)期內(nèi)選擇特定問題進(jìn)行研討和專題研究，關(guān)注實際問題解決，從而加深對這些問題的理解和認(rèn)識，提高他們的綜合素質(zhì)和解決問題的能力。教師應(yīng)該明確土力學(xué)課程的教學(xué)目標(biāo)，包括知識與技能、學(xué)生能力、創(chuàng)新能力和解決實際問題的能力等，并將其作為教學(xué)改革的基礎(chǔ)。傳統(tǒng)的土力學(xué)課程注重理論知識的講授，但在實際工程中，土力學(xué)往往與具體案例緊密相關(guān)。因此，引入案例教學(xué)可以使學(xué)生更好地理解理論知識，培養(yǎng)分析和解決實際問題的能力。同時，可通過編寫科研論文、參與學(xué)科競賽、組織志愿活動等形式，促進(jìn)學(xué)生進(jìn)一步學(xué)習(xí)和實踐[4]，提高他們的創(chuàng)新思維和實踐能力，培養(yǎng)其創(chuàng)新精神和良好職業(yè)道德素質(zhì)，以適應(yīng)當(dāng)下水利工程建設(shè)的需求。

（二）教學(xué)內(nèi)容的優(yōu)化和創(chuàng)新

依據(jù)當(dāng)下的工程實際需求，結(jié)合工程案例和工程規(guī)范，開展更具實踐性的教學(xué)，使學(xué)生成為具有實際應(yīng)用能力的高素質(zhì)人才。土力學(xué)是一個實踐性較強(qiáng)的學(xué)科，為了增強(qiáng)學(xué)生的實踐動手能力，通過設(shè)計并實施小型土力學(xué)工程項目，將大量的問題和案例引入教學(xué)場景，提高課堂知識的多元化，讓學(xué)生直觀地理解土力學(xué)課程知識，真實接觸工程中的土力學(xué)問題，培養(yǎng)解決問題的能力和團(tuán)隊合作精神。同時，在教學(xué)過程中引入新興技術(shù)和理念，例如機(jī)器學(xué)習(xí)、人工智能等，豐富課程內(nèi)容，拓展課程實際應(yīng)用范圍。通過應(yīng)用這些新興的技術(shù)和理念，可以激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新思維和動手實踐能力，促進(jìn)學(xué)生自主學(xué)習(xí)和探索精神的形成。

（三）教學(xué)方法的改進(jìn)和創(chuàng)新

土力學(xué)教學(xué)過程中應(yīng)提倡探究性學(xué)習(xí)，引導(dǎo)學(xué)生主動參與問題解決，加強(qiáng)自主學(xué)習(xí)能力培養(yǎng)，同時運用虛擬仿真技術(shù)、三維建模技術(shù)等，提供多種教學(xué)資源豐富學(xué)生的學(xué)習(xí)方式，充分發(fā)揮現(xiàn)代科技的作用，使課堂教學(xué)更具互動性、直觀感[5]。在教學(xué)過程中，要鼓勵學(xué)生主動參與、自主學(xué)習(xí)和思考，培養(yǎng)他們的獨立思維和創(chuàng)新能力。可以通過布置課外閱讀、開展小組討論、提供問題解決平臺等方式，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和自主學(xué)習(xí)的積極性，體驗土力學(xué)知識的實際應(yīng)用，提高學(xué)生適應(yīng)實際工作需求的能力。同時，推廣教育反饋機(jī)制，通過學(xué)生作業(yè)、課堂互動、期末考試等多種形式的教育反饋機(jī)制，讓教師及時了解學(xué)生的學(xué)習(xí)情況和水平，調(diào)整教學(xué)策略，提高教學(xué)效果。建立激勵機(jī)制，鼓勵學(xué)生積極參與課堂互動和學(xué)習(xí)，從而提高學(xué)習(xí)效率和課堂參與度。

（四）評價制度的改進(jìn)和創(chuàng)新

改革后的土力學(xué)課程需要進(jìn)行追蹤評估，以了解教學(xué)效果是否達(dá)到預(yù)期目標(biāo)?？梢酝ㄟ^學(xué)生問卷調(diào)查、課程評估、定期交流等方式獲取學(xué)生的反饋，并對教學(xué)方法進(jìn)行及時調(diào)整和優(yōu)化。在學(xué)生學(xué)習(xí)效果評價方面，從知識掌握、實踐能力、交流能力、團(tuán)隊精神、學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新能力等多方面，全面量化每個學(xué)生的能力和表現(xiàn)，更加真實、精準(zhǔn)地反映學(xué)生的水平和能力?？芍贫`活多樣化的評價方式，包括平時成績、考試成績、實踐成績等多種形式，并考慮土力學(xué)課程教學(xué)所需的特殊資源和教學(xué)環(huán)境，如應(yīng)用工程項目、技術(shù)應(yīng)用實踐、案例分析、設(shè)計考核等。

四、土力學(xué)課程教學(xué)改革的成效評估

（一）教學(xué)效果的量化和評價

在教學(xué)改革前后，針對學(xué)生的考試成績、作業(yè)、實驗等結(jié)果進(jìn)行對比，從而客觀評價教學(xué)改革的成果。比如可以對比學(xué)生的平均分、優(yōu)秀率、掛科率等指標(biāo)，并評估學(xué)生在實際工作中所需的技能和能力是否得到提升。記錄學(xué)生的學(xué)習(xí)反饋和意見，通過問卷調(diào)查、訪談等方式獲得學(xué)生對教學(xué)質(zhì)量的評價和反饋[6]。例如可以了解學(xué)生對授課方式、內(nèi)容、難度、實用性等方面的評價，判斷課程設(shè)置是否符合人才培養(yǎng)的需求等。土力學(xué)涉及實際工程問題，教學(xué)改革后，可以增加實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，根據(jù)學(xué)生在實驗室、工地等實際場景中的表現(xiàn)，評估教學(xué)改革的實際有效性。如可以評估實驗操作規(guī)范、實際操作技能水平、理論知識與實際應(yīng)用能力的結(jié)合程度等方面。針對教學(xué)改革前后教學(xué)資源的優(yōu)化情況進(jìn)行評價，如對教師授課所用的教學(xué)工具、學(xué)生使用的教材、教學(xué)環(huán)境等方面進(jìn)行評價。

（二）學(xué)生反饋調(diào)查分析

為了更便捷、直觀地了解學(xué)生對土力學(xué)課程學(xué)習(xí)的真實想法，可采用問卷調(diào)查法，具體步驟如下。

1.設(shè)計問卷

根據(jù)課程教學(xué)改革的具體情況，設(shè)計相應(yīng)的問卷。建議問卷包括課程內(nèi)容、授課方法、教學(xué)設(shè)備、實驗教學(xué)、課程評價和學(xué)習(xí)效果等。每個方面可以有相應(yīng)的問題，以便系統(tǒng)性地分析學(xué)生對教學(xué)改革的評價。

2.發(fā)放問卷

將問卷發(fā)放給選修了土力學(xué)課程的學(xué)生，并告知學(xué)生回答問題的重要性。建議在學(xué)期末進(jìn)行考試之前發(fā)放問卷，以確保學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了全部的教學(xué)內(nèi)容。

3.收集數(shù)據(jù)

收集學(xué)生的問卷并記錄相應(yīng)的信息。為了獲得高質(zhì)量的數(shù)據(jù)，建議在數(shù)據(jù)收集時進(jìn)行匿名操作。此外，需要確保數(shù)據(jù)量足夠大，以獲得具有代表性的結(jié)果。

4.數(shù)據(jù)分析

對問卷數(shù)據(jù)進(jìn)行分析?？梢圆捎肧PSS等統(tǒng)計軟件，進(jìn)行相關(guān)性分析、t檢驗、方差分析等，以便獲得更準(zhǔn)確的結(jié)果。分析后可以得出學(xué)生對課程內(nèi)容、授課方式、實驗教學(xué)、課程評價等方面的反饋結(jié)果，以便發(fā)現(xiàn)問題并改進(jìn)教學(xué)。

5.結(jié)論和建議

在分析結(jié)果的基礎(chǔ)上，撰寫最終的結(jié)論和建議報告。建議報告應(yīng)包括教學(xué)改革的優(yōu)點和不足之處，改進(jìn)建議和實施計劃等，以便更好地提高教學(xué)質(zhì)量，并為后續(xù)教學(xué)改革提供借鑒。

五、結(jié)論與展望

（一）土力學(xué)課程教學(xué)改革取得的成果

本文結(jié)合新工科背景下的人才培養(yǎng)需求，對傳統(tǒng)土力學(xué)課程內(nèi)容進(jìn)行了更新和拓展，將理論知識與工程實踐相結(jié)合，增加了實驗環(huán)節(jié)和實際案例分析，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和實際應(yīng)用能力。在教學(xué)方法改進(jìn)方面，采用多元化的教學(xué)方法，如演示講解、案例教學(xué)、討論互動等，提高了教學(xué)效率和學(xué)生的參與度。學(xué)校為學(xué)生提供良好的學(xué)習(xí)環(huán)境和教學(xué)設(shè)備，如更新了實驗室設(shè)備、引入了模擬軟件等，提高了土力學(xué)課程教學(xué)的實效性和實用性。通過教學(xué)改革，學(xué)生對土力學(xué)課程的學(xué)習(xí)興趣和能力得到了提高，學(xué)習(xí)成績和考試通過率也得到了顯著提高。

（二）土力學(xué)課程教學(xué)改革方向的展望

土力學(xué)課程教學(xué)改革方向是將實踐與理論相結(jié)合，探尋教學(xué)活動的深度和廣度，加強(qiáng)實踐教學(xué)環(huán)節(jié)的設(shè)計和實施，建立適合學(xué)生自主思考、自主實踐、自主探究的實踐教學(xué)體系，以提高學(xué)生的實際應(yīng)用能力。同時，智能化教育、數(shù)字化教育將是未來的發(fā)展趨勢，土力學(xué)課程也需要加強(qiáng)數(shù)字化教育，教師可以利用信息化技術(shù)，擴(kuò)展課程資源，促進(jìn)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)，實現(xiàn)教育信息化的目標(biāo)。正所謂，“師者，傳道授業(yè)解惑也”，教師是教育教學(xué)的重要組成部分，未來需要加強(qiáng)對教師職業(yè)素養(yǎng)和教學(xué)能力的培養(yǎng)，鼓勵教師探索多元化的教育教學(xué)模式。同時吸納一批新的教師，充實師資隊伍，推進(jìn)教育教學(xué)水平的提高。隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，土力學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域日益擴(kuò)大。因此，未來需要加強(qiáng)教育與實踐之間的聯(lián)系，加強(qiáng)與行業(yè)的對接，建立科學(xué)的教育培訓(xùn)體系，為土力學(xué)專業(yè)培養(yǎng)更多的人才。

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