新工科背景下土力学课程教学改革途径及措施-凯发娱乐官网

1. 引言

土力学是以土的物理力学性质以及在荷载作用下土体内部的应力变形和强度规律，从而解决土体变形和稳定等问题的一门学科。土力学除了研究土的力学性质之外，还要综合分析土的理化性质，以及对工程特性的影响。除了考虑一般理解的实体荷载对土的作用之外，还需考虑温度和空气等一系列可能传递力量的媒介或者物质的影响。土力学是一门理论与应用结合十分紧密的学科，其理论与假设并存，宏观和细观具察，是有别于传统经典力学的实践力学。简而言之，只要世界上与土相关的基建工程，都离不开土力学的指导或者辅助，从学科分类上来说，土木、交通、水利、地质和采矿甚至环境等学科问题都会用到土力学的知识。在新工科背景下，土力学课程改革也需要紧随时代潮流的发展，为提升该课程的教学水平，打造一流本科课程，努力培养当代大学生的创新能力、自主分析和解决问题的能力，我们需要深入剖析当前课程教学中存在的一系列问题，并且提出相应的课程改革措施，做好教学总结与反思。

2. 土力学课程教学现状分析

土质学与土力学课程内容主要涉及到地基土的工程现状、土的渗透性和渗透理论，土的基本物理性质指标，地基土的压缩和沉降量计算，土的抗剪强度理论和土压力理论，核心问题主要围绕渗透特性、变形特性和强度特性 。土的物质组成特殊，结构特性非常复杂，它无法用一门或者几门经典力学来解释，一直以来，传统的理论教学主要以线下教学模式为主，随着后疫情时代教学方式大变革，教学手段也进入到信息化时代，mocc和学习通等在线学习平台也越来越方便，课程质量也在提高 。但无论是传统的线下教学还是如今的线上教学都存在一些问题，主要包括以下几个方面。

2.1. 教学学时不足和教材内容缺少创新性

我校土力学课程涉及的专业有地质工程、土木工程、交通工程与水文与水资源工程等。通过前期调研其他高校的教学学时发现，该课程学时普遍在40~60学时，其中理论课教学学时在30~40学时，实验课教学学时在10~20学时。然而，土力学是一门理论性和实践性极强的课程，理论知识点较多且分散，学生想要搭建理论知识体系较难，大量的字母和公式推演加大了学生的理解难度。例如，在计算地基的沉降量时，学生需要深刻体会基础地面接触压力、附加压力和附加应力的前后关系，弄清楚三者之间的逻辑关系，建立公式并计算地基的最终沉降量。类似这样的计算还有很多，所以，单纯依靠传统的线下教学，课程的教学学时显得捉襟见肘。另外，教材内容缺少创新性，土力学是一门理论联系实际的课程，教材中很多知识点来源于实际应用，同时又服务于实际应用。随着社会的不断发展和科技的进步，在实际工程中涌现出很多的新理论和新规范，尤其是新工艺和新方法的不断创新。

2.2. 教学模式单一，学生参与度不高

土力学的课堂教学大多数采用的是老师满堂灌输的方式，教学手段以ppt或者板书形式，青年教师的板书缺乏经验，往往达不到引人注目的效果，这种教学模式往往容易忽略学生的自主性和创新性，听课效率不高，学生上课容易走神，玩手机和睡觉的现象比比皆是，这种教学效果不理想，只能保证完成理论教学学时。因此，需要更加进一步丰富课堂教学模式，充分调动学生的主动性和积极性，例如增加师生之间的互动，让学生参与到课堂教学中，利用视频播放一些工程案例。在线上教学过程中，丰富的网络资源以及详细的视频课程虽然方便获取，甚至可以学习到国家一流课程。但是，考虑到大多数学生学习的主观能动性较差，在无人监督的环境下，学生无法做到自主学习的目的，线上教学效果也不够理想。另外，对于实践性很强的课程，全程线上教学会忽视学生的动手能力和创新能力。

2.3. 课程理论联系实际不紧密

学生普遍缺乏系统的科学思维，在课堂中学习的理论知识很难与实际工程应用相结合，导致学生学习兴趣不高，专业认同感不强。土质学与土力学有很多理论，包括渗流理论(达西定律)、莫尔–库伦破坏理论和朗肯土压力原理等，都有相对应的工程案例。然而，在课堂教学过程中，却很少引入这些典型的工程案例，学生只能学习枯燥无味的理论知识，课后容易遗忘，长此以往，导致学生缺乏解决实际工程中各种问题的能力。

3. 课程教学改革途径及措施

3.1. 教学平台和教学资源搭建

我校土力学课程从2019年开始线上教学平台的建设，线上教学内容多为教师本人录制的视屏课程，课程内容较为单一，缺少新颖性和创新性。基于此，负责本课程教师团队将联系校外企业合作导师，结合课程教学现状、企业实际要求和教学目标，进行线上教学优化设计，内容主要分成以下几个部分，第一，教师团队全面梳理课程知识点，归纳总结出26个知识点，依次是：1.1 土的形成过程、1.2 土和土力学的特征、1.3 土力学的主要学习内容；2.1 矿物与岩石、2.2 第四纪沉积层、2.3 不良地质条件、2.4 地下水运动；3.1 土的生成与特性、3.2 土的三相组成、3.3 土的物理性质指标、3.4 地基土的工程分类；4.1 土的变形特性、4.2 自重应力计算、4.3 有效应力原理、4.4 测限压缩实验、4.5 基础底面接触压力、4.6 附加压力、4.7 地基最终沉降量；5.1 土的极限平衡条件、5.2 土的抗剪强度规律、5.3 莫尔–库仑破坏准则、5.4 影响抗剪强度指标因素；6.1 挡土墙和挡土结构物、6.2 土压力类型、6.3 静止土压力计算、6.4 朗肯土压力理论。

第二，企业导师微课堂，授课视频由企业导师结合实际工程案例，将工作任务所需的各个知识点以教学语言录制3~5分钟时长的微课呈现，让学生切实感受到理论知识与实际工程案例相结合的过程，形成课堂教学与课程案例相互融合的新模式。第三，自主学习部分，借助微信和qq等网络工具，提前发布有关线下课程即将讲述的知识点，设计了问题导入、概念、常用专业术语和思考环节，培养学生课前自主学习的能力。课后通过线上发布本章节需要讨论的话题和计算练习题，设计线上答疑环节，加强与学生的沟通与交流，及时掌握学生学习状况。教师团队在录制线上视频课的时候，还应该加入理论知识点所对应的实验课教学部分，线上实验课只需要阐述实验基本原理、实验操作步骤和实验操作规范。学生根据线上所学实验课内容，在实验员的引导下自主开展实验课，培养学生的动手能力和创造能力。

3.2. 教学模式多样化

土力学教学中的基本理论问题都来源于工程实践，传统的理论教学模式无法突破地域限制，对于多变的工程地质环境和复杂的施工步骤(如土的形成过程、地下水运动规律、地基最终沉降量、抗剪强度规律、莫尔–库仑破坏准则和土压力类型)很难解释清楚，现在可以在室内利用bim技术模拟现场工程施工案例，极大的提高了学生的学习兴趣和实际操作能力。在线下课程教学过程中开展翻转课堂教学模式，为了体现翻转课堂的优势所在，我们将翻转课堂教学效果与传统课堂教学效果作了详细对比，线下课程开始之前，我们将全班同学分成1、2两组，1组同学进行翻转课堂教学，将提前制作好课程微视频和课程问题提前发布给学生预习，线下课程开始过程中，教师将课程问题有意识地引导学生分组进行讨论，随后由小组代表回答问题，教师做点评和总结，学生通过这种方式掌握课程理论知识点。对2组学生采用传统课堂教学，由教师全程讲述知识点，学生通过听课和记笔记的方式掌握课程理论知识点。最后通过问卷调查和课堂测验对两种不同的教学模式效果进行了分析。

3.3. 土力学课程思政元素探索

基于土力学理论解决的第一类经典渗流问题：2003年7月1日，上海轨道交通4号线，浦东南路至南浦大桥区间隧道施工时，突然出现渗水，瞬间，隧道内外由于压力失衡导致坍塌，进而导致董家渡外马路段长约30米的防汛墙倒塌，这也是上海市自建国以来第一次发生江堤倒塌的严重事故，事故发生的直接原因是，施工单位在用于坑壁冻结法施工的制冷设备在发生故障时，低估了可能存在的隧道渗透破坏险情，而未采取有效的防治措施。以当时的技术力量和国内丰富的隧道施工经验，完全可以把险情控制在萌芽之中，但是本应守土有责的施工方，却没有做到恪尽职守，没有认真对待施工中出现的渗流问题，挽救损失的机会就这样丧失了。从这个案例中可以警示学生在以后的学习和工作中要坚持敬业和精益的工匠精神，严格遵守职业规范，因为任何细小地方的疏忽都有可能带来重大的安全隐患，千里之堤，毁于蚁穴，事情的发展是量变和质变、连续性和间断性的辩证统一，任何量变的积累都有可能引起质变。

第二类土力学理论解决的强度问题，例如地基承载力确定、松散砂土场地的液化防治和山体滑坡预警与治理。2014年5月2日，阿富汗巴达赫尚省阿布巴里克村，在一个小时内发生两次山体滑坡，造成300户村名的房屋被掩埋，至少2500人失踪，长时间的暴雨是导致此次滑坡的重要原因，雨水沿着斜坡深入到边坡缝隙中，使得土体的强度降低，同时还产生了明显的渗流力，使得滑动面上无法提供充足的抗滑力矩来抵抗山体的滑动，从而引发山体滑坡，如果这片地不是因为战争而贫瘠，如果当地政府能够足够重视边坡位移的监控，改善周边的生态环境，种植植被来提升岩土体的强度，降低滑动势能，那么，这样的悲剧可能就不会发生。从这个案例中引导学生了解到一个良性发展的社会生态链需要每一个个体，人们以各种需求和交往组成动态的、多元的和长久的生态链，缺失了任何一个环节，都有可能打破这种平衡，从而影响整个社会健康长远的发展。人生本平等，职业无贵贱，三百六十行，行行都是社会所需要的，不管他们从事的是体力劳动还是脑力劳动，是简单劳动还是复杂劳动，只要有益于人民和社会，他们的劳动同样是光荣的，同样值得尊重，我们需要做的就是在平凡的岗位上努力踏实的做好本职工作。

3.4. 课程思政教学案例示范

笔者常年担任土力学课程的教学，在熟悉土力学基本理论知识的基础上，通过项目教学、案例教学充分挖掘土力学相关的思政元素，取得了良好的教学效果。下面就教学过程中的一个案例来进行说明，例如，在学习过土的三相组成知识点之后，学生了解到固体、液体和气体组成的土为湿土，这种湿土最大的特点是处于可塑状态，土的强度不高，也无法承受建筑物的荷载，但是，在现实中的案例中却经常可以看见，有的浅基础建筑物就在地下水位之下，这种土基本上属于过饱和土，这种土体是如何承受上层建筑物的荷载，这一点又如何解释呢？问题提出来之后，可以组织学生分组讨论，课下通过查阅网络资料，再结合自己所学知识点回答。最后，可以将学生准备的材料做成ppt，在课堂上结合实际案例进行演示，充分调动学生自主学习的能力和追求探索的精神，通过讨论得出结论，原来土的含水量测定对象是扰动之后的土体，扰动土的结构已经被破坏了，所以不具备强度，也就无法承受建筑物的荷载。但是，天然土即便是含水，其结构没有受到破坏，土体具备强度和承载力。

4. 教学效果分析

通过以上课程教学改革措施以及经过三个学期的教学实践和不断改进，发现学生上课的积极性明显提高，期末考试成绩逐渐提高，近三个学期学生卷面考试成绩统计情况如所示，卷面成绩平均分提高了6.7分，及格率提高了6.2%，优良率提高了9.2%，这说明课程教学改革措施的效果取得了较大的作用，学生的成绩明显得到提高。

table 1. results distribution of soil mechanics course examination papers in recent three semesters

表1. 近三个学期土力学课程考试卷面成绩分布

5. 结束语

本文以宿州学院土力学课程为例，介绍了在安徽省地方应用型高水平大学立项建设单位以及新工科背景下，分析了土力学课程教学现状存在的一些不足之处，提出了课程教学改革的一系列措施，包括教学平台和教学资源搭建、优化教学模式多样化和积极引入课程思政元素。通过这些教学改革措施，激发了学生的主动性和积极性，培养了学生的动手能力和创新能力，同时，也提高了课程的教学质量。近三年的教学效果显示，学生的考试成绩和教学满意度都得到明显提高，上述教学改革方法也为其它地方高校或者相近的工科类专业提供一定的参考和借鉴。

基金项目

2022年度安徽省质量工程项目线上线下混合式课程“土质学与土力学”(2022xsxx228)；安徽省示范基层教学组织项目(地质工程示范教研室，2020sjsfjxzz416)；宿州学院虚拟教研室项目(勘查技术与工程虚拟教研室，szxy2022xnjys04)；宿州学院新建专业质量提升项目(勘查技术与工程新建专业质量提升项目，szxy2023xjzy02)；地质工程专业改造提升项目(2023zygzts076)。

notes

^*通讯作者。

参考文献