新工科背景下土力學實驗教學改革與探索

唐敏 張超 馮紹元

（揚州大學水利科學與工程學院 江蘇 揚州 225009）

為了應對新一輪的科技革新和產業改革，增強國際競爭力，2017年以來，我國教育部積極推進新工科建設，強調新工科建設必須加強研究和實踐，問技術發展改內容，更新工程人才知識體系，問學生志趣變方法，創新工程教育方式與手段，聚焦國家新需求［1］，培養大批多元化、創新型、實踐能力強的高素質復合型工程科技人才，為我國產業發展提供人才支持，這也是當前教育任務的重中之重［2］。

土力學作為工科土建類專業一門重要的專業基礎課，被普遍應用在地基、擋土墻、土工建筑物、堤堰、大壩等土木工程、交通道路、水利工程設計領域中，以服務于國民經濟建設與社會發展［3］。土力學實驗是土力學教程中的主要組成部分，實際工程設計和施工中的巖土技術參數正是利用土力學試驗獲得的。作為土力學理論和工程建設之間的“橋梁”，土力學實驗對于推動土力學理論發展及其在工程建設領域的實際應用有著一定重要性。土力學實驗作為土力學教程中不可或缺的實踐性教學環節，力求通過具體的試驗操作，強化學生對土力學專業基礎知識的理解，培養學生的實際動手能力，促進學生掌握基本的實驗操作技能，提升學生運用所學的基礎理論和專業知識分析解決實際問題的綜合能力［4］。

隨著國家對應用型、復合型人才標準的提高，對課程的實踐要求也越來越高，原有的土力學實驗教學模式已不能滿足新工科教育的需求。因此，針對土力學教學實踐中現存的一些問題和狀況，開展土力學實驗教學改革刻不容緩。而土力學實驗教學改革的基本點是調整課程設置、合理規劃實驗人員結構、改進實驗設施條件等，以期充分發揮土力學實驗的重要基礎作用，有助于學生更好地理解并應用專業知識解決實際工程問題。

1 土力學實驗教學現狀及存在問題

1.1 實驗課時少，儀器緊缺，學生實操機會少、時間短

目前，在國內大多數工科類院校內，土力學實驗課時安排在4～8學時，更有甚者，為順應高校教育教學改革縮減課時的大趨勢，部分院校已將實驗課從土力學教學中剔除，取而代之的是課堂上播放試驗錄制視頻，剝奪了學生實驗學習的機會。并且，目前僅有的為數不多的土力學實驗課也多集中在土的含水率和密度等物理性質指標測定試驗、液塑限聯合測定試驗、土的固結試驗、直接剪切試驗等這幾種類型。

由于學時被大幅面壓縮，學生實際操作機會和時間也大大減少。在實際的土力學實驗教學中，一般一門試驗只分配2 個學時，即90min，授課教師往往需要花30min 左右對試驗原理、內容和操作步驟進行詳細講解。在余下的1h 里，對于操作簡單的試驗，學生可以順利完成；但如果是操作較為復雜的試驗，學生一般做得比較匆促且粗糙，即使是按時完成了試驗要求，也多是機械性的模仿操作，并沒有充足的時間去思考試驗中為什么會出現這種問題，一旦遇到問題，不思考便去向教師尋求幫助和解決方法，只是為了完成任務而做試驗，更不可能去細致觀察試驗現象。

此外，由于土力學實驗室的儀器設備數量通常是有限的，并且可能由于年久失修，部分儀器受到損壞或出現故障而不可使用，這樣就會使得能夠正常工作的試驗儀器更加有限。而一般是一個班級30 多名學生統一上實驗課，這些學生必然會被分為若干個小組，每個小組內幾名學生共同完成一門試驗內容，這雖然加快了試驗進度，并且小組人多力量大，也能提高試驗的成功率。但是，這也會導致每個學生的操作機會和時間有所減少，尤其對于動手能力差或內向被動的學生來說，可能一次試驗下來幾乎沒有參與和融入，這對于全面培養學生的實操技能和試驗能力是非常不利的。并且，由于時間不夠充裕，一些試驗樣品的制備、土樣烘干及稱重等這些基本試驗操作可能會由實驗室工作人員代勞，這就導致學生不能充分理解和掌握基本試驗操作規程及方法，最終為學生以后進入研究生階段學習預留了一些隱患，如無法獨立正確地開展一些相關的土力學試驗，甚至對一些異常的試驗結果缺乏正確的了解和判斷，試驗步驟和數據分析出現差錯，進而導致試驗結果出錯。

1.2 實驗課與理論課脫節，實驗課考核機制不完善

目前，在工科類院校的土力學教學中，主要實行實驗課與基礎理論課分開進行，通常對實驗課具體授課時間安排沒有明確的規劃，一般是當實驗課教師的時間與學生的時間契合時才進行土力學實驗課的教學，這使得實驗課往往滯后于相關的理論課很長一段時間，學生的學習興奮點很容易喪失，對理論知識的學習未能得到及時鞏固，不利于學生即時體驗和操作以理解相關知識點，實踐與理論難以產生相互作用的效果。此外，土力學實驗課通常由專門的實驗員教師進行講授，講課風格可能與理論課授課老師有很大區別，對土力學試驗的講解思路也有很大不同，對學生掌握的側重點要求也是不一樣的，這樣就容易引起學生對知識點理解上的困惑，不利于學生將教材上的知識遷移應用到實踐中。

另外，在土力學實驗教學安排上，沒有對相關試驗進行整合，往往是學生學完一個章節后就安排相關的試驗，未能將試驗中涉及的那些瑣碎的知識點進行梳理整合。例如，直接剪切試驗有快剪、固結快剪和慢剪試驗之分，實驗課上通常選擇快剪試驗進行實際操作，而快剪試驗一般是選擇砂土作為試樣，這樣就與教科書及土工試驗方法標準中的要求有所不同，很容易使學生產生困惑和混淆，導致學生對于黏土試樣的制備方法依舊不甚了解。

再者，由于實驗課通常是依附于理論課的，學生考試一般以理論課的筆試為主，實驗課的考核通常是審查學生的試驗報告，考核方式單一。因此，學生把大多數時間和精力都用在了理論課學習上，對實驗課的重視程度遠遠不夠，試驗報告也是敷衍了事，內容同質化嚴重，抄襲成風，很少表現出探索性和原創性，最終導致學生實驗能力和創新能力得不到有效提升和全面發展［5］。

1.3 授課方式傳統單一，多媒體教學利用不多

當前，國內工科類院校土力學實驗的講課方法仍是以傳統的“填鴨式”教學為主，教師站在黑板前講解試驗內容，學生坐在座位上聆聽，抑或是教師邊操作示范邊講解，學生則圍在一起觀看，這種類型的教學模式很容易導致課堂氛圍沉悶，不利于引起學生的學習熱情，教學成效必然也不顯著。

在知識點解說方面，土力學實驗課通常以黑板板書為主，這類傳統的授課方法效率較低，也不能很好地吸引學生的注意力。相反，利用多媒體教學，則具有頗多優點，例如，多媒體可以融合聲音、圖像、視頻、動畫等多種素材，突破了黑板二維空間的局限，能夠使學生集中注意力，激發學習興趣，讓學生更加直觀形象地了解試驗原理、操作過程及可能出現的試驗現象，加深認知，從而可以進一步提升學生自己的學習能力［6］。

在具體的講課方式層面，可以采取一些當前比較受學生喜愛的新興教學模式。例如，通過微課向學生演示專業標準的試驗操作方法和步驟，也可以通過MOOC方式組織線上教學、增強師生之間的互動討論，又或者是將基于微視頻資源的翻轉課堂應用于實驗課教學中，以提高學生的自主學習能力、學習的積極性和主動性［7］。這些新興的教學模式也與當代大學生喜好利用手機、計算機等電子設備汲取知識的學習習慣高度契合，能夠增加他們的學習興趣，同時，學生也能不受到課堂教學的時間和地點的限定，能夠充實利用閑暇時光，隨時隨地學習交流討論，提高了學習動力和學習熱情。移動課堂教學模式能夠很好地提高學習效率，提升日常實驗教學的效果。

1.4 實體課堂占多數，虛擬仿真實驗室使用性不強

與基礎理論課相比，實驗課最明顯的一個特點就是需要試驗儀器設備和場地。目前，由于各工科院校土力學學習人數眾多，而試驗儀器數量較為緊缺，且試驗場地也不夠充足，所以，往往安排學生分批上實驗課。這也導致針對同一試驗內容，授課教師需要向不同批次學生重復多次講授，造成師資及時間上的浪費，并且同一年級不同班級的基礎理論課進度基本上相差無幾，但由于分批進行試驗，很容易導致試驗時間安排靠后的那一些學生實驗課與理論課脫節，不利于學生對所學知識的實踐應用和系統掌握。此外，分批試驗會導致實驗室工作人員對儀器設備潔凈、擺放、維護等工作量大大增長。

虛擬仿真實驗室的設計宗旨就是通過綜合利用虛擬儀器技術、網絡通信技術、多媒體技術、計算機技術，搭建一個開放的網絡實驗平臺，為各種實驗的實施供應一個不受時間和地點限定、熟習儀器操作和感性了解實驗原理、實驗設計、調試方法的環境［8］。在虛擬仿真實驗室里，學生不僅可以像在真實實驗室里一樣在虛擬實驗工作臺上動手操作，還可以利用虛擬環境中的各類實驗材料，自主設計試驗，自己配備、調試和使用試驗儀器，在虛擬實驗室里獲取相關理論知識、科學指導和快速反饋，有利于培養學生的操作、分析、設計能力和創新意識。可見，學生通過虛擬實驗室進行仿真實驗，不僅減少了實驗成本支出，在保證學習質量的同時，還極大地引發了學生對實驗的興致，提高了學生的實驗效率，增補了知識理論體系。

1.5 實驗室人員配備不齊全，專業素養不高

實驗室是教師和學生專門進行科學試驗的場所，小到環境清潔、垃圾分類，大到儀器維護、試驗指導，都需要專門的實驗人員來操辦。目前，國內高校的實驗室普遍存在著實驗人員不足、人手不夠的現狀，通常都是一個實驗員身兼數職，由于個人精力有限，不可能做到面面俱到，難免會出現意外狀況，進而影響實驗教學工作進度和效果。此外，實驗人員還存在著專業素養不強的問題。例如：實驗人員中非專業出身的人員較多，他們沒有經過專門的實驗教學培訓，不能規范標準地進行試驗樣品的制備、試驗儀器的操作演示等；還有大多數實驗人員缺少儀器設備維修的專業技能，簡單的儀器設備還可以維護，稍微復雜一點的儀器一旦出現故障就需要聯系儀器生產廠家進行維修，而這往往需要一段時間，不能立刻使儀器恢復正常工作，因此會拖延相關實驗教學進度；另外，一部分實驗人員責任意識不到位，給學生做完試驗講解和操作演示后，便回到辦公室，未能在實驗室時刻監督指導學生，在試驗結束后，也未能仔細檢查試驗儀器設備，清潔工作也不夠細致，經常造成試驗儀器損壞和故障，致使后續試驗沒法如期開展。

出現以上情況的原因：一方面可能是國內高校實驗人員薪資待遇普遍偏低，進而造成實驗室管理人員不足及專業素養不高；另一方面，從實驗課和理論課授課教師的職稱區別，以及實驗課與理論課的優先級別來看，就能明白國內大學廣泛存在輕實驗、重理論的現象，這就容易誘發實驗人員產生負面情緒，缺乏工作熱情和積極性，致使工作效率較低、責任意識不強。

1.6 學校層面對實驗室建設不夠重視，缺乏資金支持

學校領導班子在制定學校發展規劃時，對實驗室建設重視程度不足，實驗室的戰略指導地位被嚴重削弱，現有實驗室的條件改善及新興實驗室的建設發展得不到學校決策部門的重視，一些重要改革措施難以提上議事日程并付諸實施，導致實驗人員數量、質量均上不去，實驗室管理質量難以登上更高臺階。此外，最重要的是，實驗室的發展規劃缺少資金支持，無論是實驗室已有儀器設備的維護和修理，還是新儀器設備的購置，這些都需要資金的支持。缺少資金，現有損壞儀器便得不到及時維修，影響實驗教學進度，新式儀器則無法購買，使得實驗室裝置設備不能滿足技術推廣需求，實驗室無法長足發展。還有就是，實驗人員職稱提升相較于教學科研人員還是處于弱勢地位，如果不能給他們提供良好的發展平臺，以及缺少政策性鼓勵扶持，就會導致實驗人員嚴重流失。

2 土力學實驗教學改革建議及措施

為了解決以上土力學實驗教學中存在問題，土力學實驗應盡快進行改革。首先應該明確教學改革必然會涉及到的三大主體（授課教師、學生及高校決策機構）的義務和責任；其次是要厘清這三者之間的相互聯系。校領導班子是教學改革的決策者和籌劃者，決定著教學改革的方向及人力、物力、財力等各方面的支持。授課老師是教學改革的踐行者，負責改革的各項具體操作和實施。學生則是教學改革的接受者和評價者，主要任務是參與和配合教學改革的實施，并及時給與教學效果的反饋。無論是何種改革措施，只有按照從上層到基層的順序，才能順利實施；只有廣泛并合理采納改革受眾的意見和建議，才能被長久保留。土力學實驗教學改革也是這個道理，順遂的改革必須從校領導班子和教學負責人開始，成功的改革必須依據實際情況和反饋意見作出適當調整。

2.1 校領導班子層面

重中之重是要從思想觀念上做出真正轉變，把實驗課與理論課放在同等重要的位置，進一步加強實驗課與理論課的緊密結合。

首先，改革培養方案，突破傳統的實驗課依賴于理論課的教學模式，將實驗課單獨設立課程，單計學分，適當增加實驗課課時，這樣有利于學生掌握基本試驗的基礎操作方法和要點。同時，試驗數量增多可以讓學生體驗到不同類型的土工試驗，便于學習和比較不同試驗的共性和差異，能夠更加全面地了解土工試驗。

其次，在試驗安排上要統籌規劃，可以將實驗目的相近、實驗原理相通、操作過程相似的試驗緊密安排在一起，有益于學生對同類型試驗的全面系統掌握，培養學生融會貫通、聞一知十的邏輯思維能力。

再次，倡導并鼓勵土力學理論課教師積極參與實驗教學工作，實驗教師將工程案例反饋至理論課教學，促進理論課教師與實驗課教師的相互交流，形成兩類教師共同介入學生培養的協同效應。

最后，還要對實驗室建設工作加以重視，不僅要在政策上大力支持，還要在經費上大量投入。在政策上，要積極引進各類專業技術人才，并定期培訓和考查，使實驗室工作人員數量和質量雙重提升；同時，應該逐漸提高實驗室人員的薪資待遇，逐步縮小實驗室工作人員和教學師資隊伍之間的薪資待遇差距，并完善實驗室人員晉升獎懲制度，進一步調動實驗室人員的工作熱情，吸引高層次人才的加入。在資金上，要大量采購現代化先進儀器設備，對已有儀器也要定期進行維護，既提高試驗儀器的數量，也要提升儀器設備的質量，為土力學實驗課教學改革提供良好的硬件條件。

2.2 教師層面

首先，要使授課方式多元化。在傳統的黑板板書的基礎上，適當增加多媒體教學，制作豐富精彩的多媒體課件，把教學重點難點形象地呈現出來，提高教學效率。

其次，要革新傳統的“教師講、學生聽”講習模式，將一些新穎高效的授課方法引入土力學實驗課堂，如微課、MOOC、翻轉課堂等，同時，也可鼓勵指導學生使用虛擬仿真實驗室。

再次，提高自己的專業素養，不僅要提高自己對試驗原理、內容及操作步驟的講授能力，還要提高自己的試驗操作能力，給學生展示規范標準的示范操作和指導，并且能夠結合具體的工程案例，使學生通過實驗課學習后不僅能掌握基本試驗操作技能，還能將相關知識遷移到工程建設實際應用中去。

最后，授課教師也要力圖改變實驗課考核方式單一現象，建立綜合的實驗課考核標準，既要考查學生的實驗報告，也要重視實驗過程考核。例如：可以設置單元考核，重點考查單項操作技能；同時，也設置階段考核與期末考核，安排綜合性實驗與設計性實驗的考查，考核過程中多注重綜合能力、淡化操作流程，可以明顯提高學生動手操作的積極性，有利于培養學生的綜合能力。

2.3 學生層面

學生作為土力學實驗教學改革的直接對象和受眾，首先需要踴躍參與并配合有關的改革措施，遵守實驗室各項規章制度。學校和老師之所以進行土力學實驗課改革，初衷也是為了引發學生的學習興趣，提高學生的認知水平，優化實驗的講習過程，提高教學效果。另外，針對老師提出的授課新模式、新方法，學生要結合自己的切身體驗和學習效果，及時反饋給教師，并獻計獻策，提出自己對于土力學實驗教學改革的想法、意見和建議，以便教師針對實驗課教學計劃作出適當調整。

3 結語

土力學實驗課作為理論課的補充、拓展和延伸教程，在學生掌握土力學基礎理論并將其應用于工程實踐中起著非常關鍵的作用，對學生以后的研究生階段學習和工程建設領域工作有著極其重要的影響。在新工科背景和要求下，土力學實驗課教學改革應始終以學生為主體、以實踐技能培養為指引、以教學效果為考核標準，在授課方式上力求新穎，在教學模式上力求改變。同時，要注重實驗員隊伍的擴大及其專業素養提升，重視和完善實驗室建設，實現土力學實驗教學水平和成效的雙重提升，力爭為國家培養輸送綜合素質高、實踐能力強的復合型人才。