基于科教融合的土力學教學模式研究★

孔祥松,魯云芳,單仁亮

(中國礦業大學(北京)力學與建筑工程學院，北京 100083)

1 概述

土力學作為土木工程、工程力學等專業的一門重要的基礎課[1]，在大學教學體系中發揮重要的作用，作為一門強實踐性、強經驗性、強理論性的學科[2]，在教學實際過程中往往需要通過實驗，以達到讓學生深刻理解其理論及基礎知識的目的。隨著我國教育體制改革的發展，科研與教學相分離的階段已經成為了過去式，目前，高校深入推行科教融合理念是我國教育體制改革的關鍵所在[3]。自2015年開始，國家發布“雙一流”大學建設以來，建設世界一流大學的春風吹進了全國各地高校，催生了全國各地高校的改革熱潮[4]。而科教融合作為我國高等教育改革的主要方向，逐漸成為了國內大學教學模式改革的最終目標，同時也逐漸成為國內研究型大學的本質特征[5-6]。

土力學知識點覆蓋范圍廣、理論抽象，加之高校教學的單一性，使得土力學教學逐漸出現一系列問題，因此深入土力學教學改革，強化土力學科教融合顯得尤為重要。因此本文立足于土力學教學上所存在的問題，基于科教融合的基本理念，構建適用于人才培養的土力學科教融合教育模式，解決土力學教育中長期存在的問題，將教學的育人性與科研的學術性相統一，結合教師科研項目和實際工程，力爭培養一批符合時代要求的土力學人才，從而達到提高土力學教學質量的目的。

2 構建土力學科教融合教學模式

2.1 土力學教學內容的科教融合

傳統土力學教學內容僅為課本知識，教師在課堂上，以講解書本知識為主，導致學生缺乏學習興趣，難以掌握所學知識并應用。為解決該問題，土力學課程融合我校土木工程的科研成果，更新教學內容，豐富土力學教材，實現了科研成果與課堂教學的有效融合。

筆者承擔了科研項目《深海稀軟底質沉積物物理力學性質研究》，研究對象為我國首次萬米深海科考時，在馬里亞納海溝獲取的深海土樣品。項目主要是對深海土的物理力學性質進行研究，以得到其主要的物理力學指標參數，進而估算深海沉積物的承載力，為深海礦產資源勘探關鍵技術和裝備的研發提供參考依據。《土力學》課程中包含了該項研究所需的知識內容，如土的物理力學性質的判定方法、土力學實驗及土體承載力計算方法等，因此將此科研項目與土力學課程教學內容相結合，實現科研和教學的融合，豐富了土力學課程的內容。

在土力學教學過程中，將課本對應知識點融合深海土的研究成果，比如：深海土粒徑特性、深海土礦物成分和微觀結構(見圖1)、深海土物理參數、力學指標及承載力等進行教授，不僅豐富了課程的教學內容，而且還提高了學生的學習興趣，實現了教學內容科教融合。

2.2 土力學教學方法的科教融合

傳統教學模式多為教師“主動”，學生“被動”，在這種模式下培養出來的學生缺乏創新性和主動性，畢業之后走上工作崗位，對新環境的適應能力也相對較差；再者隨著時代不斷進步，新時代對青年也有了新要求，傳統的教學方法和教學手段已不能滿足新時代的要求，二者之間的矛盾也日益突出，因此必須隨著時代的進步不斷更新教學方法，以達到培養適應新時代新要求的新青年，為國家的發展提供一大批有創造性、積極主動的后繼者。

根據科教融合的思想，將土力學教學方法與科研、科學相融合，進行教學方法的改革，將傳統的講解法與引導法相結合，教師的作用從提供知識轉變為引導學生學習和理解知識。在講解土體概念、組成及結構這部分知識點時，結合我國萬米深海土科考事跡，講解本次科研的前沿性，在課程展示科研精神、科研成果、課程知識。將萬米深海土帶入課堂，引發學生們探索未知的好奇心，從而引導學生學習土的物理強度指標等知識，包括如何測試等。讓學生們先思考討論，培養學生們的科學精神，然后展示講解深海土測試研究的方法和取得的成果。通過這部分講解，培養學生探索未知的科學精神，提升學生對我國科研前沿的自豪感，同時也讓學生學會采用科學方法開展研究。再比如在涉及土粒微觀礦物成分的講解時，可以結合之前學習的化學知識，從組成物質的基本單位氧離子、氫氧根離子等講解，培養學生多學科交叉融合的科研意識。在此基礎上，講解如何利用X射線分析儀(如圖2所示)研究萬米深海土的礦物組成。通過這種啟發式和實例式教學，讓學生做到掌握知識點是什么，如何測量，如何應用，從而在掌握知識的基礎上，培養學生的創新意識。

2.3 土力學教學手段的科教融合

隨著信息化的高速發展，傳統單一的教學模式已經不再適合，必須立足于當下，結合信息時代的優勢和技術，完善教學手段，充分利用動畫、視頻、線上教學等新型教學手段與傳統PPT、板書模式相結合，開展全方位的科教融合教學。

學生提前利用線上資料，進行專業知識的預習并了解相關科研項目背景；然后通過教師的課堂教學結合科研項目對疑難問題進行解答，加深學生對知識的理解；課后學生可以利用土力學相關網站進行知識的鞏固與擴展。同時，相關網站的存在，使得學生們能夠更加便利地了解學科發展方向和最新科研成果。

這種將多種教學手段結合在一起的教學模式，不僅提高了學生的積極性，還能夠改善課堂氛圍，調動學生的科研主動性，同時能夠更好的實現科教融合，引導學生主動思考、學習、吸收知識，提高科研意識。

2.4 土力學師資力量的科教融合

改變傳統教學和科研分開的教學模式，提高研究型教師對學生教學工作的重視，推進科研和教學的融合。不僅要求教授進行教學工作，承擔高水平土力學教學團隊的負責人，還通過建立新型土力學實驗-教學團隊合作模式，培養出具有我校土木工程特色的科研教學梯隊，對土力學教學團隊進行改革。通過土力學教學團隊合作機制，提出涉及多維度、多層次教師的團隊協同合作模式，通過吸收領域內優秀人才，來豐富教學團隊，提高教學團隊的創造力，充分發揮各自所長，實現1+1>2的協同效果[6]。

同時，為了培養中青年教師梯隊，提升中青年教師的教學能力，建立了關于提升中青年教師教學能力的培養模式。該模式主要利用名師的示范作用，通過資深教師帶領年輕教師的模式，培養中青年教學梯隊，這種模式不僅能夠發展壯大師資力量，而且還能夠實現個體和團體的雙提升，具備了多維度科教融合特色。

此外，通過導師制對學生全覆蓋，導師承擔學生的教育培養，對其負責，讓學生能夠參與導師的科研項目，既強化了導師對于學生的引導作用，又培養了學生的科研能力和動手實踐能力。而且，導師制的存在提高了學生的科研能力，為后續培養優秀的研究型人才打下了堅實的基礎。

2.5 土力學實驗的科教融合

傳統實驗模式主要是由學生完成設計好的實驗方案，學生參與程度低，這種實驗模式沒有結合科研項目進行，缺少學生自己動手設計實驗的過程，導致學生在完成實驗課程后，僅留下一些淺顯的認知，對土力學實驗的掌握不夠深入。

改革后的土力學實驗模式主要采用的是土力學實驗與科研項目相融合的模式。以科研項目為背景，學生自己設計實驗方案，完成實驗，處理實驗數據，整個實驗過程，讓學生全程參與，如在教授土體的力學性質和土體承載力時，利用深海土的科研項目，根據科研任務和對應的課程實驗，設計了科教融合的實驗模塊，增加部分科研創新實驗。要求學生在實驗課期間以小組為單位設計實驗，對深海沉積物力學性質進行測定，并進行沉積物承載力的分析計算，實驗如圖3～圖6所示。

這種將土力學知識、實驗與科研項目相結合的模式，不僅能夠提高學生學習熱情和研究能力，又能夠培養學生的科研興趣及精神。同時改革后的實驗模式讓學生在實驗的過程中，加深對理論知識的理解，并在這個過程中培養學生的創新性思維，同時也提高了團隊合作的能力。

2.6 土力學考核的科教融合

相較于傳統的課程考核模式，土力學考核方式進行了科教融合改革，增加了對學生科研能力和實踐能力的考核，除了考察對知識的掌握程度，還考察了學生設計科研實驗、用所學知識解決土力學實際問題等。土力學考試成績由期末考試65%+土力學實驗15%+作業10%+綜合考核10%組成，相較于傳統的考試+作業考核模式，該種考核模式增加了土力學實驗及綜合考核兩部分內容，如圖7所示。通過土力學實驗，讓學生親身參與到土力學實驗設計中，加深對土力學理論知識的理解；綜合考核部分對學生自主設計實驗、解決土力學問題等多個方面進行考察，培養了學生的動手實踐能力和創新能力，力爭培養具有創新性和主動性的新時代人才。

3 科教融合模式應用效果

依據土力學科教融合的目標，完成了土力學課程教學大綱、教案、課件等教學文件的修改，豐富了教學內容，改進了教學方法，建立了高水平的教學團隊，并且結合主講教師的科研成果，在保證學生扎實掌握專業知識的同時，培養了學生的動手能力和創新能力，最終形成了可推廣的科教融合改革經驗。在土木工程、城市地下空間工程、工程力學等國家一流專業共計10個班教學中進行全面推廣，取得了熱烈反響，備受好評，積極發揮了科教融合教學示范作用，提高了學生的科研創新能力，培養了青年教師良好的教學能力。

3.1 學生科研能力和創新意識大幅提升

通過建立科教融合的土力學教學模式，緊密結合深海土科研項目，實現土力學教學內容豐富化、教學方法融合性、教學手段多元化，建設高水平教學團隊、改革實驗模式和考核模式等。培養出能夠代表我校土木工程研究型特色的學生，有利于鼓勵學生主動加入實驗，培養學生的自主性和主動性，提高綜合素養。通過本次改革，使得學生在接觸到土力學學科前沿成果的同時又培養了學生動手實踐能力，使得所學知識能夠很好地應用到工作，同時也積累了一定的科研能力，不論是工作還是繼續深造，都能夠更加游刃有余。

3.2 青年教師教學水平顯著提高

提高了青年教師在教學內容設計、教學手段運用等方面的能力，改進了青年教師的科教融合教學思想，極大的促進了青年教師的科研及教學研究，提高了綜合教學及科研素質。實行科研與教學相融合的教學模式，教師在教學及與學生的討論交流過程之中，不斷提升了教學素養及理論水平，達到教學相長的效果。

4 結語

結合“科教融合”思想，從土力學教學內容、實驗及考核模式等六個方面進行改革，將科研-課堂教學-實驗教學融合在一起，在保證學生扎實掌握專業知識的同時培養了學生的動手能力和創新能力，形成了一種科教融合的土力學教學模式。