土力學教學素材信息化與教學方法改革研究

王天源，薛凱喜，吳波，李棟偉，查文華，胡艷香，何昌春，王振華

（東華理工大學 土木與建筑工程學院，江西 南昌）

一 引言

土力學是工程師和科研工作人員在長期科學研究或工程實踐中總結歸納而成的一門與土體有關的多門學科融合的專業基礎課程[1]，也是指導土木、交通、水利、地質等領域科學研究和工程設計的重要理論來源。土體作為一種三相介質，土力學專門研究土三相介質條件下的物理力學性質以用于解決地基與基礎、邊坡穩定性等有關工程問題。

由于現代的建筑工程越來越多樣化、復雜化、大型化以及研究對象的非均質、各向異性、易變等特點，以傳統的土力學基本理論來設計現代建筑物難以滿足要求。通過調研，大部分教師對于土力學課程的傳授主要以理論教學為主，而在可提高學生實踐和創新能力方面的方法和手段相對匱乏。后疫情時代，線上教學和線上線下混合式教學層出不窮，如何設計多元互動線上與線下相結合的教學活動有效提高教學質量，成為新一輪挑戰和機遇。新型信息技術作為一種可深化土力學研究和提高線上教學質量的有效手段，符合高校多學科交叉融合型人才培養模式的創新性研究。這也是我國提出“互聯網+”在大學教育教學中推廣應用的主要原因之一[1]。

因此，針對土力學課程亟需實施綜合改革，探索新的“互聯網+土力學”多學科交叉融合型人才培養教學模式和教學素材信息化迫在眉睫。

二 土力學課程教學改革的必要性分析

1）教學內容跟不上時代發展。近年來，研究人員為了突破土力學中“數據有限”和“預測預報”的“瓶頸”，將大數據、人工智能等新型信息技術加入到傳統土力學的研究方法中[2-3]。這種方法使土力學在與傳統力學、工程地質等課程的基礎上交叉融合了計算機、統計學等內容。然而，這種研究方法目前并未在土力學課程教學中開展。

2）課時嚴重壓縮，教學效率和實踐操作能力大打折扣。通過調研，絕大部分院校的土力學課程均存在理論課時偏少、實踐課時嚴重不足的情況。如何在有限課時的前提下充分利用新型信息技術和數值仿真技術完成高質量的教學過程，提高師生間的教學效率，是一個重點研究方向。

3）教學方式傳統單一，未體現新時代信息技術的優勢。新冠肺炎疫情以來，受線下教學活動的限制（減少師生、生生的近距離接觸），難以開展有效的實踐性教學，大部分教師是以現場工程案例圖片或典型工程紀錄片的形式來闡述深化土力學課程中的知識點。 新時代背景下，如何在傳統教學方式的基礎上融入新時代信息技術的優點，是教學改革的另一個重要方向。

三 土力學課程教學改革的主要思路

本文以東華理工大學為例，土力學是我校土木與建筑工程學院、水資源與環境學院的專業基礎課，每年學習該課程學生人數約275人（如表1所示）。筆者深入調研兄弟院校該課程的教學內容和教學方式[1,4-6]，創新性引入新型信息技術相關內容，從理論教學內容、試驗教學內容以及教學模式和教學方法三個方面進行改革。

表1 土力學課程學生專業分布和學時（2020年）

（一） 理論教學內容的改革

新型信息技術背景下的土力學課程具有內容涵蓋廣、學科發展快和工程實際聯系深等特點，教師在土力學理論教學過程中可能會出現教學主線不清晰、章節層次邏輯不明等問題，如何權衡經典理論內容、前沿科學研究與最新工程案例之間的關系，這都將是教師亟需解決的問題。針對以上問題，基于新型信息技術以及該技術在土力學中的應用，筆者所在團隊對土力學理論內容進行深化改革，為培養多學科交叉融合型人才鋪墊基礎。

（二） 試驗教學內容改革

土力學作為一門半理論半經驗的專業基礎課程，土力學試驗是認識土力學中相關自然現象和自然規律的重要手段。在基礎設施建設快速發展的形勢和“萬物互聯”的背景下，土力學試驗教學不僅需要對現有土力學理論知識的驗證（如土的滲透試驗和固結試驗等），還需要與國內外典型工程建設發展同步，結合專業理論和實操技術來解決現場工程建設中遇到的各類綜合性問題（如復雜地質條件下邊坡群的穩定性分析和安全預警問題等）。所以，對現有的試驗教學內容和形式進行改革，探索和形成新的試驗教學方案，對于學生掌握土力學的專業理論和土力學試驗的實操技術具有極大的益處。

（三） 教學模式和教學方法改革

“以教師為中心”向“以學生為中心”的轉變是教學模式變革的主旋律，這樣可以引導學生積極主動學習?，F階段土力學課程教學模式仍然以教師為中心的“滿堂灌”方法，整堂課只有老師對著學生講解知識，難給學生提問和互動的機會，從而極大地降低師生間的教學效率和教學效果。所以，對傳統的教學模式進行深化改變革（邀請校企合作單位的科學研究人員或工程師進入課堂，積極引導學生去校企合作單位學習），搭建理論教學和實踐教學之間銜接橋梁，為學生畢業后適應工作環境提供條件。

四 土力學課程教學改革實踐路徑

基于新型信息技術從教學內容和教學模式兩方面開展改革研究：1）建立一個完整土力學課程體系。該課程體系不僅包含傳統土力學課程內容和大數據等新型信息技術的基礎理論知識，還需包含應用新型信息技術解決土力學中存在的問題等相關內容；2）探索與構建融合了新型信息技術的新教學模式。

（一） 優化教學大綱提升教學內容的系統性與前沿性

1.系統性

結合創新型交叉融合的人才培養需求，需完成《土力學》課程結構體系變革，在傳統力學、工程地質等基礎課程基礎上，引入新型信息技術基礎課程，使土力學課程內容模塊化后更具系統性。土力學課程大綱經優化后基本結構如圖1所示。

圖1 優化后的土力學課程大綱

土力學前置基礎模塊，包括土力學課程中涉及的理論力學、材料力學、彈性力學、工程地質學等前置學科的基礎知識和大數據等新型信息技術基礎課程；土力學基礎知識模塊，包括土的物理性質和工程分類、土體滲透性與流量計算、地基中的應力計算、土的壓縮性與地基沉降、土的抗剪強度等部分[7]；基礎知識的工程應用模塊，包括地基承載力的確定、土壓力理論以及土坡穩定性分析等內容，重點講述采用新型信息技術解決土力學工程問題并進行詳細的案例分析。如邊坡穩態遠程智能預警系統的設計、CFG樁復合地基智能優化設計系統開發等。

2.前沿性

土力學作為土木工程專業的基礎學科，新材料、新儀器、新工藝、新理論層出不窮，前沿性內容給土力學課程帶來了深度和廣度。結合與土力學相關的工程案例和時事新聞和教師最新科研成果，貫穿在理論教學和實踐教學環節整個過程，讓學生充分認識土力學的新進展。如2020年7月湖北恩施清江上游屯堡鄉馬者村沙子壩滑坡，造成清江上游形成堰塞湖；2021年4月，熱帶氣旋塞洛亞在印度尼西亞東南部和東帝汶降下暴雨，引發洪水和泥石流等?；诠こ贪咐蜁r事新聞，介紹地質災害發生機理以及最新技術和工藝在防治措施中的應用。土力學教學內容的系統性和學科的前沿性有機地成為一體，學生在這些內容的學習過程中深刻體會到了土力學與自然和人類的關系，教學效率得到了極大改善。

（二） 虛擬與現實相結合增強實驗教學的多樣性與實效性

1.多樣性

校內實驗室資源通常無法達到日常教學需求，需要引入企業真實的實驗環境、數據資源和構建新型信息技術環境下的虛擬實驗室，虛-實結合，一方面打破了時空限制，虛擬實驗室資源的使用更加快速和便捷；另一方面通過項目案例驅動式實踐教學可令學生深刻體會企業需求和發現工作中可能存在的問題，促使學生更有目的的學習。本校視頻資源庫（http://www.jgnwj.com）[8]的構建和中國大學MOOC、超星慕課等“互聯網+”各種平臺中視頻資源均可為教師和學生在虛擬環境中提供相關土力學教學實驗資源；帶領學生去江西飛尚科技有限公司開展相關實驗內容學習，如結合課堂講授的地基承載力理論知識，圍繞介紹現場平板荷載試驗中的關鍵步驟等展開討論，讓學生更好地理解土力學相關實驗內容，為培養創新型交叉融合人才奠定實踐基礎。

2.實效性

大量案例已經成功將大數據、人工智能等融入傳統的數值方法來再現試驗過程，如非參數回歸法、人工神經網絡技術，不確定分析方法，參數反演等。受限于教學課時和試驗設備，學生沒有必要通過低效率的重復動手操作進行試驗來學習相關內容?；谙嚓P工程案例，同時結合工程案例中對新型信息技術的需求，完善教學內容的實效性?；谝延袑嶒炠Y料，設計對應的算法，通過數值手段（自編或在商業軟件的基礎上進行二次開發）再現實驗結果以及進一步分析研究復雜工程問題（室內教學實驗通常用來模擬簡單試驗過程）。教師可通過數值模擬手段將復雜的工程案例直觀便捷地展示給學生理解學習，如三軸試驗樣品塊的應力云圖（圖2）和不同降雨單量工況下某邊坡安全系數隨時間變化關系圖（圖3）等。

圖2 土體三軸試驗的應力云圖

圖3 不同降雨單量工況下某邊坡安全系數隨時間變化關系圖

土體三軸條件下土體應力、應變和強度等概念和土體由彈性到塑型的變化以及土體的穩定性分析評價可通過數值仿真手段直觀更易理解地向學生闡述，進而將土力學課程中理論內容、實驗內容和工程案例在新型信息技術背景下有機融合為一體。室內試驗和數值模擬相結合，一方面深化了學生對理論內容的學習和強化了如何運用理論內容解決實際工程問題的能力；另一方面開展實施了系統的數據整理和數據總結分析，讓學生對土體應力、應變和強度等特點和變化規律有多角度和多層次的認識。

（三） 理論與應用相結合提高學生學習的主動性與積極性

大數據時代來臨，學生對于知識的獲取不再局限于教室，教師應結合前沿性理論內容，大膽嘗試項目案例驅動式教學、網絡在線教育、翻轉課堂等多種教學方式。在整體層面上，師生以網絡平臺留言問答或面對面線下交流互動，對學生在土力學學習過程中遇到的難點進行答疑和討論分析。筆者定期更新國內外熱點文獻和工程案例，讓學生以小組形式參與討論，師生互動交流，激發學生的學習興趣；同時，基于大數據分析引導學生展現個人優勢（如資料獲取、視頻編輯、PPT制作、算法設計等），提高學生學習積極性和師生間的教學效率。同時加強科研引導，鼓勵學生采用新方法、新技術解決土力學工程問題。

加強科研引導，鼓勵學生采用新方法、新技術解決土力學工程問題，從而深化學生對于土力學理論內容學習和強化學生在科研方面的創新性能力。以土體抗剪強度為例來說明。土顆粒礦物成分、剪切速率、含水率、環境因素、干濕循環等因素均會影響到土體抗剪強度。課堂上這些內容通常是通過枯燥的文字描述性敘述、簡單的圖片展示講述的，并不能提起學生學習興趣。在大數據背景下，引導學生收集相關視頻資料和論文成果，輔助采用算法設計和統計學相關知識介紹這一部分內容，并分析各影響因素的敏感程度，極大豐富相關內容，提高學生研究興趣。

五 土力學課程教學改革成效

基于上述手段對學生在土力學課程學習變革，以常規教學方式和改革后教學方式設置對照班和試驗班，對學生平時成績（包含出勤率、平時作業、課堂表現、土力學前沿內容PPT制作與交流討論等）、實驗成績和期末成績進行總結分析（如表 2 所示）：引入新型信息技術的土力學課程教學激發了學生的學習熱情，學生對于理論內容和實驗內容的掌握程度有大幅提高。

表2 試驗班級和對照班級的平均成績

土力學教學改革提高了課堂教學質量?；趩柧硇堑恼{查問卷（共74份）結果顯示，學生對師生間教學過程的滿意程度為100%。其中，十分滿意的比例為89.2%，基本滿意的比例為 10.8%。

六 結語

土力學的教學改革既要遵循經典土力學內容的本質，又采用新型信息技術及其在土力學中的多維度應用等來提高課程質量。新型信息技術背景下土力學課程教學改革仍需要進一步探索：

深化傳統土力學理論和實驗教學內容，根據教學目標引入適當的新型信息技術相關內容；加強校企合作，變革實驗環境和實驗平臺（云環境下的虛擬仿真實驗室和校內/企業真實的實驗環境并重），培養新時代行業需要的優秀工程人才。

改變傳統土力學課程教學方式，在重視土力學課程基本概念和基本原理的基礎上，基于不同學生的行為數據制作更具個性化的教學方案，同時加強科研引導，激發學生學習興趣，從而切實提高教學質量。