工程問題嵌入的土力學綜合實驗教學研究

魯莎 陳瓊

[摘要]工程科技創新呼喚著工程教育創新，為了服務國家戰略、滿足產業需求和面向未來發展的高度，高校實驗實踐教學需要將工程問題嵌入其中，以順應教育部“新工科”建設背景下的人才培養需求。本文以本校土力學實驗教學為例，將工程問題嵌入土力學實驗教學中并進行綜合實驗設計，一方面幫助學生開展理論實踐培養動手能力，另外一方面建立工程實際問題的基本分析和設計思路，為實踐型工程人才培養提供途徑。

[關鍵詞]工程問題；土力學實驗；多源考核；人才培養

[中圖分類號]TU43-4；G642.423? ? ? [文獻標識碼]A

[DOI]：10.20122/j.cnki.2097-0536.2023.11.050

引言

工程科技創新呼喚著工程教育創新，為了服務國家戰略、滿足產業需求和面向未來發展的高度，高校實驗實踐教學需要將工程問題嵌入其中，以順應教育部“新工科”建設背景下的人才培養需求。土力學作為地質工程、土木工程、水利工程、測繪工程等的核心課程，是指導土木、水利、交通、地質、采礦等領域工作的重要理論依據，其實驗教學更是學生理論理解加深、動手能力培養、創新能力激發的不可或缺環節[1-2]。

目前，土力學實驗課程內容設置與土力學理論知識體系相對應，設置有密度試驗、含水率試驗、顆粒分析試驗、液塑限試驗、滲透試驗、壓縮試驗、直剪試驗、三軸試驗和擊實試驗等，課內學時設置大多為8-12學時[3]。受到場地、學時等限制，土力學實驗課程多采用驗證性和演示性實驗，對于學生的主動學習和結合工程問題的思考培養不足。

一、土力學實驗性質與現狀

土力學實驗教學是土力學課程的重要實踐環節，根據實驗過程可以分為驗證性、綜合性、設計性和創新性四類：驗證性實驗以學生土工實驗儀器操作技能培養和土力學相關知識原理加深為目標，按照教師設定好的步驟和方法驗證已知的結論和原理；綜合性實驗一般由幾個獨立的相關實驗組成，有利于學生串聯所有知識點并獲得儀器操作等訓練；設計性實驗是學生根據給定實驗目的和條件，自行進行方案設計，并進行數據處理分析[4-5]；創新性實驗要求最高，需要針對某一研究目標進行具有探索創新的設計性實驗。本校目前土力學實驗課程開設情況見表1，受制于課程設置安排總共12個學時，均為驗證性和綜合性實驗，缺乏更能鍛煉學生能力的設計性和創新性實驗。

二、工程嵌入式土力學實驗教學

根據當下的人才培養需求，將課程專業相關工程問題嵌入到土力學實驗課中，開展更符合國家需要的土力學實驗實踐課程，是本研究關注的重點。

（一）工程問題簡化提取

本校面向巖土工程、土木工程、地質工程、勘查技術與工程等不同專業開設土力學實驗課程，涉及的實際工程問題較為廣泛，例如公路設計、橋梁建設、基坑治理和滑坡災害防治中的路面塌陷、基坑滲水、滑坡失穩、地表拉裂等。不同專業面向行業的工程問題各有不同，將所有工程問題都考慮到土力學實驗課程困難較大。因此，考慮目前課程安排與涉及行業的實際工程問題的重要影響因素，將普遍性較強的關鍵影響因素，包括水、溫度、外力等進行簡化帶入到土力學實驗課教學中，再結合具體分組納入實驗教學，以此進行常見工程問題的提取與簡化。

（二）土力學實驗課程嵌入

1.課前介紹準備

土力學實驗課是土力學課程的一個組成部分，由理論老師和實驗老師分別執行教學，場景分割較強，且每次實驗目的、使用儀器和方法步驟不盡相同。土力學實驗課與理論課具有一定分割性，且相互之間沒有明顯聯系，難以讓學生形成系統的理論實踐學習思路。因此，實驗課前的介紹準備便顯得不可或缺，在此以水利水電工程庫岸穩定性中的水對邊坡影響為例，進行關鍵影響因素水的簡化，將水對土質岸坡的影響納入實驗課中，準備相關樣本，具體實施步驟為：首先，組建受課學生的線上溝通群便于實時發布通知與交流；其次，提前發布實驗課程大綱，大綱包括所嵌入的工程問題及其背景介紹；最后，通知授課班級根據課程需要提前分組制樣；除此之外，為了進一步加深學生對總體實驗設計的理解與土力學實踐的能力加強，按照班級單位提前讓受課班級進行分組并全員參與土樣制作，在集中時間內制作出后續土的物理力學性質測試所需的所有樣本，并將其分類處理準備待使用，所有樣本制作和處理依據均參照《土工試驗方法標準》GB/T 50123-2019。

2.課內穿插講解

教師講解與學生操作是土力學實驗課的核心環節。老師在課前介紹準備的基礎之上，根據大綱內容進行實驗課程與知識點回顧，隨機抽取在場學生組根據預習進行實驗操作演習，之后針對操作演習中的問題進行實驗內容講解和操作演示，最后由學生分組操作執行實驗；并在實驗過程中進行隨機提問查看，保證實驗效果。土力學實驗課程時間安排一般與理論課教授動線一致，在理論講解之后進行實踐。

3.課后結果分析

土力學實驗操作的完成不是終點，課后的報告撰寫和實驗結果的分析才是實驗獲取信息的關鍵。目前的實驗課程課后結果撰寫分析包括實驗過程的復述和數據記錄分析，內容涵蓋操作注意事項和計算要點，雖然可以有效進行過程印象加深和知識運用計算，但是相對而言比較單一，容易發生相互借鑒現象，不利于學生的主動知識點消化吸收。

為了加強學生的信息獲取和內容理解能力，將課后結果分析分為四個部分：一是工程背景與實驗意義，此部分將實驗教學與工程實際進行了結合，明確實驗開展的意義和目的，確立實驗手段與結果的有效運用價值；二是實驗過程描述，此部分包含實驗樣本制作、使用儀器、操作步驟，加深對實驗操作和儀器使用的理解；三是實驗結果記錄與計算，根據實驗記錄和目的，進行數據分析計算，獲取所需數據信息；四是根據不同樣本的計算數據，進行影響因素下的土力學性質差異分析，與工程結合描述數據差異原因。

（三）多源考核方式

以往土力學實驗考核主要以課上簽到、操作表現的平時分數和實驗報告的分數加權而得，其中平時分數占比30%、實驗報告分數占比70%。這種考核方式雖然可以有效將學生的課堂表現和課后內容掌握進行考核，但是對于工程問題嵌入的土力學課程略顯單一。因此，將傳統考核模式和匯報模式進行結合開展多源考核，可以將目前內容全部納入其中并充分調動學生的學習積極性。

1.傳統模式

在已有傳統考核模式基礎上，依舊納入課程簽到與操作表現平時分數，同時將課前制樣和大綱預習考慮入內，并將平時分數占比提高至40%以調動學生的預習積極性。除此之外，實驗報告除了已有的實驗描述與結果計算之外，還應增加工程背景與結果分析模塊，包含工程背景、實驗過程、數據計算與結果分析，進一步加強學生對工程問題與實驗結果聯系的理解，充分消化土力學實驗課程知識，分數占比設置為50%。

2.匯報模式

在已有傳統考核模式外新增匯報模式，要求分組匯報，將全班的結果進行分組分析展示，結合工程背景特點匯報實驗目的和實驗結果，最后結合影響因素和工程實際開展土力學實驗課程匯報，分數占比設置為10%。除此之外，以往實驗分數和理論分數是分開進行打分，但匯報模式會由實驗老師和理論老師共同評審，并最后分數中將此部分作業質量納入考慮。匯報模式考核屬于土力學實驗課程的拔高部分，一方面進行實驗過程和知識點回顧加強，另外一方面加強團隊協作能力，充分調動全班同學的積極配合以及主動學習精神。

3.自主設計

在傳統模式和匯報模式基礎上，增加選做模塊自主設計部分。在實際實驗教學中，有的學生對于實驗課程興味索然，但有的學生對其興趣極大，甚至希望可以自己主導進行實驗探索研究。針對這種現象，“自主設計”的實驗選擇模塊可以提供更多的選擇項，讓學生在目前課程學時設置基礎上、在實驗教師指導下開展自主設計實驗、獲得實驗數據、分析實驗結果、得到實驗結論，可以極大鍛煉學生解決工程問題的能力。這也順應教育部“新工科”建設背景下提出的“開出一批新的綜合性、設計性實驗”要求[6]。

三、結語

土力學實驗課是土力學教學實踐的重要環節，在加深理論理解、鍛煉動手能力、培養解決工程問題能力方面具有不可替代的作用。根據本校土力學實驗課程的已有設置，在涉及的廣泛實際工程問題中選取常見問題的關鍵影響因素進行簡化，嵌入到土力學實驗課程中；采用課前介紹準備、課內穿插講解和課后結果分析進行工程問題嵌入的土力學綜合實驗教學，課后采取傳統模式、匯報模式和自主設計的多源考核方式，調動學生學習積極性、鍛煉學生解決工程問題能力，為培養工程型人才提供條件。

參考文獻：

[1]潘云鶴.新時代高等工程教育的范式變革與未來展望[J].科教發展研究，2021，1（1）：11-23.

[2]李帥，邢晏朝，封岸松，等.新工科背景下實驗教學的創新研究[J].科技與創新，2021（20）：154-155+157.

[3]黎桉君，汪時機，李賢.多元混合式土力學實驗教學改革研究[J].高等建筑教育，2021，30（6）：159-167.

[4]張艷美，欒雅琳，王斌.基于能力培養的土力學綜合性實驗設計與實踐[J].實驗技術與管理，2018，35（3）：206-208+212.

[5]曾召田，牟春梅，朱銀紅，等.工程教育專業認證背景下土木工程專業巖土實驗教學新體系構建的必要性分析[J].教育教學論壇，2019（14）：129-130.

[6]曾召田，朱銀紅，莫紅艷，等.“三性”巖土實驗教學體系中實驗項目的設計及實踐[J].高教學刊，2018（19）：74-76.

基金項目：

中國地質大學（武漢）教學改革項目，項目名稱：工程問題嵌入的土力學綜合新實驗教學改革研究（2023094）；

中國地質大學（武漢）實驗技術研究項目，項目名稱：巖土體長期飽水測試系統研制（SJ-202305）；

巖土鉆掘與防護教育部工程研究中心開放基金，項目名稱：水庫滑坡滑帶力學特性及演化規律研究（201802）。

作者簡介：

魯莎（1990.2-），女，漢族，湖北孝感人，博士，工程師，研究方向：巖土工程，地災巖土體特性；

陳瓊（1983.9-），女，漢族，湖北監利人，博士，講師，研究方向：土力學實驗，巖土文物保護。