新工科背景下多學科交叉融合的土力學實驗教學模式探索

朱銳 周峰 劉恒

摘? 要：新工科背景下，傳統工科專業對實驗教學的要求進一步提升，現階段土力學實驗教學模式難以體現多學科交叉融合的特點，不利于地下空間專業復合型人才培養。文章從材料學、生物學、環境工程學、計算機科學四個角度詳細論述了土力學多學科交叉融合的特征，從實驗項目、實驗設備、實驗課程以及實驗教材四個方面探索了土力學實驗教學改革措施，創新優化了土力學實驗教學評價體系，為高等學校土力學教育教學改革和發展提供參考。

關鍵詞：土力學實驗；新工科；多學科交叉融合；教學模式

中圖分類號：G64? ? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：1673-7164（2023）11-0081-04

基金項目：2022年江蘇省研究生教育教學改革課題“基于數字孿生技術的研究生優質教學資源建設以地鐵車站深基坑工程為例”（課題編號：JGKT22_C029） ；2020年“一帶一路”化工與建筑行業中外人文交流研究專項“國際化建筑人才培養模式對比研究”（項目編號：2020YDYL13）。

作者簡介：朱銳（1992—） ，男，博士，南京工業大學交通運輸工程學院講師，研究方向為巖土工程方面的教學與科研；周峰（1979—），男，博士，南京工業大學交通運輸工程學院教授，研究方向為巖土工程方面的教學與科研；劉恒（1983—），女，博士，南京工業大學交通運輸工程學院副教授，研究方向為巖土工程方面的教學與科研。

國民對高質量教育的需求更加強烈，堅持深化教育改革創新，是新時代教育改革發展的必由之路。為主動應對新一輪的科技革命與產業變革，支撐服務創新驅動發展，“新工科”理念初露端倪。在此背景下，多學科多領域的交叉融合成為創新的推動力，跨學科對話與合作成為大勢所趨。學科交叉融合，即多學科交叉融合，涵蓋學科交叉與學科融合為一體的研究、教學、應用，是構建協調可持續發展的學科體系，打破學科不相通的學段壁壘，進行更好的資源整合。促進基礎學科、應用學科交叉相融，有利于思想交融、激發創新力，從而培養復合型高質量人才，滿足我國新工科建設與人才培養目標。在新工科背景下，學科交叉已經成為高水平科研與頂尖人才的重要特征，城市地下空間工程專業也因此迎來了新的機遇與挑戰［1］。

土力學作為城市地下空間工程專業的核心課程之一，是一門實踐性、經驗性較強的力學學科，融合了理論與實驗雙重教學模式。基礎理論來源于實驗，實驗教學往往是最直觀、最深刻的一種教學模式，例如：通過直接剪切實驗得到庫侖公式，成為土的強度理論基礎；通過固結實驗明晰了土的有效應力原理和固結理論；通過土的抗剪強度實驗驗證了土的本構關系理論模型［2］。

但是，多學科交叉融合背景下，現階段土力學課程在實驗教育教學上存在明顯不足，教師上課往往只單純圍繞“土”的專業知識進行闡述，結合經典卻古舊的工程案例進行分析講解，實驗教學項目單一、實驗設備老舊、實驗課程設置不甚合理以及實驗教材刻板等問題，學生無法深入理解多學科交叉融合下土力學實驗的原理與技術。如何在多學科交叉融合背景下，城市地下空間工程專業中的土力學實驗教學更具有創新性，從而滿足傳統工科專業復合型人才培養的需求，是土力學教育教學改革的重點。

鑒于此，文章從材料學、生物學、環境工程學、計算機科學四個角度詳細論述了土力學多學科交叉融合的特征，從實驗項目、實驗設備、實驗課程以及實驗教材四個方面探索了土力學實驗教學改革措施，創新優化了土力學實驗教學評價體系，為高等學校土力學教育教學改革和發展提供參考。

一、土力學的多學科交叉融合

（一）土力學與材料學

土力學與材料學的學科交叉融合，顧名思義是將新型土木工程材料的應用場景納入土力學范疇內，通過土力學實驗對其具體性質進行測試與表征。以沿海軟土改良這一工程背景為例，軟土廣泛分布于我國東南沿海，具有孔隙比大、含水率高、強度低、滲透性差等諸多特點，在實際工程中軟土往往需要處理后方可使用，現階段的處理方式往往是通過摻入水泥、粉煤灰、礦渣及微硅粉等無機膠凝材料與土混合后發生化學反應，生成的凝膠礦物填充土體孔隙并同土顆粒搭接形成穩定的骨架結構，進而提高軟土地基的物理力學性能，以解決巖土工程中土體破壞、強度降低等問題。

在土力學與材料學交叉融合背景下，已開展了大量相關土力學試驗，如通過滲透實驗、無側限抗壓強度實驗、掃描電鏡實驗等系列土力學室內實驗系統研究了無機非金屬材料與固體廢棄物協同固化土壤的作用機理。土力學實驗的研究成果有效指導了現場實際工程設計與施工，但現階段土力學實驗教學中涉及較少，少量介紹仍從土的角度開展，往往忽視了材料學的相關背景與實驗操作，難以從機理層面揭示新材料在土力學范疇內的作用機制，進行土力學與材料學交叉融合背景下的土力學實驗教學改革十分必要。

（二）土力學與生物學

土力學與生物學的學科交叉融合，指的是將生物學的方法應用于土力學范疇內，進而通過土力學實驗對生物巖土工程問題進行測試，現階段兩者深度交叉融合的典型當屬微生物巖土工程領域，也就是微生物誘導碳酸鈣沉淀技術（MICP），應用MICP這種低碳環保的新興技術解決巖土工程問題是土力學與生物學交叉融合的熱點。MICP技術的原理在于利用土中自帶的細菌產生脲酶，脲酶可進一步催化尿素水解反應，使細菌周圍生成碳酸根離子。細菌表面帶有負電荷，通過吸附自然界或人為加入的鈣源離子產生碳酸鈣沉淀，附著于土體表面，填充土體孔隙起到膠結作用。

在土力學與生物學交叉融合背景下，已開展了大量相關土力學試驗，典型如通過滲透實驗、無側限抗壓強度實驗、毒性浸出實驗、三軸實驗等系列土力學室內實驗系統研究了微生物加固土的物理力學性能提升機理。上述土力學實驗的研究成果為微生物巖土工程的科學探索與工程應用提供了參考，但在現階段的土力學實驗中，涉及兩者交叉下的土力學實驗教學仍然較少，多數微生物加固土實驗仍依據常規土力學實驗方法及流程開展，往往忽視了生物學的基礎理論與微生物的特殊生存條件，造成相關土力學實驗結果與實際情況不符的情況，故進行土力學與生物學交叉融合背景下的土力學實驗教學改革是必要的。

（三）土力學與環境工程學

土力學與環境工程學的學科交叉融合，即在土力學知識體系內解決部分環境工程領域問題，通過土力學實驗的方式對相關問題進行測試與表征。在此背景下，當前兩者深度交叉融合的典范當屬土壤污染問題，也就是通過一定技術手段改變污染土的土力學特性，使得土體中的污染物遷移能力下降，進而實現對污染土的治理與修復，最終推進環境友好型城市的建設發展。

在土力學與環境工程學交叉融合背景下，已開展了大量相關土力學試驗，典型如通過滲透實驗、三軸剪切實驗、熱通量實驗、毒性浸出實驗等系列土力學實驗研究了無機膠凝材料固化污染土的物理力學性能演化規律與污染物溶出特性［3-5］。上述土力學實驗的研究成果為污染土處治技術的工程應用提供了科學依據，但在現階段土力學實驗中，涉及兩者交叉下的土力學實驗教學仍然較少，多數污染土實驗依據常規土力學實驗方法開展，對于污染土的理化特性認識存在不足，故進行土力學與環境工程學交叉融合背景下的土力學實驗教學改革十分必要。

（四）土力學與計算機科學

土力學與計算機科學的學科交叉融合，是將計算機科學與技術應用于土力學范疇內，尤其是土力學實驗教學過程中，通過新興技術優勢重新煥發傳統工科實驗教學的活力。在此背景下，兩者深度交叉融合的典范當屬虛擬仿真實驗室，這種依托虛擬仿真技術模擬真實物理系統方法，在土力學實驗教學過程中得到了廣泛應用，該技術具有沉浸性、交互性等優點［6］。

在土力學與計算機科學交叉融合背景下，部分高等院校已建立了虛擬教學實驗室，如教師通過虛擬仿真平臺進行直接剪切實驗、三軸剪切實驗，使得學生更直觀地了解土體破壞過程，這種土力學實驗教學手段不受時空的限制，但多為教師演示性操作，無法形成師生互動式交流，其原因是當前的土力學實驗教學尚未將這一新興教學手段納入教學體系中，不利于土力學與計算機科學的進一步交叉融合，故進行兩者深度交叉融合背景下的土力學實驗教學改革是十分必要的。

二、土力學實驗教學改革

（一）實驗項目

現階段土力學實驗以傳統實驗項目為主，缺乏創新性與先進性，導致學生學習土力學實驗的主觀能動性不高。在多學科交叉融合背景下，應進一步拓展與深化土力學實驗項目，具體如下：

1. 增設演示性實驗項目。在多學科交叉融合背景下，演示性土力學實驗可以通過虛擬土力學實驗室，以線下線上相結合的方式開展，具體項目涵蓋月壤微觀結構實驗、土體凍融循環實驗、南海珊瑚砂顆粒破碎實驗等，教師從選擇試驗設備、確定試驗方法、進行試驗操作、撰寫試驗報告進行系統性的演示性實驗，提升土力學教學實驗的趣味性與前沿性。

2. 增設設計型實驗項目。在多學科交叉融合背景下，設計型土力學實驗項目可以通過分組成團的方式開展，通過不同的參數設計及優化，協同完成系列土力學實驗，具體項目可以涵蓋加筋擋墻實驗、地基模型振動臺實驗等，在這一過程中，充分調動學生的主觀能動性，增強學生的體驗感與參與度，使之進一步了解學科交叉融合在實際工程中的應用。

3. 增設多元化實驗項目。在多學科交叉融合背景下，多元化土力學實驗項目需要融合材料學、生物學、環境工程學等不同學科特點，通過傳統土力學實驗手段研究學科交叉融合產生的科學與工程問題，如水泥固化土抗剪強度實驗、微生物礦化土動力特性實驗、污染土毒性浸出實驗等，進一步提升學科交叉融合在土力學實驗教學中的定位。

（二）實驗設備

傳統土力學實驗設備較為昂貴，教學過程中存在實驗設備短缺的情況，面臨多學科交叉融合時，實驗設備的使用往往難以在時間與空間下形成契合點，導致土力學實驗教學過程中往往會出現一系列問題，在一定程度上影響了土力學實驗教學質量提升。在此背景下，可以建立虛擬土力學實驗室，實現實驗設備多樣化、實驗空間固定化、實驗時間可控化、實驗操作獨立化、實驗項目交叉化等系列目標，有利于節約土力學實驗設備購置與維護成本，促使師生更高效、直觀、系統地開展土力學實驗教學，最終促進學科理念創新發展、學科內容交叉融合。

（三）實驗課程

傳統土力學實驗教學往往專注于常規土工實驗，多數實驗項目及實驗課程已數十年未更新，部分實驗已非當下土力學范疇內的重點方向。在多學科交叉融合背景下，需將土力學實驗教學課程重新整合設計，在實驗課程中應適當壓縮非重點實驗教學項目，將無側限抗壓強度實驗、滲透試驗、三軸剪切實驗等重點實驗項目與材料學、生物學、環境工程學、計算機科學等進行深度交叉融合，并納入土力學實驗教學課程中，這種實驗課程的整合并非實驗項目的刪減或增加，而是多學科交叉融合背景下實驗課時的“遷移”，進而達到土力學實驗課程多元化、現代化的教學改革目標。

（四）實驗教材

傳統土力學實驗教學除教材外，往往會參考《土工試驗方法標準》《公路土工試驗規程》等標準，這些教材本質上都是以紙質版為主，內容過于理論化、流程化，導致學生難以深刻領悟多學科交叉融合背景下的土力學實驗項目。在數字化新時代，應轉變傳統教育教學理念，教師應依據現代信息化技術，以數字形態賦能傳統土力學實驗教材，師生依托電子終端系統，通過閱讀、編輯、標注等系列手段汲取動態可視化土力學實驗教材中的精華，有利于實現教材生動化、形象化的目標，突破了多學科交叉融合在實驗教材層面的壁壘。

三、土力學實驗教學評價

評價體系創新是多學科交叉融合背景下土力學實驗教學改革與探索的攻堅戰，應打破傳統觀念上的單一評價體系，創建多元協同的土力學實驗教學評價體系，這一評價體系應以評價不是目的為準則，以師生、生生自主評價與互相評價為特色，堅持教師引導與實驗過程評價相結合，評價過程應如下：

1. 堅持目標的正確性。在多學科交叉融合背景下，土力學實驗教學評價體系一定要有著正確、正向的目標導向，切勿因教學評價體系的存在而限制了土力學實驗教學的思維發散性與課程先進性，應以適應國家發展之態勢為目標，將立德樹人作為檢驗學校一切教學工作的根本標準，形成高水平的工科專業人才培養體系。

2. 強調評價的客觀性。在多學科交叉融合背景下，土力學實驗教學評價體系應多些技術客觀性，也就是傾向于使用線上電子化記錄手段去確保評價系統的科學化、精確化。教師可選擇線上發布土力學實驗教學任務，通過教學過程中學生在線學習投入時間、在線學習活動頻率、在線實驗操作情況等，通過系統自動生成客觀性評價，利于優化學生自主學習路徑。

3. 突出體系的多元性。在多學科交叉融合背景下，土力學實驗教學評價應以學生為主體構建多元協同體系。完成土力學實驗教學后，教師可要求學生在線提交實驗報告，總結與反思實驗過程的不足之處，考核學生分析問題和解決問題的能力，并將這一系列過程都納入土力學實驗教學評價中。需要指出的是，針對多學科交叉融合的特征，師生可以憑借土力學實驗途徑是否合理為標準，以自主評價與互相評價相結合的方式突出土力學實驗教學評價體系的多元化特征，促進多學科交叉融合背景下土力學實驗教學的可持續良性發展。

四、結語

新工科背景下，傳統工科專業實驗教學應注重多學科交叉融合的特點，不斷改進教學方法與教學內容。在此背景下，土力學實驗教學首先應該以土力學與材料學、土力學與生物學、土力學與環境工程學、土力學與計算機科學為四個主要抓手，將其學科交叉融合的特征作為土力學實驗教學改革的根本。其次，應從實驗項目、實驗設備、實驗課程以及實驗教材四個方面深化土力學實驗教學改革措施，重點突出虛擬實驗室在土力學實驗教學中的定位和作用，切實提高師生教學體驗感，提升學生的主觀能動性；最后，創新并優化土力學實驗教學評價體系，突出目標正確性、評價客觀性與體系多元性的特征。多學科交叉融合背景下土力學實驗教學順應了新工科的潮流，滿足傳統工科專業復合型人才培養的需求，為高等學校土力學教育教學改革和發展提供參考。

參考文獻：

［1］ 李寶斌，許曉東. 新工科教育范式下的教學學術發展［J］. 高等工程教育研究，2020（04）：188-194.

［2］ 周莉，韓雪，楊海濤. 應用型人才培養的土力學實驗教學模式改革與實踐［J］. 黑龍江高教研究，2014（03）：168-170.

［3］ 伍浩良，薄煜琳，杜延軍，等. 堿激發高爐礦渣固化鉛污染土酸緩能力、強度及微觀特性研究［J］. 巖土工程學報，2019，41（S1）：137-140.

［4］ 魏明俐，伍浩良，杜延軍，等. 凍融循環下含磷材料固化鋅鉛污染土的強度及溶出特性研究［J］. 巖土力學，2015，36（S1）： 215-219.

［5］ 夏威夷，馮亞松，杜延軍，等. 羥基磷灰石基固化劑異位固化穩定化修復重金屬污染場地試驗研究［J］. 東南大學學報（自然科學版）， 2018，48（03）：549-556.

［6］ 陳劍為，田君華，陳曦，等. 土力學虛擬仿真實驗模塊的開發與建設［J］. 高等建筑教育，2018，27（06）：155-160.

（責任編輯：羅欣）