“土力學(xué)課程設(shè)計”任務(wù)書生成輔助軟件研制與應(yīng)用體會

馬淑芝 賈洪彪

摘要“土力學(xué)課程設(shè)計”屬于實踐環(huán)節(jié)內(nèi)容，是培養(yǎng)學(xué)生綜合運用專業(yè)知識、工程實踐能力和創(chuàng)造精神的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。文章分析了傳統(tǒng)“土力學(xué)課程設(shè)計”開展過程中遇到的一系列問題以及所開發(fā)的“土力學(xué)課程設(shè)計”任務(wù)書生成輔助軟件。利用該軟件，可以很方便地創(chuàng)建、管理和重復(fù)利用課程設(shè)計的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息，可以選擇課程設(shè)計主題、設(shè)計任務(wù)、工程場地條件與建筑物規(guī)模，自主組合課程設(shè)計任務(wù)，滿足不同基礎(chǔ)、不同學(xué)習(xí)興趣與鉆研深度的學(xué)生進行課程設(shè)計的需求。利用該軟件，可以快速生成與導(dǎo)出“土力學(xué)課程設(shè)計”任務(wù)書，并避免數(shù)據(jù)與任務(wù)不匹配等錯誤的發(fā)生，方便實現(xiàn)學(xué)生一人一題，從而解決傳統(tǒng)課程設(shè)計的弊端，具有推廣價值。

關(guān)鍵詞 土力學(xué)；課程設(shè)計；任務(wù)書；輔助軟件

中圖分類號：G424文獻標識碼：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2023.13.030

“土力學(xué)”是地質(zhì)工程、土木工程等專業(yè)的核心課，它以力學(xué)和工程地質(zhì)學(xué)的知識為基礎(chǔ)，研究與工程建筑有關(guān)的土的變形和強度特性，并據(jù)此計算土體的固結(jié)與穩(wěn)定，為各項專門工程服務(wù)。“土力學(xué)”具有很強的工程實踐背景，必須要讓每一位學(xué)生積極動手才能夠找到“感覺”[1]。因此，在課程學(xué)習(xí)中引入實踐教學(xué)環(huán)節(jié)非常必要。在這樣的背景下，越來越多的高校在新修編的培養(yǎng)計劃中專門增設(shè)了“土力學(xué)課程設(shè)計”，既體現(xiàn)了原有傳統(tǒng)專業(yè)課程在新工科背景下打造“新工科課程”的時代需求，也充分體現(xiàn)了人才培養(yǎng)過程中對于實踐能力培養(yǎng)的重視，與“專業(yè)精深、知行合一”的人才培養(yǎng)目標相適應(yīng)。通過課程設(shè)計，實現(xiàn)理論聯(lián)系實際，不僅讓學(xué)生明確了如何用土力學(xué)的基本理論去解決工程實踐中的相關(guān)問題，也增強了對課程體系的認知，“土力學(xué)課程設(shè)計”成為土力學(xué)課程學(xué)習(xí)的重要補充。

針對如何開展好“土力學(xué)課程設(shè)計”環(huán)節(jié)，達成課程設(shè)計的育人育才效果，課程團隊近年來開展了系列的改革與探索，尤其是重點開發(fā)了“土力學(xué)課程設(shè)計”任務(wù)書生成輔助軟件，使得這項培養(yǎng)任務(wù)更能落到實處。本文介紹了該輔助軟件的開發(fā)過程與使用中的效果與體會，以交流實踐課程建設(shè)的經(jīng)驗，共同關(guān)注課程教學(xué)改革，提高人才培養(yǎng)質(zhì)量。

1“土力學(xué)課程”設(shè)計中的常見問題

“土力學(xué)課程設(shè)計”與大多數(shù)其他課程一樣，其出發(fā)點是增強學(xué)生對于基礎(chǔ)知識的掌握，得到良好的實訓(xùn)，增強實踐能力和創(chuàng)新能力的鍛煉。而在實施過程中遇到的這些問題，使得課程設(shè)計的效果受到很大影響，不能很好地達到最初設(shè)想和鍛煉目的。經(jīng)過梳理，主要有以下幾個方面的問題：

①傳統(tǒng)的方法課程設(shè)計任務(wù)選題較為單一，甚至于全班同學(xué)都是同一個題目，內(nèi)容單調(diào)、枯燥，模式單一、刻板，不僅限制了學(xué)生個性和思維的發(fā)展，難以差異化鍛煉學(xué)生，也不能結(jié)合學(xué)生的興趣開展，不能做到因材施教。因此，開發(fā)豐富的課程設(shè)計題目尤為重要[2-3]。如果僅靠教師人工布置課程設(shè)計的作業(yè)，要改變基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息，繪制場地地質(zhì)條件、地層剖面圖以及建筑物，涉及的工作量比較大，豐富化的題目是很難實現(xiàn)的。

②土力學(xué)往往面對地質(zhì)工程、巖土工程、地下工程、結(jié)構(gòu)工程、道橋工程等不同的專業(yè)及方向，各方向?qū)τ谕亮W(xué)課程設(shè)計的重點是不同的，但統(tǒng)一的設(shè)計題目難以和專業(yè)方向有更好的銜接，學(xué)生完成的課程設(shè)計內(nèi)容較為單一，不利于對專業(yè)方向的理解與把握[4]。

③課程設(shè)計教學(xué)的模式基本以教師命題、學(xué)生按要求完成為主，學(xué)生處于一個被動地位，主動性不強，自身的思考能力和創(chuàng)新能力未被充分激發(fā)。同時忽視了一部分學(xué)有余力、能夠進行更復(fù)雜類型基礎(chǔ)設(shè)計的學(xué)生，這部分學(xué)生可能失去一些鍛煉自己能力的機會。

④課程設(shè)計通常安排在課程結(jié)束之后、考試周之前進行，一方面學(xué)生忙于應(yīng)考，而且受到放假時間的影響，心理上會比較放松、散漫，精力不夠集中，往往導(dǎo)致設(shè)計粗糙，對設(shè)計內(nèi)容未進行細致的分析研究，理論與實際脫節(jié)，對于設(shè)計中出現(xiàn)的錯誤不能認真修改[5-6]。這樣，課程設(shè)計的效果就會大打折扣。

⑤采用統(tǒng)一的課程設(shè)計任務(wù)書，學(xué)生之間相互抄襲的現(xiàn)象常有發(fā)生，不僅達不到課程設(shè)計的目的，學(xué)生獨立思考和解決問題的能力不能得到鍛煉[7-9]，還有悖于立德樹人的目標，助長了一些不好的風(fēng)氣。

2“土力學(xué)課程設(shè)計”任務(wù)書生成輔助軟件的開發(fā)

2.1輔助軟件的構(gòu)成

針對上述問題，課程組開發(fā)了“土力學(xué)課程設(shè)計”任務(wù)書生成輔助軟件，該軟件基于Python語言編寫。利用該軟件，教師或?qū)W生可以選取課程設(shè)計所需要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息及不同的課程設(shè)計任務(wù)，自動生成課程設(shè)計任務(wù)書文件（.doc）。軟件由“建筑物概況”“土層信息維護”“場地信息”“課設(shè)任務(wù)設(shè)計”以及“課設(shè)任務(wù)書生成”五個屬性頁組成。用戶界面如圖1所示（p95）。

2.2輔助軟件的功能與使用

2.2.1模塊的關(guān)聯(lián)關(guān)系

課程設(shè)計基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息包括建筑物、各土層性質(zhì)和工程場地三部分，分別在“建筑物概況”（圖1（d））、“土層信息維護”（圖1（f））、“場地信息”（圖1（e））三個屬性頁中進行管理。“課設(shè)任務(wù)書生成”為終端界面，它需要調(diào)用“建筑物概況”“土層信息維護”“場地信息”和“課設(shè)任務(wù)設(shè)計”4個屬性頁內(nèi)建立的信息。“建筑物概況”“土層信息維護”和“課設(shè)任務(wù)設(shè)計”為末端界面，其中的數(shù)據(jù)輸入、選項選擇等不依賴于別的界面上的數(shù)據(jù)等信息。而“場地信息”則需要調(diào)用“土層信息維護”里的土層信息數(shù)據(jù)。在軟件使用過程中，可以隨時添加土層的數(shù)據(jù)信息，并會關(guān)聯(lián)出現(xiàn)在“場地信息”界面內(nèi)備調(diào)用。同樣“建筑物概況”“場地信息”和“課設(shè)任務(wù)設(shè)計”屬性頁界面內(nèi)信息的改變也會直接改變或間接關(guān)聯(lián)“課設(shè)任務(wù)書生成”界面。

2.2.2建筑物信息

建筑物信息包括建筑物基本信息和圖形信息兩部分，分別在“建筑物概況”屬性頁（圖1（d））的左側(cè)中下和右側(cè)兩個欄目中進行設(shè)置與管理。

建筑物展示圖由建筑物的基本信息數(shù)據(jù)進行繪制，有三維圖和鳥瞰平面圖兩種。可以通過調(diào)整軟件整體窗口和圖下方的活動窗口調(diào)控位置調(diào)至協(xié)調(diào)的圖形縱橫比例，通過[保存圖像]按鈕實現(xiàn)圖件保存，并同步建立圖形文件與本建筑物的關(guān)聯(lián)，后續(xù)任務(wù)書生成時可自動調(diào)用。

2.2.3土層信息

土層信息包括土的名稱（描述）、類別、工程性質(zhì)指標和工程性質(zhì)曲線圖。工程性質(zhì)指標包括三相指標、壓縮性、抗剪強度和其他指標，在“土層信息”界面右側(cè)欄目中進行輸入和編輯（圖1（f））。根據(jù)已輸入的土層性質(zhì)數(shù)據(jù)可以生成土層性質(zhì)曲線圖（壓縮試驗的“e-p曲線”或“e-lgp曲線”“直剪試驗曲線”和“三軸強度曲線”等）（圖形展示位于圖1（f）左下），保存圖件會自動直接關(guān)聯(lián)圖件文件至本土層信息中，在后續(xù)任務(wù)書生成時可自動調(diào)用。

2.2.4場地信息

在“場地信息”界面中可進行工程場地信息的設(shè)置、信息瀏覽和任務(wù)書生成時的模板管理等。工程場地信息主要包括場地地下水埋深、場地地層信息和柱狀圖。“場地地層信息”欄目如圖3所示。每個土層可以通過[土層鏈接]下拉列表選擇在“土層信息維護”界面建立的土層代號，并即時將相應(yīng)土層的信息調(diào)入，以便在“列表查看地層信息”和“地層柱狀圖”欄目中引用。

在“場地信息”界面右側(cè)欄中生成場地的土層柱狀圖（圖1（e））。和其他圖形一樣，生成的柱狀圖可以保存成文件，并自動建立圖形文件與本工程場地的關(guān)聯(lián)，以備后續(xù)自動調(diào)用。

軟件提供的任務(wù)書模板管理，可以供用戶設(shè)置、管理和調(diào)用報表和圖件的格式，主要包括“任務(wù)書輸出報表模板管理”和“柱狀圖模板管理”。

2.2.5課設(shè)任務(wù)設(shè)計

課程設(shè)計的任務(wù)設(shè)計在“課設(shè)任務(wù)設(shè)計”界面內(nèi)完成（圖1（c））。設(shè)計任務(wù)設(shè)置了“淺基礎(chǔ)變形與強度驗算”和“基坑支護設(shè)計”兩個板塊。通過選擇并編寫各種驗算內(nèi)容、驗算方法以及討論不同方法之間的聯(lián)系與差異，使得生成的任務(wù)書能從更多維度上考查完成者在不同知識點上的掌握程度。

每個課程任務(wù)選項后面都有個[任務(wù)說明]按鈕，幫助用戶查看本項任務(wù)的內(nèi)容，以輔助用戶確定是否選擇該項任務(wù)。

2.2.6課程設(shè)計任務(wù)書

課程設(shè)計任務(wù)書生成是在選擇已設(shè)置好的場地、建筑物、設(shè)計任務(wù)和輸出模板后，點擊“生成任務(wù)書初稿”自動生成任務(wù)書，右側(cè)欄內(nèi)可瀏覽任務(wù)書各項（圖1（b））。軟件能夠?qū)⑷蝿?wù)書輸出保存為.doc格式文件，并提供鏈接外部word軟件的接口，直接調(diào)用word軟件打開生成的任務(wù)書doc文件。

軟件提供數(shù)據(jù)檢查功能（點擊[檢查數(shù)據(jù)]按鈕），可以輔助檢測任務(wù)書生成中各選項是否存在問題或矛盾，提醒諸如“沒有預(yù)設(shè)任務(wù)信息，請先在<課程任務(wù)設(shè)計>屬性頁界面建立任務(wù)信息”“基坑深度與支護方式是否匹配”等問題信息，告知用戶問題所在。

總而言之，利用本軟件系統(tǒng)，在建立數(shù)據(jù)信息之后，通過選項組合，由計算機自動進行數(shù)據(jù)整合、圖件繪制、信息匹配檢查、任務(wù)書文本組織等工作，快速自動生成《“土力學(xué)課程設(shè)計”任務(wù)書》，大大降低了設(shè)計課程設(shè)計任務(wù)書的工作量，同時以圖件的形式將建筑物和地層信息展示出來，提高了課設(shè)任務(wù)書的質(zhì)量。

3輔助軟件的益處與效果

“土力學(xué)課程設(shè)計”任務(wù)書生成輔助軟件至今已經(jīng)使用于2屆學(xué)生中，從師生反饋來看，大家對于該軟件用于課程設(shè)計表現(xiàn)出了極大的興趣和認可。總體上來講，借助該輔助軟件，可以設(shè)定不同建筑形式、場地條件、土層情況組成的多種設(shè)計場景，可以建立充足與豐富的設(shè)計任務(wù)，方便教師布置多份不同的課程設(shè)計任務(wù)，讓學(xué)生分組進行不同的課程設(shè)計，大大降低教師的工作量；學(xué)生也可以借助該輔助軟件，根據(jù)自身學(xué)習(xí)情況及興趣選擇不同復(fù)雜程度的設(shè)計要求，自行選題，自動生成與之相匹配的課程設(shè)計任務(wù)，激發(fā)個人學(xué)習(xí)興趣，鼓勵了創(chuàng)新性。同時，多份課程設(shè)計任務(wù)書避免了課程設(shè)計內(nèi)容相同導(dǎo)致學(xué)生之間互相抄襲的情況，又能因材施教，使每個學(xué)生都在完成最基本設(shè)計的基礎(chǔ)上根據(jù)自身情況加大設(shè)計的深度、難度，充分開發(fā)學(xué)生的潛能。

4結(jié)語

“土力學(xué)課程設(shè)計”屬于“土力學(xué)”課程實踐教學(xué)環(huán)節(jié)的內(nèi)容，是培養(yǎng)學(xué)生綜合運用專業(yè)知識、工程實踐能力和創(chuàng)造精神的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。“土力學(xué)課程設(shè)計”任務(wù)書生成輔助軟件是一款可以完成土力學(xué)課設(shè)任務(wù)書自主生成與導(dǎo)出的軟件，可以使課程設(shè)計任務(wù)書中的各項數(shù)據(jù)以及具體設(shè)計內(nèi)容、要求等更加多樣化，降低更新、編輯與參考工程信息所耗費的時間與精力。

可以依托該軟件選擇不同課程設(shè)計主題、任務(wù)類型及地基復(fù)雜程度、建筑物規(guī)模，快速生成不同的課程設(shè)計任務(wù)書，滿足學(xué)生分組設(shè)計及不同的學(xué)習(xí)興趣與鉆研深度，有利于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的激情與創(chuàng)新性、探索性。

基金項目：中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）本科教學(xué)改革研究項目（2021A15）。

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