新工科背景下地方高校土力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)探析

張李楊，郝英奇，馬 巍，何夕平

（安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230601）

土力學(xué)是“土力學(xué)與基礎(chǔ)工程”課程的簡(jiǎn)稱，是土木、水利、地質(zhì)等類專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)核心課程之一，在培養(yǎng)建設(shè)工程基礎(chǔ)建設(shè)方面的專業(yè)人才具有極其重要的作用。在世界高等教育面臨新機(jī)遇、新挑戰(zhàn)之際，教育部推行“新工科”建設(shè)[1]，促使已經(jīng)站在新的歷史起點(diǎn)我國高等學(xué)校的教育改革，更加需要加快建設(shè)和發(fā)展新工科。高等教育大眾化階段，地方高校在人才培養(yǎng)、服務(wù)區(qū)域經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會(huì)發(fā)展中扮演著重要角色，對(duì)區(qū)域的轉(zhuǎn)型升級(jí)、產(chǎn)業(yè)輻射帶動(dòng)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展發(fā)揮著重要作用，是新工科建設(shè)的不可或缺的力量[2]。

安徽建筑大學(xué)根據(jù)“新工科”建設(shè)的基本理念，立足地方高校服務(wù)面向，積極融入滬蘇浙皖“長三角”地區(qū)創(chuàng)新發(fā)展體系，主動(dòng)適應(yīng)區(qū)域經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的需求[3]，對(duì)土力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程做出了教學(xué)改革嘗試，為相關(guān)專業(yè)課程的建設(shè)發(fā)展提供了借鑒。

1 面向新工科的土工實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念

教育部在推動(dòng)“新工科”建設(shè)工作過程中，形成了“復(fù)旦共識(shí)”“天大行動(dòng)”“北京指南”等三份重要文件[4-6]。從“新工科”建設(shè)的三份綱領(lǐng)性文件來看，隨著新興的工業(yè)革命席卷全球，學(xué)科交互融合不斷加深，人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等新的技術(shù)出現(xiàn)，產(chǎn)業(yè)布局發(fā)生重大變化，對(duì)人才的能力需求也隨之發(fā)生相應(yīng)的改變[7]。“新工科”建設(shè)是我國高等改革的重大戰(zhàn)略需要，反映了國家在工程教育發(fā)展方面的新思維、新方式，對(duì)促進(jìn)以新技術(shù)、新業(yè)態(tài)、新模式為特點(diǎn)的循環(huán)綠色經(jīng)濟(jì)發(fā)展[8]具有十分重要的意義。

“新工科”建設(shè)背景下，高等院校應(yīng)主動(dòng)作為，建設(shè)服務(wù)國家戰(zhàn)略、滿足產(chǎn)業(yè)行業(yè)需求，面向未來發(fā)展需要的工程類專業(yè)[9]。土木、水利、地質(zhì)等類學(xué)科專業(yè)不僅支撐了國家基礎(chǔ)工程建設(shè)的快速發(fā)展，而且還在部分領(lǐng)域助力國家重大戰(zhàn)略的實(shí)現(xiàn)。面對(duì)新工科建設(shè)，對(duì)為國家基礎(chǔ)工程建設(shè)作出較大貢獻(xiàn)的此類專業(yè)，應(yīng)賦予社會(huì)主義核心價(jià)值觀教育，致力培養(yǎng)專業(yè)基本功扎實(shí)、有全球視野、具有實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力，能適應(yīng)快速變化和解決復(fù)雜問題能力的工程技術(shù)人才[10]。

土力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)著力培養(yǎng)學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)，鞏固所學(xué)的土力學(xué)理論知識(shí)，提高分析問題解決工程問題的能力。“新工科”建設(shè)背景下，學(xué)校的土力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念是：落實(shí)立德樹人根本任務(wù)，圍繞知識(shí)體系和課程能力要求，契合人才培養(yǎng)目標(biāo)，培養(yǎng)學(xué)生的工程意識(shí)，提高解決工程問題的能力，努力培養(yǎng)新時(shí)代合格土木工程類、礦山建設(shè)類等領(lǐng)域工程技術(shù)人才。學(xué)校土力學(xué)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)理念如圖1所示。

圖1 土力學(xué)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)理念

2 地方高校土力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的主要問題

2.1 工程理念培養(yǎng)不足

土力學(xué)實(shí)驗(yàn)課程一般包含土的工程分類、物理狀態(tài)試驗(yàn)、壓縮固結(jié)試驗(yàn)、三軸壓縮試驗(yàn)等主要內(nèi)容。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)是先學(xué)習(xí)理論知識(shí)，然后通過實(shí)驗(yàn)操作來感悟和理解知識(shí)點(diǎn)[11]。基本不變的土力學(xué)實(shí)驗(yàn)帶有程序化或觀摩性質(zhì)的課程，偏離了土力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念，從而不能較好地培養(yǎng)大學(xué)生的工程能力和綜合應(yīng)用能力。調(diào)研還發(fā)現(xiàn)，部分地方高校對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)重視不夠，土力學(xué)理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)脫離、實(shí)踐教學(xué)時(shí)間被壓縮，沒有足夠的實(shí)驗(yàn)教學(xué)讓學(xué)生觀察土、實(shí)驗(yàn)土和思考土，導(dǎo)致了土力學(xué)實(shí)驗(yàn)的科學(xué)性缺失。

2.2 土力學(xué)實(shí)驗(yàn)課“弱化”問題

土力學(xué)實(shí)驗(yàn)過程存在著“弱化”傾向。土力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)，通常先由實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師進(jìn)行實(shí)驗(yàn)演示和實(shí)驗(yàn)講解等教學(xué)活動(dòng)，然后學(xué)生再被分組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)、獲得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。從實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程來看，是教師先“做”實(shí)驗(yàn)，學(xué)生再做；從實(shí)驗(yàn)報(bào)告看，學(xué)生基本上按照給定的要求及格式完成實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的填寫及相關(guān)內(nèi)容，使得實(shí)驗(yàn)變成了簡(jiǎn)單的“走過場(chǎng)”，學(xué)生尚未感受到土力學(xué)實(shí)驗(yàn)的實(shí)質(zhì)，不能夠做到實(shí)踐和理論并重，與實(shí)驗(yàn)教學(xué)目的相違背。

2.3 土力學(xué)實(shí)驗(yàn)報(bào)告內(nèi)容重復(fù)、考核簡(jiǎn)單

“新工科”建設(shè)已經(jīng)成為國內(nèi)高等學(xué)校的教學(xué)改革和發(fā)展方向，為了更好地培養(yǎng)學(xué)生的工程素養(yǎng)和實(shí)踐創(chuàng)新能力，如何設(shè)置合理的土力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)以及實(shí)驗(yàn)報(bào)告內(nèi)容和形式，依然是土力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)急需解決的問題。大部分地方高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)一段時(shí)期內(nèi)處于“教師演示，學(xué)生觀察”或“少數(shù)學(xué)生動(dòng)手，多數(shù)學(xué)生旁觀”的狀態(tài)，實(shí)驗(yàn)報(bào)告的格式與內(nèi)容多年不變，這種情形同樣存在于學(xué)校的土力學(xué)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中[12]。

在土力學(xué)實(shí)驗(yàn)課程考核環(huán)節(jié)，考核的內(nèi)容及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)主要依賴于實(shí)驗(yàn)報(bào)告。由于實(shí)驗(yàn)報(bào)告的內(nèi)容和形式都是先前給定，這種考核方式既不能衡量學(xué)生的真實(shí)水平，也不利于培養(yǎng)其創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力。

3 面向新工科的土力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索

3.1 修訂實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱，重構(gòu)實(shí)驗(yàn)?zāi)K

學(xué)校的土力學(xué)實(shí)驗(yàn)面向土木工程、城市地下空間工程、勘察技術(shù)與工程、地質(zhì)工程等專業(yè)開設(shè)。“新工科”背景下，學(xué)生不僅需要有扎實(shí)的土力學(xué)專業(yè)基礎(chǔ)理論知識(shí)，還要求具備相關(guān)課程知識(shí)、融合學(xué)習(xí)和應(yīng)用創(chuàng)新能力[13]。土力學(xué)實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)目的是加深學(xué)生對(duì)土力學(xué)理論知識(shí)的理解與掌握，著力培養(yǎng)大學(xué)生的工程實(shí)踐能力以及創(chuàng)新能力。

“新工科”背景下的教學(xué)理念應(yīng)貫穿實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中。在課程實(shí)驗(yàn)中設(shè)置能夠引導(dǎo)或啟發(fā)大學(xué)生思考的土的物理力學(xué)特性等相關(guān)問題，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力。學(xué)校根據(jù)培養(yǎng)目標(biāo)，調(diào)整土力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱，圍繞知識(shí)體系和能力要求，將土力學(xué)課程實(shí)驗(yàn)設(shè)置了三個(gè)模塊，將理論課和實(shí)驗(yàn)課同時(shí)展開，做到理論與實(shí)踐相互促進(jìn)。設(shè)置的三個(gè)模塊概括為“性質(zhì)”、“狀態(tài)”和“性能”，每個(gè)模塊嵌入相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。實(shí)驗(yàn)?zāi)K見表1。

表1 土力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模塊表

通過這三個(gè)模塊的設(shè)置，學(xué)生了解三個(gè)模塊之間的關(guān)系，對(duì)土力學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容有了清晰的認(rèn)識(shí)。

3.2 轉(zhuǎn)變教師角色，創(chuàng)新教學(xué)方式

面向“新工科”建設(shè)，教師由知識(shí)傳授者，轉(zhuǎn)變?yōu)榻虒W(xué)的指導(dǎo)者、引導(dǎo)者。土力學(xué)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中采用體驗(yàn)式、研討式教學(xué)和“翻轉(zhuǎn)課堂”，讓學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的全過程。隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”的快速發(fā)展，采用線上、線下結(jié)合的方式，將傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)與“翻轉(zhuǎn)課堂”相聯(lián)合。“翻轉(zhuǎn)課堂”在實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容組織上，貫串三個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)K的知識(shí)點(diǎn)和聯(lián)系，采用實(shí)驗(yàn)任務(wù)設(shè)計(jì)、問題設(shè)計(jì)等方式，加深和鞏固土力學(xué)的基本概念和理論。在體驗(yàn)式和研討式教學(xué)中，學(xué)生們交流討論，相互提出問題，自己動(dòng)手解決問題，提高了大學(xué)生的工程實(shí)踐能力及綜合應(yīng)用能力。如在經(jīng)過土的剪切實(shí)驗(yàn)教學(xué)后，學(xué)生能夠分析確定地基承載力、邊坡強(qiáng)度、基坑穩(wěn)定性等工程問題。

3.3 結(jié)合工程建設(shè)，授學(xué)生以漁

實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師從“準(zhǔn)備、過程、結(jié)束”的三個(gè)環(huán)節(jié)提出要求，學(xué)生做到全員全過程響應(yīng)，用眼觀土，用手觸土，用心思土。從土力學(xué)實(shí)驗(yàn)的第一節(jié)課開始，要求學(xué)生學(xué)會(huì)現(xiàn)場(chǎng)識(shí)別取土地點(diǎn)，采選土樣，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)之前的土樣烘干、打碎、去除雜質(zhì)等前期準(zhǔn)備工作；實(shí)驗(yàn)過程，要求學(xué)生全員動(dòng)手操作，感受土體的黏性、形變、粒徑等特征，認(rèn)知土壤含水量以及液限、塑限等物理狀態(tài)量；實(shí)驗(yàn)結(jié)束，學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行總結(jié)歸納，提出問題、查閱資料和聯(lián)系實(shí)際解決問題。學(xué)生能夠從全過程中清晰土樣樣品的來源和制作過程，對(duì)有些概念如液塑限就有了比較直觀的感受，能夠明晰土力學(xué)實(shí)驗(yàn)的嚴(yán)肅性和科學(xué)性，并能和其他相關(guān)知識(shí)點(diǎn)建立起聯(lián)系。學(xué)校對(duì)學(xué)生土力學(xué)實(shí)驗(yàn)課程的實(shí)踐能力及創(chuàng)新能力培養(yǎng)體現(xiàn)在土樣選取、制作裝樣、設(shè)備操作、分析數(shù)據(jù)和獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告等。隨著合肥大都市建設(shè)的發(fā)展，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中有些土樣來自城市建設(shè)工程，這又促使學(xué)生查閱工程建設(shè)有關(guān)資料和思考問題，既培養(yǎng)了實(shí)踐能力、分析問題能力，又提高了工程素養(yǎng)。

3.4 改革考核方式，側(cè)重創(chuàng)新與實(shí)踐能力考核

實(shí)驗(yàn)考試設(shè)置了側(cè)重創(chuàng)新與實(shí)踐能力的考評(píng)方式。考核評(píng)價(jià)分為四個(gè)方面：第一方面為實(shí)驗(yàn)室行為表現(xiàn)，觀察學(xué)生遵守實(shí)驗(yàn)室紀(jì)律，實(shí)驗(yàn)過程中是否存在懶散、嬉戲打鬧等行為。第二方面為實(shí)驗(yàn)團(tuán)結(jié)協(xié)作能力，主要考察“準(zhǔn)備、過程、結(jié)束”三環(huán)節(jié)學(xué)生主動(dòng)積極動(dòng)手、交流表達(dá)與共同協(xié)作情況，培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)意識(shí)。第三方面能力為實(shí)踐能力，考核學(xué)生實(shí)驗(yàn)過程觀察能力、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲取能力等，對(duì)問題的分析和解釋，做到學(xué)以致用。第四方面為創(chuàng)新能力，通過實(shí)驗(yàn)報(bào)告的完成，主要察看學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題和解決問題能力、應(yīng)用基礎(chǔ)理論能力、邏輯推理能力、歸納總結(jié)能力等。

考核評(píng)價(jià)指標(biāo)的組成見表2。

4 面向新工科的土力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果

修訂的土力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱，從2018級(jí)“大土建”類本科專業(yè)開始實(shí)施。對(duì)2018級(jí)、2019級(jí)土木工程、地質(zhì)工程等專業(yè)學(xué)生進(jìn)行調(diào)查，學(xué)生綜合評(píng)教滿意度達(dá)到92.9分。2017級(jí)與2018、2019級(jí)本科生的土力學(xué)實(shí)驗(yàn)與課程總成績見圖2。從圖2來看，改革調(diào)整后的平均實(shí)驗(yàn)成績較改革前提高了7.6%，總成績較課程改革前增加了11.4%。說明改革后的實(shí)驗(yàn)教學(xué)促使學(xué)生的學(xué)習(xí)能力得到了明顯提升。

圖2 土力學(xué)實(shí)驗(yàn)與總成績

5 結(jié)語

“新工科”建設(shè)背景下，各高等學(xué)校都重視對(duì)創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)，充分發(fā)揮實(shí)驗(yàn)教學(xué)在人才培養(yǎng)方面的重要作用。安徽建筑大學(xué)教學(xué)實(shí)踐效果表明，通過實(shí)驗(yàn)?zāi)K的重構(gòu)、教學(xué)方式改革及實(shí)驗(yàn)考核評(píng)價(jià)革新，大大激發(fā)了大學(xué)生們對(duì)土力學(xué)與基礎(chǔ)工程課程的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)了學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力，提高了學(xué)生的工程思維能力和解決工程問題能力。