新工科背景下安全工程專業“土力學與基坑安全”課程教學改革探討

彭 斌，李 理，耿偉樂

（湖南工學院 湖南 衡陽 421002）

為保證工程人才培養緊跟時代步伐，教育部開展了一系列關于“新工科”建設的戰略研討[1]，對工程人才培養要求形成共識：不僅要有扎實的專業知識，還要求具有全球視野、工程倫理意識、創新意識、合作意識、發展意識、服務意識和跨界創新能力[2]。為達成新工科背景下的安全工程人才培養要求，湖南工學院（以下簡稱“我校”）安全工程人才培養方案中設置專業教育類職業素養課程，其學分占培養方案總學分的比例約13%，是提升學生職業素養的重要支撐環節。職業素養課程教學改革對于培養學生的職業核心能力具有重要意義[3]。本文將結合職業素養課程“土力學與基坑安全”教學中存在的問題，探討該課程教學改革方案，以期為本專業其他職業素養課程提供可借鑒的教學范式。

1 課程改革的必要性分析

建筑生產行業一直是高危行業，建筑領域的安全事故頻繁發生，給國家、人民群眾的生命財產帶來巨大損失[4-5]。圖1（p136）表明，基坑較大事故起數在建筑施工較大事故起數中的占比在10%以上。要實現基坑工程施工的有效安全管理，需要既懂技術又懂管理的安全工程人才。

圖1 基坑事故統計

近十年來，我校安全工程專業歷屆畢業生在建筑施工領域從業率均在20%以上（見圖2，p136），平均從業率達到42.4%，表明建筑施工領域安全工程人才整體需求量較大。因此，進一步提高建筑安全方向課程的教學質量，對于學生從事建筑施工安全工作將大有裨益。

圖2 畢業生從業情況

2 課程教學中存在的問題

①學生存在的問題。學生對于建筑/土木工程的基礎知識缺少系統學習，土力學理論公式較多且抽象，學生反應難以消化相關知識點，導致學生有挫敗感。

②教學方法存在的問題。首先，傳統“填鴨式”教學不利于師生互動，以致學生的課堂參與度不高。其次，以PPT課件為載體的傳統多媒體教學信息量大，知識點呈碎片化，學生難以掌握課程的知識脈絡。

③考核環節存在的問題。課程考核方式單一，一般為期末測試與平時考核，平時考核由考勤和課后作業組成。暫未設置配套的課程設計環節和實驗環節，不利于培養實踐能力[6]。

3 課程教學改革方案

3.1 知識圖譜構建

根據課程教學大綱的教學內容，基于智慧樹平臺構建課程知識點圖譜。課程知識點圖譜圍繞土力學理論、基坑安全設計兩條主線展開，土力學理論為基坑安全設計提供理論基礎。土力學理論涉及的核心知識點包括土力學的基礎概念、土的物理性質與工程分類、土中應力與地基沉降、土的抗剪強度與地基承載力、土壓力和土坡穩定性分析；基坑安全設計的核心知識點包括基坑支護技術和支護設計原理。知識點圖譜使得各個知識點之間的上下位、前后序關系更加合理，形成知識導航模式。此外，以課程知識點為節點拓展鏈接大量的教學視頻、文章、習題等資源，從而實現課程資源的有效管理，提高學生的學習效率。

3.2 課堂教學模式轉變

3.2.1 案例教學

教學內容涉及計算案例較多，面對面課堂中以計算案例為載體，教師通過課件和板書拆解并剖析重點和難點，同時將講解視頻錄入慕課平臺，學生可以反復學習。基于教材例題舉一反三，讓學生將擴展案例答案上傳至慕課平臺，加強全員互動。在課堂上實時調用信息化教學資源，加深學生對知識點的理解[7]。

3.2.2 引導式教學

采用引導式教學，提高學生的參與積極性[8]。課堂教學時，教師可根據知識點的層級關系，運用問題圖譜，開展遞進式的引導教學。例如，在介紹課程時引導學生思考：“在現實生活當中，同學們有沒有與土力學打交道，有沒有接觸到基坑工程，了解到基坑工程中涉及哪些土力學問題？如何利用土力學的理論方法解決基坑工程的安全問題？”

3.2.3 仿真軟件嵌入

土力學中涉及的土中應力計算、地基沉降量計算、土壓力計算最終都是為工程實際服務，在教學過程中可以結合Matlab、GeoStudio 等仿真軟件分析土中應力分布規律，擋土墻、邊坡以及基坑支護結構的穩定性等。通過嵌入數值仿真算例可以將理論知識點與實際聯系起來，使學生較快地掌握和理解相關原理和方法，能夠激發學生的學習興趣，提高學生的動手能力和解決實際問題的能力。從而培養學生的工程直覺、工程分析軟件應用能力和工程實際問題分析能力[9]。

3.3 工程實踐能力訓練

3.3.1 實驗動手能力訓練

充分利用學校的共享實訓資源，采用虛擬實驗和室內實驗并行的實驗教學方式來提高學生的工程實踐能力。依據課程教學大綱，基于校內土工實驗室可開設常規土力學實驗，如土的粒徑級配分析、密度測算、天然含水量與界限含水量測算、擊實試驗、壓縮實驗、直剪試驗和三軸剪切實驗。基于學校虛擬仿真實驗中心，開設土的滲透特性實驗、地基承載力演示實驗、擋土墻試驗、邊坡穩定性試驗、基坑支護穩定性試驗等實戰型虛擬仿真實驗項目。運用虛擬仿真實驗和室內實驗，能夠幫助學生更好地理解土力學基本概念和基本原理，可以有效提升教學效果和學生的實踐動手能力。

3.3.2 工程設計能力訓練

①土坡穩定性分析。根據土的類型設置無黏性土坡和黏性土坡穩定性分析項目。

無黏性土坡穩定性分析：根據相關標準規范選定均質干土坡、水下坡、部分水下坡的放坡方案，繪制土塊受力分析圖，計算土塊抗滑力和滑動力的比值并分析邊坡穩定性。

黏性土坡穩定性分析：根據相關標準規范選定黏性土坡的放坡方案，根據放坡角度搜索可能的危險圓弧滑裂面，利用瑞典條分法對圓弧土體進行條分，分析各土條處于極限平衡態時的抗滑力和滑動力，利用積分思想確定圓弧土體的整體抗滑力和滑動力，最后計算穩定性系數并確定最危險圓弧滑裂面。

②基坑支護設計。其包括基坑形態和大小設計，基坑支護方案比選，基坑支護體系的整體穩定性驗算，支護結構的強度、穩定和變形計算，地下水控制設計。

③重力式擋土墻設計：根據工程實際地質條件，比選擋土墻類型和墻體材料，參照工程類比法初步設計剖面尺寸，依據墻背墻傾角和光滑度確定墻背后主動土壓力計算方法，利用力學平衡和力矩平衡原理分別驗算墻身的抗滑移穩定性和抗傾覆穩定性、墻身截面抗剪抗壓強度和墻底地基承載力等。

④基礎工程設計：根據地質條件確定基礎的埋深，根據建筑結構及地質條件確定基礎類型，根據地基承載力與荷載計算基底面積，地基變形驗算，基礎剖面設計與結構計算。

3.4 考核改革

①平時表現。由課堂表現和課外表現組成。課堂表現包括出勤率、課堂互動、課堂紀律、課程筆記，課外表現包括線上資源學習、平時作業、小組匯報。出勤率評分不計入平時成績，按缺勤程度從課程綜合評分中扣分。課堂互動涉及頭腦風暴、投票題、隨堂測試、隨機點名答題。線上資源學習涉及視頻授課資源、標準規范、拓展知識點等輔助性資源。平時作業包括課后作業和階段性測試。小組匯報主要是要求學生小組圍繞教師擬題或自主選題搜集整理文獻資料后撰寫文獻綜述并在班上進行公開匯報。

②實踐能力。基于實驗項目和工程設計訓練項目，考查學生的實操能力、工程制圖能力，以及運用土力學理論解決工程問題的能力。

③期末考試。基于智慧樹平臺組織在線考試，限制考試時長和切屏次數，禁止復制答案。考試內容涉及概念性知識點、應用性知識點群，并適當增加工程案例分析和課程思政元素的考核權重。

4 結論

①通過構建知識圖譜，可以幫助學生認識課程內容體系；采用引導式、案例式以及項目式等教學方式可以提高學生的學習積極性；結合自建和慕課教學資源，能夠打造立體學習氛圍。②能力培養是“新工科”的核心目標。可根據專業定位以及行業需求確定工程實踐能力培養體系，全面提升分析和解決工程實際問題的能力。③課程考核多元化，能系統考查課程目標達成情況，提高學生的學習效果。