大語言模型背景下土力學課程教學方法探討

付龍龍 周順華 王炳龍 陜耀

摘? 要：基于開放式人工智能的大語言模型在提升知識獲取效率方面表現(xiàn)出巨大潛力，同時也給傳統(tǒng)的教學方法、學習及考核方式帶來挑戰(zhàn)。相較于本科生，研究生需要面向工程前沿，指向學術前沿，其培養(yǎng)目標更側重于對知識的綜合運用，培養(yǎng)方式也具有相對更高的開放性。綜合以上兩方面的發(fā)展需要，該文基于交通工程方向研究生的土力學課程教學實踐，圍繞新時代的育人和教育發(fā)展目標，探討土力學課程教學的專業(yè)特色內容、教學方法、師生互動和圍繞立德樹人根本任務的舉措。

關鍵詞：交通巖土；動力特性；多尺度；開放式習題；因材施教

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2024）11-0028-04

Abstract： The large language models established based on open AI have shown great potential in improving the efficiency of knowledge acquisition， which also brings challenges to traditional teaching， learning and assessment methods. Compared with undergraduates， graduate students need to face the frontier of engineering and aim to the academic frontier. Consequently， their training goals are more focused on the comprehensive application of knowledge， and the training method is relatively moreopen. Based on the teaching practice of "Soil Mechanics" course for graduate students in the major of traffic engineering， this paper discusses the featuredcontents， teaching methods， teacher-student interaction and measures around the fundamental task of foster virtue.The discussions included in this paper consider the needs for the development situations of AI and graduate student education， and meanwhile focusing on the cultivation of people and education development goals in the new era.

Keywords： transportation geotechnics; dynamic behaviors; multiple scales; no-stereotype exercise; individualized teaching

近百年來，土力學與人類基礎設施發(fā)展協(xié)同共進，逐步形成了龐大的知識體系和諸多分支。受限于課時，不同學科方向在開展土力學教學時往往結合自身專業(yè)特點進行適應性調整以更好地納入前沿科學問題[1-2]。同時，關于教育教學方法的創(chuàng)新性實踐不斷涌現(xiàn)，例如課堂演示實驗[3]，以高等教育國際化發(fā)展為目的的雙語課堂[4]，可精細掌握學生學習大數(shù)據(jù)的線上-線下混合課程[2]，與課程思政的有機混合式[5]等。近年來，隨著人工智能技術的不斷發(fā)展，基于OpenAI的模型越來越多地介入到個人日常使用場景。特別是ChatGPT、文心一言等基于開放式人工智能的大語言模型，使得未來對于知識信息部分的獲取和利用更加容易，在一定程度上釋放了人類的智力資源的同時，也給課程的傳統(tǒng)教學設計帶來挑戰(zhàn)。例如，學生獲取海量學習資源可能導致知識結構的平面化，甚至出現(xiàn)學習失焦和低效率。又如，在開放式測評場景下，以往基于內容和知識點的考核，答案可能千篇一律。青年學生對大語言模型這類新技術的使用意愿高、適應快，與此同時，專業(yè)課程也需要適度地考慮與新技術進行適應融合。學習和實踐知識的方法發(fā)生轉變，必然要求教學方法和目標的系統(tǒng)性更新。并且，在知識獲取更容易的時代，教育和學習需要更注重意義引導，因此立德樹人將更為重要。由于大語言模型等人工智能技術方興，針對上述方面的教學改革目前仍處于探索階段。

土力學涉及交通基礎設施的填料設計、土工結構設計、健康監(jiān)測等諸多方面，是道路工程、軌道交通工程、機場工程等諸多交通工程方向專業(yè)課的前序基礎課之一。通常，針對本科生的土力學課程教學重基本概念、基本原理、基礎試驗方法。相較于本科生，研究生需要面向工程前沿，指向學術前沿，其培養(yǎng)目標更側重于對知識的綜合運用，更接近于實際應用場景，培養(yǎng)方式也具有相對更高的開放性。因此，可以從研究生教學著手探索人工智能新技術趨勢下土力學的教學改革思路和方法。例如，結合知識的講授進行更多邏輯性思維訓練，以更好地培養(yǎng)學生認識問題、凝練問題、判斷結論的能力，從而更好地適應未來人-機協(xié)同的新場景。積極響應《中國教育現(xiàn)代化2035》中提出的“培養(yǎng)學生創(chuàng)新精神和實踐能力”。

《交通強國建設綱要》指出，要培育高水平交通科技人才。《關于加快建設發(fā)展新工科實施卓越工程師教育培養(yǎng)計劃2.0的意見》在總體思路中提到，人才培養(yǎng)要面向工業(yè)界、面向世界、面向未來。為此，本文立足時代背景，基于交通工程方向研究生土力學課程教學實踐，探討了課程內容特點、教學挑戰(zhàn)及應對策略。首先，結合交通工程發(fā)展所面臨的基礎和前沿問題，探討了土力學課程教學內容的特點；其次，探索適應交通工程專業(yè)研究生培養(yǎng)的土力學課程特色內容；再次，通過創(chuàng)新習題模式，增強對學生開放式思維的訓練，同時以師生互動為抓手強化因材施教；最后，圍繞立德樹人根本任務，探討了課程思政教育建設。

一? 交通工程方向土力學課程內容的特點

交通工程涉及的土力學問題在荷載、填料、構筑型式等方面都有其鮮明特點。近年來，隨著交通工程規(guī)模的不斷增大，“交通巖土”這一主題方向在國內外已形成廣泛的影響力。為適應未來交通發(fā)展趨勢，交通土工基礎不僅要滿足更高速、更大軸重的功能性需求，還要越來越多地兼顧韌性、低碳、智能發(fā)展。

（一）? 離散性巖土顆粒材料復雜力學行為

巖土顆粒材料是天然材料，可回收再利用，具有經(jīng)濟、綠色、低碳的特點。經(jīng)級配設計的土石混合料具有易填筑和壓實的特點，便于填筑，廣泛用于交通土工基礎的長線性結構。同時，我國西部及“一帶一路”沿線的中亞、中東國家廣泛分布有高離散性巖土顆粒材料。因此，更好地掌握巖土顆粒材料的力學行為及基于此的性能優(yōu)化設計符合交通工程的高質量發(fā)展需求和區(qū)域平衡發(fā)展趨勢。為此，課程教學需要重點突出現(xiàn)有土力學框架在土的物理力學指標、變形、強度等多個方面對土的離散性的考慮及其局限性。

（二）? 復雜動力環(huán)境下土的力學行為

交通土工基礎在服役期主要承受載運工具的長期動力荷載作用，動變形控制和長期動力穩(wěn)定性是其主要考慮的方面，特別是交通荷載日益復雜的趨勢下。例如，隨著車速的不斷提高，土中動荷載的頻率也在不斷增加[6]，會誘發(fā)巖土顆粒材料新的響應[7-8]；多層次、立體化交通線路也使得土體所受應力路徑越加復雜。土力學教學需要兼顧交通工程建設和服役期的需求，因此需要同時考慮靜、動力兩方面的內容。

（三）? 長期沉降和不均勻沉降

交通土工基礎長線性結構在跨越不同地層時，由于地基土壓縮性的差異，線路會出現(xiàn)不均勻沉降。除此之外，地基高程與線路高程設計引起的填料厚度差異，以及路基-橋涵等不同基礎結構型式之間的過渡，都是不均勻沉降產(chǎn)生的客觀前提。當不均勻沉降過大時，不僅會影響行車舒適度，還會改變基礎的受力狀態(tài)，進而誘發(fā)其他病害。因此，課程教學需要加強土的壓縮性原理、測試方法、沉降計算方面的內容。

二? 探索適應交通工程專業(yè)研究生培養(yǎng)的特色內容

研究生階段隨著學習深度的增加，在有限的課時下，適度聚焦是必然趨勢。與此同時，隨著知識的累積，也具備了從更大的視角下重新構建知識框架的時機。為此，結合交通工程所涉土力學問題的特點，設計相應的特色內容和課程運行方案，包含兩部分：一是針對巖土顆粒材料及其復雜動力行為的內容設計，在本節(jié)展開；二是針對相對傳統(tǒng)的沉降計算部分，主要以習題創(chuàng)新的方式，旨在訓練學生的全局思維和知識的立體化架構能力，具體見第3節(jié)。

（一）? 增加顆粒材料細觀力學量化分析

巖土顆粒材料最大的特點是不符合連續(xù)性假設，也很難滿足均勻性和各向同性條件。現(xiàn)有土力學理論體系中，在描述土的物理力學性質時充分考慮了離散性的影響，但在應力、變形、強度等計算過程中對離散性影響的考量仍不足。圍繞土的離散性，國內外學者開展了大量試驗和數(shù)值模擬研究，可用于輔助講解巖土顆粒材料宏觀力學行為背后的過程和機理，直觀展現(xiàn)土力學假設的影響。例如，多個單元體試驗所得應力應變曲線、剪切帶形位等均有所差異，從細觀力鏈角度能夠更好地輔助理解這些宏觀現(xiàn)象[9]。地基中附加應力通常采用連續(xù)介質力學方法進行計算，但巖土顆粒材料不符合連續(xù)性假設，結合細觀力鏈的空間分布和應力分級，可以直觀展示出外荷載在顆粒材料中的分布特點，即總體上表現(xiàn)為類似于“應力泡”的分布型式，但局部分布非常不均勻[10]。

（二）? 增加張量的基本運算及應用

土中一點的力學狀態(tài)是復雜的，直觀表示為三維空間中的不同分量，也可更簡潔地表示為應力、應變等的張量。張量的信息密度更高，在國際學術界的使用日益廣泛。因此，實際授課過程中結合學生的實際接受情況，適度加入張量部分內容，有助于提高土力學與彈塑性力學、顆粒物質細觀力學等的融合，也符合國際學術交流的實際訴求。例如，介紹張量的定義、基本變換、運算法則，基于張量的土中一點的主應力、應力不變量的求解，本構關系的張量表示等。

（三）? 以研促教，激發(fā)思考

創(chuàng)新能力是研究生培養(yǎng)的核心要求和關鍵目標之一。因此，及時展現(xiàn)本學科與土力學交叉領域的前沿成果，有助于激發(fā)學生思考、提升學習熱情，為新思路的萌發(fā)創(chuàng)造條件。例如，以往針對行車荷載下土體動力特性的分析中考慮的荷載頻率較低，而隨著行車速度的不斷提升，研究人員發(fā)現(xiàn)軌下土工基礎中存在高頻荷載分量[6]，可能給工程結構穩(wěn)定帶來不確定性風險。為此，國內外學者研制了可實現(xiàn)高頻低幅加載的三軸儀[7]，并發(fā)現(xiàn)在一定的靜偏應力狀態(tài)下，附加高頻低幅循環(huán)荷載會引起土樣變形明顯增大[7]；土-結構界面也存在類似的現(xiàn)象[8]。現(xiàn)行的土力學理論尚未納入對這一現(xiàn)象的考慮，仍處于持續(xù)研究中，因此是青年學者可為之努力的一個研究方向。

三? 創(chuàng)新習題模式，增強師生互動

基于人工智能的語言模型雖然提高了知識獲取的便利性，但也存在弊端，例如不利于系統(tǒng)性思維和獨立思考，可能改變科研成果的寫作模式，也會增加課后習題、考核等的評價難度。特別是以往基于內容和知識點的考核，答案可能千篇一律，會凸顯人工智能語言模型在育人過程中的弊端。為此，提出“開放式習題”的策略，嘗試開展更多的邏輯性思維訓練，從源頭上提供深層思考和構建個性化知識框架的必要條件。

（一）? 開放式“知識點”命題，側重全局思維培養(yǎng)

課后作業(yè)或開卷考試中，可采用已知條件不足的方式，如缺失前提假設或邊界條件或參數(shù)等，需要學生意識到條件不足，并合理假設所需條件后進行解答。開放式“知識點”命題有助于訓練并考查學生對知識點整體的掌握情況，包含原理、假設或前提、典型土體主要參數(shù)的一般取值范圍，這對于實踐性強的土力學學習至關重要。

例如，擬設計一鐵路路基，路基頂面寬10 m，高4.5 m，邊坡坡率為1∶1.5，路基下部地基為正常固結黏土，層厚6 m，黏土以下考慮為基巖。地下水位與地面齊平。路基填料重度為γ=20 kN/m3，飽和黏土的重度為γsat=19.5 kN/m3，彈性模量E=1.1 MPa，孔壓系數(shù)A=0.55。試采用考慮三向變形效應的單向壓縮沉降計算法計算該路基中心的固結沉降。

該題目無法直接計算地基固結沉降，缺少必要參數(shù)（如泊松比），需要先引入?yún)?shù)（待定系數(shù)或經(jīng)驗取值），然后進行計算。這不僅評估了學生對沉降計算方法的掌握情況，也納入了對彈性模量、壓縮模量概念的考察。在不同批次的測試中，將彈性模量當作壓縮模量進行計算的學生占比在20%～40%范圍內波動，有部分學生雖然意識到應采用壓縮模量，但出于“題目本身可能存在文字錯誤”的原因進行“慣性答題”，而未指明參數(shù)的不足并采取進一步措施。

（二）? 圍繞“問題點”命題，進行立體化考查

圍繞“知識點”的考查，就解決“知識點”背后的問題而言，這一考查可能有失公平。例如土力學涉及的假設較多，基于不同的假設發(fā)展出多種解法。因此，一個問題可能存在多個求解方法，涉及不同的知識點。圍繞“問題點”進行開放式命題，可促使學生對問題進行個性化思考。

例如，在（一）中習題的基礎上，補充如下條件：該地區(qū)壓縮模量Es的范圍一般為0.9～1.3 MPa，e-p曲線如圖１（ａ）所示。同時，實測路基工后沉降時程曲線如圖1（b）所示。不考慮路基填料的壓縮變形，試計算路基中心的固結沉降。

在已知條件富余情形下，最基本的是能夠主動選擇合適的方法及必要參數(shù)條件，不同學生可能采用不同方法和參數(shù)進行求解。大部分學生直接選定一種方法解答：如結合e-p曲線直接按照單向固結計算沉降；或先基于e-p曲線求得土體壓縮性參數(shù)，然后計算固結沉降；或直接基于實測數(shù)據(jù)預測固結沉降。極少數(shù)學生會給出兩種以上計算方法和結果，并從計算方法、參數(shù)獲取試驗等方面的假設出發(fā)，嘗試解釋不同方法計算結果的差異性。多樣的答案體現(xiàn)出學生思維差異，有助于因材施教。

結合（一）、（二）兩方面訓練，加強了學生對“實際工程問題從來沒有現(xiàn)成的方法和參數(shù)”的認識，建立“首先需要凝練土力學問題，其次確定合適的方法，最后匹配參數(shù)進行求解”的基本思考框架。長期訓練有助于強化學生對問題、同類方法及其差異的認識和理解，旨在搭建立體化知識框架。解答開放式習題的過程，是分析實際交通工程所涉土力學問題的過程雛形。同時，開放性習題能夠減少現(xiàn)階段人工智能語言模型對考核評價的影響。需要指出的是，開放式習題由于不設標準答案，會面臨多樣的個性化解答，評閱習題的時間和精力投入往往較高，因此適用于小班教學。

（三）? 線上-線下混合式教學，豐富課程教學管理

大語言模型這類具有超強人機交互功能的人工智能技術在未來可能用于課程學習。機器作為一個高效的助手，其加入改變了傳統(tǒng)的師-生交流方式，而轉變?yōu)閹?機-生、師-機、師-生和生-機等多個交互場景；屆時，教學理念、方法等將需要配套更新。線上課程是人-機交互的初級階段，可在內容設計、教學設計、課程運行和教學管理等多個方面為未來師-機-生交互場景積累經(jīng)驗。現(xiàn)階段的線上-線下混合式教學有助于提高學生對不同學習階段時間配置的自主權，也有助于學生將時間更多地用于凝練問題、解析分析、判斷結論等思維能力訓練方面。此外，線上-線下混合式教學可高效獲取學生學習狀態(tài)的多維信息，便于在課后開展教學管理[2]。

四? 關于立德樹人的思考

科學在不斷發(fā)展，技術在迭代進步，教育的內容、方式、方法也需要不斷更新以適應人才培養(yǎng)的時代需求，但不變的是立德樹人的根本任務。特別是人工智能語言模型的加入，勢必會壓縮以往師生直接傳幫帶和情感交流的時間，因此對立德樹人的舉措提出了更高要求。

土力學是與交通基礎設施密切相關的理論基礎課程之一。因此，課程背景中可加入交通基礎設施發(fā)展過程中典型工程背后的土力學問題，將學習土力學知識與服務國家安全、國民經(jīng)濟、外交等方面相關聯(lián)，提升學生學習的意義感。例如，從中國人自己設計和建造的第一條鐵路京張鐵路到新中國第一條援外的坦贊鐵路，再到青藏鐵路、京滬高鐵；從抗日戰(zhàn)爭期間作為中國與外部世界聯(lián)絡的運輸線路的滇緬公路到青藏公路，再到墨脫公路，這一發(fā)展進步過程伴隨著對多種土體（粗粒土、軟土、凍土等）力學性質認識的不斷精細化，以及對土體開挖應力、多源附加應力、變形和破壞等諸多方面計算方法的優(yōu)化。在此基礎上，充分發(fā)揮“一帶一路”倡議和《交通強國建設綱要》的強大時代感召力，鼓勵學生明史知責，立足國情，放眼世界，勇于承擔當代青年的責任與使命，努力學習以更好地抓住歷史機遇，在服務自己國家交通基礎設施快速發(fā)展中迅速成長。

此外還需要強調，雖然人機協(xié)同有助于提升學習效率，但在課程考核環(huán)節(jié)乃至后續(xù)工程應用中，人始終是責任主體，需要始終遵守相應的職業(yè)倫理。

五? 結束語

本文圍繞新時代人才教育需求，基于交通工程方向研究生的土力學課程教學實踐，對新技術趨勢下的教學內容和方法進行了探討，主要結論如下。①交通工程涉及的土力學問題在荷載、填料、構筑等方面都有其鮮明特點，納入巖土顆粒材料高頻動力響應和宏-細觀多尺度分析方面的內容是交通工程方向研究生土力學教學的基本特色和發(fā)展需要。同時，適度開展以研促教，為培養(yǎng)具有國際化理論基礎和前沿視野的人才探索行之有效的教學舉措。②結合創(chuàng)新習題模式和線上-線下混合式教學，不僅能夠強化研究生聚焦問題和發(fā)散突破的思維，訓練其解決問題的能力，還能夠有效增強師生互動。通過學生參與課程習題的多維信息，高效掌握每個學生的學習狀態(tài)畫像，以進行針對性引導，為落實因材施教提供了有利的先決條件。同時，開放性習題能夠減小現(xiàn)階段人工智能語言模型對考核評價的影響。③人工智能語言模型的加入，減少了師生直接傳幫帶和情感交流的時間，但人的責任主體地位不變，立德樹人舉措需要更加有力。結合交通基礎設施發(fā)展中的標志性工程和重要政策性導向、規(guī)劃，講述土力學與國家安全、國民經(jīng)濟、外交等方面的密切關聯(lián)，從多個方面豐富學習的意義感，有助于提升學習動力。

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（同濟大學 交通運輸工程學院/上海市軌道交通結構耐久與系統(tǒng)安全重點實驗室，上海 201804）