多學科交叉融合背景下環境巖土工程課程建設與教學模式探索

朱 銳，周 峰，張 寧

（南京工業大學交通運輸工程學院 江蘇 南京 211816）

當今世界，各國之間的科技競爭日趨激烈。要進一步推進中國工業向前發展，需有針對性地培養富有創新精神、具有創新能力、擁有創新潛力的新時代復合型工科人才。習近平總書記強調，要用好學科交叉融合的“催化劑”，加強基礎學科培養能力，打破學科專業壁壘，對現有學科專業體系進行調整升級，瞄準科技前沿和關鍵領域，推進新工科建設，加快培養緊缺人才。由此可見，新工科建設擔負著提升綜合國力、堅定文化自信、培養時代新人、建設高等教育強國、推動文科教育融合發展等重大使命，承擔著推進工科專業數字化改造、主動服務國家軟實力提升和文化繁榮發展等時代任務。在此背景下，各級教育主管部門啟動了新工科建設，進一步推動傳統工科專業教育教學改革。當前，科技的創新、突破與發展越來越依賴于多學科的交叉、融合，這就對復合型人才的培養提出了更高的要求。

鑒于此，本文對環境巖土課程建設與教學模式開展了探索研究，結合環境巖土工程課程的特點，系統總結環境巖土工程中多學科交叉融合的特征，從網絡平臺、虛擬仿真、室內試驗、工程實踐四個方面提出環境巖土工程課程的建設要點，從教學目標、教學內容、教學方法以及教學評價四個角度優化課程教學體系，為新工科背景下高等學校環境巖土工程教育教學改革提供參考。

1 環境巖土工程課程特點

1.1 環境巖土中的材料學

材料學是指研究材料組成、結構、工藝、性質等問題的學科。巖土工程領域常用材料包括水泥、石灰等無機材料，瀝青、聚乙烯等熱塑性有機材料以及脲甲醛、聚酯等熱固性有機材料。目前，巖土工程領域已開展了大量新材料改性巖土體的理化特性與工程應用研究，典型如：通過滲透試驗研究改性土滲透性能與材料摻入量的比例關系；通過掃描電鏡試驗探索摻入材料在巖土體中的賦存形態及改性巖土體性能提升機理。

1.2 環境巖土中的生物學

生物學是指研究生物的結構、功能、發生和發展規律等問題的學科。基于微生物誘導碳酸鈣沉淀技術（MICP）的微生物土力學是當下的研究熱點與新興方向，其原理在于：運用環境中普遍存在的微生物，在細胞表面吸附膠結液中的Ca2+，通過脲酶將尿素分解生成CO32-、NH4+等離子，Ca2+與CO32-結合便會在細胞表面生成大量碳酸鈣晶體，能夠有效膠結并填充巖土體內部孔隙和裂隙，最終可改善巖土體的物理力學性能。在此背景下，學術界與工程界已開展了多尺度遞進的理論、試驗與工程應用研究，探索了微生物加固巖土體的理化性能指標與動力響應特性。

1.3 環境巖土中的信息學

信息學是研究信息的產生、處理、識別、存儲等問題的學科，尤以計算機科學最具代表性。目前，在信息學、土力學、地質工程等交叉融合下，部分高等院校已將計算機科學廣泛應用于地質與巖土工程實際案例虛擬仿真教學等課程建設中，以詳盡的文字、豐富的圖片和形象的動畫相結合的方式，建立了系列虛擬仿真試驗平臺。以南京工業大學為例，學校已完成單樁豎向抗壓靜載虛擬仿真實驗等虛擬仿真平臺搭建工作，學生通過虛擬實景的主觀感受促進對客觀理論知識的深入理解，不僅有助于培養學生的工科思維，還為巖土工程領域的課程教學與科學研究提供了新技術、新手段。

1.4 環境巖土中的水文學

水文學是地面水與地下水的特性、循環及分布的地質學分支學科。在巖土工程領域，水文地質特征往往是巖土工程安全問題的重要誘因，而地下水污染問題則是水文學在環境巖土工程中的具象體現，如重金屬、有機物污染場地造成的地下水污染問題日趨加劇。目前，水文學、土力學、地質學的交叉融合已促成了大量探索性研究與工程實踐，深度體現了環境巖土工程的多學科交叉融合屬性。典型如：采用高性能復合材料設置地下污染屏障，阻隔污染元素并抑制由地下水滲流導致的污染面積擴大等問題，相關成果豐富了城市生活垃圾衛生填埋等環境巖土工程課程的教學內容。

2 環境巖土工程課程建設

2.1 基于網絡平臺的課程建設

網絡平臺的課程建設，即通過線上虛擬教學充實環境巖土工程課程的教學，形成新穎的師生互動教學模式，實現教學深度與廣度的延伸與擴展。各高校與學院應積極響應并共同推動軟硬件升級，如設立公眾號平臺、墨客平臺、學習通等軟件，更新大量的環境巖土工程案例與教學資源，教師通過提前錄課、網絡實時授課、定時布置作業、定位點名、線上測試等方法，使環境巖土工程課程的教學擺脫時間與空間的束縛，學生可利用課余時間鞏固專業知識、激發課業興趣。

2.2 基于虛擬仿真的課程建設

虛擬仿真的課程建設即借助虛擬仿真平臺，開展系列環境巖土工程實驗教學，將傳統線下課堂授課與線上虛擬仿真實驗有機融合。教師首先通過虛擬仿真平臺將電子版材料分發給學生，學生在虛擬場景中根據現實的操作步驟完成實驗的云操作，鍛煉學生的動手能力以及加深其對實驗的理解；接著將學生轉入線下土工室內試驗室，憑照自己在虛擬場景中的操作記憶，在脫離操作手冊的前提下進行現場實操，以增強學生做實驗的專心度與熟練度，鞏固完善學生的綜合試驗能力，同時通過上述方法也可檢驗虛擬仿真實驗的教學效果。

2.3 基于室內試驗的課程建設

要深入理解多學科交叉融合背景下的環境巖土工程課程內容，室內試驗的課程建設是必不可少的一個重要環節，然而由于交叉學科的特性，往往需要涉及其余專業的試驗資源。例如，利用MICP 技術加固土體，細菌是生物試驗室常規的實驗試劑。在做單元體室內試驗時，可讓一組學生先行前往生物試驗室培育菌種，并將菌種帶到土工試驗室內，繼而進行土體加固，以探索土樣經加固后的各項性能指標變化規律。這種室內試驗教學方式，不僅在空間轉化上給學生帶來新奇的體驗，激發其學習興趣，與此同時也培養了學生的動手能力，讓其切身體會到環境的變化對土壤結構所帶來的改變。

2.4 基于工程實踐的課程建設

實踐是推進學科交叉融合，推動科技創新的重要途徑。環境巖土工程課程教學應結合本地區的實際情況，努力促進校企合作，為學生提供更多的實踐鍛煉機會。以南京為例，隨著城市化的進展，地鐵以及隧道開挖易造成地表塌陷、地面建筑物結構受損等問題，通常其沿線均毗鄰重要建筑物，如醫院、學校等，在這類基坑開挖中往往會影響老舊建筑物的結構性及安全性。因此，在條件允許的情況下，學院或教師應多組織學生去工程現場進行實地考察，培養學生的觀察能力，讓學生真正深入了解什么是環境巖土工程、環境的變化會給巖土工程帶來哪些實質性影響、造成怎樣的規模性危害等。

3 環境巖土課程教學改革

3.1 課程教學目標改革

針對經濟發展新常態下高校人才培養與產業需求銜接不足的現狀，升級改造傳統課程教學目標，培養適應當今社會發展的綜合性人才，已成為當前高等教育領域亟待解決的關鍵問題。傳統的環境巖土工程教學目標主要以學生掌握基本理論、熟悉課程內容、培養工科思維、理解重點難點為主，忽略了該課程學科交叉的特殊性，仍以舊式目標冠以新式方向。因此，環境巖土工程課程教學目標應以交叉學科建設為基礎，注重學生創新思維和實踐能力的培養，以達到多樣化人才培養的目標。

3.2 課程教學內容改革

從環境巖土工程課程的形成與發展現狀來看，該課程內容應緊密結合國內外典型實例進行專題教學，并且由于其學科交叉的特殊性，應及時更新多領域的課程知識并加以融會貫通。溫室效應、城市熱島效應等所引發的巖土工程實例正是環境巖土工程課程內容中應著重闡述的問題。例如：我國北方寒冷地區冬夏溫差導致建筑物地基失穩、邊坡滑塌等問題頻發。多學科交叉融合是解決目前社會發展對于復合型人才需求的重要舉措，因此環境巖土工程課程教學內容改革刻不容緩。

3.3 課程教學方法改革

環境巖土工程是以需求為導向的交叉學科，對學生實踐能力的要求已上升到一個新的高度。教師應注重交叉學科課程的教學方法，探索多樣化的新興人才培養模式，基于環境巖土工程研究領域的特點，教師可通過課程講述、專題演講、自主討論、現場實操等環節，實施任務驅動型教學方式。傳統教學方法僅僅依靠課堂的傳道授業解惑已遠遠不夠，交叉學科人才培養的新模式，要基于產學研融合，協同各方組織協議，明確各方工作職責、責任范圍以及人才培養效果的檢驗標準，將課堂知識轉化為現場實操，從工程實踐中給予學生接觸新形勢、培養創新思維的機會。

3.4 課程教學評價改革

環境巖土工程課程的教學考核方式應突破“一考定全局”的評價方式，學生自主閱讀文獻并將所學所想轉化為課堂匯報、專題討論，將實踐內容以工程報告的形式提交，讓每一個教學要素在考核評價中占據合理比重，建立與教學、實踐相適應的評價體系。如：在課堂匯報環節，根據文獻內容將學生進行分組，組織學生自主概括、討論文中所重點闡述的環境巖土工程問題及解決方式，對小組匯報的內容進行逐一評價；后續可讓學生結合工程實踐的所見所感，再重新對文獻中的知識點進行拓展討論，以培養學生理論聯系實際的能力，最終教師再給出上述環節的綜合評分。

4 結語

新工科背景下，環境巖土工程課程具有很強的創新性與實踐性。在此背景下，環境巖土工程課程建設與教學改革首先應該以學科交叉融合為突破口，從材料學、生物學、信息學、水文學這四個方面揭示環境巖土工程多學科交叉融合的特點，明確環境巖土工程課程的教學要素。其次，基于網絡平臺、虛擬仿真、室內試驗以及工程實踐提出多維度環境巖土工程課程建設思路，重點突出多學科交叉融合在課程建設中的定位。最后，融入環境巖土工程的多元性特征，從教學目標、教學內容、教學方法以及教學評價四個角度創新優化環境巖土工程課程教學體系，切實提升教學質量。融合多學科特點的環境巖土工程課程建設與教學改革符合新工科背景下高等院校復合型人才的培養要求，為環境巖土工程教育教學探索提供參考。