新工科背景下土木工程一流課程教學模式改革

馮君 張俊云 楊濤

doi：10.11835/j.issn.1005-2909.2024.03.011

歡迎按以下格式引用：馮君，張俊云，楊濤.新工科背景下土木工程一流課程教學模式改革［J］.高等建筑教育，2024，33（3）：90-97.

修回日期：2022-08-23

基金項目：西南交通大學2021年本科教育教學研究與改革項目（2103002；2103007）

作者簡介：馮君（1977—），男，西南交通大學土木工程學院副教授，博士，主要從事巖土工程研究，（E-mail）fengjun4316@163.com。

摘要：新工科是我國工程教育改革的新范式，在此背景下開展一流課程教學模式改革具有現實意義。教學實踐表明，專業課程價值塑造的成效不足和學生解決復雜工程問題的能力不夠是土木工程一流課程建設中較為突出的兩個難題。以課程思政引領課程育人，分別闡述了土力學課程思政總體設計、課程思政教學實踐和課程思政元素設計思路。以案例教學促進實踐能力培養，探討了土力學典型工程教學案例的篩選原則、虛實結合的案例教學方法與模式。研究成果對于推動新工科背景下土木工程一流課程建設具有參考價值。

關鍵詞：土力學課程；課程思政；工程案例；教學改革

中圖分類號：G642.0? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? 文章編號：1005-2909（2024）03-0090-08

新工科是基于國家戰略發展新需求、國際競爭新形勢、立德樹人新要求而提出的我國工程教育改革方向［1］。為主動應對新一輪的科技革命與產業變革，教育部積極推進新工科建設，先后形成了“復旦共識”“天大行動”和“北京指南”。高等工程教育經過多次轉型，一開始為技術范式，接著轉變為科學范式，現在又進入到工程范式。同時，我國以信息化、智能化為主要特征的新產業蓬勃發展，對工程科技人才提出了更高要求［2-3］。在這種形勢下，新工科的建設勢在必行。新工科專業主要分為新型工科、新生工科和新興工科三類專業。土木工程屬于新型工科專業建設范疇，目標是實現對傳統土木專業的轉型、改造和升級。課程作為支撐新工科專業建設中人才培養方案的一個微觀單元，也應該根據新工科的內涵進行教學改革。新工科的內涵強調三新，即理念新、要求新和途徑新，其中，要求新明確指出未來工程師必須具備優秀的分析能力、實踐能力、解決復雜工程問題的能力等。這項要求對應著工程教育專業認證標準。

教育部印發的《高等學校課程思政建設指導綱要》指出，全面推進課程思政建設是落實立德樹人根本任務的戰略舉措。全面推進課程思政建設，就是要寓價值觀引導于知識傳授和能力培養之中，幫助學生塑造正確的世界觀、人生觀、價值觀。目前，一些學者對土木工程專業課程的課程思政建設和實踐進行了探討，并取得了一定的成果［4-8］，但在課程教學實踐中仍然存在思政元素挖掘單一、思政內容植入生硬、思政融入路徑不協調的問題，往往達不到潤物細無聲的效果。而專業實踐作為培養學生解決復雜工程問題能力的重要舉措，在課程教學中可通過引入案例教學法實現［9-10］。國內外部分教育機構逐步將案例教學法引入土力學課程。例如，英國帝國理工學院John Burland教授基于一些工程實例進行科學抽象，使用圓棒代替土顆粒，履帶機模擬重力作用，再現了土木工程建造過程，引發了學生的主動思考；日本松崗元教授結合工程案例開展了大量的教學實驗，在還原案例場景的過程中配合鋁棒實驗，極大地提高了學生的學習主動性。這些案例教學模式的探索和實踐對于培養土木工程學生解決實際工程問題的能力具有較好的參考價值。

一流課程的建設是一個系統工程，涉及課程內容、教學方法、教學資源、評價體系等方面。在教學實踐中，專業課程價值塑造成效不足和學生解決復雜工程問題的能力不夠是較為突出的兩個問題。因此，本研究以土力學課程為例，主要從如何提高課程育人效度和培養學生解決問題能力兩個方面探討一流課程教學模式改革。以課程思政引領一流課程育人為抓手，分別闡述課程思政總體設計、課程思政教學實踐、課程思政元素設計；以虛實結合的案例教學法為手段，探討典型工程案例教學案例的篩選原則、案例教學方法與模式。

一、課程思政引領的一流課程育人

（一） 課程思政總體設計

土力學課程以激發學生家國情懷、培養大國工匠精神為目標，把課程思政融入課程建設和改革的全過程。在課程基礎理論教學中，以科學精神塑造創新靈魂，注重強調科學探索中的理性與實證性，培養學生求真務實與勇于創新的科學精神；在課程專業應用教學中，以鐵路史為抓手，講好中國故事，強化學生職業道德、工程倫理和社會責任教育；在工程實踐教學中，將馬克思主義哲學原理與大國工匠精神培養結合起來，重點剖析大國工程，提高學生正確認識問題、分析問題和解決問題的能力。

（二） 課程思政教學實踐

全面修訂課程教學大綱，有機融入課程思政工程案例。土力學課程集科學原理、工程技術、實踐應用于一體。在力學原理教學中，從辯證唯物主義的角度出發，引導學生怎么看；在工程技術教學中，從歷史唯物主義的角度出發，引導學生怎么做；在實踐教學中，從馬克思主義的基本原理出發，引導學生建立辯證統一的大工程觀。利用案例教學、新媒體助學、工程實踐等方法推進課程思政建設的實效。

（1）雙軸聯動的建設路徑。基于土力學課程專業實踐性較強和課程思政潤物無聲的特點，提出了聯合運用時間軸教學與空間軸教學的雙軸聯動課程思政建設路徑。時間軸教學是將每一學期的課堂教學按時間分為初期、中期和末期三個階段。根據課程內容的邏輯順序，在三個階段安排講解或研討不同的課程思政內容，實現課程思政的學期全時覆蓋。空間軸教學是根據授課空間變化進行區域劃分，包括線下課堂教學、線上網絡學習和工程實踐。線下課堂教學主要通過教師講解融入課程思政內容，形式包括科學家故事、鐵路建設史、工程案例等；線上網絡學習由教師引導，學生通過慕課等網絡資源開展學習，以大國工程視頻為主；工程實踐則聯合土木工程實習基地開展工作，著重培養大國工匠精神，實現課程思政的線上線下和校內校外全域覆蓋。

（2）師資隊伍建設。組織教學團隊骨干成員參加立德樹人課程思政教學改革與創新研討班，并針對教學團隊全體成員開展富有針對性、示范性的課程思政教學指導，形成常態化的集體備課制度和教學激勵制度。

（3）教學方法創新。推進顯性教學方法與隱性教學方法相結合，破解思政教育和專業教育“兩層皮”的困境。推動傳統教學方法與新媒體新技術相結合，通過網絡分享、慕課建設等實現思政案例的傳播，運用當代大學生喜歡的網絡空間，增加課程思政的直觀感受。

（4）思政資源庫建設。分門別類，循序漸進地建立課程思政案例庫。每組案例由一個專業知識小故事構成，加入豐富的圖片或視頻，如茅以升先生與錢塘江大橋、大國工程之川藏鐵路、傳遞系數法等。

（三） 課程思政教學元素設計

1.茅以升與錢塘江大橋

課程思政元素內容：抗日戰爭時期，茅以升先生主持修建錢塘江大橋，創造性地采用射水法打樁、沉箱法、浮運法架梁等，解決工程難題，最終建成愛國大橋，如圖1所示。炸橋又復橋，其間的責任擔當與家國情懷是最好的歷史教科書。

課程思政元素實施路徑：（1）引入環節。借助錢塘江大橋案例引起學生的情感共鳴。“人生征途，崎嶇多于平坦，忽深谷，忽洪濤，幸賴橋梁以度，橋何名歟，曰奮斗！”這是茅以升先生的名言。1933年至1937年，茅以升先生主持修建了我國第一座公鐵兩用大橋——錢塘江大橋。從此，茅以升先生的足跡遍布大江南北，他的名字和新建的大橋一起留在祖國各地；（2）展開環節。引入錢塘江大橋修建過程中發生的與基礎工程有關的故事，講述3個難題和解決方法；（3）結論環節。點出該故事所蘊含的愛國精神。以茅以升先生為首的我國橋梁工程界的先驅在錢塘江大橋建設中所顯現的偉大的愛國主義精神，敢為人先的創新精神，永遠是寶貴的精神財富。

2.大國工程之川藏鐵路

課程思政元素內容：川藏鐵路作為雪域高原的第二條天路，是世界鐵路建設史上地形地質條件最為復雜的工程，被稱為最難建的鐵路，肩負著中國三代鐵路建設者們的夢想，如圖2所示。從工程哲學的角度探討“自然-社會-人”的關系，從工程技術的角度探討工程原理與工程實踐的關系，從工程師的角度探討個人成長與社會責任的關系，培養心懷“國之大者”的優秀人才。

課程思政元素實施路徑：（1）引入環節。引用習近平總書記的系列重要講話，表明國家對惠民工程的堅決支持；（2）展開環節。介紹20世紀60年代工程先輩對川藏鐵路的初步勘探，憶苦思甜，展現工程人不懼艱苦的優良品質；（3）結論環節。強調實踐對于理論學習的重要性，嚴謹的科學態度與實事求是的精神是學好土力學課程的重要前提。

二、虛實結合的案例教學助力一流課程實踐教學

土力學課程教學實踐和相關專業課程的調研表明，當前高校土力學教學中主要存在以下幾方面問題：（1）教學內容較多，總課時較少；（2）專業概念較多，學生理解難度較大；（3）計算復雜繁瑣，學生不易掌握；（4）教材大多為注重原理講解的經典教材，貼近實際的工程案例較少；（5）部分任課的青年教師工程實踐經驗不足，講課內容較為枯燥，學生接受度較低［11-12］。針對以上問題，可考慮從案例分析法入手，著力提升授課教師的教學水平，增強學生解決綜合性復雜工程問題的能力，進一步激發學生的創新思維。成功實施案例教學法關鍵在于兩點：一是教學案例的合理篩選；二是教學案例的科學分析。

（一） 典型工程案例篩選

土力學主要涵蓋地基承載力、土壓力和邊坡穩定性三大工程應用領域，工程案例也與之相對應。作為教學素材的工程案例要具有典型性和國際影響力，最終選擇了十余個經典案例，如表1所示。案例均制作成帶有故事性的PPT供課堂講解使用。

在工程案例中的講解中，必然會涉及大量的土力學基本概念和原理，這些概念往往比較生澀難懂，借助實驗教學是目前常用的方法。傳統的實驗教學必須在實驗室開展，而案例分析通常在課堂上進行，二者之間時空差異較大，給知識的實時鏈接和有效傳遞帶來了困難。近年來出現的虛擬仿真實驗教學方法為該問題給出了解決路徑。虛擬仿真實驗教學融合了三維建模、信息網絡和可視化技術，在計算機的虛擬世界中構建了實驗的仿真場景，學生直接通過計算機就可以開展科學和工程實驗，為學生進行探究性學習提供了便捷的實驗平臺。因此，本研究針對土力學涉及的一些重要的土工實驗環節，借用計算機技術，編制了實驗過程動畫，作為工程案例分析的一種補充。主要包括土的物理性質實驗、壓縮實驗、直接剪切實驗，以及三軸剪切實驗等，如圖3所示。各類實驗主要采用動畫演示，并配以文字描述，動畫演示以三維的方式呈現各實驗的詳細操作步驟，文字描述重點闡述土力學基本原理和實驗過程中的相關內容。

（二） 土力學案例教學方法

案例教學法就是針對現實場景的模擬或者再現，這些場景被定義為案例，通常包括一些有待解決的復雜問題及其應對辦法。在課堂上，案例教學法借助合理的設計使學生主動融入這個場景，并通過研討、分析、總結、反思等環節進行學習［13］。案例教學法以鮮活的案例為引導，有利于抓住學生學習的興趣點，提升其主觀能動性，培養其解決問題的大局觀，增強課堂氣氛的活躍度。同時，促進教師工作反思，破解當前傳統土力學授課模式中存在的難題。案例教學法起源于美國哈佛大學，其商學院在1921年正式采用案例教學，之后在全世界范圍內產生廣泛影響，并于20世紀80年代引入中國［14］。要具體運用案例教學法，需要分析其理論模式，案例要素和具體的程序。

1.土力學案例教學理論模式

教師作為案例教學的主體，其教育背景、生活和工作經歷均會影響其觀察視角，在進行案例教學時必然會遵循某種理論模式。通過對不同理論模式的總結分析，有利于幫助理解案例教學的內涵和意義。不同的學者針對案例分析提出了不同的理論模式［15］。例如，把案例分析視為一種應用心理學與教學論，該模式忽略了實踐問題的復雜性；阿拉斯加大學朱迪恩等將案例分析視為對學生進行教師式思考的教學方法；麻省理工學院舍恩倡導了反思方法，該方法要求在以案例為對象的反省性思考與探究活動中把握原理。土力學案例偏向于工程，而工程最重要的就是安全。因此，對工程安全或事故的反思是土力學工程案例分析的核心。

2.土力學案例教學要素

案例由多種要素有機結合在一起，主要包含：（1）目標要素。該目標決定了土力學工程教學需選擇有意義的工程案例，例如，重大工程、社會影響力大的工程或比較前沿的工程；（2）背景要素。土力學工程的產生具有一定的時代和環境背景，案例分析時需結合這些背景解讀；（3）事實過程要素。案例以教學敘事為主，應包括建造過程，過程中出現的工程問題及解決方法，工程最終的結果等；（4）反思要素。這是案例分析中的關鍵要素。對于相同的問題，由于每個人的成長經歷和理論視角不同，往往可以做出不同的反思和論述，反思角度、反思程度和反思結果都會有所區別，甚至完全相反。因此，一個工程案例的教學價值，在很大程度上受到分析反思效果的影響；（5）人物要素。這是傳統的工程案例分析中容易忽略的部分。工程活動離不開人的作用，有人才有故事。因此，在土力學工程案例分析中，可以嘗試從某個人的視角去組織語言和事件，如某位工程師，增強代入感，提高學生學習興趣。或者結合該工程案例的時代背景，介紹當時比較知名的土力學專家，提高技術課程的人文氛圍，讓課程生動起來。

3.土力學案例分析程序

以意大利比薩斜塔為例進行分析：（1）大致了解案例的故事情節，如背景、人物、沖突、結果等。比薩斜塔位于意大利，設計初衷并非斜塔，而是工程事故引起的斜塔，多年后成為危塔，經工程治理后矗立至今；（2）確定案例分析格式。具體可以分為題目、前言、工程背景、具體問題、反思研討等。注意分析格式各部分之間的邏輯關系，做到整體把握，詳略得當，重點突出；（3）確定案例的關鍵問題。一是比薩塔自身的傾斜，由非均勻地基造成，涉及地基沉降計算和地基承載力問題。二是糾偏，包括不同糾偏方法的有效性；（4）確定案例背后的關鍵人物。伽利略作為近代科學實驗奠基人之一，曾在比薩斜塔塔頂開展了兩個鐵球同時落地的實驗，從實驗角度證明了自由落體定律。因此，可以將伽利略作為案例人物介紹的引子。在比薩斜塔的糾偏過程中，比薩政府在全世界范圍內征集加固方案，多個方案均不奏效，一名華裔工程師提出的掏土糾偏方法起到了關鍵作用，該華裔工程師可以作為案例的關鍵人物；（5）主持案例的討論。例如，設計“如果當時你是一名工程師，你是否會參加競標？會如何開展工作？”“如果放在當代，你覺得應該采用何種處理措施？”等問題，讓學生組織討論；（6）閱讀參考專業人士的評論。案例分析前后讓學生收集一些專業人士的評論，進行批判性閱讀，既要發現優點又要審視不足。與專家保持對話關系，在對話中尋求理論與實踐的結合。

（三） 土力學案例分析教學法質量保證措施

傳統的土力學課程主要通過考試、平時作業和考勤等方式保證教學質量，引入工程案例分析后，可以增加以下幾項評分內容：（1）案例分組研討中，學生的發言情況；（2）工程案例分析報告的質量；（3）土力學虛擬仿真實驗的實操效果。

三、結語

結合土力學一流課程，探討了土木工程一流課程建設中課程思政教學目標、課程思政教學實踐、思政元素融入路徑，以及虛實結合的案例教學方法改革。實踐證明，通過引入課程思政和工程案例分析，調動了學生自主閱讀分析資料和課堂主動發言的積極性，提升了學生解決復雜工程問題的能力，土力學課程也成為土木工程專業課程中評價最高的課程之一。土力學課程的教學改革完善了教學方法，有助于培養具有家國情懷和創新實踐能力的土木工程人才，對于促進新工科背景下土木工程一流課程建設具有參考價值。

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Reform of the teaching mode for first-class course in civil engineering under the background of emerging engineering education

FENG Jun， ZHANG Junyun， YANG Tao

（School of Civil Engineering， Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031， P.R.China）

Abstract： Emerging engineering education is a new paradigm of engineering education reform in China， and it is of practical significance to carry out the reform of first-class course teaching mode under this background. Teaching practice shows that the lack of effectiveness in shaping the value of professional courses and the lack of students ability to solve complex engineering problems are two prominent problems in the construction of first-class courses in civil engineering. Starting with ideological and political education， this paper expounds the overall design of ideological and political education， the teaching practice and the design ideas of ideological and political elements for soil mechanics course. Then， by means of case teaching method that promotes the cultivation of practical ability， this paper discusses the selection principle of typical engineering teaching cases of soil mechanics， and the case teaching method combining virtuality with reality. The research results are of reference value for promoting the construction of first-class courses in civil engineering under the background of emerging engineering education.

Key words： soil mechanics course; curriculum ideological and political education; engineering case; teaching reform

（責任編輯? 代小進）