新工科背景下土力學混合式教學改革探討

DOI：10.3969/j.issn.1671-489X.2024.22.106

摘 要 在新工科建設背景下，培養基礎理論扎實、創新能力強且能解決復雜工程問題的當代土木工程師，是當前土木工程專業的重要任務。介紹土力學課程以學生為中心的線上線下混合式教學模式，通過知識點模塊化與思維導圖化，幫助學生厘清課程知識點的內在聯系；結合線上平臺教學與線下課堂教學，采用任務“懸賞”、問題導向、案例教學等方式，通過融合知識傳授、能力培養與價值塑造的“三位一體”教學方法，實現“知識—能力—素養”的進階式培養；通過開設項目式實驗，將驗證性實驗教學轉化成開放性、綜合性與設計性實驗教學。經過一系列的教學改革，夯實學生理論知識基礎，強化學生創新思維與創新能力訓練，完善工程實踐與解決實際工程問題能力的培養，將新工科培養理念付諸實際。

關鍵詞 新工科；土力學；混合式教學；教學改革；思維導

圖；課程思政

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2024）22-0-06

0 引言

當前在新工科背景下，新技術革命和產業變革已進入關鍵時期[1]，傳統的土木工程行業面臨產業升級的壓力。為提升我國土木工程行業的競爭力，培養基礎理論扎實、創新能力強且能解決復雜工程問題的當代土木工程師，是當前土木工程專業的重要任務。土力學作為土木、水利、交通、地質等專業的專業核心課程，是基礎工程、地基處理、基坑工程等后續專業課程的重要基礎。為適應新工科要求，土力學課程應培養當代大學生社會主義核心價值觀、創新能力、解決實際工程能力等當代工程師素養。

線下課堂教學具有很多優點，如能提高知識傳授效率，師生間能進行有溫度的情感交流，教師能直接地了解學生學習的狀態、及時調整教學方法與教學進度等，因此，力學類課程目前主要采用線下課堂教學。但是傳統的線下教學一般是以教師為中心，重知識傳授、輕能力培養，對學習接受能力差的學生給予的關注不夠，學生被動地接受填鴨式教學，師生互動少，學生缺乏課堂參與感，學習沒有熱情[2]，創新能力不能很好地得到鍛煉。為彌補線下課堂教學的不足，線上線下混合式教學應運而生。

混合式教學是依托互聯網教學平臺，結合線上課程再造和線下知識傳授與討論探究相結合的教學模式[3]。運用混合式教學，既充分發揮教師啟發與引導的作用，又能讓學生積極參與學習，使學生由知識被動接受者轉換成主動學習研究者，充分發揮以學生為中心的理念，提高學生學習的主動性、積極性和將知識轉換成能力的創新性。因此，線上線下混合式教學為新工科培養理念融入土力學課程教學提供了有力的保障。

1 土力學課程特點和教學中存在的問題

1.1 土力學課程特點

土是一種碎散體材料，具有散體性、多相性、自然變異性等特點。土力學是建立在碎散材料的基本理論、連續介質的假設、實驗與工程實踐等基礎上的，是一門具有很強理論性、實踐性和實用性的課程。這使得土力學知識點多、概念抽象、理論性強且計算煩瑣，對學生數學與力學基礎要求高，學生普遍反映學習難度大，學習興趣偏低，自主學習積極性較差，一直以來也是學生公認較難且乏味的課程。

1.2 土力學課程教學中存在的問題

土力學課程在《高等學校土木工程本科指導性專業規范》中推薦的學分為2學分，課時一般為32～40學時。這就導致課時少，對知識點講解只能點到為止，學生參與度不高，缺乏思考，不能很好地發揮學生自主學習與思考創新的能力。

土力學很多傳統的理論源于工程實踐與實驗，如莫爾—庫侖理論、達西定律、土的壓縮理論等。實踐教學對理解土力學理論、提高學生的創新能力尤為重要，而教學中往往理論與實踐脫離，使得土力學理論晦澀難懂，教學枯燥乏味，不能很好地提升學生解決工程中復雜問題的能力。實驗教學也是以教師示范、學生模仿的驗證性實驗為主，導致學生不能自主設計實驗方案，對實驗過程與結果處理缺乏獨立思考，限制了創新思維與創新能力的發展。

2 土力學課程線上線下混合式教學改革

課程體系的培養是一個系統性工程，需要從多角度配合才能達到最佳效果。課程改革同樣需要從多方面出發，涉及教學內容設計、教學方式方法、教學評價與反饋等多個環節。

2.1 優化教學內容，將知識點模塊化、思維導圖化

本科階段的土力學教學內容主要是古典土力學，重點是土的三大特性：強度特性、滲流特性與變形特性。三者既是獨立的理論，也是一個系統的知識體系。利用思維導圖進行土力學課程教學，可以幫助學生厘清知識點之間的聯系，建構清晰的知識網絡[4]。在把土力學繁雜的知識點細化后，厘清知識點之間的內在關系，將課程內容模塊化、思維導圖化，如圖1所示。通過模塊思維導圖將抽象的理論知識與工程中復雜問題進行有機結合，從工程應用中去發掘和理解理論知識，加深學生對理論知識點的學習和理解；再把理論知識用于分析工程實踐，實現理論與實踐的結合，提高學生的問題分析能力與創新能力。

2.2 以學生為中心的線上線下混合式教學模式

在以學生為中心的理念基礎上，本課程教學采用一種“531”式線上線下混合式教學模式。“5”即線上線下教學五環節（圖2）：課前“線上學習+

線上任務‘懸賞’”、線上線下任務點評、“三位一體”課堂教學、課堂分組討論、課后線上練習鞏固與答疑解惑。“3”為“三位一體”教學，即知識傳授、能力培養與價值塑造三者相互結合。“1”是將課程思政與知識傳授融為一體。

2.2.1 線上任務“懸賞”促進課程知識點的學習

線上課程視頻的學習比較枯燥乏味，很多時候學生只是為了完成任務，學習興趣不高。通過“知識點任務+實踐調查”的方式發布課前任務，讓學生有目的地去線上自學有關知識點，并結合生活中的實踐去進一步理解知識點。例如：要求學生去校園內外實地調查土的物理性質的影響因素，通過加水、刨松等方式區分含水量和松散程度對土性質的影響，并以圖片、視頻、報告等方式在線上或課堂上以小組的方式進行展示；實地調查校園內外的擋土結構有哪些，土壓力作用下擋土結構是如何穩定的（圖3）。學生在生活中去學習土力學，把土力學應用于生活，將枯燥的理論知識變近、變活、變易。教師可以在線上學習平臺上或課堂小組匯報中直接打分，也可以讓學生之間相互打分，既把有限的課時用活了，解決了課時少而知識點多且難的問題，又讓學生動起來參與其中，從另外的角度用更豐富的思維去認識土力學知識。

2.2.2 “三位一體”教學

中共中央、國務院印發的《關于加強和改進新形勢下高校思想政治工作的意見》提出“三全育人”方針和知識傳授、能力培養與價值塑造“三位一體”的育人理念[5]。結合線上線下混合式教學，以知識傳授為載體，以能力素養培養為目標，以價值塑造為核心，全方位培養學生。

1）以“線上教學平臺+線下問題導向式教學”進行專業知識傳授。結合學校網絡教學平臺，土力學課程形成包括74個教學視頻、600多道練習題和80多道計算題的資源庫，并上傳了課件、教案和行業規范等多種教學資源。在課前的任務“懸賞”下，通過視頻與課件的學習，學生實現對知識點的概念掌握。課中，教師在線下以“懸賞”的任務問題為導向，在知識點原理的講解和分析基礎上，結合工程實際組織學生對難以理解的理論問題進行討論。通過課堂上的授課與答疑解惑，既幫助學生掌握復雜的理論知識，又訓練學生對復雜問題的分析能力。課后通過線上的章節測驗，進一步讓學生鞏固所學知識點。再結合實際工程復雜問題，以課后大作業的方式，讓學生把所學知識應用于工程實際，解決工程復雜問題，以實現學生工程素養的達成。具體實現流程如圖4所示。

2）通過線上線下案例式教學，實現“知識—能力—素養”的進階式培養。案例式教學以實際工程案例為教學素材，通過分析、討論、問答等師生互動的教學方式，達到理論聯系實際、啟發學生思維、提高教學效率的效果[6]。土力學是一門具有很強的工程背景的專業基礎課，通過工程案例與知識點相結合，為學生在理論知識學習和工程實踐間架起一座橋梁，能夠激發學生的學習熱情，培養學生分析問題和解決問題的能力，提高學生將理論知識應用于工程實踐的能力[7]。

線上采用圖片、視頻、文章等案例素材，線下對典型案例在課堂上進行案例分析，形成線下精講與線上拓展的案例教學方式。在課程講授中，首先從工程中的案例導出基本知識與理論知識，讓學生對乏味的理論知識有了形象的感性認識，提高學生的學習興趣；然后進一步對理論知識進行分析講解，將學生的感性認識提高至理性理解，讓學生具有分析土力學理論問題的能力；再把理論知識用于實際工程問題分析，塑造學生解決實際工程問題的工程師素養。如圖5所示，形成工程問題—基本概念—理論知識—問題分析的閉環式學習方式，實現“知識—能力—素養”的進階式教學模式。

3）以工程案例為媒介，將課程思政與知識傳授有機地融為一體。在當前如火如荼的課程思政建設背景下，對于如何將思政元素水到渠成地融入專業課程教學中，很多專業課程教師感到力不從心[8]。生硬地將思政觀點照搬到專業課程中，既起不到在潛移默化中育人的效果，還會使課堂氛圍變得生硬，降低學生的求知欲望，出現課程思政與專業課教學“兩張皮”現象[9]。而工程案例具有真實性、震撼感、趣味性強等特點，通過引入工程案例可以彌補這一缺陷。例如：通過介紹我國優秀古建筑與“超級工程”，堅定學生的文化自信，增強愛國主義情懷、創新精神與專業認同感，塑造“大國工匠”精神，培養勇于承擔民族復興時代重任的當代大學

生；通過介紹工程事故案例，激發學生作為當代工程師的責任感，培養學生嚴謹、敬業、追求卓越、求真創新等精神，培育符合新時代要求的中國特色社會主義事業工程師隊伍。表1列出本課程工程案例與思政元素的部分結合點。

2.3 實施土力學實驗教學改革，培養創新能力與解決工程實際問題的工程素養

土力學是一門理論與實踐相結合的課程。土力學實驗教學既能幫助學生更好地掌握基本概念，加深對理論的理解，又能培養學生的動手能力、工程應用能力與解決工程實際問題的工程素養[10-11]，從而提高學生主觀能動性，培養創新思維和增強綜合解決問題的能力。傳統的土力學實驗教學以教師理論講解和現場示范、學生模仿實驗操作為主，從試樣選取、實驗操作、實驗數據分析到實驗報告，學生基本上按同一步驟與格式要求完成。這就使得實驗變成按固定要求完成和機械地模仿，學生的主動思考能力、創新能力與解決工程實際問題能力很難得到鍛煉[12]。因此，從驗證性實驗向綜合性與設計性實驗進行改革勢在必行。

2.3.1 構建實驗教學模塊與實驗項目，開展開放性、綜合性與設計性實驗

在已有的驗證性實驗基礎上豐富實驗教學內容，構建實驗教學模塊，開設開放性、綜合性與設計性實驗，以實驗項目的方式完成，通過實驗模塊與課程知識點相結合，加強學生對課程內容的理解與應用，培養學生的創新思維與實驗操作能力。

2.3.2 結合線上輔助教學、線下教師引導與輔導的方式，培養學生的創新思維與能力

在學校線上教學平臺基礎上，設立實驗教學模塊，上傳實驗教學圖片、視頻及實驗規范規程等。學生須提前預習實驗內容，將有限的實驗課時延伸至課外。另外，轉變實驗教學的師生角色，將“教師示范，學生模仿”的方式轉換成“教師引導和輔導，學生組隊自己完成”的實驗教學方式。學生自由組隊、自選項目、自行制樣、自主設計并完成實驗，并對實驗結果進行分析與處理，撰寫實驗報告和實驗總結。實驗教學中師生角色與能力培養如圖6所示，充分發揮學生的自主能動性，讓學生“忙”起來，有些問題需要通過查找資料、討論分析、仔細研究等“跳一跳”的方式才能解決。通過角色轉變，實現以學生為中心的教學理念，培養與鍛煉學生自主學習、動手操作與設計創新等綜合能力。

2.4 線上線下多渠道、多階段、交叉式動態考核

傳統教學考核方式單一，以結果性考核為主，學生往往以刷題與考前突擊來應付考核。這樣會影響學生對知識的探索與學生創新能力的培養，與當前工程教育培養學生創新能力與終身學習能力的目標大相徑庭。土力學課程混合式教學可以實現線上線下多渠道、多階段、交叉式動態考核，并能將考核結果反饋到教學過程中，方便教師對教學內容與教學方法進行動態調整。通過線上線下混合式考核，可以豐富課程考核方法，實現由結果性考核向過程性考核轉變。目前，土力學課程通過線上教學平臺進行線上預習、課堂討論與練習、章節練習等方面的考核，線下進行課堂表現、課后大作業、實驗與期末考試等方面的考核，考核比例如圖7所示。

3 教學改革成效

學校2019版培養方案實施后，土力學課程開始全面實施線上線下混合式教學，改革后2019級、2020級、2021級考試成績平均分均超過70分，學生評教得分均超過96分（如圖8所示），課程學生評教校排名均進入前5%。從這三屆學生考試成績與學生評教情況來看，總體上教學改革效果較好。

4 結束語

土力學混合式教學完善了傳統課堂教學以教師為中心的模式，借助線上教學平臺與線下課堂教學相結合，采用任務“懸賞”、問題導向、案例教學等方式，豐富了教學內容、教學方法與考核方式，形成融合知識傳授、能力培養與價值塑造的“三位一體”教學，實現“知識—能力—素養”的進階式培養，并完成將實驗教學由驗證性實驗向綜合性與設計性實驗轉化，將學生從被動地接受知識轉化成主動地探索知識，充分發揮學生的主觀能動性，讓學生“動起來”“忙起來”與“跳起來”學，使學習變得有趣、有收獲、有成就，進一步夯實了學生的理論知識基礎，強化了學生的創新思維與創新能力訓練，完善了工程實踐與解決實際工程問題能力的培養，落實了新工科培養的理念。

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*項目來源：南昌航空大學校級教改課題“基于OBE理念的《土力學》混合式教學研究”（項目編號：JY21083）；南昌航空大學創新創業教育課程培育項目“土力學”（項目編號：KCPY1918）；南昌航空大學“課程思政”示范課程項目“土力學”（項目編號：sz2163）。

作者簡介：王中華、喻勇，講師；雷金波，教授。