《土力学》实验教学的调查分析与改革探索

曹 培，杨 阳，毛无卫

(1.同济大学 地下建筑与工程系， 上海 200092；2.同济大学 岩土及地下工程教育部重点实验室, 上海 200092)

《土力学》是同济大学土木工程学院的传统优势课程之一，是土木、水利、地质、港航、智能建造和工程法学等专业本科生必修的专业基础课程。作为这门经典课程的关键组成部分，《土力学》实验不仅可以帮助学生更直观地理解《土力学》的基本理论，而且能够让学生在学习和操作中进行知行合一的锻炼，在培养本科生的实践能力和创新能力方面发挥着举足轻重的作用[1-2]。实验课的教学目标不仅仅是让学生掌握几个实验项目的操作方法，更重要的是通过实践锻炼引导学生独立思考，潜移默化地对学生进行工程思维的熏陶，让其在掌握知识的同时，发现问题和解决问题的能力也能得到不断的提升，并逐步升华为独立工作的能力和创新能力[3-4]。不少前期教学改革研究表明，高校对《土力学》实验教学普遍非常重视，在加强学生专业能力、提高学生综合素养以及适应新时代培养要求等方面做出诸多有益探索[5]。随着现代化科技和产业革命的飞速发展，新理论、新技术、新方法和新设备层出不穷，对教育方式和教育环境产生了巨大的影响，也对高等院校的创新型专业人才培养提出了更高的标准和挑战[6-8]。与此同时，随着时代的发展，大学生无论是在个人综合素质方面，还是在专业需求方面，都在不断发生变化[9-10]。因此，深入调查了解学生对于实验教学的需求和反馈，对于建设以“学生为主体”的高质量实验教学具有重要作用。

为了充分了解《土力学》实验的教学质量和学生的学习效果，从而为《土力学》实验教学改革提供良好的思路和方向，本文设计了一系列合理的调研内容，以大土木专业的本科生为调查对象，开展了线上问卷调查。通过对统计结果的深入分析，不仅获取了学生对实验教学的反馈和评价，而且掌握了当代本科生的实验学习需求、学习习惯和学习能力，为改进实验教学方式、提高实验教学质量提供了有效的参考依据。

1 问卷调查概述

本次问卷调查分两次进行，分别为2019—2020学年和2020—2021学年第一学期，调查对象为同济大学大土木专业2017级本科生和2018级本科生，共1006名。通过前期调研和咨询，自行制定了较为详细的调查问卷，主要内容包括教学过程反馈、教学效果、学习习惯和需求等方面。在该学期《土力学》实验课程结束后，以“问卷星”的形式在微信平台推送，对全体在读学生开展线上形式的匿名问卷调查，最大程度确保学生在填写过程中心无顾忌，畅所欲言，从而提供真实的调查反馈。截止问卷失效，共收回问卷913份，有效率超过90%，具有较好的代表性。

2 调查结果

2.1 教学过程的反馈

现阶段我校《土力学》实验教学共开展六个实验项目：筛分试验、界限含水率试验、固结试验、直剪试验、无侧限抗压强度试验和三轴试验，其中前五个项目为验证性试验，第六个项目为演示性试验，采用线上虚拟仿真试验和线下实体操作演示相结合的方式开展实验教学。每个试验项目安排2个学时，为保证实验课效果，采用小班化教学，每班30人，三人分为一组合作完成实验操作，争取做到人人参与，人人动手。

针对实验教学过程中学生实际动手操作情况进行的调查结果显示，其中有超过94%的学生亲自动手参与了全部实验项目，说明整体上学生对于《土力学》实验的参与程度较高。另一方面，约5%的学生只参与了部分实验项目，而其中0.3%的学生一次实验项目也没有参与过，全程旁观。跟进调查结果显示学生关于未动手参与实验的原因也五花八门，其中比较常见的原因有两条：一是觉得实验课没有学分，不重视，只求速战速决，应付差事；二是觉得实验内容相对简单，看看就会了，不需要动手操作。而通过观察学生实际的实验操作发现，即使是筛分等较为简单的实验，操作也会出现各种各样的问题，这说明学生在实验技能方面的自我认知偏高，存在着眼高手低的情况(见图1)。

图1 对实验参与度的调查结果

2.2 教学效果的调查结果

实验课教学不仅仅是要求学生掌握基本的《土力学》实验过程和具体操作步骤，其根本目的在于对土的基本物理力学性质进行深入了解和学习。学生的学习收获是实验教学效果最直接的反馈。如图2所示，调查结果显示超过半数的学生(54.1%)认为实验学习对掌握土的基本物理力学性质有很大帮助，44.7%的学生认为有一些帮助，而剩下1.2%的学生认为几乎没有帮助。14.7%的学生对学习效果很有信心(见图3)，表示在实验课后遇到类似的实验项目能独立完成；超过75%的学生认为自己可以独立完成类似实验项目，但是需查阅参考教材；8.7%的学生对于能否完成类似实验项目持不明确态度，另有1.6%的学生表示不知道如何下手，无法独立完成。这两项调查结果说明大部分学生通过实验课的学习都能够有所收获，但同时也存在个别学生因为某些原因学习收获有限，在后续的实验教学中要予以关注。

在针对学生实验能力提升的多选项调查中(见图4)，71.7%的学生认为通过实验课程学习自己在实验技能方面得到了明显提升，68.8%的学生认为加深了对理论知识的理解和掌握，60.1%的学生认为动手能力得到了锻炼，8.1%的学生认为在创新意识上有所助益。这一方面肯定了实验教学的作用和意义，同时也反映出现有的实验教学课程在培养学生创新能力方面存在不足，为实验教学的进一步改革指明了方向。

图2 实验对学生掌握土的基本物理力学性质的帮助

图3 学生课后独立完成实验项目能力的调查结果

图4 学生能力提升的调查结果

2.3 学生学习习惯和需求的调查结果

为了更精准地了解学生的学习习惯和学习需求，有效指导实验教学改革，问卷针对学生的学习习惯开展了调查。从图5可以看出，仅有31.8%的学生能够做到课前预习，而另外68.2%的学生则没有进行过课前预习。而从课前预习的效果来看，12.4%的学生通过预习能够做到对《土力学》实验内容和整个操作过程非常了解，74.2% 学生能够部分掌握课程内容，而13.4%的学生还是没有任何概念。这说明学生对于《土力学》实验课程重视度一般，大部分学生在课前没有进行认真预习，而做过预习的学生，预习效果也不尽如人意。

图5 学生实验课前预习情况的调查结果

针对学生在实验学习过程中的重点问题进行了调查，题目设置为多选题，以便为实验教学改革提供有针对性的指导意见。如图6所示，结果显示约65.9%的学生认为实验学习的重点在于实验操作过程，半数以上的学生认为学习重点在于实验成果整理(58.4%)、仪器设备和实验方法(51.5%)，31.6%的学生认为实验的学习重点在于掌握实验原理，仅有少数学生认为实验的学习重点在于应用。其实无论是实验操作、仪器设备、实验方法、实验原理还是实验应用，都是实验学习过程中不可或缺的一部分，它们环环相扣，相辅相成，尤其是实验应用，更是实验学习和训练的主要目标，而恰恰是学生最忽略的一面，成为学生在实验学习过程中的薄弱环节。

图6 学生认为实验学习的重点环节

在关于《土力学》实验需改进或提升方面的多项调查反馈中(见图7)，有64.0%的学生认为应该增加实验项目，使实验内容更加丰富，更加多样性；64.7%的学生认为应当更新实验仪器，40.6%的学生认为考核方式需要加以改进，还有10.4%学生选择了实验环境。作为《土力学》的实践环节，《土力学》实验课时有限，在课程安排上受到一定的约束和局限性，设置的实验项目均为必选，未设置选修的实验课题和项目，导致学生认为实验项目不够丰富。因此如何在有限的课时内，开发扩充适用于实验教学的课题或项目，拓展实验教学的广度和深度，将是实验教学改革的工作重点之一。在实验教学仪器方面，实际上近年来在学校教学经费的支持下，已逐步对包括直剪实验、三轴实验等部分教学设备进行了更新换代。为了适应教学要求，在仪器更新时并没有选取自动化程度较高的仪器设备，而是保留了传统的手工操作功能，避免自动化程度过高影响学生实操训练的机会，无法实现对学生动手能力的培养。但多数学生却认为这些仪器设备不够智能化、不够现代化。可见，新技术、新智能的发展给学生群体的学习需求也带来了很大的冲击和影响，与传统的教学习惯产生偏差。另外，有40%的学生认为考核方式需要加以改进。目前《土力学》实验的考核是以学生提交的实验报告为标准进行考核，仅以结果论成绩，不能综合反映学生对于实验的参与度、掌握程度和应用能力，具有一定的局限性。合理地改进实验考核方式，以便更加科学地反映学生的综合能力，也是需要改革探究的教学环节。

图7 学生对实验课改进的期待的调查结果

3 实验教学的改革

3.1 完善实验课程体系，满足多样性学习需求

通过调查问卷可以发现，目前的《土力学》实验课程设置可以基本满足学生的学习需求，但以演示性和验证性实验为主的实验教学对学生的创新能力要求相对较低，不能有效激发学生的独立思考能力和解决问题能力。因此，在原有实验内容的基础上，引入了综合性、设计性、研究性和开放性的实验内容[11]，对现有的实验课程体系进行了优化和完善，满足不同程度学生的学习需求，并增强学生的实验自主性，从而有效锻炼学生的实践能力、创新能力和团队协作能力。

鉴于《土力学》实验课时有限，结合本科生导师制项目、校级、市级和国家级大学生创新项目等，建立了以基础性的教学型实验为主，综合性、设计性的专业型实验和科研型实验为辅的多层次实验教学体系，将实验教学与工程实际、科学研究进行有机融合。经统计，目前同济大学因科创项目等需要参与土力学实验设备使用的本科生比例正逐步提高，其中不乏大一、大二等低年级学生，学生的实验需求越来越大，实验内容也越来越多样化[12]。常规土工实验如含水率实验、压缩实验、渗透实验等在综合性科学研究中往往发挥着重要作用，也可视为培养学生科研素养的基础性训练。如为适应该需求，通过在每学期初设置集中的实验室开放日，在开放日中学生可自行报名参与前来见学，熟悉实验室。另一方面，利用教学活动间隙，灵活设置实验室开放时间，学生可以根据实际需求自由选择预约实验时段。通过近半年时间的改革管理，发现运行效果良好，不仅大大缓解了实验室容量有限的压力，也是对实验教学时间的有效延伸。

3.2 改进实验教学方法，引导良好的学习习惯

针对学生课前预习准备不足这一问题，一方面可以将相关课件、视频等学习资料提前发给学生，让学生有充足的学习资源和途径进行课前预习；另一方面，在实验课正式开始前，利用几分钟时间通过微信小程序等方法对学生开展简单的课前测试，这样既可以引起学生对课前预习的重视，也能相应地强化学生通过课前预习而获得在课堂上的成功体验。

基于实验教学目标，结合学生对实验学习重点环节的反馈，对原有的实验教学方法进行了优化和改进。针对学生在实践应用方面比较薄弱的问题，在原有的“教、学、做”基础上，增加了“用”的教学环节，提出了“教、学、做、用”四位一体的实验教学法，如图8所示。通过工程案例启发、多媒体展示和设备演示等方法向学生教授相关实验知识，并与工程实践相结合，加深学生对知识点的理解和掌握；学生基于对实验知识的理解和观摩，自主开展实验，通过团队协作完成实验操作，培养动手能力和团队协作能力；学生观察实验现象，记录实验数据，对实验结果进行分析，并撰写实验报告，锻炼数据处理能力和分析能力；在老师的指导下，学生针对相关的实验课题进行分组讨论和信息收集，融会贯通、举一反三，提出具有可操作性的实验设计，以培养学生的实验应用能力和创新思维的能力。

其次，充分利用现代信息技术手段，将先进的技术和方法引入《土力学》实验教学，综合利用“慕课”、“虚拟实验”、“翻转课堂”等手段和资源，建立了多元化、多途径的新型实验教学模式。通过课上和课下、线上和线下教学的有机结合和相互补充，提高知识传递的效率，增加实验学习的路径，有助于激发学生的学习兴趣。

图8 实验教学法示意图

3.3 健全实验考核机制，强化实验教学效果

通过对实验教学效果的调查发现，虽然大部分学生都能通过实验课加深对理论知识的理解和掌握，但是在课后大部分学生都需要依赖教材等指导文件才能完成实验操作，这说明学生对实验内容的掌握还有待于进一步加强。实际上，对于大多数学生来说，实验课只是一门不得不修的、相对容易拿学分的课程，带着这种有点功利性的学习目的，大多学生非必要不会在实验课程上花费太多时间和精力。针对这一问题一方面要强化课堂教学效果，在有限的时间内完成高质量的课堂教学，另一方面要健全实验考核机制，通过考核引起学生在思想上的重视，在课堂学习中全身心的投入学习，这同时是调查问卷中学生反映的希望改进的一个方面。因此，除了上节改进实验教学方法外，对实验考核机制也进行了全面的改进，由单一的“惟实验结果论”转变为多层面、多元化的综合素质评价指标，从实验预习、实验操作和实验报告三个层面综合评定实验成绩。其中，实验操作包括实验纪律、实验态度、具体操作过程和参与程度四个方面，对学生的实验全过程进行综合评价分析[13]。改进后的考核机制不仅有效地避免以往实验教学过程中存在的学生实验报告“搭车”现象，而且可以进一步的提高学生对实验的参与度，对实验教学效果进行强化和提升。

4 结 论

作为《土力学》实验课程的主体，当代大学生信息获取手段多样，其自身的学习方式、学习习惯，以及对待实验课程的需求和期待也正不断发生着变化。本文获取的效果调查问卷结果表明，始终沿用过去的教学思路与内容，可能会使学生对实验课程产生方式老旧、内容单一的刻板印象，影响教学效果。基于科学、完善的教学体系，依托多样化的能力训练与创新科研项目，结合循序渐进的教学手法以及多元的考核机制，才能保持实验课程对学生的持续吸引力，发挥实验课程的良好互动效应，实现新形势下高校人才培养的目标。