新工科背景下土力学课程教学改革实践探索

冯健雪，王林均，王建祥

（贵州民族大学建筑工程学院 贵州 贵阳 550025）

2018 年，教育部以新工科为龙头系统推出新工科、新医科、新农科、新文科建设，引领 “四新” 建设蓬勃发展。面对科技革命和产业升级，新工科目前已成为全国高教战线的广泛共识，新工科教育教学改革是时代赋予工科教育的新课题，高校土木工程专业建设要将培养学生工程创新能力、分析问题能力和解决问题能力作为当今工作的重点。土木工程是一个实践性、理论性极强的工科专业，土力学是该专业的核心基础课。文章以贵州民族大学建筑工程学院为例，结合土木工程专业创新人才培养目标，探索土力学课程教学改革实践。

1 新工科背景下土力学课程教学现状

1.1 土力学教材和教学内容缺少创新

土力学是土木工程专业（特别是岩土工程方向）的专业基础课，具有承前启后的作用，是后续学习边坡工程、基础工程和基坑工程等专业课的基础。土力学是一门实践性很强的课程，且理论性极强。然而，当前多数教材的理论内容缺乏创新和简略化。例如，大多土力学课程教材在理论性很强的固结理论部分，很少详细阐述方程的建立和求解过程，特别是方程建立时，未清晰地从基本方程（质量守恒的连续性方程）、运动方程（达西定律）和本构方程（弹性的压缩性）和有效应力原理等四个方面推导，方程求解仅一句 “由分离变量法得” 一笔带过，学生学习时的思路混乱。随着土木工程领域的新理论、新方法和新规范不断涌现，特别是工程的新工艺和新方法不断创新，如港珠澳沉管隧道、青藏铁路等，现有土力学教材很少体现相应的新知识，只能靠教师在课堂上自行补充。

1.2 教学模式单一，缺乏活力且脱离实践

土力学课程的实践性、理论性极强，是土木工程专业的传统课程。当前，该课程教学方法缺乏创新，基本沿用传统板书或PPT，教育理念也相对落后，缺乏创新思想，这种单一的教学模式会影响学生的学习兴趣和独立思考。由于土力学涉及的地下基础具有隐蔽性，和上部结构相比，学生的生活感官模糊，难以理解工程中的土力学问题。单纯的板书和图片展示很难达到教学目的，故而在教学中需要更丰富的教学手段，比如视频展示和现场参观等。

土力学的课堂教学大多是教师单一 “灌输式” 讲授，由于土力学的知识体系比较庞杂，许多半经验半理论公式枯燥无味，很难调动学生的学习主动性和积极性，教学效果甚微。此外，受学时限制，试验教学内容一般只包括直剪、含水率、液塑限和击实等试验，其他重要且复杂的试验（如三轴压缩试验和固结试验），学生没有机会动手实际操作。

1.3 学时较少，课程案例讲解力度不够

随着土木工程专业学时大幅度减少，土力学课程的课时一般为40―48 学时，其中包括实验课学时，一般为8 学时。因为许多知识点被删除，所以重点知识点难以详尽讲解，学生也不好消化。近年高校对教师的科研考核过重，导致 “重科研、轻教学” 等情况屡见不鲜，影响了教学质量，土力学教学效果难以得到保障。

土力学与工程实践密切相关，但土力学教学中将工程案例与岩土大家的事迹相融合仍处于初始探索阶段，未形成完整的教学体系。加上土力学课时减少，教师只能勉强完成土力学的主体知识讲解，很难做到在讲解知识点时将典型的工程案例和岩土大家的事迹渗透进来。

2 新工科背景下土力学课程教学探索

2.1 土力学课程课堂教学体系的探索

土力学课程教学的主体是课堂教学，课程主线包括基础知识（土的基本物理性质）、先导课程（土中应力计算）、三大核心知识点（渗流、变形和强度）及土力学工程应用（挡土结构土压力、边坡稳定性及地基承载力）。根据土力学课程特点和教学实践经验，发现土力学教学有以下难点：①因为土力学的实践性和理论性较强，且和其他力学（如材料力学和结构力学）相比，学生往往觉得土力学理论不够严密，比如在研究变形时假设土体是弹性体，而在研究土体强度时又假设土体是弹塑性体，在学习的过程中往往觉得很迷茫，从而失去兴趣。因此如何提高学生的兴趣是教学难点。②随着复合型人才培养占比的不断提高，土力学的课时随之减少，因此土力学的很多知识点必然被删减，如何解决讲清楚土力学的核心知识和构建好土力学教学体系是教学过程中的重点和难度。③土力学是一门和工程实践联系非常紧密的学科，除了主体知识外，学生的实践创新能力和课程思政教育是当下人才培养的重点，要将新工科的创新理念和课程思政教育融入进来，需要对土力学课程体系重新架构，明确教学的两条主线，这也是土力学教学的另外一个重点和难点内容。

为了解决上述问题，首先教师要转变观念，做到理论和实践相互结合，讲透核心概念；然后教学内容的结构安排要围绕学生的学习和认知规律梳理，以学生为中心开展教学训练；最后是教学方法，应采用引导式、研究性和讨论启发式的方法，注重工程实践的结合，从而强化学生学习的主动性和互动性，形成一个良性循环。

在教学体系方面，课程教学是土力学教学的第一主线，由课堂理论教学和实验教学组成，二者相辅相成，没有土工试验和测试就不能形成土力学理论，缺少理论的指导，土工试验也就没有了价值意义。通常理论教学为40 学时，实验教学为8 学时。为了提高学生的兴趣和让理论通俗易懂，在理论教学时尽量以案例引入，深入浅出，运用演示实验配合讲解等多种教学手段相互配合。实验课教学时，除基本试验外，需要强调综合性试验和创新性试验，比如挡土墙土压力的测试与研究，理论讲解的都是极限状态下的土压力，但实际过程中土压力与位移有密切关系，因此可以通过该综合性试验激发学生的求知欲及试验动手能力。学生自主设计和试验，并对试验数据结果进行整理和分析，最后和理论对比，促使学生对理论与实践的对比思考，同时锻炼其创新能力。此外，在创新性方面，通过与教师的科研项目相结合，也就是将优质科研项目引入实验室，让学生主动参与科研，形成教学与科研相互融合、相互共享的开放式模式。

2.2 土力学课程实践教学体系的探索

实践教学是土力学课堂教学的延伸，也是培养学生创新能力的重要环节，对学生的创新意识、大国工匠精神和团队协作意识等具有重要意义。土力学实践教学，因具有新颖性和灵活性而越来越受欢迎和重视，是实践创新人才和素质拓展的重要教学环节。

在实践教学体系的构建上，应做到如下几点。①在校企合作的平台基础上，定期聘请企业导师到学校开展专题讲座交流，将企业最新的技术介绍给学生，让学生及时了解当下的前沿工程，包括新工艺、新材料和新工法等。②以赛促学，以学科竞赛为抓手，促进学生创新能力的培养，特别是两年一届的全国大学生岩土工程竞赛，该赛事在土木工程领域具有非常广泛的影响力和权威性，对学生的创新意识、动手实践能力和协作精神及同其他高校学生之间的交流沟通具有非常好的促进意义。③通过开展创新创业项目增强学生的创新能力，培养适应新工科背景下国家建设所需的创新人才。在土力学课堂教学过程中，通过提前布置实践性和创新性较强的综合性课题，引导学生检索文献，凝练出关键问题，形成创新科研课题，然后付诸实践，促使学生更快掌握土力学相关的科研技能，具备发现问题、分析问题和解决问题的创新能力。④加强实践教学，创新能力的培养需要走出去，与外界进行交流学习。首先利用校企合作的平台，让学生亲自参与现场试验，从而达到学以致用和融会贯通的教学效果；其次在本科生导师制中，让学生进实验室，指导学生参与前沿性的科研项目，比如土与结构物界面相互作用的课题、真空预压下的排水固结课题等；再次制定好学生的学习内容和考核要求；最后为了让学生建立完整、系统的工程知识体系，让其做学科交叉性的课程设计，比如土压力、边坡稳定性和地基承载力问题都是统一的强度问题，可以以极限分析理论为切入点进行课程设计，由土力学教学团队的老师一起指导，引导学生建立系统的工程观。

2.3 土力学课程案例教学的探索

土力学课程案例教学的探索，需要考虑工程相关和育人相关，让学生对土力学感兴趣和对土木工程的认识上升到一定的高度。文章以土木建设的家国情怀、工程伦理和大国工匠精神等三个方面作为切入点，遴选出典型案例融入土力学课程的知识点。

在土木建设的家国情怀方面，引入茅以升在抗战时期修钱塘江大桥的事迹，增强学生的民族自豪感和爱国情怀。为了国家战事需要，茅以升炸桥又复桥，期间还与土力学之父太沙基研讨了学术问题，运用土力学理论解决了工程难题。茅以升的案例让学生了解中国国情，从政治上、思想上、理论上和情感上认同国家发展道路，树立民族自豪感和社会责任感。

在工程伦理方面，以1998 江西省九江市发生的长江大堤决口事件为例，经后面学者研究发现，导致堤坝发生渗流破坏的原因是挡土墙下部的粉质土层厚度小和抗渗强度低、水位上升和加固抢险滞后，从而使细粒土流失形成了渗流通道。九江的长江大堤决堤案例可用来对学生进行工程伦理教育：在学习和工作中一定要恪守职业操守、一丝不苟做工作，并要防微杜渐和及时排除工程隐患。

大国工匠精神方面，在新中国成立70 多年以来，特别是改革开放以来，我们国家在基础设施建设方面取得了一系列重大突破和进展，如世界第一的高速公路、高速铁路历运营里程和超高层建筑数量等。此外，还有水利水电方面的三峡工程、南水北调、西气东输等一个个世纪工程，令世界瞩目。这里面有着无数的老一辈专家学者，如茅以升、黄文熙和沈珠江等岩土大家的辛勤付出。课堂上应教育学生学习他们在工作和治学中的严谨精神。通过重大工程和岩土大家的事迹，培养学生学习大国工匠的精神，增强学生的民族自豪感和专业兴趣。

3 结语

新一轮的科技革命和产业变革不断升级，对土木工程专业在人才创新培养上提出了重要挑战。结合贵州民族大学建筑工程学院土木工程专业创新人才培养目标，文章分析了土力学课堂教学和实践教学中存在的主要问题，对课程课堂教学体系和实践教学体系进行构建，最后对土力学课程案例教学模式进行实践探索。今后应重视学生创新能力的培养，形成土力学专业课程改革和实践教学创新相结合的教学模式。