新工科理念下土力學(xué)實驗網(wǎng)絡(luò)平臺與開放性實驗教學(xué)改革研究

高瑜 王曉榮 高利平

摘要：土力學(xué)實驗是土木工程專業(yè)的基礎(chǔ)課程;土力學(xué)實驗教學(xué)是高校實踐教學(xué)的重要組成部分。文章基于新工科理念，針對當前土力學(xué)實踐教學(xué)中存在的問題，提出改革措施。以學(xué)生為主體，以培養(yǎng)學(xué)生綜合能力為目標，以期培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力，提高學(xué)生的實驗興趣。具體而言：通過網(wǎng)絡(luò)實驗平臺為學(xué)生提供課前預(yù)習(xí)、模擬操作，結(jié)合實際工程資料讓學(xué)生真正走進實驗教學(xué);改變傳統(tǒng)實驗教學(xué)的單一性，增設(shè)開放性（創(chuàng)新性）實驗，加強學(xué)生對土力學(xué)理論與實踐的綜合掌握，充分發(fā)揮學(xué)生主動性，為今后的科研學(xué)習(xí)和工作奠定實踐基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：實踐教學(xué);土力學(xué)實驗;土力學(xué)實驗網(wǎng)絡(luò)平臺;開放性實驗

中圖分類號：G642 ? 文獻標志碼：A ? 文章編號：1005-2909（2021）06-0109-05

為培養(yǎng)一大批引領(lǐng)未來技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的卓越工程科技人才，為我國產(chǎn)業(yè)發(fā)展和國際競爭提供智力支持和人才保障，以應(yīng)對新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革所面臨的新機遇、新挑戰(zhàn)，教育部提出“新工科”理念[1]，旨在強化學(xué)生對實際工程項目的高度認知，希望學(xué)生在校期間能夠結(jié)合當前土木工程項目的形勢，進行專業(yè)化創(chuàng)新;結(jié)合土木工程的理論知識，掌握具有實踐價值、社會價值的新技術(shù)、新方法，以提高土木工程項目質(zhì)量。學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，需要在學(xué)科教育中提高學(xué)生對真實項目掌控與分析的能力，需要將理論知識轉(zhuǎn)化為可操作的實踐經(jīng)驗。高校人才培養(yǎng)應(yīng)立足于市場需求，重視人才實踐技能的培養(yǎng)。基于這一人才培養(yǎng)理念，對應(yīng)用型人才的培養(yǎng)成為高校建設(shè)的一個重要目標，多數(shù)高校將“新工科”建設(shè)作為基本的指導(dǎo)理念[2]。因此，研究“新工科”理念下高校土木工程專業(yè)實踐教學(xué)改革具有重要的現(xiàn)實意義。

土木工程學(xué)科是培養(yǎng)學(xué)生掌握各類土木工程基本理論和基本知識的一門學(xué)科，涉及的課程科目非常廣泛，專業(yè)知識內(nèi)容豐富且龐雜，不僅包括結(jié)構(gòu)工程、水利工程以及巖土工程等多種與建筑相關(guān)的理論知識，還包括土木工程測試的新技術(shù)與新方法，對學(xué)生的綜合能力與專業(yè)素養(yǎng)尤其是實踐能力提出了更高的要求[3-5]。

巖土工程中的土力學(xué)是一門工程科學(xué)，主要利用力學(xué)的一般原理和土工測試技術(shù)，研究土的物理性質(zhì)，以及外力變化時土體的應(yīng)力、變形、強度、穩(wěn)定性和滲透性等規(guī)律。它是力學(xué)的一個分支，但由于它的復(fù)雜性，必須借助工程經(jīng)驗、現(xiàn)場試驗、室內(nèi)試驗等多種專門的土工試驗技術(shù)進行研究，且各個實驗參數(shù)之間相互聯(lián)系、相互影響，其實驗結(jié)果與具體的工程緊密聯(lián)系，直接影響工程的可行性、安全性和經(jīng)濟性。提高土力學(xué)實驗教學(xué)效果不僅有助于學(xué)生對相關(guān)專業(yè)課程理論知識的理解，還有助于培養(yǎng)學(xué)生從實驗出發(fā)分析工程問題的能力。本文在土力學(xué)理論課的基礎(chǔ)上著重分析土力學(xué)實驗教學(xué)的現(xiàn)狀與不足，結(jié)合土木工程專業(yè)的培養(yǎng)目標和土力學(xué)實驗教學(xué)的要求，有針對性地提出改革措施。

一、傳統(tǒng)實驗教學(xué)的問題

目前，土力學(xué)實驗主要針對土木工程專業(yè)、道路橋梁與渡河工程專業(yè)以及交通工程專業(yè)等開設(shè)，以驗證性實驗為主。開設(shè)的實驗項目包括土的顆粒分析實驗、黏性土的液塑限實驗、固結(jié)實驗、直接剪切實驗、擊實實驗等。通過驗證性實驗讓學(xué)生了解一般驗證理論的實驗方法，加強學(xué)生對土力學(xué)理論的理解。

（一）土力學(xué)實驗課時較少，實驗教學(xué)地位不突出

目前學(xué)科交叉的大趨勢日益明顯，多學(xué)科多方向地推進人才培養(yǎng)成為主流。為了培養(yǎng)具有綜合性工程能力的工程師，增加學(xué)生課程學(xué)習(xí)的廣度，教學(xué)中部分專業(yè)課時被壓縮，土力學(xué)專業(yè)課程的學(xué)時壓縮明顯。

土力學(xué)課程教學(xué)總學(xué)時由原來的40學(xué)時壓縮至32學(xué)時，其中理論課時為24學(xué)時，實驗學(xué)時為8學(xué)時。實驗課進度一般根據(jù)理論課的課程進度安排，每個實驗的學(xué)習(xí)僅限于課堂2學(xué)時;實驗教學(xué)屬于課程實驗（理論教學(xué)的一部分），未單獨開設(shè)學(xué)分，實驗成績占本課程的10%（10分）;實驗以小組形式進行，每組的實驗數(shù)據(jù)一樣，只根據(jù)實驗報告進行成績考核，形式過于單一。每個學(xué)生的預(yù)習(xí)準備情況、實驗操作的完成度、出勤情況不能完全體現(xiàn)出來，如此單一的考核方式以及所占較小的比重降低了學(xué)生課堂的積極性，無法激發(fā)學(xué)生實驗過程的創(chuàng)造性。

（二）實驗項目單一，缺乏綜合性及創(chuàng)新性實驗

土力學(xué)實驗主要教學(xué)模式是實驗教師為指導(dǎo)，學(xué)生動手操作的模式，實驗內(nèi)容單一且固定。以本實驗教學(xué)為例，由于實驗學(xué)時的限制，顆粒分析實驗只能采用土壤密度計法讓學(xué)生了解顆分過程，摒棄了篩分實驗;但在實際工程中，野外提取的一批土樣存在各種粒徑級配的土顆粒，顆粒分析應(yīng)該是篩分結(jié)合水分結(jié)果整體分析。再比如在黏性土的液塑限實驗中，測出液限和塑限后再得出液性指數(shù)和塑性指數(shù)，未考慮固結(jié)試驗中的壓縮系數(shù)和壓縮模量，而土的分類應(yīng)綜合考慮塑性指數(shù)、液性指數(shù)、壓縮模量及壓縮系數(shù)?，F(xiàn)有大綱中的實驗項目比較傳統(tǒng)，只涉及一些簡單實驗方法。實際工程實驗中對土的強度一般采用三軸剪切實驗，而在實驗教學(xué)中只讓學(xué)生了解便攜式應(yīng)變控制的直接剪切儀，導(dǎo)致本科生對于綜合性實驗的了解較少。

在這種情形下，學(xué)生所學(xué)的實驗項目不能使他們?nèi)婢C合了解土力學(xué)實驗，并且具體分配的實驗項目及實施方案過程中的實踐教學(xué)經(jīng)費、時間不充分，實踐教學(xué)學(xué)時較少，實踐內(nèi)容有限，與工程實際脫離等多種原因造成學(xué)生的實踐能力得不到有效鍛煉。這種實驗教學(xué)模式不利于學(xué)生綜合分析實驗數(shù)據(jù)能力的培養(yǎng)，學(xué)生缺乏全局性和創(chuàng)新性能力。學(xué)生在一次實驗課只能測得土的某一類數(shù)據(jù)，而關(guān)于該類土的其他指標不能測出，導(dǎo)致學(xué)生對該類土的性質(zhì)認識不夠全面，這也與實際工程脫節(jié)，使學(xué)生缺乏綜合分析運用數(shù)據(jù)的能力。

（三）學(xué)生對實驗的重視程度不夠

首先，由于分配學(xué)時不夠，且實驗成績占比不高，導(dǎo)致學(xué)生的實驗積極性不足。實驗報告冊中，前半部分是依據(jù)土工試驗規(guī)程編寫的適合本學(xué)院學(xué)生的實驗指導(dǎo)書，后半部分為實驗結(jié)果的整理。每節(jié)實驗課程是在相關(guān)理論課結(jié)束后才進行，這就要求學(xué)生在實驗課前充分了解實驗的目的與原理，以及學(xué)會數(shù)據(jù)的整理，但是上課時發(fā)現(xiàn)多數(shù)學(xué)生對實驗課缺少預(yù)習(xí)，甚至從不預(yù)習(xí)，造成實驗課上需要重新普及相關(guān)理論知識。

其次，實驗以小組形式組成，由于實驗室的面積以及儀器臺套數(shù)的限制，每組需4～5人;同時為了保證2學(xué)時順利進行，完成實驗的規(guī)定教學(xué)內(nèi)容，需要每個小組自行分配實驗任務(wù)（制備試件、操作儀器、記錄數(shù)據(jù)等任務(wù)），這導(dǎo)致部分學(xué)生未能充分操作實驗，未能真正提高學(xué)生的動手能力。

最后，土力學(xué)的部分實驗需要烘干12h后才能計算整理數(shù)據(jù)，故實驗報告不能在課堂上完成，以至于學(xué)生在課下整理數(shù)據(jù)時，不能做到完全的一人一數(shù)據(jù)，小組數(shù)據(jù)報告較為一致，這種情況降低了學(xué)生獨立自主處理實驗數(shù)據(jù)的能力。

二、土力學(xué)實驗教學(xué)改革的思路

土力學(xué)是一門理論與實踐結(jié)合非常緊密的課程，很多理論通過實驗得出，與理論推導(dǎo)相比，其更加注重實驗結(jié)果。以新工科為教學(xué)理念進行實踐教學(xué)，符合我國人才培養(yǎng)目標，為培養(yǎng)高質(zhì)量的工程技術(shù)專業(yè)人員作出了一定的貢獻，故有較大的社會意義。目前跟層次較高的高校畢業(yè)生相比，大部分學(xué)生實踐上手能力較差，創(chuàng)新意識低。這些側(cè)面反映出實踐教學(xué)沒有針對性，學(xué)生畢業(yè)后對企業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)適應(yīng)性不佳、對接能力缺乏[6-8]等弊端。

針對目前土力學(xué)實驗教學(xué)過程中存在的問題，調(diào)研學(xué)習(xí)各高校土力學(xué)實驗室好的做法，并結(jié)合土力學(xué)理論教師的建議，加強學(xué)生的主動性學(xué)習(xí)是核心。土力學(xué)課程與巖土工程勘察聯(lián)系較為緊密，單純靠老師課堂講解，學(xué)生無法很好地理解掌握。改變傳統(tǒng)實驗教學(xué)模式，將教與學(xué)、研與學(xué)的模式充分結(jié)合，讓大家認識到實驗教學(xué)的重要性[9-10]。

（一）建立土力學(xué)實驗的網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺

由于實驗教學(xué)時間有限，實驗課程的時間只能按照理論教學(xué)的進度安排，導(dǎo)致實驗上課內(nèi)容零散、單調(diào)、枯燥，故建議利用仿真教學(xué)從實驗手段、實驗方式進行土力學(xué)實驗教學(xué)改革。土力學(xué)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺可將整門課程的教學(xué)過程分階段管理，增加課前預(yù)習(xí)教學(xué)、網(wǎng)絡(luò)平臺實驗操作的教學(xué)環(huán)節(jié)。

（1）課前預(yù)習(xí)。學(xué)生可以通過實踐網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺系統(tǒng)進行課前預(yù)習(xí)，了解實驗項目簡介、實驗內(nèi)容以及實驗原理，與理論知識進行銜接學(xué)習(xí)。實驗教師在后臺進行預(yù)習(xí)的成績評定。

（2）仿真實驗?zāi)M操作。教師指導(dǎo)學(xué)生在計算機上進行相應(yīng)的實驗，學(xué)生可以根據(jù)自己的興趣多次循環(huán)作業(yè)，從而在線了解實驗儀器和實驗過程，并得出實驗結(jié)論。這種能在線上模擬實際操作階段進行預(yù)習(xí)演練，并和線下的實際操作相結(jié)合的模式，大大提高了學(xué)生的實踐操作能力。

（3）結(jié)合實驗工程。本科教學(xué)的實驗是小型基礎(chǔ)實驗，學(xué)生不了解土力學(xué)實驗結(jié)果在工程中的重要性。檢測巖土的基本力學(xué)性能指標是工程勘察階段的重要環(huán)節(jié)，實驗數(shù)據(jù)是前期工程的重要支撐。通過網(wǎng)絡(luò)平臺發(fā)布相關(guān)的實際工程資料讓學(xué)生走進實驗教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生了解實際工程，并按照土木工程專業(yè)達成度要求，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的技術(shù)和能力。

（4）在課中利用網(wǎng)絡(luò)平臺進行問題探討，讓學(xué)生對所學(xué)知識加深理解。在平臺中加設(shè)論壇區(qū)，通過論壇實現(xiàn)學(xué)生課后或工作后與教師的交流、與同行的交流，共享知識，共同探討土工測試的新技術(shù)與新方法，反過來也會對新開課學(xué)生的課前學(xué)習(xí)起到促進作用。這是提高課程實驗教學(xué)質(zhì)量的關(guān)鍵所在。

（二）增設(shè)土力學(xué)綜合類開放性（創(chuàng)新性）實驗

為了改變傳統(tǒng)土力學(xué)實驗教學(xué)方式，可以學(xué)分的形式，增設(shè)綜合類開放性實驗或者創(chuàng)新性實驗，提高學(xué)生的實驗興趣。目前土力學(xué)實驗內(nèi)容一般固定4個項目，主要以驗證性實驗為主，內(nèi)容陳舊，項目分散開設(shè)，實驗項目之間間隔時間較長，削弱了實驗之間的相互聯(lián)系。以實際工程為背景，將土力學(xué)實驗增設(shè)多個開放項目，以綜合性實驗為主，將分散的實驗項目串聯(lián)，讓學(xué)生自主設(shè)計實驗內(nèi)容，可提高學(xué)生理論聯(lián)系實際能力、動手能力以及團隊協(xié)作能力。增強學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣、參與感與實驗設(shè)計感，充分調(diào)動學(xué)生的積極主動性，從而提高學(xué)生的創(chuàng)新性、全局性，為專業(yè)學(xué)生走進工程崗位奠定實驗基礎(chǔ)。隨著教學(xué)深入，將研學(xué)實驗流程化，逐步將其引入基礎(chǔ)綜合實驗，這將不斷給土力學(xué)基礎(chǔ)實驗注入新鮮血液，使教學(xué)內(nèi)容更加豐富。在不斷更新和完善中，切實提高實驗教學(xué)效果，促進學(xué)生對土力學(xué)理論的理解和掌握，提高學(xué)生的興趣，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)課程的積極性、主動性和創(chuàng)造性，提升學(xué)生的自主科研能力，為學(xué)生今后的學(xué)習(xí)和工作打下良好基礎(chǔ)。

以實驗室教學(xué)為例，內(nèi)蒙古地區(qū)屬高原地貌區(qū)，溫帶大陸性氣候，土壤種類繁多，特殊土的種類也較多，如鹽土、堿土、沙漠土等，最特殊的是沙漠地區(qū)廣泛分布的沙漠土——風沙土。風沙土是風成沙性母質(zhì)上發(fā)育起來的土壤，粒間無黏聚力、顆粒均勻細小、磨圓度好、易蝕、易流動、孔隙率低。其作為地基土，整體性差，易發(fā)生剪切破壞，地基承載力較低。風沙土顆粒粒徑范圍主要集中在0.25～0.1 mm，中值粒徑范圍為0.16～0.18 mm，屬于最易蝕性顆粒。在沙漠地區(qū)，為了就地取材，常將風沙土作為路基填筑材料，故需要對風沙土進行加固改良才能很好地進行工程應(yīng)用。在增設(shè)開放性實驗時，可將特殊土改良設(shè)計作為開放性實驗，測試土體在改良前后的基本物理力學(xué)參數(shù)。風沙土的改良方案主要采用摻入改良劑、水泥，并測試改良后特殊土的基本物理指標（特殊土不局限于風沙土，實驗室可以提供2～3種，學(xué)生自行設(shè)計;改良劑的摻入比由指導(dǎo)教師提供3～4種，學(xué)生自行選擇）。在開放性實驗過程中，學(xué)生可以查閱相關(guān)文獻進行學(xué)習(xí)，自行選擇試驗內(nèi)容與試驗方法（試驗方法可采用除課堂必做實驗外的其他檢測方法，比如滲透性試驗、三軸試驗、無側(cè)限抗壓強度試驗），驗證改良效果，記錄實驗數(shù)據(jù)，通過簡單的作圖軟件分析實驗數(shù)據(jù)，撰寫實驗報告;指導(dǎo)教師根據(jù)實驗報告作出綜合評價與考核。目前，增設(shè)開放性（創(chuàng)新性）實驗具有可行性，且學(xué)生在很大程度上能夠適應(yīng)，該開放性實驗的增設(shè)為本科生在后期開展科研工作奠定了一定的實踐基礎(chǔ)。

三、結(jié)語

土力學(xué)實驗教學(xué)是高校土力學(xué)教學(xué)中的重要組成部分，是土木工程專業(yè)基礎(chǔ)課。目前，土力學(xué)實驗教學(xué)改革是提高教學(xué)質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)。通過實驗教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生綜合能力，發(fā)展學(xué)生觀察能力、動手能力以及解決問題分析問題的能力。土力學(xué)的實驗教學(xué)與理論教學(xué)相輔相成?；谛鹿た评砟?，在高校教學(xué)改革的大環(huán)境下，通過建立土力學(xué)網(wǎng)絡(luò)實驗平臺為學(xué)生在線提供課前預(yù)習(xí)、模擬操作以及結(jié)合實際工程讓學(xué)生真正走進實驗教學(xué)，以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣;結(jié)合實驗室自身條件，適當增設(shè)開放性（創(chuàng)新性）實驗，加強學(xué)生對土力學(xué)理論與實踐的掌握，使學(xué)生充分發(fā)揮自主創(chuàng)新能力，為今后的學(xué)習(xí)奠定實踐基礎(chǔ)。

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Abstract： Soil mechanics experiment is a basic course of civil engineering specialty， and soil mechanics experiment teaching is an important part of practical teaching in universities and colleges. Based on the concept of emerging engineering education， this paper analyzes the problems existing in the current soil mechanics practice teaching， puts forward reform measures. With students-oriented teaching， takes the cultivation of students’ comprehensive ability as purpose in order to cultivate students’ practical ability， improve students’ interest in experiment. Through the network experimental platform， we can provide students with preview before class， simulation operation and practical engineering data， so that students can really enter the experimental teaching. It can change the singleness of traditional experimental teaching， add open （innovative） experiments， promote students’ comprehensive mastery of soil mechanics theory and practice， make students give full play to their initiative， and lay a practical foundation for future research and study.

Key words： practice teaching; soil mechanics experiment; soil mechanics experiment network platform; open experiment

（責任編輯 袁 虹）

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