工程問題嵌入的土力學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究

魯莎 陳瓊

[摘要]工程科技創(chuàng)新呼喚著工程教育創(chuàng)新，為了服務(wù)國家戰(zhàn)略、滿足產(chǎn)業(yè)需求和面向未來發(fā)展的高度，高校實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)需要將工程問題嵌入其中，以順應(yīng)教育部“新工科”建設(shè)背景下的人才培養(yǎng)需求。本文以本校土力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)為例，將工程問題嵌入土力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中并進(jìn)行綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，一方面幫助學(xué)生開展理論實(shí)踐培養(yǎng)動(dòng)手能力，另外一方面建立工程實(shí)際問題的基本分析和設(shè)計(jì)思路，為實(shí)踐型工程人才培養(yǎng)提供途徑。

[關(guān)鍵詞]工程問題；土力學(xué)實(shí)驗(yàn)；多源考核；人才培養(yǎng)

[中圖分類號(hào)]TU43-4；G642.423? ? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

[DOI]：10.20122/j.cnki.2097-0536.2023.11.050

引言

工程科技創(chuàng)新呼喚著工程教育創(chuàng)新，為了服務(wù)國家戰(zhàn)略、滿足產(chǎn)業(yè)需求和面向未來發(fā)展的高度，高校實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)需要將工程問題嵌入其中，以順應(yīng)教育部“新工科”建設(shè)背景下的人才培養(yǎng)需求。土力學(xué)作為地質(zhì)工程、土木工程、水利工程、測繪工程等的核心課程，是指導(dǎo)土木、水利、交通、地質(zhì)、采礦等領(lǐng)域工作的重要理論依據(jù)，其實(shí)驗(yàn)教學(xué)更是學(xué)生理論理解加深、動(dòng)手能力培養(yǎng)、創(chuàng)新能力激發(fā)的不可或缺環(huán)節(jié)[1-2]。

目前，土力學(xué)實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容設(shè)置與土力學(xué)理論知識(shí)體系相對(duì)應(yīng)，設(shè)置有密度試驗(yàn)、含水率試驗(yàn)、顆粒分析試驗(yàn)、液塑限試驗(yàn)、滲透試驗(yàn)、壓縮試驗(yàn)、直剪試驗(yàn)、三軸試驗(yàn)和擊實(shí)試驗(yàn)等，課內(nèi)學(xué)時(shí)設(shè)置大多為8-12學(xué)時(shí)[3]。受到場地、學(xué)時(shí)等限制，土力學(xué)實(shí)驗(yàn)課程多采用驗(yàn)證性和演示性實(shí)驗(yàn)，對(duì)于學(xué)生的主動(dòng)學(xué)習(xí)和結(jié)合工程問題的思考培養(yǎng)不足。

一、土力學(xué)實(shí)驗(yàn)性質(zhì)與現(xiàn)狀

土力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)是土力學(xué)課程的重要實(shí)踐環(huán)節(jié)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)過程可以分為驗(yàn)證性、綜合性、設(shè)計(jì)性和創(chuàng)新性四類：驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)以學(xué)生土工實(shí)驗(yàn)儀器操作技能培養(yǎng)和土力學(xué)相關(guān)知識(shí)原理加深為目標(biāo)，按照教師設(shè)定好的步驟和方法驗(yàn)證已知的結(jié)論和原理；綜合性實(shí)驗(yàn)一般由幾個(gè)獨(dú)立的相關(guān)實(shí)驗(yàn)組成，有利于學(xué)生串聯(lián)所有知識(shí)點(diǎn)并獲得儀器操作等訓(xùn)練；設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)是學(xué)生根據(jù)給定實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮蜅l件，自行進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析[4-5]；創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)要求最高，需要針對(duì)某一研究目標(biāo)進(jìn)行具有探索創(chuàng)新的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。本校目前土力學(xué)實(shí)驗(yàn)課程開設(shè)情況見表1，受制于課程設(shè)置安排總共12個(gè)學(xué)時(shí)，均為驗(yàn)證性和綜合性實(shí)驗(yàn)，缺乏更能鍛煉學(xué)生能力的設(shè)計(jì)性和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)。

二、工程嵌入式土力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)

根據(jù)當(dāng)下的人才培養(yǎng)需求，將課程專業(yè)相關(guān)工程問題嵌入到土力學(xué)實(shí)驗(yàn)課中，開展更符合國家需要的土力學(xué)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐課程，是本研究關(guān)注的重點(diǎn)。

（一）工程問題簡化提取

本校面向巖土工程、土木工程、地質(zhì)工程、勘查技術(shù)與工程等不同專業(yè)開設(shè)土力學(xué)實(shí)驗(yàn)課程，涉及的實(shí)際工程問題較為廣泛，例如公路設(shè)計(jì)、橋梁建設(shè)、基坑治理和滑坡災(zāi)害防治中的路面塌陷、基坑滲水、滑坡失穩(wěn)、地表拉裂等。不同專業(yè)面向行業(yè)的工程問題各有不同，將所有工程問題都考慮到土力學(xué)實(shí)驗(yàn)課程困難較大。因此，考慮目前課程安排與涉及行業(yè)的實(shí)際工程問題的重要影響因素，將普遍性較強(qiáng)的關(guān)鍵影響因素，包括水、溫度、外力等進(jìn)行簡化帶入到土力學(xué)實(shí)驗(yàn)課教學(xué)中，再結(jié)合具體分組納入實(shí)驗(yàn)教學(xué)，以此進(jìn)行常見工程問題的提取與簡化。

（二）土力學(xué)實(shí)驗(yàn)課程嵌入

1.課前介紹準(zhǔn)備

土力學(xué)實(shí)驗(yàn)課是土力學(xué)課程的一個(gè)組成部分，由理論老師和實(shí)驗(yàn)老師分別執(zhí)行教學(xué)，場景分割較強(qiáng)，且每次實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、使用儀器和方法步驟不盡相同。土力學(xué)實(shí)驗(yàn)課與理論課具有一定分割性，且相互之間沒有明顯聯(lián)系，難以讓學(xué)生形成系統(tǒng)的理論實(shí)踐學(xué)習(xí)思路。因此，實(shí)驗(yàn)課前的介紹準(zhǔn)備便顯得不可或缺，在此以水利水電工程庫岸穩(wěn)定性中的水對(duì)邊坡影響為例，進(jìn)行關(guān)鍵影響因素水的簡化，將水對(duì)土質(zhì)岸坡的影響納入實(shí)驗(yàn)課中，準(zhǔn)備相關(guān)樣本，具體實(shí)施步驟為：首先，組建受課學(xué)生的線上溝通群便于實(shí)時(shí)發(fā)布通知與交流；其次，提前發(fā)布實(shí)驗(yàn)課程大綱，大綱包括所嵌入的工程問題及其背景介紹；最后，通知授課班級(jí)根據(jù)課程需要提前分組制樣；除此之外，為了進(jìn)一步加深學(xué)生對(duì)總體實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的理解與土力學(xué)實(shí)踐的能力加強(qiáng)，按照班級(jí)單位提前讓受課班級(jí)進(jìn)行分組并全員參與土樣制作，在集中時(shí)間內(nèi)制作出后續(xù)土的物理力學(xué)性質(zhì)測試所需的所有樣本，并將其分類處理準(zhǔn)備待使用，所有樣本制作和處理依據(jù)均參照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》GB/T 50123-2019。

2.課內(nèi)穿插講解

教師講解與學(xué)生操作是土力學(xué)實(shí)驗(yàn)課的核心環(huán)節(jié)。老師在課前介紹準(zhǔn)備的基礎(chǔ)之上，根據(jù)大綱內(nèi)容進(jìn)行實(shí)驗(yàn)課程與知識(shí)點(diǎn)回顧，隨機(jī)抽取在場學(xué)生組根據(jù)預(yù)習(xí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作演習(xí)，之后針對(duì)操作演習(xí)中的問題進(jìn)行實(shí)驗(yàn)內(nèi)容講解和操作演示，最后由學(xué)生分組操作執(zhí)行實(shí)驗(yàn)；并在實(shí)驗(yàn)過程中進(jìn)行隨機(jī)提問查看，保證實(shí)驗(yàn)效果。土力學(xué)實(shí)驗(yàn)課程時(shí)間安排一般與理論課教授動(dòng)線一致，在理論講解之后進(jìn)行實(shí)踐。

3.課后結(jié)果分析

土力學(xué)實(shí)驗(yàn)操作的完成不是終點(diǎn)，課后的報(bào)告撰寫和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析才是實(shí)驗(yàn)獲取信息的關(guān)鍵。目前的實(shí)驗(yàn)課程課后結(jié)果撰寫分析包括實(shí)驗(yàn)過程的復(fù)述和數(shù)據(jù)記錄分析，內(nèi)容涵蓋操作注意事項(xiàng)和計(jì)算要點(diǎn)，雖然可以有效進(jìn)行過程印象加深和知識(shí)運(yùn)用計(jì)算，但是相對(duì)而言比較單一，容易發(fā)生相互借鑒現(xiàn)象，不利于學(xué)生的主動(dòng)知識(shí)點(diǎn)消化吸收。

為了加強(qiáng)學(xué)生的信息獲取和內(nèi)容理解能力，將課后結(jié)果分析分為四個(gè)部分：一是工程背景與實(shí)驗(yàn)意義，此部分將實(shí)驗(yàn)教學(xué)與工程實(shí)際進(jìn)行了結(jié)合，明確實(shí)驗(yàn)開展的意義和目的，確立實(shí)驗(yàn)手段與結(jié)果的有效運(yùn)用價(jià)值；二是實(shí)驗(yàn)過程描述，此部分包含實(shí)驗(yàn)樣本制作、使用儀器、操作步驟，加深對(duì)實(shí)驗(yàn)操作和儀器使用的理解；三是實(shí)驗(yàn)結(jié)果記錄與計(jì)算，根據(jù)實(shí)驗(yàn)記錄和目的，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析計(jì)算，獲取所需數(shù)據(jù)信息；四是根據(jù)不同樣本的計(jì)算數(shù)據(jù)，進(jìn)行影響因素下的土力學(xué)性質(zhì)差異分析，與工程結(jié)合描述數(shù)據(jù)差異原因。

（三）多源考核方式

以往土力學(xué)實(shí)驗(yàn)考核主要以課上簽到、操作表現(xiàn)的平時(shí)分?jǐn)?shù)和實(shí)驗(yàn)報(bào)告的分?jǐn)?shù)加權(quán)而得，其中平時(shí)分?jǐn)?shù)占比30%、實(shí)驗(yàn)報(bào)告分?jǐn)?shù)占比70%。這種考核方式雖然可以有效將學(xué)生的課堂表現(xiàn)和課后內(nèi)容掌握進(jìn)行考核，但是對(duì)于工程問題嵌入的土力學(xué)課程略顯單一。因此，將傳統(tǒng)考核模式和匯報(bào)模式進(jìn)行結(jié)合開展多源考核，可以將目前內(nèi)容全部納入其中并充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

1.傳統(tǒng)模式

在已有傳統(tǒng)考核模式基礎(chǔ)上，依舊納入課程簽到與操作表現(xiàn)平時(shí)分?jǐn)?shù)，同時(shí)將課前制樣和大綱預(yù)習(xí)考慮入內(nèi)，并將平時(shí)分?jǐn)?shù)占比提高至40%以調(diào)動(dòng)學(xué)生的預(yù)習(xí)積極性。除此之外，實(shí)驗(yàn)報(bào)告除了已有的實(shí)驗(yàn)描述與結(jié)果計(jì)算之外，還應(yīng)增加工程背景與結(jié)果分析模塊，包含工程背景、實(shí)驗(yàn)過程、數(shù)據(jù)計(jì)算與結(jié)果分析，進(jìn)一步加強(qiáng)學(xué)生對(duì)工程問題與實(shí)驗(yàn)結(jié)果聯(lián)系的理解，充分消化土力學(xué)實(shí)驗(yàn)課程知識(shí)，分?jǐn)?shù)占比設(shè)置為50%。

2.匯報(bào)模式

在已有傳統(tǒng)考核模式外新增匯報(bào)模式，要求分組匯報(bào)，將全班的結(jié)果進(jìn)行分組分析展示，結(jié)合工程背景特點(diǎn)匯報(bào)實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮蛯?shí)驗(yàn)結(jié)果，最后結(jié)合影響因素和工程實(shí)際開展土力學(xué)實(shí)驗(yàn)課程匯報(bào)，分?jǐn)?shù)占比設(shè)置為10%。除此之外，以往實(shí)驗(yàn)分?jǐn)?shù)和理論分?jǐn)?shù)是分開進(jìn)行打分，但匯報(bào)模式會(huì)由實(shí)驗(yàn)老師和理論老師共同評(píng)審，并最后分?jǐn)?shù)中將此部分作業(yè)質(zhì)量納入考慮。匯報(bào)模式考核屬于土力學(xué)實(shí)驗(yàn)課程的拔高部分，一方面進(jìn)行實(shí)驗(yàn)過程和知識(shí)點(diǎn)回顧加強(qiáng)，另外一方面加強(qiáng)團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，充分調(diào)動(dòng)全班同學(xué)的積極配合以及主動(dòng)學(xué)習(xí)精神。

3.自主設(shè)計(jì)

在傳統(tǒng)模式和匯報(bào)模式基礎(chǔ)上，增加選做模塊自主設(shè)計(jì)部分。在實(shí)際實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，有的學(xué)生對(duì)于實(shí)驗(yàn)課程興味索然，但有的學(xué)生對(duì)其興趣極大，甚至希望可以自己主導(dǎo)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探索研究。針對(duì)這種現(xiàn)象，“自主設(shè)計(jì)”的實(shí)驗(yàn)選擇模塊可以提供更多的選擇項(xiàng)，讓學(xué)生在目前課程學(xué)時(shí)設(shè)置基礎(chǔ)上、在實(shí)驗(yàn)教師指導(dǎo)下開展自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、獲得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果、得到實(shí)驗(yàn)結(jié)論，可以極大鍛煉學(xué)生解決工程問題的能力。這也順應(yīng)教育部“新工科”建設(shè)背景下提出的“開出一批新的綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)”要求[6]。

三、結(jié)語

土力學(xué)實(shí)驗(yàn)課是土力學(xué)教學(xué)實(shí)踐的重要環(huán)節(jié)，在加深理論理解、鍛煉動(dòng)手能力、培養(yǎng)解決工程問題能力方面具有不可替代的作用。根據(jù)本校土力學(xué)實(shí)驗(yàn)課程的已有設(shè)置，在涉及的廣泛實(shí)際工程問題中選取常見問題的關(guān)鍵影響因素進(jìn)行簡化，嵌入到土力學(xué)實(shí)驗(yàn)課程中；采用課前介紹準(zhǔn)備、課內(nèi)穿插講解和課后結(jié)果分析進(jìn)行工程問題嵌入的土力學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)，課后采取傳統(tǒng)模式、匯報(bào)模式和自主設(shè)計(jì)的多源考核方式，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性、鍛煉學(xué)生解決工程問題能力，為培養(yǎng)工程型人才提供條件。

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基金項(xiàng)目：

中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）教學(xué)改革項(xiàng)目，項(xiàng)目名稱：工程問題嵌入的土力學(xué)綜合新實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革研究（2023094）；

中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）實(shí)驗(yàn)技術(shù)研究項(xiàng)目，項(xiàng)目名稱：巖土體長期飽水測試系統(tǒng)研制（SJ-202305）；

巖土鉆掘與防護(hù)教育部工程研究中心開放基金，項(xiàng)目名稱：水庫滑坡滑帶力學(xué)特性及演化規(guī)律研究（201802）。

作者簡介：

魯莎（1990.2-），女，漢族，湖北孝感人，博士，工程師，研究方向：巖土工程，地災(zāi)巖土體特性；

陳瓊（1983.9-），女，漢族，湖北監(jiān)利人，博士，講師，研究方向：土力學(xué)實(shí)驗(yàn)，巖土文物保護(hù)。