面向卓越工程师培养的土力学课程教学改革

2013-04-29汤劲松陈瑞英熊保林丁军霞

教学研究 2013年6期

汤劲松　陈瑞英　熊保林　丁军霞

[摘要] 面向卓越工程师培养的课程教学改革是“卓越工程师教育培养计划”得以贯彻实施的落脚点，也是各参与单位面临和亟待解决的实际问题。以土木工程专业的专业基础课土力学为例，以着力培养学生的工程实践能力和工程创新意识为目标，从培养学生综合素质的教学内容、实践教学、创新训练和双语教学等方面，以及从提高教学效果的教学方法和教学手段上，对土力学课程开展系统的教学改革，以实现培养专业知识扎实、实践能力强、创新素质高、具有国际视野、适应社会经济发展的高素质土木工程专业人才的要求。

[关键词] 卓越工程师；土力学；课程改革；教学改革

[中图分类号] G642.0 [文献标识码] A [文章编号] 1005-4634（2013）06-0106-04

0 引言

“卓越工程师教育培养计划”是贯彻落实《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010～2020年）》和《国家中长期人才发展规划纲要（2010～2020年）》的重大改革项目，也是促进我国由工程教育大国迈向工程教育强国的重大举措[1]，旨在培养造就一大批创新能力强、适应经济社会发展需要的高质量各类型工程技术人才，为国家走新型工业化发展道路、建设创新型国家和人才强国战略服务。“卓越工程师教育培养计划”的突出特点是，在加强基础理论学习的同时，着力提升学生的工程素质，重点培养学生工程实践能力和工程创新意识。

教育部于2010年6月启动的“卓越工程师教育培养计划”，作为我国工程教育的重大改革项目，为高等工科院校的人才培养明确了努力的方向和目标。经教育部审核批准，石家庄铁道大学于2012年被列入“卓越工程师教育培养计划”第二批试点高校，土木工程专业成为石家庄铁道大学入选培养计划的本科层次专业之一。为适应“卓越工程师教育培养计划”的人才培养要求，相应的课程体系需要与时俱进，不断探索教学内容、实践教学、综合素质和创新能力培养的教育教学改革新模式。

以本科层次土木工程专业重要的专业基础课之一、河北省精品课程《土力学》的教学改革为例，从培养学生综合素质的教学内容、实践教学、创新训练和双语教学等方面，以及从提高教学效果的教学方法和教学手段上，对土力学课程开展系统的教学改革。

1 卓越工程师培养的知识、能力和素质要求

“卓越工程师教育培养计划”的主要目标是：面向工业界、面向未来、面向世界，培养造就一大批创新能力强、适应经济社会发展需要的高质量各类型工程技术人才，为建设创新型国家、实现工业化和现代化奠定坚实的人力资源优势，增强我国的核心竞争力和综合国力[1]。

卓越工程师的人才培养目标，对学生在知识、能力和素质方面提出了更高的要求。在专业知识方面，需要学生掌握扎实的工程基础知识和本专业的基本理论知识，了解本专业的发展现状和趋势。通过在校期间的系统学习，具备分析和解决实际问题的能力，即综合运用所学科学理论知识、分析与解决问题的方法和手段，分析并解决工程实际问题的能力。而工程实践能力是获得分析和解决实际问题能力的前提。只有通过大量的工程实践锻炼，尤其是到工程一线学习和现场实践，才能对工程实际问题具有深入、系统、本质的认识和理解，才具备培养分析和解决实际问题能力的条件。此外，还要具备较强的创新意识。作为本科层次卓越工程师后备人才，除了工程实践能力以外，重点应放在创新意识的培养上，而不能“跨越式”地谈创新能力的培养。创新意识是指人们根据经济社会发展的需要，引发创造新事物或新观念的动机，并在创造活动中表现出相应的意向、愿望、构思和设想，是人们进行创新活动的出发点和内在动力，是创新思维和创新能力得以形成的前提。国家提出“走出去”的发展战略，要求企业走出国门，积极开拓国际市场，这也是经济全球化的必然趋势，这就需要大量各种层次和类型的、具有国际视野和国际交流合作能力的高素质工程技术人才。

由于卓越工程师培养的高标准，对高等学校人才培养提出了更高的要求。卓越工程师工程实践能力和工程创新意识的培养，不仅需要深入工程一线，通过各种实习、实验教学、课程设计和毕业设计等方式，积极参与企业的实际工程项目，同时，还需要通过课堂教学的方式，从基础课程和专业课程的教学过程中得以实现。因此，课程教学也是实现卓越人才培养要求的一种重要方式。按照卓越工程师培养要求，进行相应的课程教学改革，是实现卓越工程师培养的重要途径之一。

2 面向卓越工程师培养的土力学课程教学改革实施方案

土力学是一门以力学为基础，土体作为主要研究对象，以土体的应力、变形、强度、渗流以及长期稳定性作为主要研究内容，以解决实际工程问题作为最终目标的一门学科。因为土具有碎散性、三相性及自然变异性的特点，因此，土力学课程涉及的内容多、难度大、系统性差，与以往的力学课程相比有较大差别，主要依靠土工实验和工程经验，理论体系不够严谨。土力学的创始人太沙基晚年强调“土力学与其说是科学不如说是艺术”，是对这门学科特点最精辟的阐述[2]。

鑒于土力学课程的特殊性，土力学教学必须坚持“以发展为主题，以基础知识的通式教学为主干，以能力培养为目标，以创新思维培养为导向，以综合素质培养为根本”的方针[3]，对当前土力学教学内容、实验教学、教学方法和教学手段等不适应卓越工程师培养要求的环节和方面，开展教学改革研究，从而形成面向卓越工程师培养的土力学课程教学体系。

2.1 教学内容方面

现有的教学内容更新不及时，与卓越工程师的培养要求不相适应。卓越工程师在知识方面的培养要求，不仅需要掌握本专业扎实的基本理论知识，而且还要了解本专业的发展现状和趋势。同时，根据卓越工程师培养的要求，在注重专业素养培养的同时，还要注意对创新能力的引导。因此，面向卓越工程师培养的课程建设在教学内容上，要以传统课程体系的经典理论为基础，适当引入现代科学发展的突出成果，使学生对土木工程专业学科发展的趋势和前沿问题有一个概括了解，有利于培养学生的创新思维。

教材是教学内容的载体。目前国内出版的本科土力学教材，就其内容的广度、深度、结构体系及表述特点而言，陈仲颐教授等人编著、清华大学出版社出版的《土力学》当属最优秀的教材之一[4]。该教材条理清晰，对土力学的经典理论述理清楚、深度得当，对某些问题又有其新颖独特的见解，被很多高校选为本科教材使用。这部教材自1994年出版至今，虽经多次印刷，但是没有修订再版；特别是近年来岩土工程的相关规范、标准均有不少更新，没有及时更新的教材在一定程度上给学生的学习带来不少麻烦。另一方面，一些反映土力学较为前沿、较为普遍采用和认可的研究成果在国内本科教材中还较为鲜见，如非饱和土力学的有关知识。传统土力学基础理论是基于完全饱和土的研究而建立的，而实际遇到的工程问题很多并不是饱和土，而是非饱和土。目前，国内外关于非饱和土力学的研究相当活跃，也取得了一系列研究成果，并在实际工程中得到应用[5]。实际上，这部分内容也应该在卓越工程师培养的教学中得到体现，以开阔学生的视野。

2.2 实践教学方面

工科专业特别是土木工程专业的理论紧密联系实际，因此，通过实践教学培养学生的工程素养是必须的，也是重要的教学环节。以《土力学》为例，其基本理论大多是实践经验的总结，教学中应结合工程应用，设计实践教学环节和教学内容，体现课程特色。以往的土力学教学过程中，大多数同学都有轻实验、重理论的思想[6]，学生的重视程度不够，导致实验环节的积极性和主动性不高，实验教学效果一直不太理想。面对卓越工程师培养的新要求，通过课程实验等实践性教学环节，一方面，使同学们加深了对理论知识的理解，另一方面，锻炼了工程实践能力，其重要性是不言而喻的。

在实验项目设计上，宜将粒径分析、液塑限、密度、含水量、压缩、剪切等单独的常规实验项目优化为综合性实验项目，分别是土的分类实验、压缩实验和剪切实验。通过土的分类实验（包括筛分和液塑限实验）熟悉土的分类方法，通过压缩实验（包括含水量、密度和压缩实验）了解土的压缩性质，通过剪切实验（直接剪切实验和三轴演示实验）了解土的强度特性[7]。这样使得土的物理力学性质指标的测定与指标的应用较好地结合起来，加深了对各个指标的理解。与此同时，学生参与实验的全过程，包括制备土样。以往土力学实验时都是由实验室教师准备好土样，学生直接利用已经制好的土样进行实验。而土样的制备其实是土力学实验的基础，忽略制样这个过程对学生理解土力学实验有较大的影响。虽然这样做可能需要更多的时间，但是对于培养学生的工程实践能力十分必要。

2.3 创新能力培养

根据学生的知识积累和兴趣爱好，引导学生开展本科创新能力训练，积极参与科研课题的研究，培养动手能力和科学思维意识。结合教师的科研课题，开设一些创新性的实验项目[7]，这样不仅可以很好地培养学生的创新思维能力，而且也有利于教师科研课题与教学实践的有机结合。对于学生创新能力训练项目，一般由指导教师提出具体要求，学生自由组合成研究小组，选作自己感兴趣的题目。由学生初步设计研究方案，老师审查同意后进行实施，分为方案设计阶段、实际操作阶段和报告编写阶段等不同环节。并根据自己的研究结果进行讨论和分析，从而在学习期间培养学生的工程实践能力和工程创新意识。

2.4 双语教学方面

为适应全球化竞争的需要，土木工程专业的人才培养必须走国际化的道路。为此，在课堂教学中开展双语教学，是实现国际化人才培养的必要途径之一。探索双语教学的内容和合适的教学方法是双语教学中需要解决的现实问题。

“双语教学”是指把两种语言作为教学媒介语言的教育体系，在中国，“双语教学”是指除汉语以外，用一门外语作为课堂主要用语进行学科教学，目前绝大部分是用英语，其教学质量主要取决于双语教材的优选、师资队伍的建设、学生基本功的培养以及教学方法和教学手段等环节[8]。现阶段，由于受客观条件的制约——比如，熟练掌握一门外语的专业课教师队伍目前仍然较为缺乏，学生的外语水平参差不齐难以适应双语教学等——双语教学教材的选用，不能简单以外文原版土力学教材或国内专家学者编著的英语土力学教材作为学生学习的主要教材，以国内优秀的中文土力学教材为主，辅以外文土力学教材开展教学是较为可行的一种方式。这样，一方面便于学生学习土力学的基本理论知识，掌握其基本概念和基本原理；另一方面，通过外文教材的辅助教学，进一步提高学生的外语特别是专业外语水平，为今后进行国际交流和开展学术研究打下良好的基础。在教学方式上，可以根据学生的具体情况，采用渐进式的教学模式：在课程的开始阶段，以中文教材为主，汉语作为主要讲授语言，其中渗透介绍一些外语专业词汇[9]；在课程的中间阶段采用混合教学方式，以中文教材辅以外文教材，一部分内容（如基本概念）采用英语讲授，另一部分内容（如基本原理和方法）采用汉语讲授；过渡到课程的最后阶段，完全以外文教材为主，采用纯英语进行课堂讲授和课堂讨论等。也可根据实际情况，采取其中某一種教学模式。在双语教学师资队伍的建设方面，比较可行的方法是选送优秀的中青年专业教师进行外语培训或出国进修，以及大力引进在国外学习多年、取得专业学位的留学归国专业人才，他们一方面专业知识扎实，同时外语语言也能运用自如，是可以胜任双语教学要求的合适师资力量。专业课程的双语教学，还要在学生具有较好的外语水平基础上进行，否则，双语教学不但达不到预期效果，还可能造成学生学习兴趣不高，影响学生对专业知识的学习。

2.5 教学方法方面

卓越人才的培养，坚持“以教师为主导、以学生为主体”，需要摒弃以往“填鸭式”的教学方法，改变教师一言堂、学生被动学习的教育教学方式。在教学方法上，提倡以启发式教学为主，培养学生自主学习、解决实际问题的能力，加强课堂教学的互动性，探索专题式教学方法，推进“基于问题的探究式学习、基于案例的讨论式学习和基于项目的参与式学习”等多种形式的研究性学习方法，引导学生对专业知识的主动学习。

研究性学习方法符合工程能力培养规律，其核心理念是：以剖析工程原理形成过程为载体，以分析和解决实际工程问题的过程为平台，以师生互动和同学合作为形式，将学习知识与解决问题相结合，在学习基本理论知识的同时，训练分析和解决问题的能力，学生在分析问题的过程中获取和应用知识，在解决问题的过程中培养和训练能力，在团队交流与合作过程中形成和提高素养[10]。在研究性学习过程中，教师的角色是“导演”，学生的角色是“演员”。研究性学习的基本过程是：首先提出问题；然后在教师指导下，寻求解决问题的理论和方法；通过学习相应的理论、方法和技术，找到解决问题的方案和建议；最后，对方案和建议进行分析、评价和改进。学生通过这样一个过程，循序渐进地完成专业知识学习与工程素质训练。

2.6 教学手段方面

在现代教育教学中，已经不仅仅局限于板书教学，随着现代信息技术的发展，教学手段的多样化成为必然。充分利用板书教学的条理性、多媒体教学的大信息量、網络教学的便利性、动画或视频教学的直观性或趣味性，丰富专业课程教学手段。

目前，土力学教学常用的板书教学和多媒体教学这两种教学手段各有其优点和缺点[11]。板书教学讲解速度慢，学生思路清晰，能够跟得上教师的讲解速度；但是课堂讲解的内容少，能够涉及到的知识面窄，课堂板书需要占用大量的时间，教师在课堂上画一个图形就需要几分钟的时间，而且绘图的效果并不一定能准确表达图中的意思，这就直接影响到讲课的效果。相比之下，多媒体教学可以弥补绘图上的不足，还可以把复杂的公式事先用多媒体课件表达出来，大大节省了课堂的时间；但是多媒体教学也存在着不足之处，如课堂教学知识量大，学生被动接受的信息过多，丧失了主动思考的时间，对所学内容不能很好地消化理解，学生接受困难，课后需耗费更多时间阅读教材。

因此，在卓越工程师培养的教学中，应该注重现代化教学手段与传统教学方式的有机结合，以板书教学为主，多媒体作为辅助手段，充分利用这两种教学手段的互补性，提高教学效果，丰富教学内容。对于基础知识的讲解和理论公式的推导部分采用传统的板书式教学，引导学生对理论知识的学习，加深学生对公式的理解。同时，板书教学有利于知识的系统性和条理性，便于课堂教学总结、强调重点和难点，有益于新知识的学习、消化和吸收。对于大量图形、图像等信息需恰当地选用录像、多媒体课件等现代化教学手段，通过图像、声音和文字把教学内容直观形象地展现在学生面前，从而在激发学生学习兴趣、活跃课堂气氛的同时，节约时间，扩大知识信息量，提高授课效果[12]。

除此之外，网络教育资源的共享和利用也是一种有效的教学辅助手段。通过优质的网络教学资料，可以使得学生在课前有针对性地预习，课后有目的地强化重点和难点内容，还可以进行网上交流和互动，增强学生学习的主动性和积极性，有利于培养学生的主动学习能力。

3 结束语

“卓越工程师教育培养计划”作为我国高等教育重大改革项目，其课程教学改革目前仍然处于探索阶段。为实现卓越工程师的人才培养目标，卓越计划的参与单位不仅需要制定学校层面的培养方案，还应该从课程设置、课堂教学等方面开展系统深入的教学改革，以适应卓越人才的培养要求。而课程教学改革是实现人才培养的基础。

参考文献

[1]林健.“卓越工程师教育培养计划”通用标准研制[J].高等工程教育研究，2010，（4）：21-29.

[2]龚晓南.土力学学科特点及对教学的影响[C]//李广信，杜修力.土力学教育与教学.北京：人民交通出版社，2006：33-37.

[3]缪林昌，经绯，邵俐.大土木工程类土力学教学改革思考与实践[J].东南大学学报（哲学社会科学版），2009，11（增刊）：255-257.

[4]毕庆涛，胡金虎，黄志全.土力学课程教学方法的探讨[J].华北水利水电学院学报（社科版），2011，27（4）：182-183.

[5]李大勇，崔煜.国外土力学本科教学探讨——以挪威科技大学为例[J].力学与实践，2010，32（5）：99-101.

[6]左明汉，李利，张伟.本科院校土木工程专业土力学实验教学改革探索[J].实验室科学，2012，15（1）：20-22.

[7]娄国充，王树栋，叶朝良.土力学实验教学改革与教学模式研究[J].石家庄铁道学院学报（社会科学版），2009，3（2）：106-108.

[8]谢强，梁莉，胡岱文，等.土力学双语教学探讨[J].高等建筑教育，2010，19（6）：122-126.