基于OBE理念的《土力学与地基基础》课程改革研究

李雅婷 边金 张会领

我国为适应现代工程快速发展的需要，近几年做出了工程教育的重大变革。工科专业院校一方面为提升学生培养水平，另一方面缩小与国际一流院校的教学水平差异，积极进行工科专业工程认证活动。通过工程认证，专业院校目的在于努力培养一批既具有工程创新能力又适应现代经济社会的高素质专业工程技术人员，为我国走科技强国、人才强国奠定人员基础。在工程认证教育背景之下，合理的教学理念才能有效的指导课程改革。现代OBE教学理念OBE（Outcome based education）是“以学生为中心，以产出为导向”的教育理念，也就是以学生的学习成果为导向，遵循反向设计的原则，按照“专业需求”来进行人才培养。这与传统“老师讲，学生听”灌输类教学模式有很大不同，OBE理念更强调学生在课程培养下掌握哪些实际技能，实现了“灌输类”教学模式向 “研究性”教学模式转变。

一、土力学与地基基础课程改革

土力学是土木工程、港口航道、水利水电等工程专业中非常重要的专业基础课程。在OBE教育理念之下，通过课程培养，实现学生第一具备掌握土力学基础理论知识，第二具有解决工程实践问题的能力，第三具备工程创新和深入研究的能力。

1.《土力学》课程教学环节设计改革

OBE理念要求首先明确学生在课程结束时应达到的教学目标，随后反向进行相关教学内容、教学课程设计工作。这一理念实质是考察学生是怎么学的，学的效果如何，获得哪些学习成果，充分体现了以学生为中心的现代教育理念。同时土力学课程具有内容多、难度大、系统性差的课程特点。根据OBE理念要求，首先设定学生课程教学完成应达到的培养目标。（1）基础教学目标：独立运用土力学的基本原理和方法解决实际工程中与 “土体”有关的稳定、变形和渗流等工程问题的能力。（2）中等教学目标：学生具有发现工程实践中的问题、独立分析和设计完成工程实验，解决工程实际问题的能力。（3）高阶教学目标：学生具有独立进行科学研究和创新的能力。

课程设计应遵循OBE核心理念，“以学生为中心，以学生的学习产出为导向”；通过有效的课程环节设计激发学生自主学习的兴趣，同时有效的课程设计也应体现学生的培养目标。从传统的先理论，后实验教学环节转化为“四步”课堂。整个课程环节设计如下图1：《土力学》课程设计环形图。首先设置启发性实验课堂，通过启发性实验，激发学生对土力学中“土体”基本性质的感性认知、引起学生对土力学的基本理论思索和研究兴趣。其次随后进行《土力学与地基基础》理论学习，掌握土体基本物理性质，并进一步掌握理论应用，初步独立进行地基基础设计与验算。学生完成前两个教学设计环节，基本完成学生的基础培养目标。第三步建立验证性实验课堂，通过学生自行设计验证试验核实土力学基本理论，加深理论学习知识，同时学生也可设计虚拟实验-自拟地基处理方案检验自身学习成果，启发新的研究思路。前面三步已初步建立学生独立进行理论学习能力，独立进行土力学基本实验的能力。这个阶段完成《土力学》课程中等目标，学生可以独立运用土力学的基本原理和方法解决实际工程中与 “土体”有关的稳定、变形和渗流等工程问题的能力。学生基本完成土木建筑工程师等职业工作培养要求，具备独立从事专业技术工作的职业能力。第四步建立工程实践研究课堂。通过工程实践案例理论学习，将动手实验与理论计算有机结合，充分掌握实验验证科学理论，科学理论指导工程实践的科学研究过程，完成课程高阶培养目标，使学生具有独立进行科学研究和创新的能力，为学生继续深造奠定学术基础。

图1 《土力学》课程设计环形图

我校土力学课程教学环节-环形设计，既考虑了学生不同学习能力的要求，又兼顾学生对未来的不同追求，体现OBE理念中的以学生为中心，以提升学生的学习效果为目的要求。同时也为学生建立学习中工作、工作中学习的循环学习理念，突出土力学在工程设计、施工应用的教学理念。

二、《土力学》教学方法改革

在OBE教学理念要求下，以学生为中心，就要积极引发学生学习兴趣，树立正确的学习动机，自主开展学习活动。传统的“板书+PPT”教学方法缺乏互动性，难以满足OBE教学理念要求。虚拟现实技术于20 世纪末传入我国以来，在军事、航空航天、工程、建筑设计、医学、考古、文化教育等方面取得了飞速发展。由于虚拟现实技术具有沉浸性、交互性、构想性等特点，可以很好地适应高危或极端环境、不可逆操作、高成本或大型综合训练等，在高等教育实践中显示出了强大作用。虚拟仿真技术具有交互性、直观性、构想性的优异特点，可以很好地应用于土力学课程中的基坑开挖、边坡支护、地基基础选用等，因为试验场地、试验成本和实验安全的要求而无法开展的现实试验项目。开展虚拟仿真实验一方面可以激发学生的学习兴趣，“身临其境”完成地基基础设计的全过程虚拟仿真，另一方面也符合教育部对加强信息技术与教育教学深度融合的本科教学要求。虚拟仿真实验会更加突出学生的主体地位，手脑并用，更加有助于学生建构科学的知识体系；更加突出观察思考、综合设计和多元分析结合，更加有助于提高学生综合科学素质；更加突出知、情、意、能的高级复合作用，更符合OBE以学生为中心教学理念。

1.虚拟仿真综合实验在《土力学》课程初步应用

以土力学中地基基础边坡稳定性知识点为例，实际工程中边坡稳定性直接关系到工程基坑案例设计的安全问题，需要学生熟练应用多方面的土力学理论知识。虚拟仿真综合实验在此知识点中设计为三个实验框架过程，如下图2虚拟仿真综合实验设计图。

图2 虚拟仿真综合实验设计图

虚拟实验教学第一模块理论回顾，促使学生进行理论回顾，帮助学生理解综合实验的目的，复习知识点；第二模块实验模块，利用虚拟仿真实验平台（广联达实验平台）进行边坡稳定性交互式实验，直观感受边坡失稳引起土方滑移带来的工程地质灾害，随后进行边坡稳定性计算，初步选定加固边坡的施工方法，使学生综合应用土力学多个理论知识点，完成基础和中等课程教学目标，使得学生独立运用土力学的基本原理，独立解决实际工程中边坡加固问题。第三个模块交互学习，目的是帮助学生分析实验过程和数据，巩固土力学基础理论知识并最终实现高阶课程教学目标，使学生具备创新性解决工程实践问题和进一步进行岩土工程科学研究的能力。

三、结语

在互联网+虚拟仿真技术蓬勃开展的新时代教育背景下，OBE教学理念应深入贯穿《土力学与地基基础》整个教学环节中，以“理论知识+实验”的环形教学模式体现OBE理念的学生培养水平持续改进优化的过程。学生的培养目标应指导《土力学与地基基础》课程改革过程，从 “教师教学为中心”转向“以学生学习产出为核心”，以培养学生的创新研究思维为最高考核要求，使学生在课程学习后具备独立运用所学土力学知识去进行复杂的工程基础方案设计的能力，具备对工程实践科学探索的能力。虚拟仿真综合实验也使得教学过程从传统的“输出知识”转变为“探究知识”，更符合OBE以学生学习为中心的现代教学理念，也可以为国家更好地培养一批既具备扎实理论知识又具备工程实践能力和工程创新意识的新时代卓越工程师。