新工科背景下土力学实验教学改革与探索

唐敏 张超 冯绍元

（扬州大学水利科学与工程学院 江苏 扬州 225009）

为了应对新一轮的科技革新和产业改革，增强国际竞争力，2017年以来，我国教育部积极推进新工科建设，强调新工科建设必须加强研究和实践，问技术发展改内容，更新工程人才知识体系，问学生志趣变方法，创新工程教育方式与手段，聚焦国家新需求［1］，培养大批多元化、创新型、实践能力强的高素质复合型工程科技人才，为我国产业发展提供人才支持，这也是当前教育任务的重中之重［2］。

土力学作为工科土建类专业一门重要的专业基础课，被普遍应用在地基、挡土墙、土工建筑物、堤堰、大坝等土木工程、交通道路、水利工程设计领域中，以服务于国民经济建设与社会发展［3］。土力学实验是土力学教程中的主要组成部分，实际工程设计和施工中的岩土技术参数正是利用土力学试验获得的。作为土力学理论和工程建设之间的“桥梁”，土力学实验对于推动土力学理论发展及其在工程建设领域的实际应用有着一定重要性。土力学实验作为土力学教程中不可或缺的实践性教学环节，力求通过具体的试验操作，强化学生对土力学专业基础知识的理解，培养学生的实际动手能力，促进学生掌握基本的实验操作技能，提升学生运用所学的基础理论和专业知识分析解决实际问题的综合能力［4］。

随着国家对应用型、复合型人才标准的提高，对课程的实践要求也越来越高，原有的土力学实验教学模式已不能满足新工科教育的需求。因此，针对土力学教学实践中现存的一些问题和状况，开展土力学实验教学改革刻不容缓。而土力学实验教学改革的基本点是调整课程设置、合理规划实验人员结构、改进实验设施条件等，以期充分发挥土力学实验的重要基础作用，有助于学生更好地理解并应用专业知识解决实际工程问题。

1 土力学实验教学现状及存在问题

1.1 实验课时少，仪器紧缺，学生实操机会少、时间短

目前，在国内大多数工科类院校内，土力学实验课时安排在4～8学时，更有甚者，为顺应高校教育教学改革缩减课时的大趋势，部分院校已将实验课从土力学教学中剔除，取而代之的是课堂上播放试验录制视频，剥夺了学生实验学习的机会。并且，目前仅有的为数不多的土力学实验课也多集中在土的含水率和密度等物理性质指标测定试验、液塑限联合测定试验、土的固结试验、直接剪切试验等这几种类型。

由于学时被大幅面压缩，学生实际操作机会和时间也大大减少。在实际的土力学实验教学中，一般一门试验只分配2 个学时，即90min，授课教师往往需要花30min 左右对试验原理、内容和操作步骤进行详细讲解。在余下的1h 里，对于操作简单的试验，学生可以顺利完成；但如果是操作较为复杂的试验，学生一般做得比较匆促且粗糙，即使是按时完成了试验要求，也多是机械性的模仿操作，并没有充足的时间去思考试验中为什么会出现这种问题，一旦遇到问题，不思考便去向教师寻求帮助和解决方法，只是为了完成任务而做试验，更不可能去细致观察试验现象。

此外，由于土力学实验室的仪器设备数量通常是有限的，并且可能由于年久失修，部分仪器受到损坏或出现故障而不可使用，这样就会使得能够正常工作的试验仪器更加有限。而一般是一个班级30 多名学生统一上实验课，这些学生必然会被分为若干个小组，每个小组内几名学生共同完成一门试验内容，这虽然加快了试验进度，并且小组人多力量大，也能提高试验的成功率。但是，这也会导致每个学生的操作机会和时间有所减少，尤其对于动手能力差或内向被动的学生来说，可能一次试验下来几乎没有参与和融入，这对于全面培养学生的实操技能和试验能力是非常不利的。并且，由于时间不够充裕，一些试验样品的制备、土样烘干及称重等这些基本试验操作可能会由实验室工作人员代劳，这就导致学生不能充分理解和掌握基本试验操作规程及方法，最终为学生以后进入研究生阶段学习预留了一些隐患，如无法独立正确地开展一些相关的土力学试验，甚至对一些异常的试验结果缺乏正确的了解和判断，试验步骤和数据分析出现差错，进而导致试验结果出错。

1.2 实验课与理论课脱节，实验课考核机制不完善

目前，在工科类院校的土力学教学中，主要实行实验课与基础理论课分开进行，通常对实验课具体授课时间安排没有明确的规划，一般是当实验课教师的时间与学生的时间契合时才进行土力学实验课的教学，这使得实验课往往滞后于相关的理论课很长一段时间，学生的学习兴奋点很容易丧失，对理论知识的学习未能得到及时巩固，不利于学生即时体验和操作以理解相关知识点，实践与理论难以产生相互作用的效果。此外，土力学实验课通常由专门的实验员教师进行讲授，讲课风格可能与理论课授课老师有很大区别，对土力学试验的讲解思路也有很大不同，对学生掌握的侧重点要求也是不一样的，这样就容易引起学生对知识点理解上的困惑，不利于学生将教材上的知识迁移应用到实践中。

另外，在土力学实验教学安排上，没有对相关试验进行整合，往往是学生学完一个章节后就安排相关的试验，未能将试验中涉及的那些琐碎的知识点进行梳理整合。例如，直接剪切试验有快剪、固结快剪和慢剪试验之分，实验课上通常选择快剪试验进行实际操作，而快剪试验一般是选择砂土作为试样，这样就与教科书及土工试验方法标准中的要求有所不同，很容易使学生产生困惑和混淆，导致学生对于黏土试样的制备方法依旧不甚了解。

再者，由于实验课通常是依附于理论课的，学生考试一般以理论课的笔试为主，实验课的考核通常是审查学生的试验报告，考核方式单一。因此，学生把大多数时间和精力都用在了理论课学习上，对实验课的重视程度远远不够，试验报告也是敷衍了事，内容同质化严重，抄袭成风，很少表现出探索性和原创性，最终导致学生实验能力和创新能力得不到有效提升和全面发展［5］。

1.3 授课方式传统单一，多媒体教学利用不多

当前，国内工科类院校土力学实验的讲课方法仍是以传统的“填鸭式”教学为主，教师站在黑板前讲解试验内容，学生坐在座位上聆听，抑或是教师边操作示范边讲解，学生则围在一起观看，这种类型的教学模式很容易导致课堂氛围沉闷，不利于引起学生的学习热情，教学成效必然也不显著。

在知识点解说方面，土力学实验课通常以黑板板书为主，这类传统的授课方法效率较低，也不能很好地吸引学生的注意力。相反，利用多媒体教学，则具有颇多优点，例如，多媒体可以融合声音、图像、视频、动画等多种素材，突破了黑板二维空间的局限，能够使学生集中注意力，激发学习兴趣，让学生更加直观形象地了解试验原理、操作过程及可能出现的试验现象，加深认知，从而可以进一步提升学生自己的学习能力［6］。

在具体的讲课方式层面，可以采取一些当前比较受学生喜爱的新兴教学模式。例如，通过微课向学生演示专业标准的试验操作方法和步骤，也可以通过MOOC方式组织线上教学、增强师生之间的互动讨论，又或者是将基于微视频资源的翻转课堂应用于实验课教学中，以提高学生的自主学习能力、学习的积极性和主动性［7］。这些新兴的教学模式也与当代大学生喜好利用手机、计算机等电子设备汲取知识的学习习惯高度契合，能够增加他们的学习兴趣，同时，学生也能不受到课堂教学的时间和地点的限定，能够充实利用闲暇时光，随时随地学习交流讨论，提高了学习动力和学习热情。移动课堂教学模式能够很好地提高学习效率，提升日常实验教学的效果。

1.4 实体课堂占多数，虚拟仿真实验室使用性不强

与基础理论课相比，实验课最明显的一个特点就是需要试验仪器设备和场地。目前，由于各工科院校土力学学习人数众多，而试验仪器数量较为紧缺，且试验场地也不够充足，所以，往往安排学生分批上实验课。这也导致针对同一试验内容，授课教师需要向不同批次学生重复多次讲授，造成师资及时间上的浪费，并且同一年级不同班级的基础理论课进度基本上相差无几，但由于分批进行试验，很容易导致试验时间安排靠后的那一些学生实验课与理论课脱节，不利于学生对所学知识的实践应用和系统掌握。此外，分批试验会导致实验室工作人员对仪器设备洁净、摆放、维护等工作量大大增长。

虚拟仿真实验室的设计宗旨就是通过综合利用虚拟仪器技术、网络通信技术、多媒体技术、计算机技术，搭建一个开放的网络实验平台，为各种实验的实施供应一个不受时间和地点限定、熟习仪器操作和感性了解实验原理、实验设计、调试方法的环境［8］。在虚拟仿真实验室里，学生不仅可以像在真实实验室里一样在虚拟实验工作台上动手操作，还可以利用虚拟环境中的各类实验材料，自主设计试验，自己配备、调试和使用试验仪器，在虚拟实验室里获取相关理论知识、科学指导和快速反馈，有利于培养学生的操作、分析、设计能力和创新意识。可见，学生通过虚拟实验室进行仿真实验，不仅减少了实验成本支出，在保证学习质量的同时，还极大地引发了学生对实验的兴致，提高了学生的实验效率，增补了知识理论体系。

1.5 实验室人员配备不齐全，专业素养不高

实验室是教师和学生专门进行科学试验的场所，小到环境清洁、垃圾分类，大到仪器维护、试验指导，都需要专门的实验人员来操办。目前，国内高校的实验室普遍存在着实验人员不足、人手不够的现状，通常都是一个实验员身兼数职，由于个人精力有限，不可能做到面面俱到，难免会出现意外状况，进而影响实验教学工作进度和效果。此外，实验人员还存在着专业素养不强的问题。例如：实验人员中非专业出身的人员较多，他们没有经过专门的实验教学培训，不能规范标准地进行试验样品的制备、试验仪器的操作演示等；还有大多数实验人员缺少仪器设备维修的专业技能，简单的仪器设备还可以维护，稍微复杂一点的仪器一旦出现故障就需要联系仪器生产厂家进行维修，而这往往需要一段时间，不能立刻使仪器恢复正常工作，因此会拖延相关实验教学进度；另外，一部分实验人员责任意识不到位，给学生做完试验讲解和操作演示后，便回到办公室，未能在实验室时刻监督指导学生，在试验结束后，也未能仔细检查试验仪器设备，清洁工作也不够细致，经常造成试验仪器损坏和故障，致使后续试验没法如期开展。

出现以上情况的原因：一方面可能是国内高校实验人员薪资待遇普遍偏低，进而造成实验室管理人员不足及专业素养不高；另一方面，从实验课和理论课授课教师的职称区别，以及实验课与理论课的优先级别来看，就能明白国内大学广泛存在轻实验、重理论的现象，这就容易诱发实验人员产生负面情绪，缺乏工作热情和积极性，致使工作效率较低、责任意识不强。

1.6 学校层面对实验室建设不够重视，缺乏资金支持

学校领导班子在制定学校发展规划时，对实验室建设重视程度不足，实验室的战略指导地位被严重削弱，现有实验室的条件改善及新兴实验室的建设发展得不到学校决策部门的重视，一些重要改革措施难以提上议事日程并付诸实施，导致实验人员数量、质量均上不去，实验室管理质量难以登上更高台阶。此外，最重要的是，实验室的发展规划缺少资金支持，无论是实验室已有仪器设备的维护和修理，还是新仪器设备的购置，这些都需要资金的支持。缺少资金，现有损坏仪器便得不到及时维修，影响实验教学进度，新式仪器则无法购买，使得实验室装置设备不能满足技术推广需求，实验室无法长足发展。还有就是，实验人员职称提升相较于教学科研人员还是处于弱势地位，如果不能给他们提供良好的发展平台，以及缺少政策性鼓励扶持，就会导致实验人员严重流失。

2 土力学实验教学改革建议及措施

为了解决以上土力学实验教学中存在问题，土力学实验应尽快进行改革。首先应该明确教学改革必然会涉及到的三大主体（授课教师、学生及高校决策机构）的义务和责任；其次是要厘清这三者之间的相互联系。校领导班子是教学改革的决策者和筹划者，决定着教学改革的方向及人力、物力、财力等各方面的支持。授课老师是教学改革的践行者，负责改革的各项具体操作和实施。学生则是教学改革的接受者和评价者，主要任务是参与和配合教学改革的实施，并及时给与教学效果的反馈。无论是何种改革措施，只有按照从上层到基层的顺序，才能顺利实施；只有广泛并合理采纳改革受众的意见和建议，才能被长久保留。土力学实验教学改革也是这个道理，顺遂的改革必须从校领导班子和教学负责人开始，成功的改革必须依据实际情况和反馈意见作出适当调整。

2.1 校领导班子层面

重中之重是要从思想观念上做出真正转变，把实验课与理论课放在同等重要的位置，进一步加强实验课与理论课的紧密结合。

首先，改革培养方案，突破传统的实验课依赖于理论课的教学模式，将实验课单独设立课程，单计学分，适当增加实验课课时，这样有利于学生掌握基本试验的基础操作方法和要点。同时，试验数量增多可以让学生体验到不同类型的土工试验，便于学习和比较不同试验的共性和差异，能够更加全面地了解土工试验。

其次，在试验安排上要统筹规划，可以将实验目的相近、实验原理相通、操作过程相似的试验紧密安排在一起，有益于学生对同类型试验的全面系统掌握，培养学生融会贯通、闻一知十的逻辑思维能力。

再次，倡导并鼓励土力学理论课教师积极参与实验教学工作，实验教师将工程案例反馈至理论课教学，促进理论课教师与实验课教师的相互交流，形成两类教师共同介入学生培养的协同效应。

最后，还要对实验室建设工作加以重视，不仅要在政策上大力支持，还要在经费上大量投入。在政策上，要积极引进各类专业技术人才，并定期培训和考查，使实验室工作人员数量和质量双重提升；同时，应该逐渐提高实验室人员的薪资待遇，逐步缩小实验室工作人员和教学师资队伍之间的薪资待遇差距，并完善实验室人员晋升奖惩制度，进一步调动实验室人员的工作热情，吸引高层次人才的加入。在资金上，要大量采购现代化先进仪器设备，对已有仪器也要定期进行维护，既提高试验仪器的数量，也要提升仪器设备的质量，为土力学实验课教学改革提供良好的硬件条件。

2.2 教师层面

首先，要使授课方式多元化。在传统的黑板板书的基础上，适当增加多媒体教学，制作丰富精彩的多媒体课件，把教学重点难点形象地呈现出来，提高教学效率。

其次，要革新传统的“教师讲、学生听”讲习模式，将一些新颖高效的授课方法引入土力学实验课堂，如微课、MOOC、翻转课堂等，同时，也可鼓励指导学生使用虚拟仿真实验室。

再次，提高自己的专业素养，不仅要提高自己对试验原理、内容及操作步骤的讲授能力，还要提高自己的试验操作能力，给学生展示规范标准的示范操作和指导，并且能够结合具体的工程案例，使学生通过实验课学习后不仅能掌握基本试验操作技能，还能将相关知识迁移到工程建设实际应用中去。

最后，授课教师也要力图改变实验课考核方式单一现象，建立综合的实验课考核标准，既要考查学生的实验报告，也要重视实验过程考核。例如：可以设置单元考核，重点考查单项操作技能；同时，也设置阶段考核与期末考核，安排综合性实验与设计性实验的考查，考核过程中多注重综合能力、淡化操作流程，可以明显提高学生动手操作的积极性，有利于培养学生的综合能力。

2.3 学生层面

学生作为土力学实验教学改革的直接对象和受众，首先需要踊跃参与并配合有关的改革措施，遵守实验室各项规章制度。学校和老师之所以进行土力学实验课改革，初衷也是为了引发学生的学习兴趣，提高学生的认知水平，优化实验的讲习过程，提高教学效果。另外，针对老师提出的授课新模式、新方法，学生要结合自己的切身体验和学习效果，及时反馈给教师，并献计献策，提出自己对于土力学实验教学改革的想法、意见和建议，以便教师针对实验课教学计划作出适当调整。

3 结语

土力学实验课作为理论课的补充、拓展和延伸教程，在学生掌握土力学基础理论并将其应用于工程实践中起着非常关键的作用，对学生以后的研究生阶段学习和工程建设领域工作有着极其重要的影响。在新工科背景和要求下，土力学实验课教学改革应始终以学生为主体、以实践技能培养为指引、以教学效果为考核标准，在授课方式上力求新颖，在教学模式上力求改变。同时，要注重实验员队伍的扩大及其专业素养提升，重视和完善实验室建设，实现土力学实验教学水平和成效的双重提升，力争为国家培养输送综合素质高、实践能力强的复合型人才。