基于科教融合的土力学教学模式研究★

2022-05-25孔祥松鲁云芳单仁亮

山西建筑 2022年11期

孔祥松,鲁云芳,单仁亮

(中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院，北京 100083)

1 概述

土力学作为土木工程、工程力学等专业的一门重要的基础课[1]，在大学教学体系中发挥重要的作用，作为一门强实践性、强经验性、强理论性的学科[2]，在教学实际过程中往往需要通过实验，以达到让学生深刻理解其理论及基础知识的目的。随着我国教育体制改革的发展，科研与教学相分离的阶段已经成为了过去式，目前，高校深入推行科教融合理念是我国教育体制改革的关键所在[3]。自2015年开始，国家发布“双一流”大学建设以来，建设世界一流大学的春风吹进了全国各地高校，催生了全国各地高校的改革热潮[4]。而科教融合作为我国高等教育改革的主要方向，逐渐成为了国内大学教学模式改革的最终目标，同时也逐渐成为国内研究型大学的本质特征[5-6]。

土力学知识点覆盖范围广、理论抽象，加之高校教学的单一性，使得土力学教学逐渐出现一系列问题，因此深入土力学教学改革，强化土力学科教融合显得尤为重要。因此本文立足于土力学教学上所存在的问题，基于科教融合的基本理念，构建适用于人才培养的土力学科教融合教育模式，解决土力学教育中长期存在的问题，将教学的育人性与科研的学术性相统一，结合教师科研项目和实际工程，力争培养一批符合时代要求的土力学人才，从而达到提高土力学教学质量的目的。

2 构建土力学科教融合教学模式

2.1 土力学教学内容的科教融合

传统土力学教学内容仅为课本知识，教师在课堂上，以讲解书本知识为主，导致学生缺乏学习兴趣，难以掌握所学知识并应用。为解决该问题，土力学课程融合我校土木工程的科研成果，更新教学内容，丰富土力学教材，实现了科研成果与课堂教学的有效融合。

笔者承担了科研项目《深海稀软底质沉积物物理力学性质研究》，研究对象为我国首次万米深海科考时，在马里亚纳海沟获取的深海土样品。项目主要是对深海土的物理力学性质进行研究，以得到其主要的物理力学指标参数，进而估算深海沉积物的承载力，为深海矿产资源勘探关键技术和装备的研发提供参考依据。《土力学》课程中包含了该项研究所需的知识内容，如土的物理力学性质的判定方法、土力学实验及土体承载力计算方法等，因此将此科研项目与土力学课程教学内容相结合，实现科研和教学的融合，丰富了土力学课程的内容。

在土力学教学过程中，将课本对应知识点融合深海土的研究成果，比如：深海土粒径特性、深海土矿物成分和微观结构(见图1)、深海土物理参数、力学指标及承载力等进行教授，不仅丰富了课程的教学内容，而且还提高了学生的学习兴趣，实现了教学内容科教融合。

2.2 土力学教学方法的科教融合

传统教学模式多为教师“主动”，学生“被动”，在这种模式下培养出来的学生缺乏创新性和主动性，毕业之后走上工作岗位，对新环境的适应能力也相对较差；再者随着时代不断进步，新时代对青年也有了新要求，传统的教学方法和教学手段已不能满足新时代的要求，二者之间的矛盾也日益突出，因此必须随着时代的进步不断更新教学方法，以达到培养适应新时代新要求的新青年，为国家的发展提供一大批有创造性、积极主动的后继者。

根据科教融合的思想，将土力学教学方法与科研、科学相融合，进行教学方法的改革，将传统的讲解法与引导法相结合，教师的作用从提供知识转变为引导学生学习和理解知识。在讲解土体概念、组成及结构这部分知识点时，结合我国万米深海土科考事迹，讲解本次科研的前沿性，在课程展示科研精神、科研成果、课程知识。将万米深海土带入课堂，引发学生们探索未知的好奇心，从而引导学生学习土的物理强度指标等知识，包括如何测试等。让学生们先思考讨论，培养学生们的科学精神，然后展示讲解深海土测试研究的方法和取得的成果。通过这部分讲解，培养学生探索未知的科学精神，提升学生对我国科研前沿的自豪感，同时也让学生学会采用科学方法开展研究。再比如在涉及土粒微观矿物成分的讲解时，可以结合之前学习的化学知识，从组成物质的基本单位氧离子、氢氧根离子等讲解，培养学生多学科交叉融合的科研意识。在此基础上，讲解如何利用X射线分析仪(如图2所示)研究万米深海土的矿物组成。通过这种启发式和实例式教学，让学生做到掌握知识点是什么，如何测量，如何应用，从而在掌握知识的基础上，培养学生的创新意识。

2.3 土力学教学手段的科教融合

随着信息化的高速发展，传统单一的教学模式已经不再适合，必须立足于当下，结合信息时代的优势和技术，完善教学手段，充分利用动画、视频、线上教学等新型教学手段与传统PPT、板书模式相结合，开展全方位的科教融合教学。

学生提前利用线上资料，进行专业知识的预习并了解相关科研项目背景；然后通过教师的课堂教学结合科研项目对疑难问题进行解答，加深学生对知识的理解；课后学生可以利用土力学相关网站进行知识的巩固与扩展。同时，相关网站的存在，使得学生们能够更加便利地了解学科发展方向和最新科研成果。

这种将多种教学手段结合在一起的教学模式，不仅提高了学生的积极性，还能够改善课堂氛围，调动学生的科研主动性，同时能够更好的实现科教融合，引导学生主动思考、学习、吸收知识，提高科研意识。

2.4 土力学师资力量的科教融合

改变传统教学和科研分开的教学模式，提高研究型教师对学生教学工作的重视，推进科研和教学的融合。不仅要求教授进行教学工作，承担高水平土力学教学团队的负责人，还通过建立新型土力学实验-教学团队合作模式，培养出具有我校土木工程特色的科研教学梯队，对土力学教学团队进行改革。通过土力学教学团队合作机制，提出涉及多维度、多层次教师的团队协同合作模式，通过吸收领域内优秀人才，来丰富教学团队，提高教学团队的创造力，充分发挥各自所长，实现1+1>2的协同效果[6]。

同时，为了培养中青年教师梯队，提升中青年教师的教学能力，建立了关于提升中青年教师教学能力的培养模式。该模式主要利用名师的示范作用，通过资深教师带领年轻教师的模式，培养中青年教学梯队，这种模式不仅能够发展壮大师资力量，而且还能够实现个体和团体的双提升，具备了多维度科教融合特色。

此外，通过导师制对学生全覆盖，导师承担学生的教育培养，对其负责，让学生能够参与导师的科研项目，既强化了导师对于学生的引导作用，又培养了学生的科研能力和动手实践能力。而且，导师制的存在提高了学生的科研能力，为后续培养优秀的研究型人才打下了坚实的基础。

2.5 土力学实验的科教融合

传统实验模式主要是由学生完成设计好的实验方案，学生参与程度低，这种实验模式没有结合科研项目进行，缺少学生自己动手设计实验的过程，导致学生在完成实验课程后，仅留下一些浅显的认知，对土力学实验的掌握不够深入。

改革后的土力学实验模式主要采用的是土力学实验与科研项目相融合的模式。以科研项目为背景，学生自己设计实验方案，完成实验，处理实验数据，整个实验过程，让学生全程参与，如在教授土体的力学性质和土体承载力时，利用深海土的科研项目，根据科研任务和对应的课程实验，设计了科教融合的实验模块，增加部分科研创新实验。要求学生在实验课期间以小组为单位设计实验，对深海沉积物力学性质进行测定，并进行沉积物承载力的分析计算，实验如图3～图6所示。

这种将土力学知识、实验与科研项目相结合的模式，不仅能够提高学生学习热情和研究能力，又能够培养学生的科研兴趣及精神。同时改革后的实验模式让学生在实验的过程中，加深对理论知识的理解，并在这个过程中培养学生的创新性思维，同时也提高了团队合作的能力。

2.6 土力学考核的科教融合

相较于传统的课程考核模式，土力学考核方式进行了科教融合改革，增加了对学生科研能力和实践能力的考核，除了考察对知识的掌握程度，还考察了学生设计科研实验、用所学知识解决土力学实际问题等。土力学考试成绩由期末考试65%+土力学实验15%+作业10%+综合考核10%组成，相较于传统的考试+作业考核模式，该种考核模式增加了土力学实验及综合考核两部分内容，如图7所示。通过土力学实验，让学生亲身参与到土力学实验设计中，加深对土力学理论知识的理解；综合考核部分对学生自主设计实验、解决土力学问题等多个方面进行考察，培养了学生的动手实践能力和创新能力，力争培养具有创新性和主动性的新时代人才。

3 科教融合模式应用效果

依据土力学科教融合的目标，完成了土力学课程教学大纲、教案、课件等教学文件的修改，丰富了教学内容，改进了教学方法，建立了高水平的教学团队，并且结合主讲教师的科研成果，在保证学生扎实掌握专业知识的同时，培养了学生的动手能力和创新能力，最终形成了可推广的科教融合改革经验。在土木工程、城市地下空间工程、工程力学等国家一流专业共计10个班教学中进行全面推广，取得了热烈反响，备受好评，积极发挥了科教融合教学示范作用，提高了学生的科研创新能力，培养了青年教师良好的教学能力。

3.1 学生科研能力和创新意识大幅提升

通过建立科教融合的土力学教学模式，紧密结合深海土科研项目，实现土力学教学内容丰富化、教学方法融合性、教学手段多元化，建设高水平教学团队、改革实验模式和考核模式等。培养出能够代表我校土木工程研究型特色的学生，有利于鼓励学生主动加入实验，培养学生的自主性和主动性，提高综合素养。通过本次改革，使得学生在接触到土力学学科前沿成果的同时又培养了学生动手实践能力，使得所学知识能够很好地应用到工作，同时也积累了一定的科研能力，不论是工作还是继续深造，都能够更加游刃有余。