土力学教学素材信息化与教学方法改革研究

王天源，薛凯喜，吴波，李栋伟，查文华，胡艳香，何昌春，王振华

（东华理工大学 土木与建筑工程学院，江西 南昌）

一 引言

土力学是工程师和科研工作人员在长期科学研究或工程实践中总结归纳而成的一门与土体有关的多门学科融合的专业基础课程[1]，也是指导土木、交通、水利、地质等领域科学研究和工程设计的重要理论来源。土体作为一种三相介质，土力学专门研究土三相介质条件下的物理力学性质以用于解决地基与基础、边坡稳定性等有关工程问题。

由于现代的建筑工程越来越多样化、复杂化、大型化以及研究对象的非均质、各向异性、易变等特点，以传统的土力学基本理论来设计现代建筑物难以满足要求。通过调研，大部分教师对于土力学课程的传授主要以理论教学为主，而在可提高学生实践和创新能力方面的方法和手段相对匮乏。后疫情时代，线上教学和线上线下混合式教学层出不穷，如何设计多元互动线上与线下相结合的教学活动有效提高教学质量，成为新一轮挑战和机遇。新型信息技术作为一种可深化土力学研究和提高线上教学质量的有效手段，符合高校多学科交叉融合型人才培养模式的创新性研究。这也是我国提出“互联网+”在大学教育教学中推广应用的主要原因之一[1]。

因此，针对土力学课程亟需实施综合改革，探索新的“互联网+土力学”多学科交叉融合型人才培养教学模式和教学素材信息化迫在眉睫。

二 土力学课程教学改革的必要性分析

1）教学内容跟不上时代发展。近年来，研究人员为了突破土力学中“数据有限”和“预测预报”的“瓶颈”，将大数据、人工智能等新型信息技术加入到传统土力学的研究方法中[2-3]。这种方法使土力学在与传统力学、工程地质等课程的基础上交叉融合了计算机、统计学等内容。然而，这种研究方法目前并未在土力学课程教学中开展。

2）课时严重压缩，教学效率和实践操作能力大打折扣。通过调研，绝大部分院校的土力学课程均存在理论课时偏少、实践课时严重不足的情况。如何在有限课时的前提下充分利用新型信息技术和数值仿真技术完成高质量的教学过程，提高师生间的教学效率，是一个重点研究方向。

3）教学方式传统单一，未体现新时代信息技术的优势。新冠肺炎疫情以来，受线下教学活动的限制（减少师生、生生的近距离接触），难以开展有效的实践性教学，大部分教师是以现场工程案例图片或典型工程纪录片的形式来阐述深化土力学课程中的知识点。 新时代背景下，如何在传统教学方式的基础上融入新时代信息技术的优点，是教学改革的另一个重要方向。

三 土力学课程教学改革的主要思路

本文以东华理工大学为例，土力学是我校土木与建筑工程学院、水资源与环境学院的专业基础课，每年学习该课程学生人数约275人（如表1所示）。笔者深入调研兄弟院校该课程的教学内容和教学方式[1,4-6]，创新性引入新型信息技术相关内容，从理论教学内容、试验教学内容以及教学模式和教学方法三个方面进行改革。

表1 土力学课程学生专业分布和学时（2020年）

（一） 理论教学内容的改革

新型信息技术背景下的土力学课程具有内容涵盖广、学科发展快和工程实际联系深等特点，教师在土力学理论教学过程中可能会出现教学主线不清晰、章节层次逻辑不明等问题，如何权衡经典理论内容、前沿科学研究与最新工程案例之间的关系，这都将是教师亟需解决的问题。针对以上问题，基于新型信息技术以及该技术在土力学中的应用，笔者所在团队对土力学理论内容进行深化改革，为培养多学科交叉融合型人才铺垫基础。

（二） 试验教学内容改革

土力学作为一门半理论半经验的专业基础课程，土力学试验是认识土力学中相关自然现象和自然规律的重要手段。在基础设施建设快速发展的形势和“万物互联”的背景下，土力学试验教学不仅需要对现有土力学理论知识的验证（如土的渗透试验和固结试验等），还需要与国内外典型工程建设发展同步，结合专业理论和实操技术来解决现场工程建设中遇到的各类综合性问题（如复杂地质条件下边坡群的稳定性分析和安全预警问题等）。所以，对现有的试验教学内容和形式进行改革，探索和形成新的试验教学方案，对于学生掌握土力学的专业理论和土力学试验的实操技术具有极大的益处。

（三） 教学模式和教学方法改革

“以教师为中心”向“以学生为中心”的转变是教学模式变革的主旋律，这样可以引导学生积极主动学习。现阶段土力学课程教学模式仍然以教师为中心的“满堂灌”方法，整堂课只有老师对着学生讲解知识，难给学生提问和互动的机会，从而极大地降低师生间的教学效率和教学效果。所以，对传统的教学模式进行深化改变革（邀请校企合作单位的科学研究人员或工程师进入课堂，积极引导学生去校企合作单位学习），搭建理论教学和实践教学之间衔接桥梁，为学生毕业后适应工作环境提供条件。

四 土力学课程教学改革实践路径

基于新型信息技术从教学内容和教学模式两方面开展改革研究：1）建立一个完整土力学课程体系。该课程体系不仅包含传统土力学课程内容和大数据等新型信息技术的基础理论知识，还需包含应用新型信息技术解决土力学中存在的问题等相关内容；2）探索与构建融合了新型信息技术的新教学模式。

（一） 优化教学大纲提升教学内容的系统性与前沿性

1.系统性

结合创新型交叉融合的人才培养需求，需完成《土力学》课程结构体系变革，在传统力学、工程地质等基础课程基础上，引入新型信息技术基础课程，使土力学课程内容模块化后更具系统性。土力学课程大纲经优化后基本结构如图1所示。

图1 优化后的土力学课程大纲

土力学前置基础模块，包括土力学课程中涉及的理论力学、材料力学、弹性力学、工程地质学等前置学科的基础知识和大数据等新型信息技术基础课程；土力学基础知识模块，包括土的物理性质和工程分类、土体渗透性与流量计算、地基中的应力计算、土的压缩性与地基沉降、土的抗剪强度等部分[7]；基础知识的工程应用模块，包括地基承载力的确定、土压力理论以及土坡稳定性分析等内容，重点讲述采用新型信息技术解决土力学工程问题并进行详细的案例分析。如边坡稳态远程智能预警系统的设计、CFG桩复合地基智能优化设计系统开发等。

2.前沿性

土力学作为土木工程专业的基础学科，新材料、新仪器、新工艺、新理论层出不穷，前沿性内容给土力学课程带来了深度和广度。结合与土力学相关的工程案例和时事新闻和教师最新科研成果，贯穿在理论教学和实践教学环节整个过程，让学生充分认识土力学的新进展。如2020年7月湖北恩施清江上游屯堡乡马者村沙子坝滑坡，造成清江上游形成堰塞湖；2021年4月，热带气旋塞洛亚在印度尼西亚东南部和东帝汶降下暴雨，引发洪水和泥石流等。基于工程案例和时事新闻，介绍地质灾害发生机理以及最新技术和工艺在防治措施中的应用。土力学教学内容的系统性和学科的前沿性有机地成为一体，学生在这些内容的学习过程中深刻体会到了土力学与自然和人类的关系，教学效率得到了极大改善。

（二） 虚拟与现实相结合增强实验教学的多样性与实效性

1.多样性

校内实验室资源通常无法达到日常教学需求，需要引入企业真实的实验环境、数据资源和构建新型信息技术环境下的虚拟实验室，虚-实结合，一方面打破了时空限制，虚拟实验室资源的使用更加快速和便捷；另一方面通过项目案例驱动式实践教学可令学生深刻体会企业需求和发现工作中可能存在的问题，促使学生更有目的的学习。本校视频资源库（http://www.jgnwj.com）[8]的构建和中国大学MOOC、超星慕课等“互联网+”各种平台中视频资源均可为教师和学生在虚拟环境中提供相关土力学教学实验资源；带领学生去江西飞尚科技有限公司开展相关实验内容学习，如结合课堂讲授的地基承载力理论知识，围绕介绍现场平板荷载试验中的关键步骤等展开讨论，让学生更好地理解土力学相关实验内容，为培养创新型交叉融合人才奠定实践基础。

2.实效性

大量案例已经成功将大数据、人工智能等融入传统的数值方法来再现试验过程，如非参数回归法、人工神经网络技术，不确定分析方法，参数反演等。受限于教学课时和试验设备，学生没有必要通过低效率的重复动手操作进行试验来学习相关内容。基于相关工程案例，同时结合工程案例中对新型信息技术的需求，完善教学内容的实效性。基于已有实验资料，设计对应的算法，通过数值手段（自编或在商业软件的基础上进行二次开发）再现实验结果以及进一步分析研究复杂工程问题（室内教学实验通常用来模拟简单试验过程）。教师可通过数值模拟手段将复杂的工程案例直观便捷地展示给学生理解学习，如三轴试验样品块的应力云图（图2）和不同降雨单量工况下某边坡安全系数随时间变化关系图（图3）等。

图2 土体三轴试验的应力云图

图3 不同降雨单量工况下某边坡安全系数随时间变化关系图

土体三轴条件下土体应力、应变和强度等概念和土体由弹性到塑型的变化以及土体的稳定性分析评价可通过数值仿真手段直观更易理解地向学生阐述，进而将土力学课程中理论内容、实验内容和工程案例在新型信息技术背景下有机融合为一体。室内试验和数值模拟相结合，一方面深化了学生对理论内容的学习和强化了如何运用理论内容解决实际工程问题的能力；另一方面开展实施了系统的数据整理和数据总结分析，让学生对土体应力、应变和强度等特点和变化规律有多角度和多层次的认识。

（三） 理论与应用相结合提高学生学习的主动性与积极性

大数据时代来临，学生对于知识的获取不再局限于教室，教师应结合前沿性理论内容，大胆尝试项目案例驱动式教学、网络在线教育、翻转课堂等多种教学方式。在整体层面上，师生以网络平台留言问答或面对面线下交流互动，对学生在土力学学习过程中遇到的难点进行答疑和讨论分析。笔者定期更新国内外热点文献和工程案例，让学生以小组形式参与讨论，师生互动交流，激发学生的学习兴趣；同时，基于大数据分析引导学生展现个人优势（如资料获取、视频编辑、PPT制作、算法设计等），提高学生学习积极性和师生间的教学效率。同时加强科研引导，鼓励学生采用新方法、新技术解决土力学工程问题。

加强科研引导，鼓励学生采用新方法、新技术解决土力学工程问题，从而深化学生对于土力学理论内容学习和强化学生在科研方面的创新性能力。以土体抗剪强度为例来说明。土颗粒矿物成分、剪切速率、含水率、环境因素、干湿循环等因素均会影响到土体抗剪强度。课堂上这些内容通常是通过枯燥的文字描述性叙述、简单的图片展示讲述的，并不能提起学生学习兴趣。在大数据背景下，引导学生收集相关视频资料和论文成果，辅助采用算法设计和统计学相关知识介绍这一部分内容，并分析各影响因素的敏感程度，极大丰富相关内容，提高学生研究兴趣。

五 土力学课程教学改革成效

基于上述手段对学生在土力学课程学习变革，以常规教学方式和改革后教学方式设置对照班和试验班，对学生平时成绩（包含出勤率、平时作业、课堂表现、土力学前沿内容PPT制作与交流讨论等）、实验成绩和期末成绩进行总结分析（如表 2 所示）：引入新型信息技术的土力学课程教学激发了学生的学习热情，学生对于理论内容和实验内容的掌握程度有大幅提高。

表2 试验班级和对照班级的平均成绩

土力学教学改革提高了课堂教学质量。基于问卷星的调查问卷（共74份）结果显示，学生对师生间教学过程的满意程度为100%。其中，十分满意的比例为89.2%，基本满意的比例为 10.8%。

六 结语

土力学的教学改革既要遵循经典土力学内容的本质，又采用新型信息技术及其在土力学中的多维度应用等来提高课程质量。新型信息技术背景下土力学课程教学改革仍需要进一步探索：

深化传统土力学理论和实验教学内容，根据教学目标引入适当的新型信息技术相关内容；加强校企合作，变革实验环境和实验平台（云环境下的虚拟仿真实验室和校内/企业真实的实验环境并重），培养新时代行业需要的优秀工程人才。

改变传统土力学课程教学方式，在重视土力学课程基本概念和基本原理的基础上，基于不同学生的行为数据制作更具个性化的教学方案，同时加强科研引导，激发学生学习兴趣，从而切实提高教学质量。