工程问题嵌入的土力学综合实验教学研究

2023-04-29鲁莎陈琼

秦智 2023年11期

鲁莎陈琼

[摘要]工程科技创新呼唤着工程教育创新，为了服务国家战略、满足产业需求和面向未来发展的高度，高校实验实践教学需要将工程问题嵌入其中，以顺应教育部“新工科”建设背景下的人才培养需求。本文以本校土力学实验教学为例，将工程问题嵌入土力学实验教学中并进行综合实验设计，一方面帮助学生开展理论实践培养动手能力，另外一方面建立工程实际问题的基本分析和设计思路，为实践型工程人才培养提供途径。

[关键词]工程问题；土力学实验；多源考核；人才培养

[中图分类号]TU43-4；G642.423 [文献标识码]A

[DOI]：10.20122/j.cnki.2097-0536.2023.11.050

引言

工程科技创新呼唤着工程教育创新，为了服务国家战略、满足产业需求和面向未来发展的高度，高校实验实践教学需要将工程问题嵌入其中，以顺应教育部“新工科”建设背景下的人才培养需求。土力学作为地质工程、土木工程、水利工程、测绘工程等的核心课程，是指导土木、水利、交通、地质、采矿等领域工作的重要理论依据，其实验教学更是学生理论理解加深、动手能力培养、创新能力激发的不可或缺环节[1-2]。

目前，土力学实验课程内容设置与土力学理论知识体系相对应，设置有密度试验、含水率试验、颗粒分析试验、液塑限试验、渗透试验、压缩试验、直剪试验、三轴试验和击实试验等，课内学时设置大多为8-12学时[3]。受到场地、学时等限制，土力学实验课程多采用验证性和演示性实验，对于学生的主动学习和结合工程问题的思考培养不足。

一、土力学实验性质与现状

土力学实验教学是土力学课程的重要实践环节，根据实验过程可以分为验证性、综合性、设计性和创新性四类：验证性实验以学生土工实验仪器操作技能培养和土力学相关知识原理加深为目标，按照教师设定好的步骤和方法验证已知的结论和原理；综合性实验一般由几个独立的相关实验组成，有利于学生串联所有知识点并获得仪器操作等训练；设计性实验是学生根据给定实验目的和条件，自行进行方案设计，并进行数据处理分析[4-5]；创新性实验要求最高，需要针对某一研究目标进行具有探索创新的设计性实验。本校目前土力学实验课程开设情况见表1，受制于课程设置安排总共12个学时，均为验证性和综合性实验，缺乏更能锻炼学生能力的设计性和创新性实验。

二、工程嵌入式土力学实验教学

根据当下的人才培养需求，将课程专业相关工程问题嵌入到土力学实验课中，开展更符合国家需要的土力学实验实践课程，是本研究关注的重点。

（一）工程问题简化提取

本校面向岩土工程、土木工程、地质工程、勘查技术与工程等不同专业开设土力学实验课程，涉及的实际工程问题较为广泛，例如公路设计、桥梁建设、基坑治理和滑坡灾害防治中的路面塌陷、基坑渗水、滑坡失稳、地表拉裂等。不同专业面向行业的工程问题各有不同，将所有工程问题都考虑到土力学实验课程困难较大。因此，考虑目前课程安排与涉及行业的实际工程问题的重要影响因素，将普遍性较强的关键影响因素，包括水、温度、外力等进行简化带入到土力学实验课教学中，再结合具体分组纳入实验教学，以此进行常见工程问题的提取与简化。

（二）土力学实验课程嵌入

1.课前介绍准备

土力学实验课是土力学课程的一个组成部分，由理论老师和实验老师分别执行教学，场景分割较强，且每次实验目的、使用仪器和方法步骤不尽相同。土力学实验课与理论课具有一定分割性，且相互之间没有明显联系，难以让学生形成系统的理论实践学习思路。因此，实验课前的介绍准备便显得不可或缺，在此以水利水电工程库岸稳定性中的水对边坡影响为例，进行关键影响因素水的简化，将水对土质岸坡的影响纳入实验课中，准备相关样本，具体实施步骤为：首先，组建受课学生的线上沟通群便于实时发布通知与交流；其次，提前发布实验课程大纲，大纲包括所嵌入的工程问题及其背景介绍；最后，通知授课班级根据课程需要提前分组制样；除此之外，为了进一步加深学生对总体实验设计的理解与土力学实践的能力加强，按照班级单位提前让受课班级进行分组并全员参与土样制作，在集中时间内制作出后续土的物理力学性质测试所需的所有样本，并将其分类处理准备待使用，所有样本制作和处理依据均参照《土工试验方法标准》GB/T 50123-2019。

2.课内穿插讲解

教师讲解与学生操作是土力学实验课的核心环节。老师在课前介绍准备的基础之上，根据大纲内容进行实验课程与知识点回顾，随机抽取在场学生组根据预习进行实验操作演习，之后针对操作演习中的问题进行实验内容讲解和操作演示，最后由学生分组操作执行实验；并在实验过程中进行随机提问查看，保证实验效果。土力学实验课程时间安排一般与理论课教授动线一致，在理论讲解之后进行实践。

3.课后结果分析

土力学实验操作的完成不是终点，课后的报告撰写和实验结果的分析才是实验获取信息的关键。目前的实验课程课后结果撰写分析包括实验过程的复述和数据记录分析，内容涵盖操作注意事项和计算要点，虽然可以有效进行过程印象加深和知识运用计算，但是相对而言比较单一，容易发生相互借鉴现象，不利于学生的主动知识点消化吸收。

为了加强学生的信息获取和内容理解能力，将课后结果分析分为四个部分：一是工程背景与实验意义，此部分将实验教学与工程实际进行了结合，明确实验开展的意义和目的，确立实验手段与结果的有效运用价值；二是实验过程描述，此部分包含实验样本制作、使用仪器、操作步骤，加深对实验操作和仪器使用的理解；三是实验结果记录与计算，根据实验记录和目的，进行数据分析计算，获取所需数据信息；四是根据不同样本的计算数据，进行影响因素下的土力学性质差异分析，与工程结合描述数据差异原因。

（三）多源考核方式

以往土力学实验考核主要以课上签到、操作表现的平时分数和实验报告的分数加权而得，其中平时分数占比30%、实验报告分数占比70%。这种考核方式虽然可以有效将学生的课堂表现和课后内容掌握进行考核，但是对于工程问题嵌入的土力学课程略显单一。因此，将传统考核模式和汇报模式进行结合开展多源考核，可以将目前内容全部纳入其中并充分调动学生的学习积极性。

1.传统模式

在已有传统考核模式基础上，依旧纳入课程签到与操作表现平时分数，同时将课前制样和大纲预习考虑入内，并将平时分数占比提高至40%以调动学生的预习积极性。除此之外，实验报告除了已有的实验描述与结果计算之外，还应增加工程背景与结果分析模块，包含工程背景、实验过程、数据计算与结果分析，进一步加强学生对工程问题与实验结果联系的理解，充分消化土力学实验课程知识，分数占比设置为50%。

2.汇报模式

在已有传统考核模式外新增汇报模式，要求分组汇报，将全班的结果进行分组分析展示，结合工程背景特点汇报实验目的和实验结果，最后结合影响因素和工程实际开展土力学实验课程汇报，分数占比设置为10%。除此之外，以往实验分数和理论分数是分开进行打分，但汇报模式会由实验老师和理论老师共同评审，并最后分数中将此部分作业质量纳入考虑。汇报模式考核属于土力学实验课程的拔高部分，一方面进行实验过程和知识点回顾加强，另外一方面加强团队协作能力，充分调动全班同学的积极配合以及主动学习精神。

3.自主设计

在传统模式和汇报模式基础上，增加选做模块自主设计部分。在实际实验教学中，有的学生对于实验课程兴味索然，但有的学生对其兴趣极大，甚至希望可以自己主导进行实验探索研究。针对这种现象，“自主设计”的实验选择模块可以提供更多的选择项，让学生在目前课程学时设置基础上、在实验教师指导下开展自主设计实验、获得实验数据、分析实验结果、得到实验结论，可以极大锻炼学生解决工程问题的能力。这也顺应教育部“新工科”建设背景下提出的“开出一批新的综合性、设计性实验”要求[6]。

三、结语

土力学实验课是土力学教学实践的重要环节，在加深理论理解、锻炼动手能力、培养解决工程问题能力方面具有不可替代的作用。根据本校土力学实验课程的已有设置，在涉及的广泛实际工程问题中选取常见问题的关键影响因素进行简化，嵌入到土力学实验课程中；采用课前介绍准备、课内穿插讲解和课后结果分析进行工程问题嵌入的土力学综合实验教学，课后采取传统模式、汇报模式和自主设计的多源考核方式，调动学生学习积极性、锻炼学生解决工程问题能力，为培养工程型人才提供条件。

参考文献：

[1]潘云鹤.新时代高等工程教育的范式变革与未来展望[J].科教发展研究，2021，1（1）：11-23.

[2]李帅，邢晏朝，封岸松，等.新工科背景下实验教学的创新研究[J].科技与创新，2021（20）：154-155+157.

[3]黎桉君，汪时机，李贤.多元混合式土力学实验教学改革研究[J].高等建筑教育，2021，30（6）：159-167.

[4]张艳美，栾雅琳，王斌.基于能力培养的土力学综合性实验设计与实践[J].实验技术与管理，2018，35（3）：206-208+212.

[5]曾召田，牟春梅，朱银红，等.工程教育专业认证背景下土木工程专业岩土实验教学新体系构建的必要性分析[J].教育教学论坛，2019（14）：129-130.

[6]曾召田，朱银红，莫红艳，等.“三性”岩土实验教学体系中实验项目的设计及实践[J].高教学刊，2018（19）：74-76.

基金项目：

中国地质大学（武汉）教学改革项目，项目名称：工程问题嵌入的土力学综合新实验教学改革研究（2023094）；

中国地质大学（武汉）实验技术研究项目，项目名称：岩土体长期饱水测试系统研制（SJ-202305）；

岩土钻掘与防护教育部工程研究中心开放基金，项目名称：水库滑坡滑带力学特性及演化规律研究（201802）。

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