新工科背景下多学科交叉融合的土力学实验教学模式探索

朱锐 周峰 刘恒

摘  要：新工科背景下，传统工科专业对实验教学的要求进一步提升，现阶段土力学实验教学模式难以体现多学科交叉融合的特点，不利于地下空间专业复合型人才培养。文章从材料学、生物学、环境工程学、计算机科学四个角度详细论述了土力学多学科交叉融合的特征，从实验项目、实验设备、实验课程以及实验教材四个方面探索了土力学实验教学改革措施，创新优化了土力学实验教学评价体系，为高等学校土力学教育教学改革和发展提供参考。

关键词：土力学实验；新工科；多学科交叉融合；教学模式

中图分类号：G64    文献标识码：A    文章编号：1673-7164（2023）11-0081-04

基金项目：2022年江苏省研究生教育教学改革课题“基于数字孪生技术的研究生优质教学资源建设以地铁车站深基坑工程为例”（课题编号：JGKT22_C029） ；2020年“一带一路”化工与建筑行业中外人文交流研究专项“国际化建筑人才培养模式对比研究”（项目编号：2020YDYL13）。

作者简介：朱锐（1992—） ，男，博士，南京工业大学交通运输工程学院讲师，研究方向为岩土工程方面的教学与科研；周峰（1979—），男，博士，南京工业大学交通运输工程学院教授，研究方向为岩土工程方面的教学与科研；刘恒（1983—），女，博士，南京工业大学交通运输工程学院副教授，研究方向为岩土工程方面的教学与科研。

国民对高质量教育的需求更加强烈，坚持深化教育改革創新，是新时代教育改革发展的必由之路。为主动应对新一轮的科技革命与产业变革，支撑服务创新驱动发展，“新工科”理念初露端倪。在此背景下，多学科多领域的交叉融合成为创新的推动力，跨学科对话与合作成为大势所趋。学科交叉融合，即多学科交叉融合，涵盖学科交叉与学科融合为一体的研究、教学、应用，是构建协调可持续发展的学科体系，打破学科不相通的学段壁垒，进行更好的资源整合。促进基础学科、应用学科交叉相融，有利于思想交融、激发创新力，从而培养复合型高质量人才，满足我国新工科建设与人才培养目标。在新工科背景下，学科交叉已经成为高水平科研与顶尖人才的重要特征，城市地下空间工程专业也因此迎来了新的机遇与挑战［1］。

土力学作为城市地下空间工程专业的核心课程之一，是一门实践性、经验性较强的力学学科，融合了理论与实验双重教学模式。基础理论来源于实验，实验教学往往是最直观、最深刻的一种教学模式，例如：通过直接剪切实验得到库仑公式，成为土的强度理论基础；通过固结实验明晰了土的有效应力原理和固结理论；通过土的抗剪强度实验验证了土的本构关系理论模型［2］。

但是，多学科交叉融合背景下，现阶段土力学课程在实验教育教学上存在明显不足，教师上课往往只单纯围绕“土”的专业知识进行阐述，结合经典却古旧的工程案例进行分析讲解，实验教学项目单一、实验设备老旧、实验课程设置不甚合理以及实验教材刻板等问题，学生无法深入理解多学科交叉融合下土力学实验的原理与技术。如何在多学科交叉融合背景下，城市地下空间工程专业中的土力学实验教学更具有创新性，从而满足传统工科专业复合型人才培养的需求，是土力学教育教学改革的重点。

鉴于此，文章从材料学、生物学、环境工程学、计算机科学四个角度详细论述了土力学多学科交叉融合的特征，从实验项目、实验设备、实验课程以及实验教材四个方面探索了土力学实验教学改革措施，创新优化了土力学实验教学评价体系，为高等学校土力学教育教学改革和发展提供参考。

一、土力学的多学科交叉融合

（一）土力学与材料学

土力学与材料学的学科交叉融合，顾名思义是将新型土木工程材料的应用场景纳入土力学范畴内，通过土力学实验对其具体性质进行测试与表征。以沿海软土改良这一工程背景为例，软土广泛分布于我国东南沿海，具有孔隙比大、含水率高、强度低、渗透性差等诸多特点，在实际工程中软土往往需要处理后方可使用，现阶段的处理方式往往是通过掺入水泥、粉煤灰、矿渣及微硅粉等无机胶凝材料与土混合后发生化学反应，生成的凝胶矿物填充土体孔隙并同土颗粒搭接形成稳定的骨架结构，进而提高软土地基的物理力学性能，以解决岩土工程中土体破坏、强度降低等问题。

在土力学与材料学交叉融合背景下，已开展了大量相关土力学试验，如通过渗透实验、无侧限抗压强度实验、扫描电镜实验等系列土力学室内实验系统研究了无机非金属材料与固体废弃物协同固化土壤的作用机理。土力学实验的研究成果有效指导了现场实际工程设计与施工，但现阶段土力学实验教学中涉及较少，少量介绍仍从土的角度开展，往往忽视了材料学的相关背景与实验操作，难以从机理层面揭示新材料在土力学范畴内的作用机制，进行土力学与材料学交叉融合背景下的土力学实验教学改革十分必要。

（二）土力学与生物学

土力学与生物学的学科交叉融合，指的是将生物学的方法应用于土力学范畴内，进而通过土力学实验对生物岩土工程问题进行测试，现阶段两者深度交叉融合的典型当属微生物岩土工程领域，也就是微生物诱导碳酸钙沉淀技术（MICP），应用MICP这种低碳环保的新兴技术解决岩土工程问题是土力学与生物学交叉融合的热点。MICP技术的原理在于利用土中自带的细菌产生脲酶，脲酶可进一步催化尿素水解反应，使细菌周围生成碳酸根离子。细菌表面带有负电荷，通过吸附自然界或人为加入的钙源离子产生碳酸钙沉淀，附着于土体表面，填充土体孔隙起到胶结作用。

在土力学与生物学交叉融合背景下，已开展了大量相关土力学试验，典型如通过渗透实验、无侧限抗压强度实验、毒性浸出实验、三轴实验等系列土力学室内实验系统研究了微生物加固土的物理力学性能提升机理。上述土力学实验的研究成果为微生物岩土工程的科学探索与工程应用提供了参考，但在现阶段的土力学实验中，涉及两者交叉下的土力学实验教学仍然较少，多数微生物加固土实验仍依据常规土力学实验方法及流程开展，往往忽视了生物学的基础理论与微生物的特殊生存条件，造成相关土力学实验结果与实际情况不符的情况，故进行土力学与生物学交叉融合背景下的土力学实验教学改革是必要的。

（三）土力学与环境工程学

土力学与环境工程学的学科交叉融合，即在土力学知识体系内解决部分环境工程领域问题，通过土力学实验的方式对相关问题进行测试与表征。在此背景下，当前两者深度交叉融合的典范当属土壤污染问题，也就是通过一定技术手段改变污染土的土力学特性，使得土体中的污染物迁移能力下降，进而实现对污染土的治理与修复，最终推进环境友好型城市的建设发展。

在土力学与环境工程学交叉融合背景下，已开展了大量相关土力学试验，典型如通过渗透实验、三轴剪切实验、热通量实验、毒性浸出实验等系列土力学实验研究了无机胶凝材料固化污染土的物理力学性能演化规律与污染物溶出特性［3-5］。上述土力学实验的研究成果为污染土处治技术的工程应用提供了科学依据，但在现阶段土力学实验中，涉及两者交叉下的土力学实验教学仍然较少，多数污染土实验依据常规土力学实验方法开展，对于污染土的理化特性认识存在不足，故进行土力学与环境工程学交叉融合背景下的土力学实验教学改革十分必要。

（四）土力学与计算机科学

土力学与计算机科学的学科交叉融合，是将计算机科学与技术应用于土力学范畴内，尤其是土力学实验教学过程中，通过新兴技术优势重新焕发传统工科实验教学的活力。在此背景下，两者深度交叉融合的典范当属虚拟仿真实验室，这种依托虚拟仿真技术模拟真实物理系统方法，在土力学实验教学过程中得到了广泛应用，该技术具有沉浸性、交互性等优点［6］。

在土力学与计算机科学交叉融合背景下，部分高等院校已建立了虛拟教学实验室，如教师通过虚拟仿真平台进行直接剪切实验、三轴剪切实验，使得学生更直观地了解土体破坏过程，这种土力学实验教学手段不受时空的限制，但多为教师演示性操作，无法形成师生互动式交流，其原因是当前的土力学实验教学尚未将这一新兴教学手段纳入教学体系中，不利于土力学与计算机科学的进一步交叉融合，故进行两者深度交叉融合背景下的土力学实验教学改革是十分必要的。

二、土力学实验教学改革

（一）实验项目

现阶段土力学实验以传统实验项目为主，缺乏创新性与先进性，导致学生学习土力学实验的主观能动性不高。在多学科交叉融合背景下，应进一步拓展与深化土力学实验项目，具体如下：

1. 增设演示性实验项目。在多学科交叉融合背景下，演示性土力学实验可以通过虚拟土力学实验室，以线下线上相结合的方式开展，具体项目涵盖月壤微观结构实验、土体冻融循环实验、南海珊瑚砂颗粒破碎实验等，教师从选择试验设备、确定试验方法、进行试验操作、撰写试验报告进行系统性的演示性实验，提升土力学教学实验的趣味性与前沿性。

2. 增设设计型实验项目。在多学科交叉融合背景下，设计型土力学实验项目可以通过分组成团的方式开展，通过不同的参数设计及优化，协同完成系列土力学实验，具体项目可以涵盖加筋挡墙实验、地基模型振动台实验等，在这一过程中，充分调动学生的主观能动性，增强学生的体验感与参与度，使之进一步了解学科交叉融合在实际工程中的应用。

3. 增设多元化实验项目。在多学科交叉融合背景下，多元化土力学实验项目需要融合材料学、生物学、环境工程学等不同学科特点，通过传统土力学实验手段研究学科交叉融合产生的科学与工程问题，如水泥固化土抗剪强度实验、微生物矿化土动力特性实验、污染土毒性浸出实验等，进一步提升学科交叉融合在土力学实验教学中的定位。

（二）实验设备

传统土力学实验设备较为昂贵，教学过程中存在实验设备短缺的情况，面临多学科交叉融合时，实验设备的使用往往难以在时间与空间下形成契合点，导致土力学实验教学过程中往往会出现一系列问题，在一定程度上影响了土力学实验教学质量提升。在此背景下，可以建立虚拟土力学实验室，实现实验设备多样化、实验空间固定化、实验时间可控化、实验操作独立化、实验项目交叉化等系列目标，有利于节约土力学实验设备购置与维护成本，促使师生更高效、直观、系统地开展土力学实验教学，最终促进学科理念创新发展、学科内容交叉融合。

（三）实验课程

传统土力学实验教学往往专注于常规土工实验，多数实验项目及实验课程已数十年未更新，部分实验已非当下土力学范畴内的重点方向。在多学科交叉融合背景下，需将土力学实验教学课程重新整合设计，在实验课程中应适当压缩非重点实验教学项目，将无侧限抗压强度实验、渗透试验、三轴剪切实验等重点实验项目与材料学、生物学、环境工程学、计算机科学等进行深度交叉融合，并纳入土力学实验教学课程中，这种实验课程的整合并非实验项目的删减或增加，而是多学科交叉融合背景下实验课时的“迁移”，进而达到土力学实验课程多元化、现代化的教学改革目标。

（四）实验教材

传统土力学实验教学除教材外，往往会参考《土工试验方法标准》《公路土工试验规程》等标准，这些教材本质上都是以纸质版为主，内容过于理论化、流程化，导致学生难以深刻领悟多学科交叉融合背景下的土力学实验项目。在数字化新时代，应转变传统教育教学理念，教师应依据现代信息化技术，以数字形态赋能传统土力学实验教材，师生依托电子终端系统，通过阅读、编辑、标注等系列手段汲取动态可视化土力学实验教材中的精华，有利于实现教材生动化、形象化的目标，突破了多学科交叉融合在实验教材层面的壁垒。

三、土力学实验教学评价

评价体系创新是多学科交叉融合背景下土力学实验教学改革与探索的攻坚战，应打破传统观念上的单一评价体系，创建多元协同的土力学实验教学评价体系，这一评价体系应以评价不是目的为准则，以师生、生生自主评价与互相评价为特色，坚持教师引导与实验过程评价相结合，评价过程应如下：

1. 坚持目标的正确性。在多学科交叉融合背景下，土力学实验教学评价体系一定要有着正确、正向的目标导向，切勿因教学评价体系的存在而限制了土力学实验教学的思维发散性与课程先进性，应以适应国家发展之态势为目标，将立德树人作为检验学校一切教学工作的根本标准，形成高水平的工科专业人才培养体系。

2. 强调评价的客观性。在多学科交叉融合背景下，土力学实验教学评价体系应多些技术客观性，也就是倾向于使用线上电子化记录手段去确保评价系统的科学化、精确化。教师可选择线上发布土力学实验教学任务，通过教学过程中学生在线学习投入时间、在线学习活动频率、在线实验操作情况等，通过系统自动生成客观性评价，利于优化学生自主学习路径。

3. 突出体系的多元性。在多学科交叉融合背景下，土力学实验教学评价应以学生为主体构建多元协同体系。完成土力学实验教学后，教师可要求学生在线提交实验报告，总结与反思实验过程的不足之处，考核学生分析问题和解决问题的能力，并将这一系列过程都纳入土力学实验教学评价中。需要指出的是，针对多学科交叉融合的特征，师生可以凭借土力学实验途径是否合理为标准，以自主评价与互相评价相结合的方式突出土力学实验教学评价体系的多元化特征，促进多学科交叉融合背景下土力学实验教学的可持续良性发展。

四、结语

新工科背景下，传统工科专业实验教学应注重多学科交叉融合的特点，不断改进教学方法与教学内容。在此背景下，土力学实验教学首先应该以土力学与材料学、土力学与生物学、土力学与环境工程学、土力学与计算机科学为四个主要抓手，将其学科交叉融合的特征作为土力学实验教学改革的根本。其次，应从实验项目、实验设备、实验课程以及实验教材四个方面深化土力学实验教学改革措施，重点突出虚拟实验室在土力学实验教学中的定位和作用，切实提高师生教学体验感，提升学生的主观能动性；最后，创新并优化土力学实验教学评价体系，突出目标正确性、评价客观性与体系多元性的特征。多学科交叉融合背景下土力学实验教学顺应了新工科的潮流，满足传统工科专业复合型人才培养的需求，为高等学校土力学教育教学改革和发展提供参考。

参考文献：

［1］ 李寶斌，许晓东. 新工科教育范式下的教学学术发展［J］. 高等工程教育研究，2020（04）：188-194.

［2］ 周莉，韩雪，杨海涛. 应用型人才培养的土力学实验教学模式改革与实践［J］. 黑龙江高教研究，2014（03）：168-170.

［3］ 伍浩良，薄煜琳，杜延军，等. 碱激发高炉矿渣固化铅污染土酸缓能力、强度及微观特性研究［J］. 岩土工程学报，2019，41（S1）：137-140.

［4］ 魏明俐，伍浩良，杜延军，等. 冻融循环下含磷材料固化锌铅污染土的强度及溶出特性研究［J］. 岩土力学，2015，36（S1）： 215-219.

［5］ 夏威夷，冯亚松，杜延军，等. 羟基磷灰石基固化剂异位固化稳定化修复重金属污染场地试验研究［J］. 东南大学学报（自然科学版）， 2018，48（03）：549-556.

［6］ 陈剑为，田君华，陈曦，等. 土力学虚拟仿真实验模块的开发与建设［J］. 高等建筑教育，2018，27（06）：155-160.

（责任编辑：罗欣）