新工科背景下基于科教融合的土力学课程教学改革研究

陈鑫 彭杨 李栋伟 何如

摘要 科教融合是实现课程教学目标、提高教学质量及土木工程新工科建设的必然选择。依托土木工程新工科建设背景，基于科教融合理念，增强教师科研引导，文章从土力学课程教学团队、教材、大纲、课堂理论教学内容、授课方式、实验实践教学及课程考核方面进行了探索改革与教学实践。结果表明，新工科背景下基于科教融合理念的土力学课程教学改革提高了教学质量，突破了土力学实验条件限制，构筑理论、实践衔接的桥梁，促进了教学目标的实现。对培养多学科融合的复合型、应用型人才有重要的促进作用。

关键词 土力学；新工科；科教融合；教学改革

中图分类号：G424文献标识码：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2023.11.039

1概述

土力学是土木工程专业必修的核心课程，以解决地质、采矿、水利等工程活動中涉及土的工程性质问题为目的，具有很强的实用性、理论性、综合性[1-2]。土体具有散体性、多相性、自然变异性等特点，本质属于碎散材料，然而目前土力学课程知识体系仍建立在连续介质力学假设的基础上。土力学知识点多、理论抽象、计算烦琐[3]，使得土力学课程教学质量难以提高[4]。近年来研究人员将人工智能引入土力学研究领域解决了如“基本假设与实际不符、影响因素不确定”等瓶颈问题[5]，但目前仍未在土力学课程教学中开展。此外，目前土力学课堂教学仍采用教师讲课为主的灌输式教学模式，学生无法真正理解土力学中抽象的理论[6]。

以云计算、人工智能等用于传统工科专业升级改造的新工科建设是我国深化工程教育改革的重大行动计划[7]。以科研项目为依托，将高水平学术成果转化为教学内容、动态更新教学内容，变革教学模式，使学生学以致用去解决工程实际问题，是实现土力学课程教学目标和提高教学质量的必然选择[8]。针对土力学课程进行教学改革，探索新工科背景下基于科教融合的教学模式改革，对培养多学科融合的复合型、应用型人才有重要的促进作用。

2构建新工科背景下科教融合的土力学教学体系

2.1基于科教融合理念建设土力学课程教学团队

传统土力学课程一线教学教师具有丰富的授课经验，但是往往只注重教学而疏于研究。部分科研能力强的教师又往往存在只注重科研而疏于教学的问题。长此以往，传统教学和科研分开的教学模式弊端就显现出来，无法培养了解学科前沿知识、拥有创新能力的人才。

新工科背景下基于科教融合理念的土力学课程教学团队既包含教学型教师又包含科研型教师，由科研成果多、教学经验丰富的教授担任团队长。通过定期有组织地开展科研教学活动、双向互动使教学科研有机结合，使团队成员成长为科教并重型教师。通过参加培训、邀请专家开讲座的方式使团队成员掌握云计算、人工智能算法。

2.2以科研项目为依托，编写新工科背景下的土力学教材

土力学是一门实用的学科，随着工程建设问题的不断涌现，其知识体系更新速度也越来越快。如随着我国“三深”探测战略的全面实施，深部土、月壤土的物理力学特性成为研究的热点，而传统土力学教材没有涉及相关方面的知识。人工智能的发展推动了传统土力学研究领域的跨越式发展，使原来许多无法解决的问题得到解决，而传统土力学教材同样没有涉及相关方面的内容。此外，传统土力学教材安排多呈文字性叙述，不够生动，学生在学习时需要记忆大量抽象概念，且多为定性描述。

新工科背景下科教融合的土力学教材以科研项目为依托，挖掘优秀机器学习算法，增设采用智能算法解决相关问题的内容，更新原有土力学教材内容体系。也可以将智能算法介绍、智能模型建立、分析求解步骤作为土力学教材网络资源让学生通过扫二维码的形式获得。

新工科背景下的土力学教材增强了科研引导性，凸显了土力学课程的实用性，兼顾了趣味生动性，能够提高学生的自学兴趣。

2.3基于科教融合理念优化新工科背景下土力学教学大纲内容

新工科背景下基于科教融合的土力学教学大纲具体教学课时分配设置基本沿用传统土力学教学大纲，主要变动在课程教学目标及要求。知识目标增设掌握常用的经典机器学习算法。能力目标中应用知识的能力增加“结合云计算、机器学习等解决与土体有关的工程问题”。

2.4根据新教材及大纲，制订土力学课堂教学内容

结合新工科背景下人才培养要求，同时考虑教学课时分配，在传统土力学课堂教学内容基础上有机增加机器学习算法内容，进一步使土力学课程内容模块化。新工科背景下的土力学课程教学内容包含4个模块，每一模块都以为科研项目为背景，增设采用智能算法解决相应问题的内容，如图1所示。每一模块课堂教学内容最核心的部分结合传统土力学课堂教学内容确定，在此基础上兼顾应用智能算法解决传统土力学未能解决的问题。

2.5依据土力学课堂教学内容，改革授课方式

目前课堂教学仍是人才培养目标实现的主要阵地。现阶段土力学课堂教学大多仍采用教师讲课为主的单向灌输式教学模式，无法发挥学生的主观能动性。

新工科背景下基于科教融合的土力学课程教学要求教师首先要瞄准学科前沿，抛出一个好问题、传授学生一个解决问题的视角往往比单向的灌输式教学更能激发学生的学习兴趣。积极尝试变革教学方式方法，把线上线下混合式教学、翻转课堂、“智能+”教学引入传统土力学教学中。多采用研究性教学方法替代传统老师讲、学生听的被动灌输式教学。激发学生学习兴趣，增强科研引导力度，让学生以科研的角度去学习土力学，能够应用所学解决实际工程甚至科学研究领域中相关难题，在提高教学效果方面取得实效。

2.6搭建科教融合的土力学实验教学平台

传统土力学实验教学是在教师指导下，学生按照书本操作步骤完成，提交实验报告。这种实验教学使得学生不注重实验数据的积累与挖掘，也不注重实验教学与课堂理论教学之间的联系，无法构筑理论与实践衔接的桥梁，不能促进教学目标的实现。另一方面，由于研究领域的特殊性，大多直接反映本质机理的模型实验往往由于条件不具备而难以开展。

新工科背景下基于科教融合理念的土力学实验教学以科研项目为依托，结合科研项目中拟解决的关键问题、项目特色与创新点，在教师的指导下让学生自主设计实验方案，利用实验室仪器开展科研实验，处理数据，绘制图表，分析问题，探寻本质，发表高质量论文。教师要注意分解科研项目的研究内容，结合学生知识储备安排适当的选题，在教师的指导下，学生能够很快上手且高质量完成科研子课题。

另一方面，积极突破土力学模型实验教学条件限制，综合运用云计算、人工智能等对传统土力学实验教学进行升级改造，将室内小试样试验、物理模型试验与数值仿真试验相结合。搭建高水平，有学术性、趣味性、科普性的数值仿真平台——APP案例库。学生只需要熟悉工程背景与设计参数，在简洁的APP界面上设置好相关参数，点击按钮即可得到分析结果。增加学习趣味性的同时降低了学习难度，加强实践教学，切实提高学生专业实践能力。

2.7新工科背景下科教融合的土力学考核

传统的土力学课程考核包含三部分内容：期终考试占70%、实验报告占20%、平时作业占10%。考核最终加权成绩只能提供排名、平均分、是否符合正态分布，以此来计算课程目标达成度也存在一些缺陷。

新工科背景下基于科教融合理念的土力学课程考核包含五部分内容，期终考试占比由70%减少至50%，增设占比分别为10%的科研工作表现及翻转课堂表现。科研工作表现用于考核学生能否积极用所学去解决科研项目中遇到的土力学相关问题，甚至是考查学生能否在教师指导下做出高质量研究成果。翻转课堂表现用于考核学生能否积极挖掘运用优秀的智能算法解决传统土力学中存在的难题。实验教学表现占考核的20%，不仅考核学生土力学实验报告质量，还考核学生参与土力学研究领域相关工程数值虚拟仿真情况。基于聚类算法对考核最终加权成绩进行聚类分簇，根据分簇结果，针对不同类别学生实施个性化教学方案，动态优化改进教学方法，提高教学质量。

3结语

依托土木工程新工科建设背景，基于科教融合理念，从土力学课程教学团队、教材、大纲、课堂理论教学内容、授课方式、实验实践教学及课程考核方面进行了探索改革与教学实践。新工科背景下基于科教融合理念的土力学课程教学改革另辟蹊径解决了原先难以用数学模型描述的实际工程难题，且方便课堂教学，有助于老师教和学生学，提高学生专业自信心，提高课堂教学质量；增强了科研引導，突破了土力学实验条件限制，构筑理论、实践衔接的桥梁，促进了教学目标的实现；改变了学生的认知方式，提高了认知水平，拓宽了视野，对学生就业后的成长发展起着重要的促进作用。新工科背景下基于科教融合的土力学课程教学改革初见成效，土力学课程入选东华理工大学校级一流本科课程，在江西省全省防疫期间线上教学优质课评选活动中荣获优秀奖；团队成员获批多项国家级、省级科研与教学项目；学生科研参与度明显提高，发表高水平论文12篇，对成长为多学科融合的复合型、应用型人才打下了良好的基础。

基金项目：江西省高等学校教学改革研究项目“人工智能背景下《岩石力学》课程教学改革与实践研究”（JXJG-19-6-18）；新工科背景下融入“核地”特色的《土力学》课程教学改革与实践研究（JXJG-22-6-20）；土木类专业课程思政改革与建设——以《工程爆破》课程为例（JXJG-19-6-5）；基于新工科和行业特色专业学位研究生创新能力培养模式研究——以东华理工大学“土木水利”专业硕士学位为例（JXYJG-2020-113）。

参考文献

[1]李广信.土力学的学科特点和教学方法[C]//北京：土力学教育与教学——第一届全国土力学教学研讨会，2006.

[2]沈扬，吴佳伟，芮笑曦.基于“金课”建设的河海大学土力学在线开放课程建设实践与思考[J].高等建筑教育，2020，29（1）：24-30.

[3]刘勇健，邓浒标，梁文添，等.土力学实验教学与考核模式改革探析[J].高等建筑教育，2021，30（2）：134-139.

[4]唐毅，王家全，张文海，等.基于一流专业建设的土力学课程产教融合教学体系构建与实践[J].教育现代化，2019，6（59）：120-121，131.

[5]王伟，刘丹娜，王兴，等.黏性土冻胀风险可拓评价方法研究[J].控制理论与应用， 2022，39（5）：897-905.

[6]陈卓.教学活动中的交往与灌输：三种教学类型的比较研究[J].中国高教研究，2017（2）：87-92.

[7]崔庆玲，刘善球.中国新工科建设与发展研究综述[J].世界教育信息，2018，31（4）：24-29.

[8]刘勇健，梁仕华，杨雪强.基于科教融合理念的《土力学》课程教学改革[J].水利与建筑工程学报，2021，19（6）：203-206.