多元混合式土力學實驗教學改革研究

黎桉君 汪時機 李賢

摘要：土力學實驗是土力學課程體系的重要組成部分，在加深理論理解、鍛煉實驗能力、激發創新精神和培養工程意識等方面有不可替代的作用。通過對多所高校土力學實驗教學現狀的調研分析，系統性地提出線上線下混合，課前課后多階段貫穿，虛擬仿真、數值模擬與實驗教學深度融合的多元混合式土力學實驗教學改革方案，詳細闡述改革措施，構建“五位一體”土力學實驗課程體系。依托MOOC、實驗空間、PFC等信息教學手段打造線上線下雙通道、多維度學習空間，開發設計性、創新性實驗項目，制定“量”“效”并行的考核機制，充分激發學生學習興趣，挖掘科研潛力，提高工程能力，教學滿意度顯著提高。以此推動西南大學土力學建設國家級一流課程的進程，為土力學實驗教學改革與創新提供參考。

關鍵詞：土力學實驗;教學改革;多元混合式;課程體系;考核機制

中圖分類號：G64242;TU43 ? 文獻標志碼：A ? 文章編號：1005-2909（2021）06-0159-09

土力學是研究土的滲透特性、應力應變和強度規律，以解決土體變形和穩定等問題的學科，也是指導土木、交通、水利、地質、采礦等諸多領域開展科學研究和工程設計的重要理論依據[1]，兼具綜合性、廣泛性、理論性和實踐性的特點[2]，是土木工程專業非常重要的專業核心課程。土是由礦物或巖石碎屑構成的松軟聚集體，工程特性復雜多變[3]，給土力學課程教學提出了較大難度與更高標準，但同時也使其具備整合新興技術的能力和開展教學技術改革的條件。為達到掌握巖土體理論知識、分析方法和實驗能力的培養目標[4]，土力學課程一般分為理論教學與實驗教學兩個環節，二者相輔相成、有機融合。其中，實驗課作為課程教學體系的重要組成部分，在加深理論理解、鍛煉實驗能力、激發創新精神、培養工程意識及提高學術素養方面有著不可替代的作用[5]。

教育部于2018年提出打造具有高階性、創新性、挑戰度的“金課”，指出要充分重視課堂教學這一主陣地，合理應用信息化教學手段，積極開展線上線下混合式教學[6]。為貫徹落實“金課”建設要求，致力于培養卓越工程人才，國內土木院校開展了一系列基于混合式教學方法的研究與實踐。其中，部分高校在土力學教學改革中取得了一定成效。例如，河海大學建立了土力學在線開放課程資源，形成了“線上+線下”結合的混合式教學體系[1];湖南工程學院開展了以“學生熱點關注”為教學理念的土力學與地基基礎線上線下混合式教學改革[7]。但涉及混合式教學模式改革的研究與實踐大多關注理論教學環節，對實驗教學的闡述較少，聚焦于混合式土力學實驗教學模式的研究更鮮有報道。目前，土力學實驗教學改革主要體現在實驗項目開發與方法創新方面，樊猛[4]通過離散元軟件PFC中的fish語言編制了完整的三軸試驗程序，實現了固結不排水試驗和固結排水試驗的加載條件控制;沈揚[8]自主研發了可視化演示模型實驗系統，可直觀展現土壓力破壞、振動液化、毛細作用、滲透破壞及電滲固結的產生過程;張艷美[9]提出了以學生為主體、以能力培養目標達成為導向的土力學綜合性實驗設計，探索了能力培養目標達成的過程;劉艷[10]基于虛擬仿真平臺LabVIEW，從實驗手段、實驗形式等方面提出了土力學實驗教學的改革方法。

總體而言，已有土力學實驗教學改革多集中于實驗內容、形式及方法等單一層面的創新，線上實驗還處于探索階段，尚未形成系統、全面的線上線下深度融合、多平臺互為補充的混合式實驗教學體系。實驗課程精品化程度低，課程建設思路不清晰，混合式教學手段缺乏，改革成效與理論教學相比仍有較大差距。對國內多所高校的土力學實驗教學現狀和存在問題進行深入分析，在現有混合式教學模式的基礎上，系統性地提出線上線下混合，課前課后多階段貫穿，虛擬仿真、數值模擬與實驗教學深度融合的“多元混合式”土力學實驗課程改革方案，取得了很好的初期效果。

一、土力學實驗教學現狀及主要問題

土力學實驗是開展巖土工程勘察的工作內容之一，實驗所測定的土體物理力學性質參數是巖土工程設計與施工的基本技術指標，具有很強的工程實踐性，給實驗教學帶來了較大困難。從大多數高校土力學課程發展現狀來看，實驗教學在整個課程體系建設中仍處于比較薄弱的環節。

（一）土力學實驗教學內容

土力學實驗內容以《土工試驗技術手冊》[11]為指導，與土力學理論知識體系相對應，設置密度試驗、含水率試驗、顆粒分析試驗、液塑限試驗、滲透試驗、壓縮試驗、擊實試驗和三軸試驗等。對國內13所高校的土力學課程實驗內容進行調研，具體開設實驗項目情況如表1所示。

根據調研結果，以上高校開設的土力學課程實驗均以室內土工試驗為主，課內學時數大多為8～12學時，涉及強度、變形試驗的開設率最高，擊實試驗和滲透試驗在較多學校未開設，模型試驗、原位試驗、虛擬仿真試驗和數值試驗的開設相對較少。其中，清華大學進行了靜力觸探、動力觸探、十字板剪切、旁壓試驗的原位試驗演示;西南交通大學分專業模塊開設了地基壓板試驗和靜力觸探試驗，并建立了依托虛擬仿真技術的三軸試驗;河海大學開設了模型槽試驗、室內滲透試驗等模型試驗;福州大學開設了包括滲流、壓縮、剪切在內的有限元仿真試驗，均取得了良好的教學效果。

（二）土力學實驗性質

從實驗性質角度，可將實驗項目分為驗證性、綜合性、設計性和創新性實驗，其中教育部將后三類簡稱為“三性”實驗。驗證性實驗主要以培養學生的土工實驗儀器操作技能、加深對已知原理的認知為目的[9]。而綜合性實驗通常由幾個獨立的相關實驗組成，更有利于學生串聯各部分理論知識和實驗方法，以提高解決實際問題和科學研究的能力[12]。設計性實驗和創新性實驗則對學生提出了更高的要求，設計性實驗旨在培養學生根據實驗目標自行設計實驗和分析處理實驗結果的能力，創新性實驗則注重對問題的深入探索，更強調創新能力和科研意識的培養。

隨著教育部對“三性” 實驗課程建設的推動，土力學實驗已基本完成了由驗證性向綜合性的轉變，而設計性和創新性實驗建設還需進一步加強。目前開設的實驗項目中，液塑限試驗、壓縮試驗、直剪試驗、三軸試驗、擊實試驗均屬于綜合性實驗，占比達到70%以上。設計性實驗和創新性實驗的開設率相對較低，主要以課內選做或課外開放性實驗的形式開展，如中國礦業大學、河海大學等。

（三）土力學實驗現存的主要問題

隨著土力學實驗教學改革與實踐的深入，實驗室條件落后、實驗師資力量薄弱[10]的問題已經得到明顯改善，矛盾由初級向更深層次轉變，仍待解決的問題主要有以下幾個方面。

1.“以產出為導向，以學生為中心”的教學理念貫徹不充分

所開設的實驗項目難以有效提高學生解決實際工程問題的能力，不利于學生工程能力的培養，“以產出為導向”的培養目標未得到充分體現。同時，實驗教學仍停留在注重“教師的教”而非“學生的學”，導致教師教得費力而沒有成效，學生學得被動且收獲甚微。由于實驗條件的限制，學生進行土力學實驗時通常以小組為單位進行（每組約3～5人），難以做到人人動手、步步深入，實驗主要以教師演示、學生模仿的形式展開，學生缺乏思考，整個教學過程缺乏“以學生為中心”的理念。

2.工程實踐性欠缺

實驗項目往往缺乏工程背景的引導，學生不清楚實驗成果的工程意義，不理解該實驗能解決何種工程問題，具有較強工程實踐性的模型試驗、原位試驗開設較少。其中，原位試驗易受場地、設備和安全等諸多因素的限制，而模型試驗可以將實際工程按科學方法進行縮尺研究，以便于在實驗室內開展，使所受約束減小。模型試驗通常依托于教學人員自行設計的具有特定功能的實驗裝置，兼具“三性”特點，難度更大、耗時更長，對實驗教師提出了更高要求，從而導致開設率較低，制約了學生工程能力的提升。

3.實驗教學時間不足

由于土力學實驗的復雜性，課程時間不足一直是較為突出的問題。隨著“三性”實驗的增多，學習難度隨之增加，原有教學學時數更難以保證實驗的開展。為在規定時間內完成實驗，指導教師常常跳過實驗原理只講授操作步驟，學生機械式操作儀器，缺乏對研究問題的思考，從而導致實驗效果大打折扣，“三性”目標形同虛設。由于總學時數的限制，直接增加課內實驗學時數難度較大，需要探索新的方式以實現對實驗時間的拓展。

4.實驗教學形式與手段單一

目前土力學實驗授課方式主要為傳統講述式和演示式，缺乏對多元化教學資源的利用和教學形式的探索，雖然微課、慕課、翻轉課堂等新興教學模式，以及3D網絡環境、虛擬仿真、人工智能等多種信息化教學資源發展迅速，但在實驗教學中的應用尚未廣泛、深入。已有部分高校建立土力學實驗虛擬仿真平臺，但技術方大多不具備專業背景，且建設經費有限，導致虛擬實驗中人機交互能力不足，且不具備分析和計算能力，只是加強版演示動畫，難以真正達到加強理論學習和工程實踐能力的目標。

5.實驗考核評定體系不健全

現行的實驗考核評定體系無法真實量化學生知識掌握與能力提升的過程。土力學實驗一般根據實驗操作和實驗報告來評定成績，實驗操作通常分組開展，難以完全判斷學生的個體表現，且實驗報告同質化嚴重，無法真實反映學生處理數據和分析問題的情況，該部分評分受教師主觀判斷影響較大。該實驗考核體系導致成績評定的偏差，難以激發學生的學習激情與投入度，從而制約學生創新思維的形成。

二、 多元混合式土力學實驗課程改革

學校土力學課程已經建成西南大學精品在線課程和重慶市線上線下混合式一流課程，在教學方法改革、混合式教學設計、課程資源建設與應用方面奠定了良好基礎。教學團隊將在此基礎上，加大推進土力學實驗課程的改革與創新。

（一）健全實驗課程體系

打造線上線下雙通道學習渠道，多維度擴展學生實驗學習場所與時間，構建思政引領—理論引入—實驗主導—實踐拓展—科研引申的“五位一體”土力學實驗課程體系，實現實驗教學目標全面化、實驗項目綜合化、教學資源多元化以及課堂實驗教學設計化、課后實踐工程化、創新科研個性化的課程改革目標，其課程體系示意圖如圖1所示。

開展實驗教學同樣應注重“堅持把立德樹人作為中心環節，把思想政治工作貫穿教育教學全過程，實現全程育人、全方位育人”[13]的教學理念。將家國情懷、工匠精神、求真務實的科學態度、追求創新的學術品質以及災害防治與環境保護意識等思政元素充分融入實驗教學的全過程，發揮思想引領作用。

（二）創新實驗教學形式與手段

建立土力學實驗的MOOC教學資源，由線下實驗轉向線上線下混合式教學模式。延伸課內實驗，構建課前預實驗段、課內主實驗段、課后拓展實驗段多階段貫穿的全學習周期。將虛擬仿真、數值模擬與實驗教學深度融合，形成多元化、信息化的教學手段，從而使土力學實驗課程由室內實驗單點式教學模式向多維度、全方位教學模式轉變。

除線下常規實驗教學外，再創建3個教學版塊：基于動畫與錄像的常規實驗、基于VR的虛擬仿真實驗和基于PFC的數值模擬實驗，學習難度由淺入深，逐級遞進。建立超星MOOC平臺的土力學實驗動畫與錄像資源庫，主要用于學生提前在線上進行土力學實驗原理的學習，并熟悉各個實驗項目的方法和流程，起到預習作用。建立直剪試驗、固結試驗和三軸試驗的虛擬仿真實驗資源庫，學生可提前在虛擬仿真平臺進行學習和操作，全面掌握實驗方法和步驟。

目前，學院已建立工程技術智慧教育環境平臺，具有虛擬全息3D實習實訓系統、CAVE系統、VR實訓實驗系統等先進硬件設備，具備成熟完備的技術支撐，其內部環境如圖2所示。以上兩個版塊與線下實驗充分結合，激發學生的實驗興趣，提升學習效果。

數值模擬實驗是一種進階式訓練，即在充分掌握土力學基礎理論、實驗原理和實驗方法的基礎上，利用PFC中的fish語言編制實驗程序，最終實現實驗的模擬與計算。PFC是利用顯式差分算法和離散元理論開發的力學程序，可從細觀結構角度揭示土體的力學特性和行為[14]，具有三維可視化功能，從而增加學生做實驗的興趣，并深入認識土體發生變形破壞的內在機理，利用PFC構建的土樣數值模型[15]如圖3所示。

（三）完善實驗項目設計

充分考慮實驗內容質量與學時數要求，對原有實驗項目進行整合與創新，建立特色實驗課程體系。新增了2項設計性實驗和2項創新性實驗，使實驗課程的“三性”率達到100%，具體內容如表2所示。其中，土的基本物理性質試驗將并入綜合性實驗（實驗3～實驗5），土的滲透試驗在創新實驗（實驗9）中開展，均不單獨開設。實驗6和實驗7任選其一在課內完成，實驗8～實驗10作為拓展實驗供學生在課后選修。同時分實驗項目進行了多種教學形式的融合，以此充分調動學生的積極性，挖掘科研潛力，全面提高綜合素質。

（四）優化實驗考核機制

對學生實驗成績進行合理評價是整個課程體系能否順利運行的重要因素。從線上學習、實驗操作、實驗報告、拓展實驗4個方面出發，考慮“量”和“效”兩個維度，制定全面合理的實驗考核機制，避免主觀性、片面性的成績評價。MOOC和VR實驗為線上學習，占比10%，根據學習時長和預習報告進行成績評定。實驗操作和實驗報告為線下課程學習，占比75%，根據實驗參與度、操作表現、實驗完成效果、實驗數據及處理等多方面進行評價。拓展實驗成績根據完成情況評分，各部分分數占比如圖4所示。

三、 課程改革成效

（一）課程資源建設

為彌補傳統實驗教學的不足，從思政性、科學性、工程性、前沿性等方面重構課程，實現了課程內容的改革與創新。在此基礎上已建成超星MOOC平臺和學銀在線“土力學”線上教學資源，豐富了教學大綱、教學課件、實驗指導書、工程案例等，形成了完整的網上教學資源庫，其中包括學生自主學習講授視頻40個，總時長513 min，非視頻資源90個，含多個實驗教學資源。同時，開發了具有綜合性、設計性和創新性的土力學實驗項目4項，鍛煉學生的實驗操作能力、創新能力和工程能力。

（二）課程成績

為驗證課程改革效果，在2018級土木工程專業選擇了部分班級進行課程改革試點。改革實踐說明，線上學習有效彌補了線下課時的不足，通過線上實驗學習和討論，激發了學生的學習興趣，學生積極性顯著提高，線下實驗課堂氛圍明顯改善，學習效果提升。對比2017級與2018級土力學課程成績（圖5），課程改革后的平均實驗分數稍有降低，主要原因是新的實驗課程體系在高階性、創新性、挑戰度等方面都明顯提高，學習難度顯著增大，加之考核機制的調整，學生獲得較高成績的難度相應提高。試點班級的平均實驗分數仍保持在較高水平，學生的實際實驗能力有所提高。土力學總成績較課程改革前提升了12.8%，說明改革后的實驗教學模式激發了學生對整個土力學知識體系的學習興趣，對學習能力的提升效果明顯。

（三）學生評價

改革后的土力學實驗課程得到了學生的廣泛認可，評教滿意度達到93.9分。多元化的教學模式給學生創造了更為靈活自主的學習環境和沉浸式的學習體驗，不僅可增強學習積極性，還可充分滿足學習需求，增強師生互動，全面提升學生綜合實驗能力。

四、 結語

土力學實驗在土力學課程體系中占據重要地位，在加深理論理解、鍛煉實驗能力、激發創新精神和培養工程意識等方面有不可替代的作用。通過線上線下混合，課前課后多階段貫穿，數值模擬、虛擬仿真與實驗教學深度融合的多元混合式土力學實驗課程建設方案，系統性地對實驗課程體系和教學模式進行改革和創新，切實提高了實驗教學效果，充分擴展學生的學科視野，激發學生的工程實踐興趣，提升學生的創新能力。但目前的改革實踐仍不夠全面和徹底，還需進一步推動課程建設，形成獨立、完善的土力學線上實驗教學資源和線下創新實驗平臺，加強配套實驗教材建設，以適應課程內容更新和行業發展的新需求，逐步加強課程改革成果在其他高校的推廣和應用，從而為培養多元化、創新型土木工程人才提供有力保障。

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Abstract： Soil mechanics experiment is an important part of soil mechanics curriculum system， and it plays a unique role in deepening theoretical understanding， training ability of experimental， stimulating innovation ability and cultivating engineering consciousness. Based on the investigation and in-depth analysis of the current situation and existing problems of soil mechanics experiment teaching in many colleges， the paper systematically proposes the teaching reform scheme of soil mechanics experiment including the combination of online and offline， multi-stage before and after classes， and a deep integration of virtual simulation， numerical simulation and experimental teaching. The reform plan for experimental teaching of soil mechanics is elaborated in detail：the construction of a “five-in-one” soil mechanics experimental curriculum system， relying on MOOC， experimental space， PFC and other information teaching methods to create online and offline dual-channel， multi-dimensional learning space， develop design and innovative experimental projects， formulate “quantity” and “efficiency” parallel assessment mechanism， fully stimulate students’ learning interest， tap scientific research potential， improve engineering ability， and significantly improve teaching satisfaction. In this way， the process of building a national first-class curriculum of soil mechanics in Southwest University will be promoted， and it will provide reference for the reform and innovation of the teaching of soil mechanics experimental.

Key words： soil mechanics experiment; teaching reform; multi-element mixed mode; course system; assessment mechanism

（責任編輯 周 沫）

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