土力學課堂和實驗教學改革的探索與實踐

加瑞 雷華陽 劉景錦 馮雙喜

摘要：為提高土力學課程的教學質量及土木工程專業的人才培養質量，對土力學課堂和實驗教學改革進行了探索與實踐。課堂教學改革主要包括：開展RBL、CBL及TBL與PBL結合的教學方法和模式探索，并積極利用雨課堂等智慧教學方式，激發學生的學習興趣，提高課堂教學質量;廣泛閱讀土力學教材和相關書籍，不斷提高教師的專業素質，使課程常講常新;充分利用已有在線課程資源，積極推進基于“互聯網+”的線上線下混合式教學和翻轉課堂教學改革;介紹土力學專業領域的國內外杰出人物和土力學著名工程案例，有機地將思政元素融入土力學教學。實驗教學改革主要包括：將啟發式與互動式教學模式、研究性思維、OBE教育理念、大國工匠精神等引入實驗教學;在實驗課程之前，讓學生觀看土力學在線開放課程的相關實驗視頻，提高實驗教學效果;充分利用國家虛擬仿真實驗教學項目共享平臺上的虛擬仿真實驗開展線上實驗教學。通過土力學課程教學改革，努力培養專業水平高、創新能力強、社會責任心強的全方位復合型土木工程人才。

關鍵詞：土力學;教學改革;在線課程;課程思政;虛擬仿真實驗

中圖分類號：G6420;TU43 ? 文獻標志碼：A ? 文章編號：1005-2909（2021）06-0039-08

2017年以來，教育部積極推進新工科建設，先后形成“復旦共識”“天大行動”和“北京指南”，指出應培養大批具有行業背景知識、工程實踐能力、國際視野、勝任行業發展需求的應用型和創新型工程技術人才[1-2]。隨著中國建設創新型國家及創新驅動發展戰略的實施，高等教育教學改革不斷深入，要求高等院校改革教學內容和方法，提高課程教學質量，把創新創業教育融入人才培養全過程[3]。土力學是土木工程專業重要的專業基礎課，隨著國家對應用型和創新型人才標準的提高，應不斷深化土力學課程的教學改革，創新土力學課堂和實驗教學的方法和模式，滿足新工科教育和創新創業教育的需求。

為深入貫徹落實習近平總書記在全國高校思想政治工作會議、全國教育大會和學校思想政治理論課教師座談會上關于教育的重要論述，貫徹落實中共中央辦公廳、國務院辦公廳《關于深化新時代學校思想政治理論課改革創新的若干意見》，教育部于2020年5月28日印發《高等學校課程思政建設指導綱要》，全面推進高校課程思政建設。因此，課程思政已成為目前高等教育改革的重要內容，授課教師應積極進行“課程思政”教育教學改革，深入挖掘各門課程蘊含的思政元素和所承載的育人功能。

基于新工科教育、創新創業教育及課程思政教育教學改革的需要，針對土力學課程的特點，結合土力學教學實踐經驗，從土力學課堂教學方法改革、教材使用、在線課程資源利用和課程思政融入，以及實驗教學方法改革、在線實驗課程資源利用和虛擬仿真實驗教學資源利用等方面對土力學課程的教學改革進行探索。

一、土力學課堂教學改革的探索與實踐

（一） 改革課堂教學方法和教學模式

近年來，天津大學堅持“以本為本”，落實“四個回歸”，推進“三全育人”和“五育并舉”，不斷完善立德樹人根本任務的落實機制，牢固確立人才培養的中心地位，不斷夯實本科教學的基礎地位，以卓越人才培養為目標持續改進教學內容，探索教學模式創新，改革評價方法，加強課程建設和研究，不斷提升課堂教學質量。2018年，天津大學推出“一流本科教育2030行動計劃”，旨在深化教育教學改革，全面提高人才培養能力和質量。

土力學是力學的一個分支，是土木工程專業的核心課程，同時也是水利水電、巖土工程、地質工程等專業的專業基礎課程。土力學課程主要特色是教學內容與工程實踐緊密結合，聚焦國家“十四五”規劃、“一帶一路”建設、京津冀協同發展和雄安新區建設等，將課程講述與國家發展緊密結合，使學生置身于工程建設的主戰場，增加學生對國家建設成就的自豪感，以“興學強國”為課程的最高目標，培養具有扎實的基礎理論、寬廣的專業知識、較強的實踐能力和創新能力，面向未來的高級專門人才。

在土力學課堂教學方法和教學模式上進行探索與實踐：

1）在傳統LBL（Lecture-based Learning）教學模式中，注重對學生專業知識和工程理念的培養，教學過程中大量采用原理示意圖、工程及實物圖片、施工視頻及動畫幫助學生理解和記憶，注重互動交流，引導學生思考、發言、發問，加深學生對知識點的掌握，提高學生工程認知能力。

2）針對一流大學和一流專業課程建設，注重本研貫通教學，開展RBL（Research-based Learning）研究型教學模式探索，在傳授知識的同時注重創新思維訓練。

3）結合土力學課程實踐性強的特點，采用CBL（Case-based Learning）教學方法，每一章均設置案例分析，通過小組討論加深學生對理論知識的理解和運用。

4）探索TBL（Team-based Learning）與PBL（Problem-based Learning）相結合的教學方法，學生分小組進行課堂匯報、課堂互評，訓練表達能力，從工程分析中提高知識應用的能力。

5）利用雨課堂平臺的實時答題、彈幕互動、隨機點名等功能，激發學生的學習興趣，提升課堂教學體驗，增加師生互動，提高教學質量。

（二） 廣泛閱讀土力學教材和書籍

已出版的土力學教材較多，表1列出了部分土力學教材和書籍。每本教材都有一定的特點和優勢，除授課選用教材外，教師還應廣泛閱讀其他教材和書籍，透徹理解每一個知識點，對所有知識點融會貫通，準確講解各個知識點之間的聯系，并不斷學習其他土木工程專業課程的新知識，提高專業素質，使課程常講常新。

天津大學土木工程專業選用的教材是東南大學等四校合編的《土力學》（第5版），授課時還參考了李廣信等主編的《土力學》（第2版）和松崗元主編（羅汀等譯）的《土力學》教材。另外，在講解知識點時，還參考了李廣信著的《巖土工程50講——巖壇漫話》（第2版）和《漫話土力學》，沈揚等編著的《土力學原理十記》（第2版），增加了課程的趣味性，并加深了學生對一些基本概念和知識的理解。

（三）積極利用土力學在線課程資源

教育部2018年提出要全面梳理各門課程的教學內容，打造“金課”，指出要充分重視課堂教學這一主陣地，合理應用現代信息技術手段，積極推進慕課的建設與應用，開展基于慕課的線上線下混合式教學。針對新冠肺炎疫情對高校課堂教學造成的影響，教育部于2020年2月5日印發了《關于在疫情防控期間做好普通高等學校在線教學組織與管理工作的指導意見》，要求各高校在疫情防控期間開展在線教學，實現“停課不停教、停課不停學”。全國各高校陸續開展在線教學，教師采取多種方式開展線上教學，土力學在線課程資源得到了極大豐富。表2列出了目前中國大學MOOC、學堂在線、愛課程、超星學術視頻、智慧樹、學銀在線等在線課程學習平臺上的土力學在線開放課程，教師可充分利用已有在線課程資源，推進基于“互聯網+”的線上線下混合式教學和翻轉課堂教學改革。

在2020年疫情期間，天津大學鼓勵教師利用學校已建成的在線課程資源，或選用中國大學MOOC、智慧樹、學堂在線、校內SPOC等在線課程平臺的相關課程開展網絡教學。授課選用的是中國MOOC平臺上浙江大學胡安峰等講解的土力學課程視頻，并觀看了學堂在線平臺上清華大學張丙印等講解的土力學課程視頻;每次課程都在長江雨課堂平臺給學生布置10道作業題，包括單選題、多選題、填空題和主觀題，題目內容主要是一些重點、難點知識;騰訊會議在線答疑環節，學生針對視頻和作業中的難點問題，以留言方式提問，學生提問積極，明顯多于線下課程?？荚嚥捎媒處熢陂L江雨課堂在線發布試卷、學生在網頁版雨課堂在線答題、雨課堂在線監考和手機騰訊會議視頻監考的形式。從考試成績來看，所采用的在線教學和考試形式保證了疫情防控期間的教學進度和教學質量，較好地完成了疫情防控期間的教學工作。

（四）將課程思政融入土力學教學

課程思政已成為我國高等教育改革的重要內容，學校制訂了《天津大學“課程思政”工作實施方案》，積極推進“課程思政”教育教學改革，鼓勵教師深入挖掘課程蘊含的思政元素和所承載的育人功能。土力學課程主要講授土的物理、滲透、壓縮和抗剪強度特性，以及土壓力、邊坡穩定性分析和地基承載力計算，與工程實踐緊密結合，在當前各種土木、水利、地質、采礦及交通運輸工程建設中發揮重要作用[4]。土力學中充滿了哲學命題[5]，具備開展思政教育的條件。將思政教育融入土力學教學，一方面可以提升土力學教學的趣味性，加深學生對專業知識的認識和理解，另一方面可以培養學生的良好品格，提升學生的思想水平和政治覺悟，對實現全方位育人具有重要意義[6]。

教師應充分挖掘土力學課程中蘊含的思政教育元素，寓價值觀引導于知識傳授和能力培養之中，幫助學生塑造正確的世界觀、人生觀、價值觀，培養學生精益求精的大國工匠精神，激發學生科技報國的家國情懷和使命擔當，將體現社會主義核心價值觀的思政元素及實現民族復興的理想和責任融入教學過程，讓學生在獲得專業知識的同時，接受思政教育，育人和育才相統一[7]。

在土力學課堂教學中，每章的最后都會介紹一兩位土力學專業領域的國內外杰出人物，通過對這些名人及事跡的學習，感動和召喚學生的內心，引導學生樹立正確的人生觀、世界觀和價值觀，建立利用專業技能為社會發展作貢獻的信念，將個人理想與國家社會發展緊密結合。另一方面，在緒論及每章開頭除介紹各種工程事故案例外，還介紹了土力學著名工程案例，如港珠澳大橋、高速鐵路、摩天大樓、南水北調等工程，講述新時代的“工匠精神”，培育愛崗敬業和追求卓越的職業素養，增強學生的社會責任感和職業自豪感，鼓勵學生努力學習，利用專業知識為國家、社會發展貢獻力量。另外，在教學中注重將土力學知識和原理推廣并提升為一般性哲學原理，使思政元素與課程知識點有機融合、相得益彰，達到“鹽溶于水”的效果[8]，努力培養專業水平高、創新能力強、社會責任心強的全方位復合型土木工程專業人才[9]。

二、土力學實驗教學改革的探索與實踐

（一）改革實驗教學方法和教學模式

土力學實驗是土力學課程教學的重要組成部分，不僅有助于學生對課堂知識的深入理解，而且有助于提高學生的動手能力和對知識的運用能力，是人才培養中不可缺少的重要環節[10]。因此，需要不斷完善實驗教學環節，優化實驗教學方法和手段。

在土力學實驗教學方法和教學模式上進行了一定的探索與實踐：

1）將啟發式與互動式教學模式引入實驗教學中，以研究性思維指導實驗教學，激發學生的學習興趣和創新積極性。

2）重視培養學生掌握基本的實驗技能，養成良好的實驗習慣，實驗課采用小班進行，四人一組，及時整理實驗數據，編寫實驗報告，培養學生分析問題和解決實際問題的專業能力，以及團結協作能力。

3）基于“以學生為中心，以產出為導向”的OBE（Outcomes-based Education）教育理念，在實驗教學中注重培養學生的創新能力、理論聯系實踐能力、通專融合能力、大國工匠精神。

（二） 充分利用土力學實驗在線課程資源

表3列出了中國大學MOOC在線課程學習平臺上土力學實驗的在線開放課程，這些在線課程中介紹了各種土力學實驗的實驗目的、實驗原理、實驗儀器設備、實驗步驟和實驗數據處理方法等。另外，一些土力學在線開放課程也有實驗部分的內容，如清華大學的土力學在線課程包含了土的基本物性試驗、固結試驗和常規三軸試驗操作全過程的講解演示視頻。

天津大學土木工程專業的土力學課程實驗部分主要包括液塑限試驗、固結試驗和直剪試驗。在實驗課程之前，讓學生觀看土力學實驗在線開放課程的相關視頻，通過課前預習對實驗有更深刻的理解和認識，提高了實驗教學的效果。

（三） 充分利用土力學虛擬仿真實驗教學資源

土力學實驗教學主要存在學生多儀器設備少、實驗時間長而實驗課時少等問題，因此，虛擬仿真實驗教學建設是高校實驗教學改革的重點，虛擬仿真與實驗教學互為補充，有利于提高高校實驗教學信息化水平[11]。虛擬仿真實驗采用計算機仿真技術模擬真實實驗，學生在虛擬環境中訓練，可以重復實驗、隨時實驗、隨地實驗，有效解決土木工程實驗“高成本、高風險和高周期”的問題，是土木工程實驗教學的重要發展方向[12]。表4列出了國家虛擬仿真實驗教學項目共享平臺上的土力學相關虛擬仿真實驗。

天津大學土木工程專業在第三學年的第二學期給不同方向的本科生分別開設了專業實驗課程，其中，地下工程方向開設的課程為結構試驗ⅢC-專業實驗，12學時，授課學時為4學時，實驗學時為8學時。在課堂授課中主要講解了室內試驗、模型試驗和原位測試三方面的土力學相關實驗課程知識。在實驗教學部分除線下進行動三軸試驗、隧道工程模型試驗和孔壓靜力觸探試驗外，還讓學生線上進行了表4中的土體力學性質研究的三軸虛擬仿真實驗、超重力離心模擬虛擬仿真實驗和巖土工程靜力觸探虛擬仿真實驗3個虛擬仿真實驗。線上實驗時，每個學生都可以完成整個實驗過程和每個實驗步驟，學生積極性高，學習效果較好。

三、 結語

隨著國家對應用型和創新型人才標準的提高及高校課程思政建設的全面推進，應不斷深化土木工程專業課程的教學改革，提高土木工程專業人才的培養質量。對土力學課堂和實驗教學改革進行了探索與實踐，主要包括以下幾方面：

（1）改革教學方法和教學模式。在傳統LBL課堂教學方法和教學模式基礎上，開展RBL、CBL及TBL與PBL結合的教學方法和教學模式探索，并積極利用雨課堂等智慧教學工具，激發學生的學習興趣，提高課堂教學質量。在培養學生掌握基本實驗技能，形成良好實驗習慣的基礎上，將啟發式與互動式教學模式、研究性思維、OBE教育理念、大國工匠精神等引入實驗教學。

（2）充分利用在線課程和虛擬仿真實驗資源。匯總目前中國大學MOOC、學堂在線、愛課程、超星學術視頻、智慧樹、學銀在線等在線課程學習平臺上的土力學和土力學實驗在線開放課程，以及國家虛擬仿真實驗教學項目共享平臺上的土力學相關虛擬仿真實驗。教師可充分利用這些已有在線課程和虛擬仿真實驗資源，推進基于“互聯網+”的線上線下混合式教學和翻轉課堂教學改革，并廣泛閱讀土力學教材和相關書籍，不斷提高專業素質。

（3）將課程思政融入土力學教學。教師在備課過程中應充分挖掘土力學課程和知識中蘊含的思政教育元素。通過介紹土力學專業領域的國內外杰出人物，引導學生樹立正確的人生觀、世界觀和價值觀，通過介紹土力學著名工程案例，增強學生的社會責任感和職業自豪感，將土力學知識和原理推廣并提升為一般性哲學原理，思政元素與課程知識點有機融合。

為提高土力學課程的教學質量和土木工程專業人才的培養質量，教師應不斷深化土力學課程教學改革，努力培養專業水平高、創新能力強、社會責任心強的全方位復合型土木工程專業人才。

參考文獻：

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[3]金亮星，鄭國勇.基于土木工程專業創新型人才培養的土力學課程教學改革與實踐[J].高等建筑教育，2019，28（2）：53-57.

[4]張科， 納學梅.課程思政融入《土力學》教學的探索與實踐[J].高教學刊，2021（8）：113-116.

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[10]雷華陽， 鄭剛.關于土力學教學與土工試驗的幾點思考[C]//第一屆全國土力學教學研討會論文集， 2006.

[11]李平， 毛昌杰， 徐進.開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設提高高校實驗教學信息化水平[J].實驗室研究與探索， 2013， 32（11）：5-8.

[12]徐偉杰， 徐明， 郭彤， 等.“金課”背景下土木類虛擬仿真實驗教學發展趨勢——基于2018年國家虛擬仿真實驗教學項目共享平臺公示數據[J].高等建筑教育， 2020， 29（1）：74-85.

Abstract： In order to improve the teaching quality of soil mechanics course and the talent training quality of civil engineering specialty， some explorations and practices on the classroom and experimental teaching reform of soil mechanics were carried out. The main classroom teaching reforms are as follows：The explorations of teaching method and mode of research-based learning， case-based learning， and team-based learning combined with problem-based learning were carried out， and the intelligent teaching tools such as rain classroom were used to arouse students’ learning interest and improve the quality of classroom teaching; In order to frequently update contents of the course， it is necessary to continually improve our professional ability by extensively reading the textbooks and related books of soil mechanics; The available online course resources were fully utilized， and online and offline mixed teaching reform and flipped classroom teaching reform based on internet+ were actively promoted; The ideological and political elements were effectively integrated into the teaching of soil mechanics by introducing distinguished domestic and foreign persons in the field of soil mechanics and famous engineering cases of soil mechanics， and enhancing the knowledge and principle of soil mechanics as general philosophical principles. The main experimental teaching reforms are as follows：The heuristic and interactive teaching mode， research-based thinking， outcomes-based education concept and great country craftsman spirit were introduced into experimental teaching; In order to enhance the effect of experimental teaching， the students were required to watch the relevant experimental videos of online open courses of soil mechanics experiment before the experimental courses; The online experimental teaching was carried out by utilizing the relevant virtual simulation experiments on the national virtual simulation experiment teaching project sharing platform. With the teaching reform of soil mechanics course， make effort to cultivate comprehensive compound civil engineering talents with high professional level， strong innovation ability， and strong sense of social responsibility.

Key words： soil mechanics; teaching reform; online course; curriculum ideological and political education; virtual simulation experiment

（責任編輯 周 沫）

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