城市地下空間工程專業土力學課程教學改革探索

柴少波 胡軍 高志華 田威 胡志平

摘要：隨著我國地下空間工程建設的快速發展，對城市地下空間工程專業人才培養提出了特殊的戰略需求。傳統土力學課程教學內容及方法存在一些不足，難以凸顯城市地下空間工程專業自身特點，無法完全滿足實際工程應用對土力學課程教學提出的更高要求。為此，從城市地下空間工程專業特色及發展前景入手，分析土力學課程教學的主要問題，對土力學課程教學內容、教學方式、課程思政等方面進行改革探索，提出更具適應性的課程教學體系，并對提高課程教學質量提出針對性建議。

關鍵詞：城市地下空間工程專業;土力學;教學改革;教學體系;課程思政

中圖分類號：G6420;TU43 ? 文獻標志碼：A ? 文章編號：1005-2909（2021）06-0047-07

自改革開放以來，我國城鎮化進程不斷推進，城鎮人口不斷增長，當前城市地面空間已不能很好地滿足人們的生存需要，城市地下空間的開發利用顯得尤為重要。到目前為止，我國已經走上了地下空間發展的快車道，尤其在以省會城市為代表的大城市中，地鐵和市政綜合管廊的建設已經取得了不小的成就。但是，交通擁堵、用地緊張、生態失衡等問題仍然嚴峻，城市地下空間的發展還有很大的提升空間，相關專業人才還有很大缺口。2002年中南大學在全國率先開設城市地下空間工程專業，截止到2020年12月，我國已有84所院校開設了本科層次的城市地下空間專業[1-3]。目的在于通過系統的理論學習和實踐訓練，培養專業知識扎實，且具備城市地下空間工程相關的勘察、設計和施工能力的高級專業人才，為我國城市地下空間的發展增添力量。

城市地下空間作為一個新的本科專業的出現，反映了國家在城市地下空間建設的巨大前景和迫切需求下，對城市地下空間工程專業人才提出的特殊戰略需求。地鐵、地下綜合管廊和地下停車場等城市地下空間工程一般以土體為施工對象，因此，研究周圍環境土體的強度、變形和滲透性對城市地下空間工程的設計、施工以及安全性評價具有重要意義。應該根據城市地下空間工程專業自身特點和實際工程應用情況對土力學課程教學提出更高的要求。為此，針對城市地下空間工程專業的特殊重要性和實際特點，對該專業土力學課程教學內容、教學方式等進行改革，以促進城市地下空間工程專業的發展，提高城市地下空間工程專業人才培養的質量，加快城市地下空間工程的建設和相關技術的發展，這對城市未來的發展具有重要意義。

一、城市地下空間工程專業土力學課程教學存在的主要問題

根據對高等院校城市地下空間工程專業的實地調研，結合眾多學者對該專業土力學課程教學的前期調研成果，總結目前城市地下空間工程專業土力學課程教學方面存在的主要問題如圖1所示[4]。其中，教學資料、教學模式和培養方案中的部分問題對教學質量的影響十分顯著。

（一）教材和教學內容與專業特點不相適應

城市地下空間工程專業作為土木工程一級學科下的本科專業，其教學內容和土木工程專業有很大的一致性，但也有著自身的特點和特色，當前該專業土力學課程教材主要來源于土木工程、地質工程、水利工程、采礦工程等專業的教材。對于城市地下空間工程專業來說，這些教材的內容沒有針對城市地下空間工程專業工程和應用的特點，不能很好地突出城市地下空間工程專業土力學課程教學的獨特性，存在著內容過于寬泛的問題[5]。例如，一般的土力學課程教材中關于擋土墻上的荷載僅要求掌握土壓力計算即可。然而，在地下結構中，作用在擋墻結構上的荷載，除了土壓力以外，還有地下水位以下的水壓力。而計算地下水位以下的水、土壓力又可分為“水土分算”和“水土合算”兩種方法，這部分內容是城市地下空間工程專業學生必須掌握的。并且，地下結構中常見的盾構隧道、沉井、沉管、頂管等結構的設計計算，對土力學相關知識均有側重性要求，應在教材和教學內容中有所體現。

除此之外，隨著力學理論的發展和科技的進步，土力學領域不斷涌現新方法、新理論，地下工程建設也在不斷開拓新技術、運用新規范，但是目前的土力學課程教材能夠體現這些新知識的比較少。許多高校在開設城市地下空間工程專業后，并沒有根據城市地下空間工程專業的特色制定新的教學大綱，編寫新的教材，而是簡單地將學校原有的相近專業的教材和教學大綱拿過來直接使用，城市地下空間工程專業的重點內容只能依靠專業課教師在課堂上有所側重地講解。

（二）教學模式單一，缺乏活力

目前教學上存在的問題主要是缺乏創新的方法和創新的思想，教學方式大多為板書加PPT。這種方式的最大弊端在于忽略了對學生學習興趣和獨立思考能力的培養。而且，地下結構常埋于地下土體中，在日常生活中很難從感官上對其結構形式和施工方式有清晰的認識，因此學生對相關工程中的土力學問題會更難理解。單純的圖片展示和口頭敘述并不能讓學生很好地掌握知識點，還可能讓學生的認識出現一定偏差，因此，借助視頻展示以及現場參觀開展教學是必要的。相應地，對教學素材和教學方式有更高的要求。

另外，大部分高校土力學課程教學普遍采用以教師講解為主的傳統教學模式，過分強調教師的“教”，即“灌輸式”地傳授課程知識。對于理論復雜，又有許多半經驗公式的土力學課程來說，課程本身較為枯燥，采用傳統教學模式則更難以激發學生的活力，無法調動學生學習的積極性和主動性，常常出現課堂上教師滔滔不絕地講解，學生卻低頭玩手機的現象，教學效果遠遠達不到預期效果。因此應積極推進城市地下空間工程專業土力學課程教學模式的改革。

（三）教學脫離實踐

土力學課程是一門理論性和實踐性很強的課程，課程中的理論和計算公式基本來源于土力學相關實驗。因此，實踐教學部分是土力學課程的重要組成部分，是加深學生對土力學基本原理的理解、提高學生動手能力，以及培養學生對巖土力學與工程相關科學研究興趣的重要環節。如果土力學課程教學只停留在課堂和書本上，其所涉及的半理論半經驗公式、土工試驗等具體問題教師很難講清楚，學生也難以掌握土力學的核心內容。目前城市地下空間工程專業土力學課程中的實踐教學內容僅包括幾個簡單的實驗，如土的直剪試驗、烘干法測土的含水率等。對于一些復雜的、持續時間較長的土力學實驗則沒有條件、也沒有時間讓學生動手實際操作，比如排水固結條件下的三軸壓縮實驗等，學生對內容繁多且抽象的土力學實驗及土力學簡化模型沒有感性認識。此外，相比隨處可見的地上結構工程而言，學生對與巖土相關的實際工程認識不夠深入，特別是對地下結構更是少有接觸;而許多高校教師也沒有相應施工現場工作經歷和經驗，以致土力學課程實踐教學效果不佳。

（四）教學學時較少，課程思政教育力度不夠

目前，高校教學學時大幅度減少，城市地下空間工程專業土力學課程學時一般為32～40學時，其中包括實驗課學時。過少的學時必然會給知識體系龐大的土力學課程教學帶來巨大挑戰，大量知識點被刪減，重點內容的講解難以做到詳盡，學生短時間內不能很好地消化教學內容，這些勢必都會影響教學質量。近些年學校過于重視科研，教師普遍感到科研考核壓力大，往往“重科研輕教學”，學時較少時課程教學難免應付了事，教學效果難以保障[6]。

另外，多數高校專業課程的思政教育建設工作仍處于探索階段，還未形成完備的土力學理論知識體系和課程思政教育相結合的合力協同育人體系，所對應的專業教材以及教案、大綱中有關課程思政內容較少。加上教學課時較少，專業任課教師大都只是勉強能夠完成專業理論知識的講解，難以做到在知識點中滲透思想政治教育。

（五）課程考核方式單一

大多數高校土力學課程基本以傳統的考核方式為主，即采用期末考試成績加平時成績的考核方式。平時成績一般包括作業和出勤率，考試成績和平時成績的占比一般為7∶3或8∶2。通常情況學生的平時成績相差不大，考核主要以考試為主。這種考核方式太過單一，平時成績中的作業和出勤考核水分較大，期末考試也可以靠“劃重點”來死記硬背。土力學是一門實踐性、綜合性較強的專業基礎課，期末考試的成績并不能真正反映學生對土力學知識的掌握情況和解決實際問題的能力。對于城市地下空間工程專業的土力學課程來說，沿用這種傳統單一的考核方式難以調動學生主動學習的積極性，也難以培養學生的求知精神，無法真實體現綜合考查的效果和教學質量。

二、城市地下空間工程專業土力學課程教學改革思考

作為城市地下空間工程專業的基礎課，土力學課程是后續基礎工程、地下結構設計原理等專業課的先導課程，其知識點可以在大型基坑、地鐵隧道、地下綜合管廊等地下工程中廣泛運用，其教學目標是為城市地下空間工程專業學生的后續專業課程打下扎實的理論基礎，也為今后從事城市地下工程建設提供理論儲備和技術保障。根據上述課程教學存在的問題，結合課程思政教育的要求，以及城市地下空間專業的實踐特征，提出如圖2所示的以課程主線為主導，結合課程思政、教學實踐的綜合教學體系，并對存在的問題提出一些改進建議。

（一）根據專業特色合理選擇教材和教學內容

城市地下空間工程專業與傳統土木工程專業相比，既有相似之處，又有其獨特之處。因此，城市地下空間專業土力學課程教學內容應該在傳統土木工程專業土力學課程教學內容的基礎上，突出城市地下空間工程專業及其相關工程建設的特點。城市地下空間工程專業土力學課程教學中，教師應選擇知識點較全面的教材，再根據城市地下空間工程專業特點有所側重地講解。例如結合隧道等地下空間開挖，重點講解土力學中對應的地基變形和土壓力計算部分內容;結合基坑開挖等工程，重點講解擋土墻理論和土坡穩定性等內容。

除此之外，應選擇版本新、質量高、使用最新規范和方法的土力學課程教材，有條件的高校應組織編寫適合城市地下空間工程專業的土力學課程教材。教師在授課的時候應該適當地把反映學科前沿的新成果、新技術、新方法融入教學中，將學科前沿與經典土力學理論相融合，以簡單易懂、風趣幽默的方式呈現在學生面前。將科研成果納入本科教學中，目的不是要學生掌握前沿知識點，而是重在激發學生的科研思維和學習興趣，使科研與教學互相促進，拓寬學生的知識面和專業視野。

針對教學學時減少的問題，教師有必要在教學過程中對土力學課程體系和結構進行調整，根據城市地下空間工程專業的特點合理選擇教學重點。另外，教學過程中應減少非教學活動，合理安排教學進度和教學順序，重點關注土力學各章節內容的聯系，使其形成一個整體，讓學生準確把握該課程學習的脈絡，提高教學效率。例如，土的物理性質決定了土的三大特性，而三大特性可以解決土力學的三大問題，這條主線基本涵蓋土力學所有知識點。教師在教學時應該把握這條主線，把土的物理力學性質作為基礎，延伸到土的強度特性、變形特性和滲透特性，在此基礎上展開土的強度問題、變形問題和滲透問題的教學與討論。

（二）加強課程思政教育的建設

教師在教案、大綱等教學資料編寫和實際教學過程中，應將合適的思政內容融入土力學理論知識中，做到課程思政的全面滲入，著力引導學生樹立正確的價值觀。在專業課教學中融入思想政治教育，完善思想政治教育體系，提高在校學生的政治素養和政治覺悟，打破原有教育模式的弊端，實現知識和價值的相互促進。對于土木工程專業等工科學生，思想政治教育顯得尤為重要;在大學階段選取合適的內容對學生進行思想教育，對他們形成正確的人生觀、價值觀和信仰、信念有重要的意義。

例如，可以在緒論部分——土力學的發展中，通過講述從太沙基創立土力學學科到土力學發展至今的故事，幫助學生樹立正確的世界觀，掌握科學的方法論。再重點介紹以黃文熙、盧肇鈞為代表的前輩，放棄名利，在國外學成后毅然回到祖國，為中國的科學發展作出重大貢獻的事跡。借此激發學生的愛國情懷，增強學生對學習土力學課程的積極性。在講解土力學的三大問題時，可以通過介紹一些我國地下空間相關的重大典型工程，例如上海虹橋綜合交通樞紐、港珠澳大橋海底沉管、上海深坑酒店、西安幸福林帶綜合管廊工程等，增強學生的專業認可度和自豪感，培養學生的鉆研精神，樹立正確的理想信念。也可以在土的工程災害中回顧一些歷史上由土的穩定性引起的重大工程事故，引導學生吸取教訓，對科學保持敬畏，同時強化學生的法律意識和責任意識[7]。

（三）改革現有的教學方式

課堂教學中除了講解重要的知識點外，還可以增加自學和討論環節，讓學生就某一個重要知識點先收集資料、自主學習，再在課堂進行匯報討論，以達到開闊學生視野，提高學生學習積極性和自主性的目的。例如土力學中的土壓力理論，教師可以重點講解朗肯土壓力理論;對庫倫土壓力理論，則可以要求學生在課前查找資料進行學習，課后再對兩種理論的適用條件、基本假設、計算方法和原理進行比較（如圖3所示）[8]。教師在課堂教學中也可引入基坑支護或地下連續墻等工程案例，引導學生將其簡化為典型的土壓力計算模型，進而考查學生運用合理的土壓力理論進行計算的能力，培養學生將理論運用于實踐，以解決復雜問題的能力和思維。對實驗教學部分，教師可以讓學生自己去查找資料，搞清楚為什么做實驗，實驗的目的是什么，實驗的步驟有哪些。如果學生帶著問題去完成實驗，而不是照著實驗室老師提供的步驟重復一遍，實踐教學效果會有極大的提高。教學方式的改革要以促進學生獨立自主思考和自主學習、激發學生潛能、解決學生疑惑為目的。此外，對于有科研興趣的學生，可以組織他們參加大學生創新訓練和相關的學術競賽，或吸收學生參與教師的科研工作，促進學生研究能力的提高。

（四）強化土力學課程的實踐教學環節

土力學課程實踐教學可以作為理論學習的一個鞏固環節。因此，針對土力學應用性強的特點，教師在努力提高理論教學效果的同時，應進一步強化實踐環節。具體建議：一是利用學校的土工實驗室讓學生進行土的物理力學指標實驗、土的直剪實驗、土的三軸壓縮實驗等。如果學校實驗室設備不足或教學時間不允許，可以通過實驗教學視頻讓學生對實驗有基本的了解。二是通過校企合作，在休息日組織學生到附近的地下工程現場參觀考察，邀請施工現場的技術人員講解施工技術要點和土力學相關的現場實驗，讓學生對課本知識有更加深刻的感性認識。沒有條件的可以將這些步驟安排在認知實習和生產實習的過程中，實習應該安排在城市地下空間相關的工程現場。三是讓部分有興趣的學生參加與土力學相關的研究課題和學術競賽，培養學生的科研興趣，借此帶動整個班級的學習氛圍。四是引入注冊巖土工程師考試的案例素材。注冊巖土工程師考試的考題大多改編自實際工程，可以為土力學課程教學提供大量的素材，讓學生對土樣的性質有更形象的認識，對各類參數的使用也會更加明確，這對鞏固課堂教學有著重要的作用[9]。這些實踐教學內容應以土力學理論教學為基礎，旨在提高學生對知識點的感性認識，開闊學生眼界，調動學生學習的積極性，提高學生的動手能力。還可以借助實際工程和教材中的抽象模型，增強學生分析問題和解決問題的能力。

（五）建立更加合理的考核評價體系

一個合理的評價體系應該能夠反映學生掌握知識的程度和運用知識的能力。建立一個合理的考核評價體系，可以改變學生在期末考試前臨時抱佛腳的不良現象，端正學生的學習態度，提高學生學習的積極性和自主學習的能力。對于期末考試，既要重視學生對知識點掌握程度的考查，又要重視對學生解決問題、分析問題能力的考查。例如減少純概念性題目和純記憶性題目，增加綜合分析的題目，甚至可以采取開卷考試的辦法，重點考查學生解決土力學實際問題的能力。另外，平時成績的比重應該由原來的兩三成增加至一半。平時成績不僅包括出勤和課后作業，還要加入土工實驗的學習總結和課堂討論的表現。例如，可以間隔性地在課堂最后五分鐘留一個簡單的題目讓學生現場完成并提交，這樣不僅可以調動學習的積極性，還能夠準確記錄出勤情況。學生在課堂上主動提出問題、回答問題、主動匯報學習情況等可以記錄到課堂表現，給予加分。教師也應該做到嚴格考核，嚴肅考核紀律，讓城市地下空間工程專業學生切實掌握土力學的理論及其應用。

三、結語

推進城市地下空間工程專業土力學課程改革不僅必要而且至關重要，對城市地下空間工程專業技術人才的培養有著極大的促進作用。針對該專業的工程特點和培養方案合理選擇教學內容和課堂教學模式，重視課程思政的全方位滲透，大力促進土力學經典理論和實驗、工程實際的結合，完善考核評價體系，對提高城市地下空間工程專業學生的專業水平、實踐能力有極大的幫助。

參考文獻：

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[3]教育部關于公布2020年度普通高等學校本科專業備案和審批結果的通知[EB/OL]. （2021-02-10）. http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A08/moe_1034/s4930/202103/t20210301_516076.html.

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Abstract： With the rapid construction and development of underground space engineering in higher education in China， special strategic requirements are put forward for the training of urban underground space engineering talents. There are some deficiencies in the content and methods of the traditional soil mechanics teaching， which cannot fully meet the higher requirements of the characteristics of urban underground space engineering specialty and practical engineering applications. Therefore， based on the characteristics and development prospect of urban underground space engineering， the main problems of soil mechanics teaching are analyzed in this present paper firstly. Then， the teaching content， teaching methods， curriculum ideological and political aspects of the teaching of soil mechanics are explored and analyzed. Accordingly， a more adaptable curriculum teaching system is proposed， and specific suggestions are put forward to improve the teaching quality.

Key words： urban underground space engineering specialty; soil mechanics; teaching reform; teaching system; curriculum ideological and political education

（責任編輯 王 宣）

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