基于OBE理念的《土力學與地基基礎》課程改革研究

李雅婷 邊金 張會領

我國為適應現代工程快速發展的需要，近幾年做出了工程教育的重大變革。工科專業院校一方面為提升學生培養水平，另一方面縮小與國際一流院校的教學水平差異，積極進行工科專業工程認證活動。通過工程認證，專業院校目的在于努力培養一批既具有工程創新能力又適應現代經濟社會的高素質專業工程技術人員，為我國走科技強國、人才強國奠定人員基礎。在工程認證教育背景之下，合理的教學理念才能有效的指導課程改革。現代OBE教學理念OBE（Outcome based education）是“以學生為中心，以產出為導向”的教育理念，也就是以學生的學習成果為導向，遵循反向設計的原則，按照“專業需求”來進行人才培養。這與傳統“老師講，學生聽”灌輸類教學模式有很大不同，OBE理念更強調學生在課程培養下掌握哪些實際技能，實現了“灌輸類”教學模式向 “研究性”教學模式轉變。

一、土力學與地基基礎課程改革

土力學是土木工程、港口航道、水利水電等工程專業中非常重要的專業基礎課程。在OBE教育理念之下，通過課程培養，實現學生第一具備掌握土力學基礎理論知識，第二具有解決工程實踐問題的能力，第三具備工程創新和深入研究的能力。

1.《土力學》課程教學環節設計改革

OBE理念要求首先明確學生在課程結束時應達到的教學目標，隨后反向進行相關教學內容、教學課程設計工作。這一理念實質是考察學生是怎么學的，學的效果如何，獲得哪些學習成果，充分體現了以學生為中心的現代教育理念。同時土力學課程具有內容多、難度大、系統性差的課程特點。根據OBE理念要求，首先設定學生課程教學完成應達到的培養目標。（1）基礎教學目標：獨立運用土力學的基本原理和方法解決實際工程中與 “土體”有關的穩定、變形和滲流等工程問題的能力。（2）中等教學目標：學生具有發現工程實踐中的問題、獨立分析和設計完成工程實驗，解決工程實際問題的能力。（3）高階教學目標：學生具有獨立進行科學研究和創新的能力。

課程設計應遵循OBE核心理念，“以學生為中心，以學生的學習產出為導向”；通過有效的課程環節設計激發學生自主學習的興趣，同時有效的課程設計也應體現學生的培養目標。從傳統的先理論，后實驗教學環節轉化為“四步”課堂。整個課程環節設計如下圖1：《土力學》課程設計環形圖。首先設置啟發性實驗課堂，通過啟發性實驗，激發學生對土力學中“土體”基本性質的感性認知、引起學生對土力學的基本理論思索和研究興趣。其次隨后進行《土力學與地基基礎》理論學習，掌握土體基本物理性質，并進一步掌握理論應用，初步獨立進行地基基礎設計與驗算。學生完成前兩個教學設計環節，基本完成學生的基礎培養目標。第三步建立驗證性實驗課堂，通過學生自行設計驗證試驗核實土力學基本理論，加深理論學習知識，同時學生也可設計虛擬實驗-自擬地基處理方案檢驗自身學習成果，啟發新的研究思路。前面三步已初步建立學生獨立進行理論學習能力，獨立進行土力學基本實驗的能力。這個階段完成《土力學》課程中等目標，學生可以獨立運用土力學的基本原理和方法解決實際工程中與 “土體”有關的穩定、變形和滲流等工程問題的能力。學生基本完成土木建筑工程師等職業工作培養要求，具備獨立從事專業技術工作的職業能力。第四步建立工程實踐研究課堂。通過工程實踐案例理論學習，將動手實驗與理論計算有機結合，充分掌握實驗驗證科學理論，科學理論指導工程實踐的科學研究過程，完成課程高階培養目標，使學生具有獨立進行科學研究和創新的能力，為學生繼續深造奠定學術基礎。

圖1 《土力學》課程設計環形圖

我校土力學課程教學環節-環形設計，既考慮了學生不同學習能力的要求，又兼顧學生對未來的不同追求，體現OBE理念中的以學生為中心，以提升學生的學習效果為目的要求。同時也為學生建立學習中工作、工作中學習的循環學習理念，突出土力學在工程設計、施工應用的教學理念。

二、《土力學》教學方法改革

在OBE教學理念要求下，以學生為中心，就要積極引發學生學習興趣，樹立正確的學習動機，自主開展學習活動。傳統的“板書+PPT”教學方法缺乏互動性，難以滿足OBE教學理念要求。虛擬現實技術于20 世紀末傳入我國以來，在軍事、航空航天、工程、建筑設計、醫學、考古、文化教育等方面取得了飛速發展。由于虛擬現實技術具有沉浸性、交互性、構想性等特點，可以很好地適應高危或極端環境、不可逆操作、高成本或大型綜合訓練等，在高等教育實踐中顯示出了強大作用。虛擬仿真技術具有交互性、直觀性、構想性的優異特點，可以很好地應用于土力學課程中的基坑開挖、邊坡支護、地基基礎選用等，因為試驗場地、試驗成本和實驗安全的要求而無法開展的現實試驗項目。開展虛擬仿真實驗一方面可以激發學生的學習興趣，“身臨其境”完成地基基礎設計的全過程虛擬仿真，另一方面也符合教育部對加強信息技術與教育教學深度融合的本科教學要求。虛擬仿真實驗會更加突出學生的主體地位，手腦并用，更加有助于學生建構科學的知識體系；更加突出觀察思考、綜合設計和多元分析結合，更加有助于提高學生綜合科學素質；更加突出知、情、意、能的高級復合作用，更符合OBE以學生為中心教學理念。

1.虛擬仿真綜合實驗在《土力學》課程初步應用

以土力學中地基基礎邊坡穩定性知識點為例，實際工程中邊坡穩定性直接關系到工程基坑案例設計的安全問題，需要學生熟練應用多方面的土力學理論知識。虛擬仿真綜合實驗在此知識點中設計為三個實驗框架過程，如下圖2虛擬仿真綜合實驗設計圖。

圖2 虛擬仿真綜合實驗設計圖

虛擬實驗教學第一模塊理論回顧，促使學生進行理論回顧，幫助學生理解綜合實驗的目的，復習知識點；第二模塊實驗模塊，利用虛擬仿真實驗平臺（廣聯達實驗平臺）進行邊坡穩定性交互式實驗，直觀感受邊坡失穩引起土方滑移帶來的工程地質災害，隨后進行邊坡穩定性計算，初步選定加固邊坡的施工方法，使學生綜合應用土力學多個理論知識點，完成基礎和中等課程教學目標，使得學生獨立運用土力學的基本原理，獨立解決實際工程中邊坡加固問題。第三個模塊交互學習，目的是幫助學生分析實驗過程和數據，鞏固土力學基礎理論知識并最終實現高階課程教學目標，使學生具備創新性解決工程實踐問題和進一步進行巖土工程科學研究的能力。

三、結語

在互聯網+虛擬仿真技術蓬勃開展的新時代教育背景下，OBE教學理念應深入貫穿《土力學與地基基礎》整個教學環節中，以“理論知識+實驗”的環形教學模式體現OBE理念的學生培養水平持續改進優化的過程。學生的培養目標應指導《土力學與地基基礎》課程改革過程，從 “教師教學為中心”轉向“以學生學習產出為核心”，以培養學生的創新研究思維為最高考核要求，使學生在課程學習后具備獨立運用所學土力學知識去進行復雜的工程基礎方案設計的能力，具備對工程實踐科學探索的能力。虛擬仿真綜合實驗也使得教學過程從傳統的“輸出知識”轉變為“探究知識”，更符合OBE以學生學習為中心的現代教學理念，也可以為國家更好地培養一批既具備扎實理論知識又具備工程實踐能力和工程創新意識的新時代卓越工程師。