新工科背景下基于科教融合的土力學課程教學改革研究

陳鑫 彭楊 李棟偉 何如

摘要 科教融合是實現(xiàn)課程教學目標、提高教學質(zhì)量及土木工程新工科建設的必然選擇。依托土木工程新工科建設背景，基于科教融合理念，增強教師科研引導，文章從土力學課程教學團隊、教材、大綱、課堂理論教學內(nèi)容、授課方式、實驗實踐教學及課程考核方面進行了探索改革與教學實踐。結(jié)果表明，新工科背景下基于科教融合理念的土力學課程教學改革提高了教學質(zhì)量，突破了土力學實驗條件限制，構筑理論、實踐銜接的橋梁，促進了教學目標的實現(xiàn)。對培養(yǎng)多學科融合的復合型、應用型人才有重要的促進作用。

關鍵詞 土力學；新工科；科教融合；教學改革

中圖分類號：G424文獻標識碼：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2023.11.039

1概述

土力學是土木工程專業(yè)必修的核心課程，以解決地質(zhì)、采礦、水利等工程活動中涉及土的工程性質(zhì)問題為目的，具有很強的實用性、理論性、綜合性[1-2]。土體具有散體性、多相性、自然變異性等特點，本質(zhì)屬于碎散材料，然而目前土力學課程知識體系仍建立在連續(xù)介質(zhì)力學假設的基礎上。土力學知識點多、理論抽象、計算煩瑣[3]，使得土力學課程教學質(zhì)量難以提高[4]。近年來研究人員將人工智能引入土力學研究領域解決了如“基本假設與實際不符、影響因素不確定”等瓶頸問題[5]，但目前仍未在土力學課程教學中開展。此外，目前土力學課堂教學仍采用教師講課為主的灌輸式教學模式，學生無法真正理解土力學中抽象的理論[6]。

以云計算、人工智能等用于傳統(tǒng)工科專業(yè)升級改造的新工科建設是我國深化工程教育改革的重大行動計劃[7]。以科研項目為依托，將高水平學術成果轉(zhuǎn)化為教學內(nèi)容、動態(tài)更新教學內(nèi)容，變革教學模式，使學生學以致用去解決工程實際問題，是實現(xiàn)土力學課程教學目標和提高教學質(zhì)量的必然選擇[8]。針對土力學課程進行教學改革，探索新工科背景下基于科教融合的教學模式改革，對培養(yǎng)多學科融合的復合型、應用型人才有重要的促進作用。

2構建新工科背景下科教融合的土力學教學體系

2.1基于科教融合理念建設土力學課程教學團隊

傳統(tǒng)土力學課程一線教學教師具有豐富的授課經(jīng)驗，但是往往只注重教學而疏于研究。部分科研能力強的教師又往往存在只注重科研而疏于教學的問題。長此以往，傳統(tǒng)教學和科研分開的教學模式弊端就顯現(xiàn)出來，無法培養(yǎng)了解學科前沿知識、擁有創(chuàng)新能力的人才。

新工科背景下基于科教融合理念的土力學課程教學團隊既包含教學型教師又包含科研型教師，由科研成果多、教學經(jīng)驗豐富的教授擔任團隊長。通過定期有組織地開展科研教學活動、雙向互動使教學科研有機結(jié)合，使團隊成員成長為科教并重型教師。通過參加培訓、邀請專家開講座的方式使團隊成員掌握云計算、人工智能算法。

2.2以科研項目為依托，編寫新工科背景下的土力學教材

土力學是一門實用的學科，隨著工程建設問題的不斷涌現(xiàn)，其知識體系更新速度也越來越快。如隨著我國“三深”探測戰(zhàn)略的全面實施，深部土、月壤土的物理力學特性成為研究的熱點，而傳統(tǒng)土力學教材沒有涉及相關方面的知識。人工智能的發(fā)展推動了傳統(tǒng)土力學研究領域的跨越式發(fā)展，使原來許多無法解決的問題得到解決，而傳統(tǒng)土力學教材同樣沒有涉及相關方面的內(nèi)容。此外，傳統(tǒng)土力學教材安排多呈文字性敘述，不夠生動，學生在學習時需要記憶大量抽象概念，且多為定性描述。

新工科背景下科教融合的土力學教材以科研項目為依托，挖掘優(yōu)秀機器學習算法，增設采用智能算法解決相關問題的內(nèi)容，更新原有土力學教材內(nèi)容體系。也可以將智能算法介紹、智能模型建立、分析求解步驟作為土力學教材網(wǎng)絡資源讓學生通過掃二維碼的形式獲得。

新工科背景下的土力學教材增強了科研引導性，凸顯了土力學課程的實用性，兼顧了趣味生動性，能夠提高學生的自學興趣。

2.3基于科教融合理念優(yōu)化新工科背景下土力學教學大綱內(nèi)容

新工科背景下基于科教融合的土力學教學大綱具體教學課時分配設置基本沿用傳統(tǒng)土力學教學大綱，主要變動在課程教學目標及要求。知識目標增設掌握常用的經(jīng)典機器學習算法。能力目標中應用知識的能力增加“結(jié)合云計算、機器學習等解決與土體有關的工程問題”。

2.4根據(jù)新教材及大綱，制訂土力學課堂教學內(nèi)容

結(jié)合新工科背景下人才培養(yǎng)要求，同時考慮教學課時分配，在傳統(tǒng)土力學課堂教學內(nèi)容基礎上有機增加機器學習算法內(nèi)容，進一步使土力學課程內(nèi)容模塊化。新工科背景下的土力學課程教學內(nèi)容包含4個模塊，每一模塊都以為科研項目為背景，增設采用智能算法解決相應問題的內(nèi)容，如圖1所示。每一模塊課堂教學內(nèi)容最核心的部分結(jié)合傳統(tǒng)土力學課堂教學內(nèi)容確定，在此基礎上兼顧應用智能算法解決傳統(tǒng)土力學未能解決的問題。

2.5依據(jù)土力學課堂教學內(nèi)容，改革授課方式

目前課堂教學仍是人才培養(yǎng)目標實現(xiàn)的主要陣地。現(xiàn)階段土力學課堂教學大多仍采用教師講課為主的單向灌輸式教學模式，無法發(fā)揮學生的主觀能動性。

新工科背景下基于科教融合的土力學課程教學要求教師首先要瞄準學科前沿，拋出一個好問題、傳授學生一個解決問題的視角往往比單向的灌輸式教學更能激發(fā)學生的學習興趣。積極嘗試變革教學方式方法，把線上線下混合式教學、翻轉(zhuǎn)課堂、“智能+”教學引入傳統(tǒng)土力學教學中。多采用研究性教學方法替代傳統(tǒng)老師講、學生聽的被動灌輸式教學。激發(fā)學生學習興趣，增強科研引導力度，讓學生以科研的角度去學習土力學，能夠應用所學解決實際工程甚至科學研究領域中相關難題，在提高教學效果方面取得實效。

2.6搭建科教融合的土力學實驗教學平臺

傳統(tǒng)土力學實驗教學是在教師指導下，學生按照書本操作步驟完成，提交實驗報告。這種實驗教學使得學生不注重實驗數(shù)據(jù)的積累與挖掘，也不注重實驗教學與課堂理論教學之間的聯(lián)系，無法構筑理論與實踐銜接的橋梁，不能促進教學目標的實現(xiàn)。另一方面，由于研究領域的特殊性，大多直接反映本質(zhì)機理的模型實驗往往由于條件不具備而難以開展。

新工科背景下基于科教融合理念的土力學實驗教學以科研項目為依托，結(jié)合科研項目中擬解決的關鍵問題、項目特色與創(chuàng)新點，在教師的指導下讓學生自主設計實驗方案，利用實驗室儀器開展科研實驗，處理數(shù)據(jù)，繪制圖表，分析問題，探尋本質(zhì)，發(fā)表高質(zhì)量論文。教師要注意分解科研項目的研究內(nèi)容，結(jié)合學生知識儲備安排適當?shù)倪x題，在教師的指導下，學生能夠很快上手且高質(zhì)量完成科研子課題。

另一方面，積極突破土力學模型實驗教學條件限制，綜合運用云計算、人工智能等對傳統(tǒng)土力學實驗教學進行升級改造，將室內(nèi)小試樣試驗、物理模型試驗與數(shù)值仿真試驗相結(jié)合。搭建高水平，有學術性、趣味性、科普性的數(shù)值仿真平臺——APP案例庫。學生只需要熟悉工程背景與設計參數(shù)，在簡潔的APP界面上設置好相關參數(shù)，點擊按鈕即可得到分析結(jié)果。增加學習趣味性的同時降低了學習難度，加強實踐教學，切實提高學生專業(yè)實踐能力。

2.7新工科背景下科教融合的土力學考核

傳統(tǒng)的土力學課程考核包含三部分內(nèi)容：期終考試占70%、實驗報告占20%、平時作業(yè)占10%。考核最終加權成績只能提供排名、平均分、是否符合正態(tài)分布，以此來計算課程目標達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學課程考核包含五部分內(nèi)容，期終考試占比由70%減少至50%，增設占比分別為10%的科研工作表現(xiàn)及翻轉(zhuǎn)課堂表現(xiàn)。科研工作表現(xiàn)用于考核學生能否積極用所學去解決科研項目中遇到的土力學相關問題，甚至是考查學生能否在教師指導下做出高質(zhì)量研究成果。翻轉(zhuǎn)課堂表現(xiàn)用于考核學生能否積極挖掘運用優(yōu)秀的智能算法解決傳統(tǒng)土力學中存在的難題。實驗教學表現(xiàn)占考核的20%，不僅考核學生土力學實驗報告質(zhì)量，還考核學生參與土力學研究領域相關工程數(shù)值虛擬仿真情況。基于聚類算法對考核最終加權成績進行聚類分簇，根據(jù)分簇結(jié)果，針對不同類別學生實施個性化教學方案，動態(tài)優(yōu)化改進教學方法，提高教學質(zhì)量。

3結(jié)語

依托土木工程新工科建設背景，基于科教融合理念，從土力學課程教學團隊、教材、大綱、課堂理論教學內(nèi)容、授課方式、實驗實踐教學及課程考核方面進行了探索改革與教學實踐。新工科背景下基于科教融合理念的土力學課程教學改革另辟蹊徑解決了原先難以用數(shù)學模型描述的實際工程難題，且方便課堂教學，有助于老師教和學生學，提高學生專業(yè)自信心，提高課堂教學質(zhì)量；增強了科研引導，突破了土力學實驗條件限制，構筑理論、實踐銜接的橋梁，促進了教學目標的實現(xiàn)；改變了學生的認知方式，提高了認知水平，拓寬了視野，對學生就業(yè)后的成長發(fā)展起著重要的促進作用。新工科背景下基于科教融合的土力學課程教學改革初見成效，土力學課程入選東華理工大學校級一流本科課程，在江西省全省防疫期間線上教學優(yōu)質(zhì)課評選活動中榮獲優(yōu)秀獎；團隊成員獲批多項國家級、省級科研與教學項目；學生科研參與度明顯提高，發(fā)表高水平論文12篇，對成長為多學科融合的復合型、應用型人才打下了良好的基礎。

基金項目：江西省高等學校教學改革研究項目“人工智能背景下《巖石力學》課程教學改革與實踐研究”（JXJG-19-6-18）；新工科背景下融入“核地”特色的《土力學》課程教學改革與實踐研究（JXJG-22-6-20）；土木類專業(yè)課程思政改革與建設——以《工程爆破》課程為例（JXJG-19-6-5）；基于新工科和行業(yè)特色專業(yè)學位研究生創(chuàng)新能力培養(yǎng)模式研究——以東華理工大學“土木水利”專業(yè)碩士學位為例（JXYJG-2020-113）。

參考文獻

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