“土力學課程設計”任務書生成輔助軟件研制與應用體會

馬淑芝 賈洪彪

摘要“土力學課程設計”屬于實踐環節內容，是培養學生綜合運用專業知識、工程實踐能力和創造精神的關鍵環節。文章分析了傳統“土力學課程設計”開展過程中遇到的一系列問題以及所開發的“土力學課程設計”任務書生成輔助軟件。利用該軟件，可以很方便地創建、管理和重復利用課程設計的基礎數據信息，可以選擇課程設計主題、設計任務、工程場地條件與建筑物規模，自主組合課程設計任務，滿足不同基礎、不同學習興趣與鉆研深度的學生進行課程設計的需求。利用該軟件，可以快速生成與導出“土力學課程設計”任務書，并避免數據與任務不匹配等錯誤的發生，方便實現學生一人一題，從而解決傳統課程設計的弊端，具有推廣價值。

關鍵詞 土力學；課程設計；任務書；輔助軟件

中圖分類號：G424文獻標識碼：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2023.13.030

“土力學”是地質工程、土木工程等專業的核心課，它以力學和工程地質學的知識為基礎，研究與工程建筑有關的土的變形和強度特性，并據此計算土體的固結與穩定，為各項專門工程服務。“土力學”具有很強的工程實踐背景，必須要讓每一位學生積極動手才能夠找到“感覺”[1]。因此，在課程學習中引入實踐教學環節非常必要。在這樣的背景下，越來越多的高校在新修編的培養計劃中專門增設了“土力學課程設計”，既體現了原有傳統專業課程在新工科背景下打造“新工科課程”的時代需求，也充分體現了人才培養過程中對于實踐能力培養的重視，與“專業精深、知行合一”的人才培養目標相適應。通過課程設計，實現理論聯系實際，不僅讓學生明確了如何用土力學的基本理論去解決工程實踐中的相關問題，也增強了對課程體系的認知，“土力學課程設計”成為土力學課程學習的重要補充。

針對如何開展好“土力學課程設計”環節，達成課程設計的育人育才效果，課程團隊近年來開展了系列的改革與探索，尤其是重點開發了“土力學課程設計”任務書生成輔助軟件，使得這項培養任務更能落到實處。本文介紹了該輔助軟件的開發過程與使用中的效果與體會，以交流實踐課程建設的經驗，共同關注課程教學改革，提高人才培養質量。

1“土力學課程”設計中的常見問題

“土力學課程設計”與大多數其他課程一樣，其出發點是增強學生對于基礎知識的掌握，得到良好的實訓，增強實踐能力和創新能力的鍛煉。而在實施過程中遇到的這些問題，使得課程設計的效果受到很大影響，不能很好地達到最初設想和鍛煉目的。經過梳理，主要有以下幾個方面的問題：

①傳統的方法課程設計任務選題較為單一，甚至于全班同學都是同一個題目，內容單調、枯燥，模式單一、刻板，不僅限制了學生個性和思維的發展，難以差異化鍛煉學生，也不能結合學生的興趣開展，不能做到因材施教。因此，開發豐富的課程設計題目尤為重要[2-3]。如果僅靠教師人工布置課程設計的作業，要改變基礎數據信息，繪制場地地質條件、地層剖面圖以及建筑物，涉及的工作量比較大，豐富化的題目是很難實現的。

②土力學往往面對地質工程、巖土工程、地下工程、結構工程、道橋工程等不同的專業及方向，各方向對于土力學課程設計的重點是不同的，但統一的設計題目難以和專業方向有更好的銜接，學生完成的課程設計內容較為單一，不利于對專業方向的理解與把握[4]。

③課程設計教學的模式基本以教師命題、學生按要求完成為主，學生處于一個被動地位，主動性不強，自身的思考能力和創新能力未被充分激發。同時忽視了一部分學有余力、能夠進行更復雜類型基礎設計的學生，這部分學生可能失去一些鍛煉自己能力的機會。

④課程設計通常安排在課程結束之后、考試周之前進行，一方面學生忙于應考，而且受到放假時間的影響，心理上會比較放松、散漫，精力不夠集中，往往導致設計粗糙，對設計內容未進行細致的分析研究，理論與實際脫節，對于設計中出現的錯誤不能認真修改[5-6]。這樣，課程設計的效果就會大打折扣。

⑤采用統一的課程設計任務書，學生之間相互抄襲的現象常有發生，不僅達不到課程設計的目的，學生獨立思考和解決問題的能力不能得到鍛煉[7-9]，還有悖于立德樹人的目標，助長了一些不好的風氣。

2“土力學課程設計”任務書生成輔助軟件的開發

2.1輔助軟件的構成

針對上述問題，課程組開發了“土力學課程設計”任務書生成輔助軟件，該軟件基于Python語言編寫。利用該軟件，教師或學生可以選取課程設計所需要的基礎數據信息及不同的課程設計任務，自動生成課程設計任務書文件（.doc）。軟件由“建筑物概況”“土層信息維護”“場地信息”“課設任務設計”以及“課設任務書生成”五個屬性頁組成。用戶界面如圖1所示（p95）。

2.2輔助軟件的功能與使用

2.2.1模塊的關聯關系

課程設計基礎數據信息包括建筑物、各土層性質和工程場地三部分，分別在“建筑物概況”（圖1（d））、“土層信息維護”（圖1（f））、“場地信息”（圖1（e））三個屬性頁中進行管理。“課設任務書生成”為終端界面，它需要調用“建筑物概況”“土層信息維護”“場地信息”和“課設任務設計”4個屬性頁內建立的信息。“建筑物概況”“土層信息維護”和“課設任務設計”為末端界面，其中的數據輸入、選項選擇等不依賴于別的界面上的數據等信息。而“場地信息”則需要調用“土層信息維護”里的土層信息數據。在軟件使用過程中，可以隨時添加土層的數據信息，并會關聯出現在“場地信息”界面內備調用。同樣“建筑物概況”“場地信息”和“課設任務設計”屬性頁界面內信息的改變也會直接改變或間接關聯“課設任務書生成”界面。

2.2.2建筑物信息

建筑物信息包括建筑物基本信息和圖形信息兩部分，分別在“建筑物概況”屬性頁（圖1（d））的左側中下和右側兩個欄目中進行設置與管理。

建筑物展示圖由建筑物的基本信息數據進行繪制，有三維圖和鳥瞰平面圖兩種。可以通過調整軟件整體窗口和圖下方的活動窗口調控位置調至協調的圖形縱橫比例，通過[保存圖像]按鈕實現圖件保存，并同步建立圖形文件與本建筑物的關聯，后續任務書生成時可自動調用。

2.2.3土層信息

土層信息包括土的名稱（描述）、類別、工程性質指標和工程性質曲線圖。工程性質指標包括三相指標、壓縮性、抗剪強度和其他指標，在“土層信息”界面右側欄目中進行輸入和編輯（圖1（f））。根據已輸入的土層性質數據可以生成土層性質曲線圖（壓縮試驗的“e-p曲線”或“e-lgp曲線”“直剪試驗曲線”和“三軸強度曲線”等）（圖形展示位于圖1（f）左下），保存圖件會自動直接關聯圖件文件至本土層信息中，在后續任務書生成時可自動調用。

2.2.4場地信息

在“場地信息”界面中可進行工程場地信息的設置、信息瀏覽和任務書生成時的模板管理等。工程場地信息主要包括場地地下水埋深、場地地層信息和柱狀圖。“場地地層信息”欄目如圖3所示。每個土層可以通過[土層鏈接]下拉列表選擇在“土層信息維護”界面建立的土層代號，并即時將相應土層的信息調入，以便在“列表查看地層信息”和“地層柱狀圖”欄目中引用。

在“場地信息”界面右側欄中生成場地的土層柱狀圖（圖1（e））。和其他圖形一樣，生成的柱狀圖可以保存成文件，并自動建立圖形文件與本工程場地的關聯，以備后續自動調用。

軟件提供的任務書模板管理，可以供用戶設置、管理和調用報表和圖件的格式，主要包括“任務書輸出報表模板管理”和“柱狀圖模板管理”。

2.2.5課設任務設計

課程設計的任務設計在“課設任務設計”界面內完成（圖1（c））。設計任務設置了“淺基礎變形與強度驗算”和“基坑支護設計”兩個板塊。通過選擇并編寫各種驗算內容、驗算方法以及討論不同方法之間的聯系與差異，使得生成的任務書能從更多維度上考查完成者在不同知識點上的掌握程度。

每個課程任務選項后面都有個[任務說明]按鈕，幫助用戶查看本項任務的內容，以輔助用戶確定是否選擇該項任務。

2.2.6課程設計任務書

課程設計任務書生成是在選擇已設置好的場地、建筑物、設計任務和輸出模板后，點擊“生成任務書初稿”自動生成任務書，右側欄內可瀏覽任務書各項（圖1（b））。軟件能夠將任務書輸出保存為.doc格式文件，并提供鏈接外部word軟件的接口，直接調用word軟件打開生成的任務書doc文件。

軟件提供數據檢查功能（點擊[檢查數據]按鈕），可以輔助檢測任務書生成中各選項是否存在問題或矛盾，提醒諸如“沒有預設任務信息，請先在<課程任務設計>屬性頁界面建立任務信息”“基坑深度與支護方式是否匹配”等問題信息，告知用戶問題所在。

總而言之，利用本軟件系統，在建立數據信息之后，通過選項組合，由計算機自動進行數據整合、圖件繪制、信息匹配檢查、任務書文本組織等工作，快速自動生成《“土力學課程設計”任務書》，大大降低了設計課程設計任務書的工作量，同時以圖件的形式將建筑物和地層信息展示出來，提高了課設任務書的質量。

3輔助軟件的益處與效果

“土力學課程設計”任務書生成輔助軟件至今已經使用于2屆學生中，從師生反饋來看，大家對于該軟件用于課程設計表現出了極大的興趣和認可。總體上來講，借助該輔助軟件，可以設定不同建筑形式、場地條件、土層情況組成的多種設計場景，可以建立充足與豐富的設計任務，方便教師布置多份不同的課程設計任務，讓學生分組進行不同的課程設計，大大降低教師的工作量；學生也可以借助該輔助軟件，根據自身學習情況及興趣選擇不同復雜程度的設計要求，自行選題，自動生成與之相匹配的課程設計任務，激發個人學習興趣，鼓勵了創新性。同時，多份課程設計任務書避免了課程設計內容相同導致學生之間互相抄襲的情況，又能因材施教，使每個學生都在完成最基本設計的基礎上根據自身情況加大設計的深度、難度，充分開發學生的潛能。

4結語

“土力學課程設計”屬于“土力學”課程實踐教學環節的內容，是培養學生綜合運用專業知識、工程實踐能力和創造精神的關鍵環節。“土力學課程設計”任務書生成輔助軟件是一款可以完成土力學課設任務書自主生成與導出的軟件，可以使課程設計任務書中的各項數據以及具體設計內容、要求等更加多樣化，降低更新、編輯與參考工程信息所耗費的時間與精力。

可以依托該軟件選擇不同課程設計主題、任務類型及地基復雜程度、建筑物規模，快速生成不同的課程設計任務書，滿足學生分組設計及不同的學習興趣與鉆研深度，有利于激發學生學習的激情與創新性、探索性。

基金項目：中國地質大學（武漢）本科教學改革研究項目（2021A15）。

參考文獻

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