基于科教融合理念的《土力学》课程教学改革

刘勇健，梁仕华，杨雪强，袁炳祥，罗庆姿，王婉莹，何嘉年，朱 江，郭永昌

(广东工业大学 土木与交通工程学院， 广东 广州 510006)

21世纪以来，随着大规模基础设施建设与韧性城市建设发展的加快,建筑领域对土木工程高素质创新人才的需求不断加大[1]。以新材料、新技术、新结构体系为特征的现代土木工程需要大批具有创新思维和创新能力的土木工程人才，这对高等土木工程专业人才培养提出了更高要求和更大挑战。当今科教融合是高等院校深化教学改革、提高人才培养质量的重要途径。《土力学》是土木工程专业的核心课程，随着城市化进程的加快和土地资源的日异短缺，在工程建设中遇到的岩土问题越来越多，《土力学》在土木工程建设中的作用越来越重要[2-3]。

基于科教融合理念和《土力学》课程特点，重构土力学课程知识体系、改革教学方法、强化实践环节，回归工程教育，进行了系列课程教学改革，旨在为培养卓越土木工程人才奠定坚实的《土力学》基础。

1 《土力学》课程特点

《土力学》课主要研究土体在力的作用下的应力、应变、强度、稳定性及其随时间的变化规律，它是指导土木工程、交通工程、水利工程、采矿工程等领域进行科学研究和工程设计的应用学科[4]。《土力学》是众多高等院校土木工程专业的专业基础课，是后续课程《基础工程》、《地基处理》、《基坑工程》、《边坡工程》、《路基工程》、《岩土工程原位测试技术》等专业课程的基础。通过课程的学习，使学生掌握《土力学》的概念、原理、计算和试验方法，了解目前《土力学》及相关领域的最新研究成果，并能综合运用《土力学》基本理论、计算和试验方法，解决工程建设中土的渗流、变形、强度和稳定性问题，为培养专业素质打下坚实的基础。《土力学》课程教学面临的几个问题：

(1) 《土力学》研究对象复杂，学科交叉性强。《土力学》源于材料力学，而又不同于材料力学，由于《土力学》研究对象土是由固体颗粒、水和气体组成的三相体系，不同于其他连续固体介质相比，土的物质组成非均匀，内部结构复杂，工程性质多变，可视为一种“特殊材料”。即土的天然变异性、三相性和碎散性，具有复杂的物理力学性质[5]。《土力学》与《弹性力学》、《材料力学》、《工程地质学》等多学科交叉。

(2) 《土力学》理论性与实践性均强，比较难学。由于土的成因复杂性，《土力学》理论还不够完善，大部分《土力学》理论是建立在试验基础之上，得到的理论值与实际值存在偏差。在解决岩土问题时，工程经验很重要[6]。《土力学》作为经典力学与实践经验结合产物，理论与假设并存，宏观与细观结合，初学者反映比较难学。此外，部分高校的《土力学》教材陈旧、内容不变、教学方法单一，不能很好地把新理论、新技术及研究成果引入课堂，未能很好地调动学生的学习兴趣。

(3) 内容多学时少，比较难教。《土力学》课程内容主要包括土的物理性质及工程分类、土的渗透性、土中应力、土的压缩性及地基沉降计算、土的抗剪强度、地基承载力、土压力、土坡稳定分析等丰富的内容。目前《土力学》理论课时偏少，大部分高校已压缩到32学时，实验课6～8学时，增加了教学的难度。此外，在课程的时间安排上，《土力学》课程设置在大三上学期，正值学生从基础课程的学习转入到专业基础及专业课程的学习阶段，对于如何学好《土力学》和其他专业课存在一定的盲区。

(4) 综合性实验少，学生创新能力薄弱。由于实验课时限制，《土力学》实验8学时进行4个实验：第一类试验物性质指标测定：土的界限含水率、土的渗透；第二类土体抗剪强度和压缩系数等力学指标测定。每小组的实验计划、内容、要求和操作步骤都一样，容易形成千篇一律的实验报告。仅凭分散的几次实验，学生很难建立起土参数指标间的内在联系，达到全面掌握土的工程性质和分析岩土问题，表现为实践能力和创新能力薄弱，实验教学效果不理想[7]。

2 科教融合理念及教学中存在的问题

何谓“科教融合”？就是将高校的两大基本功能——科研研究和教学活动有机结合，做到你中有我，我中有你，“科教融合、教研相长”，发挥科学研究的育人作用[8-9]。在传统的教学模式下，目前高校科教“二元分离”仍然存在，表现在三个方面，于人才培养体系设计方面，包括人才培养方案和课程体系、教学内容和方法等各环节未全面渗透“科研反哺教学”理念，科教融合目标不明确。于教师方面，仍存在“重科研、轻教学”的现象，如少数青年教师为了个人发展，将工作重心放在科研上，热衷于做基金项目研究和SCI论文发表，而花在本科教学和指导学生进行科研时间和精力较少，有些教授承担本科课程教学和指导创新创业项目偏少，科研育人成效不明显。于学生方面，部分学生以顺利毕业为目标，科研意识淡薄，参加科研活动的主观能动性不强，大学四年创新训练机会较少，创新能力不足[10-11]。

科教融合是深化课程教学改革和提高人才培养质量的重要途径[12]，而《土力学》任课教师必须面临的问题：如何将科学研究成果转化为最新的教学内容，创新教学模式，使学生及时了解科学领域研究的热点问题，使其具有专业自豪感和责任感？如何实现科教融合，使教学与科研互相促进，发挥科学研究的育人作用，提高创新意识、创新能力和综合素质？结合我校《土力学》课程教学经验，分析科教融合背景下的土力学课程教学改革措施。

3 基于科教融合理念的《土力学》课程教学改革措施

3.1 基于科教融合的《土力学》课程教学设计

以学生为中心，以创新能力培养为目标，以科研活动和教学活动的相互渗透融合为载体，通过“科教融合”促进课程教学改革，从《土力学》课程体系设计、教学大纲、教学内容和教学方法改革等各环节全面渗透“科研反哺教学”理念，重点突出两方面：(1) 教学内容层面，将教师的科学研究成果转化为课堂教学内容；(2) 教学方法层面，创新课堂教学模式，如探究式教学、启发式教学，问题式教学法，达到提升学生的创新思维、创新能力和综合素质。

利用科研和教学创新平台，加强课堂内外指导，开展科教融合，科研育人，实现“三个融合”，即理论教学与工程实践融合，课堂教学与第二课堂融合，专业知识传授与课程思政育人融合；提高学生分析和解决工程问题(土的强度问题、变形问题和渗流问题)的能力，为培养“能设计、会施工、懂管理”创新性应用型工程技术人奠定坚实的《土力学》基础(见图1)。

图1 基于“科教融合”理念的课程教学改革模式

3.2 以成果为导向，构建多层次《土力学》课程知识体系

遵循课程育人理念，将思政元素融入课堂教学过程，与思想政治理论课形成协同效应。梳理《土力学》原理与计算知识脉络，串联零散知识点于一个有机整体，构建了多层次《土力学》课程知识体系，突出下列特征：

土体三大特性：散碎性、多相性、时空变异性。

三大工程问题：强度问题、变形问题、渗流问题。

四大基本理论：摩尔-库仑强度理论、有效应力理论、固结理论、达西定律。

课程三大特点：(1)基础性，从20世纪30年代以来，《土力学》的经典理论及方法沿用至今；(2)时代性，《土力学》的应用已经不局限于建筑工程，已向环境、抗灾等其他领域拓展；(3)实践性，学科研究与工程实践联系紧密。

课程知识体系：基于土的物理基本性质→认识土的渗透性、压缩性和抗剪性；基于土的有效应力原理、摩尔-库仑强度理论、达西定律→建立渗透性、压缩性和抗剪性之间的内在联系；从三种基本力学性质出发→分析地基工程、边坡工程、地下工程、道路桥梁与渡河工程涉及的渗透变形、沉降变形和强度稳定性问题，建立完整的土力学理论体系。

3.3 以学生为中心，创新课堂教学模式

以研究性教学为契合点，更新教学内容，创新教学模式。在课堂教学工作中融入教师科研成果，对教学内容有益补充和更新。以现代信息技术创新课堂形式，通过慕课(MOOC)、智慧树和蕴瑜等教学平台等在线教学形式翻转课堂。利用《土力学》精品资源课程网站，构建了集课堂教学、实践教学和现代信息技术智慧教学有机结合的“三维”教学模式。结合教师科研成果，针对土的三大工程问题(强度、变形和渗透性)案例，实施以学生为中心研究型学习。

具体方法：如图2所示，线上提前布置案例分析任务和要求，学生自行分组，收集相关资料；课堂教学组织学生讨论、提问、案例分析；线下进行各小组成果展示、学生互动交流、教师点评。将学生作为课堂的主要中心，使学生能够有足够的自主讨论机会，在自主教学过程中，提高学生自身对于知识的领会，激发学习的热情，更好的获取知识。此外，每学期布置论述式作业，以提高学生培养解决复杂问题的能力和写作水平，提升课程的“挑战性”。

图2 “以学生为中心”案例教学下的研究型学习

3.4 以项目为依托，“全过程”实验模式下的探究式学习

传统的《土力学》实验一般开设土的界限含水率实验、渗透实验、固结实验和直剪实验共4个相互独立的实验，同学们很难将《土力学》参数关系起来，容易出现为实验而实验操作和千篇一律的实验报告，实验教学效果不理想。我校《土力学》实验教学依托教师们的纵向或横向科研项目，如华南滨海软土、花岗岩残积土、砂土，分不同工程项目小组，进行土的界限含水率实验、渗透实验、固结实验和直剪实验的全过程实验。实验前先分析项目资料，再由学生自主设计实验方案、操作实验仪器，分析实验现象，汇报实验过程。通过实验，加深对土的工程性质和工程问题的理解，“寓教于研、科教融合”，见图3。

图3 “全过程”实验模式下的探究式学习

3.5 构建第二课堂平台，提升学生的创新能力

以创新型科研平台搭建多层次实践教学平台，开展丰富多彩的创新创业训练和科技竞赛活动。第二课堂为学生提供了更大的平台，开展多种科研活动，学院定期主办一年一度的竞赛等课外科技活动。组织学生积极参加大学生科技制作“挑战杯”竞赛、各类(国家级、省级和校级)大学生创新创业训练。近三年来，随着学校的各种创新激励机制的出台，参加课外创新创业项目和科技竞赛活动机会越来越多。

3.6 多元成绩评价体系

构建了多元成绩评价体系,如图4所示。

图4 多元化成绩评价体系

本课程成绩包括平时作业、课堂表现、过程测试、课程报告和期末考试等部分。平时作业包括传统习题作业和论述式课程报告；课程报告要求围绕典型工程、《土力学》原理与应用进行论述。培养学生关心行业发展，提高应用《土力学》原理解决工程问题的能力，养成自觉学习的习惯。

4 结 语

科教融合是提高课程教学质量和人才培养质量的必然选择。基于科教融合理念，优化《土力学》课程教学设计；以成果为导向，构建多层次《土力学》课程知识体系；以学生为中心，创新课堂教学模式；以项目为依托，实施“全过程”实验模式下的探究式学习；构建多元成绩评价体系，多措并举提高课程教学质量，有效支撑了专业培养目标。围绕本课程进行的系列教学改革初见成效，《土力学》课程被评为广东省一流课程、精品资源共享课程、课程思政示范课程。学生的创新意思和创新能力明显提升，近年来学生参加的《土力学》研究方向的国家级省级大学生创新训练项目25项，发表论文16篇，获专利12项，课程团队荣获广东省教学成果奖3项。