基于工程应用的“土力学”实验教学改革与探讨

［摘 要］ “土力学”实验是将土力学理论应用于工程的重要实践课程，具有原理性、操作性和应用性强的特点。基于“土力学”实验课程的特点，以工程应用型人才为培养目标对“土力学”实验课进行改革。通过分析现有“土力学”教学中的问题，结合学生特点和“土力学”实验性质，从教学形式、课程内容、考核方法和课外拓展等方面提出改革思路和方法，探讨了“土力学”实验改革实践对教学起到的积极作用。同时，将教学研究成果进行总结分析，以期应用于实践教学中提高“土力学”实验的教学效果和人才培养质量。

［关键词］ 土力学；实验教学；应用型人才

［基金项目］ 2019年度北方民族大学教育教学改革校级项目“基于应用型和创新型双导向人才培养目标下的土力学实验教学改革与实践”（2019JY0014）；2020年度北方民族大学教育教学改革校级项目“新工科背景下基于思维导图的路基路面工程课程设计指导教学改革”（2020YBJY30）

［作者简介］ 王永平（1986—），男，甘肃庆阳人，博士，北方民族大学土木工程学院讲师，主要从事岩土力学与工程研究；马 玲（1987—），女（回族），宁夏固原人，博士，北方民族大学土木工程学院讲师（通信作者），主要从事岩土力学与工程研究；拓明阳（1984—），男，宁夏中卫人，博士，北方民族大学土木工程学院讲师，主要从事路基路面工程研究；胡云香（1984—），女，宁夏银川人，博士，北方民族大学土木工程学院讲师，主要从事土木工程建造与管理研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2023）09-0000-04 ［收稿日期］ 2022-06-14

“土力学”是一门土木工程、水利工程等相关本科专业的专业基础课，在房建工程、道桥工程、市政工程、管线工程和水利工程等工程建设中应用广泛，而“土力学”实验是将土力学理论应用于工程的重要实践课程［1］。通过“土力学”实验课程的学习，加深学生对土力学基本概念的掌握，引导学生深入理解理论原理，培养学生熟练操作实验仪器设备的能力及解决工程问题的应用能力［2］。为此，一些学者开展了相应研究并提出了一些观点和改革方法［3-6］。但在实际教学中，随着行业的发展和就业市场需求的变化，对人才培养有了新的要求，因此，亟须针对学生自身的特点进行相应的研究，以提出适合不同层次学生的教学方法。目前，土木行业相关领域应用型人才需求量较大，大多数本科毕业生都从事工程的设计、施工和管理，所以本科人才培养仍需以工程应用型人才培养为主［7］。应用型人才培养应以满足生产实践需求为指导，着重培养学生的实践能力和应用能力［8］。本文基于工程应用的培养目标，分析了“土力学”实验的教学现状，探讨了存在问题的解决路径。

土力学理论知识在土木行业应用广泛，而“土力学”实验教学是土力学原理应用的重要实践环节，其教学效果好坏关系到应用型人才培养的成效。为解决目前“土力学”实验教学中的问题，更好地提高“土力学”实验教学的质量，培养学生的专业素养和能力，以满足行业生产实践的用人需求，本文以工程应用人才培养目标为导向，对“土力学”实验教学改革进行了探讨。

一、“土力学”实验教学中存在的问题

“土力学”实验课在课程设置中主要有两种形式：一种是单独设课，另一种是和“土力学”课程合并设课。但教学过程都是相同的，基本上都有单独的实验指导手册，在实验室通过教师讲解和示范后，学生分组进行操作［9］。针对“土力学”实验的基本教学形式，分析目前相关教学活动存在的问题，讨论该问题的存在对“土力学”实验的教学效果和培养目标所产生的影响，提出相应的解决办法。

（一）教学形式单一，学生缺乏主动性

在教学形式上，目前“土力学”实验基本都以教师理论讲解和现场示范、学生模仿实验操作为主。讲解内容主要包括试验目的、原理、仪器设备、试验操作和数据处理等，实际讲解占用了大量课堂时间，学生很难集中精力全部仔细听完并且消化，且大部分学生都处于被动“灌输”知识并机械性模仿的状态，在有限的课堂时间内，学生的思考能力和组织设计能力很难得到锻炼。长此以往，学生逐渐失去兴趣，积极主动性不高。另外，当代大学生信息接受方式和以前有所差别，更倾向于网络获取在电子可视化、便捷化和智能化环境下学习；如若还延续传统的教学形式与教学方法，将很难对学生产生吸引力。因此，为调动学生主动性，解决课堂时间有限问题，需要利用现代技术丰富教学形式［10-11］。通过现有的网络教学技术手段，采用多种方式完成课堂教学，将有助于找到更适合学生的教学方法和自主学习模式，激发学生的学习兴趣和创新意识，将被动学习转变为主动学习。

（二）教学内容固化，实验缺乏工程背景

当前，室内开设的“土力学”实验主要包括土的基本物理性质实验（含水量、密度和液塑限测定、颗粒粒径级配分析）、土的力学性质实验（土的压缩固结试验和剪切试验）及土的工程应用实验（土的击实实验）等。以上基本以验证性、传统的实验为主，各实验之间联系不紧密，缺乏工程问题背景，不利于学生将理论知识转化为工程应用实践。另外，在实验过程中，不同土质的土样在试验方法和内容上都有所不同，但在实验课中学生基本上采用同样的土体，试验数据与结果相近，很容易出现学生不思考土体的多样性、不分析试验设计的技巧，甚至相互抄袭实验报告的现象。固化的实验内容设置导致学生解决实际工程问题的能力得不到培养，同时学生的学习兴趣不高，理论联系实际的认识不足。“土力学”实验较其他实验来说存在特殊性，实验性质不属于现象验证性实验，而是与工程实际的联系非常紧密。如果采用工程场地的土体，其实验结果可直接应用于工程的设计、施工及工程判断。在教师的安排下学生仅在课堂内进行单独的实验，不利于学生锻炼综合实验设计素养，很难提高学生理论与实践相结合、具体工程具体分析的实践应用能力。因此，需要在教学内容上重新思考与设计，尽可能地将实际工程背景融入实验内容设置中，增加学生对实验目的和应用的理解。

（三）考核模式简单，评估缺乏综合考量

实验课的考核评估方式大多以平时表现和完成实验报告的质量为依据。合理的考核方式能提高教学质量，同时也能客观反映教学效果，而单一的评估方法容易造成考量失准［12］。“土力学”操作性实验一般分组进行，3～6人成组完成实验，实验过程中很难考核每个学生的操作和完成流程的状态，所以期间不免存在滥竽充数的学生，现有考核无法科学评估学生的学习状态、学习效果和学习能力。比如，一个组内的实验报告数据结果一样，造成数据处理结果相同或相近。但是，在完成实验过程中学生的参与程度、实验报告数据分析和贡献量是不完全相等的。另外，现有相对传统的、单一的考核方法也较难激发学生的学习动力。因此，仅靠实验报告成绩认定最终成绩的考核模式存在不合理之处，无法综合评估学生的学习状态及效果。制定相应的多元化考核标准，将有助于教师找到更适合学生的教学方法和自主学习模式，激发学生的学习兴趣和创新意识，将被动学习转变为主动学习。

（四）实验仪器利用率低，实验室缺乏开放性

受限于学生安全及实验室管理的相关规定，很多实验室都无法完全对学生开放。大部分实验仪器都只在教学中使用，部分设备在课外时间闲置，不能得到充分利用，易出现课外时间实验仪器利用率较低的情况。同时，目前的实验课学时安排有限，一些经典的“土力学”实验不能向学生开设，也导致相应的仪器设备在本科教学中使用率偏低。另外，一些实验仪器的操作需要较长时间的学习和摸索，但学生仅在课堂上学习和使用，无法完全掌握实验方法。实验仪器利用率低且实验室开放性低，不仅造成了实验资源浪费的情况，而且不利于学生自主学习、自主创新意识的开发。因此，需要调整现有的实验室管理规定及课程设置，更丰富且灵活地开展实验活动，充分提高实验室和实验仪器的利用率，调动学生课外学习、自主学习和创新学习的积极性。

二、“土力学”实验教学的改革措施

为解决以上“土力学”实验教学环节存在的问题，调动学生的学习积极性和主动性，培养学生的应用能力和实践能力，亟须对“土力学”实验课程进行教学研究及教学改革。传统的教学方法已不适应新环境下的教学，应根据“土力学”实验的课程特点，结合学生的实际情况，从丰富教学方法、改进课程内容、优化考核方案和开设开放性实验及倡导创新项目进实验室等方面着手，进行“土力学”实验课程教学改革。

（一）丰富教学形式，调动学生主动性

针对教学形式单一、学生缺乏主动性的问题，应丰富教学形式以调动学生的积极性。现在的大学生成长于移动互联网的时代，获取知识的渠道多元化，除了课堂、书籍外，还有各种网络资源。为适应学生特点，教师应借助现代科学技术发展成果，充分使用智慧教学的工具和条件，开展多元化教学。借助各种平台开展线上线下混合式教学，建设“土力学”实验线上教学门户，上传实验相关资料，包括一些实验原理讲解PPT或视频、操作和仪器介绍视频，方便学生加入该课程学习后可在课前充分利用网络资源进行预习，这样减少了实验课上的教师讲解时间，为学生自主操作提供了更多机会。对于实验室无法开展的实验或者综合性实验，尝试开展VR、AR等先进的虚拟现实实验方法。虚拟现实技术可利用现有先进计算可视化模拟，形成交互式三维动态视景和实体行为的系统仿真，并产生用户沉浸式体验。目前，尝试开展了土力学三维虚拟实验教学资源的创建。学生在操作虚拟实验的过程中，可根据自主设计的土体和结构参数设计实验。上述多元化教学形式为学生在课前提供了自主预习和学习的条件，节约课堂时间，调动学生积极思考和探索，激发学生的学习主动性和兴趣，同时加强学生对课堂理论知识的理解，培养学生的工程实践应用能力。

（二）调整教学内容，加入工程背景案例

针对教学内容固化、实验缺乏工程背景的问题，应调整教学内容，加入工程背景案例。具体来说，可在实验指导书编定时引入实际工程案例。例如，以某一建筑地基土的土工试验勘察与设计为工程背景，可将课堂教学实验设置为基础性实验和综合性实验两部分。基础性实验为物理性质测定实验，包括颗粒分析实验、含水量实验、密度实验；综合实验为土力学工程特性实验，包括液塑限联合测定试验或密实度测定试验、力学性质试验（直剪实验）、击实试验、压缩固结试验等。其中基础性实验是必做实验，综合性实验可根据实际工程需要，学生自行设计实验方案，选做其中三个实验。将所有实验结果处理之后，可通过基本物理指标测定对土的基本物理性质进行定性，并对土进行定名；通过力学性质测定可得到一些力学指标及参数，应用于相应的工程计算和设计。以工程实例为背景的实验内容安排，能更好地促进学生对实验目的和意义的理解，提高学生理论学习转化为工程应用的能力。

（三）优化考核模式，合理评估教学效果

针对考核模式简单、评估缺乏综合考量的问题，应优化考核模式，从而合理评估教学效果。建立课前预习效果考核、实验操作考核、数据处理及应用考核和短视频录制评比考核等多元化考核量化标准细则，从多个角度促进学生的自主学习能力，并提高学生对实验课学习的积极性和主动性。“土力学”实验单独开课，考核成绩按满分100分计算，其中总成绩=20%×预习+20%×实验操作+50%×实验报告+10%×其他（短视频制作比赛、创新比赛等各种形式）。该考核评估方法综合考虑了学生的过程性学习状态，同时通过部分分值作为区别，激励学生更多参与到“土力学”实验课程中。以此考核方案控制教学秩序，优化考核评估，提高学生积极性，产生良好教学效果。

（四）增加课外拓展，充分利用资源

针对实验仪器利用率低、实验室缺乏开放性的问题，应增加课外拓展，充分利用实验室资源。开发实验教学新体系，和实验室相应教师沟通进行开放管理，增加课外拓展，争取利用教学课时以外的时间开设一些实验课。同时在课堂教学基础上，加强开放性实验及创新项目实验，逐步建立由基础实验、综合实验和开放实验三块教学新体系组成的“土力学”实验教学；充分利用实验室的仪器设备，将大学生创新创业项目和竞赛与“土力学”实验相结合，以学生自主设计试验方案、自主完成试验为主，教师辅助指导为辅，有助于为学生提供更多动手实践、独立思维和操作摸索的机会，更有利于提高学生的实践能力和分析及解决实际问题的能力，提高学生的实验主动性与创新性。