大语言模型背景下土力学课程教学方法探讨

摘  要：基于开放式人工智能的大语言模型在提升知识获取效率方面表现出巨大潜力，同时也给传统的教学方法、学习及考核方式带来挑战。相较于本科生，研究生需要面向工程前沿，指向学术前沿，其培养目标更侧重于对知识的综合运用，培养方式也具有相对更高的开放性。综合以上两方面的发展需要，该文基于交通工程方向研究生的土力学课程教学实践，围绕新时代的育人和教育发展目标，探讨土力学课程教学的专业特色内容、教学方法、师生互动和围绕立德树人根本任务的举措。

关键词：交通岩土；动力特性；多尺度；开放式习题；因材施教

中图分类号：G642        文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2024）11-0028-04

Abstract： The large language models established based on open AI have shown great potential in improving the efficiency of knowledge acquisition， which also brings challenges to traditional teaching， learning and assessment methods. Compared with undergraduates， graduate students need to face the frontier of engineering and aim to the academic frontier. Consequently， their training goals are more focused on the comprehensive application of knowledge， and the training method is relatively moreopen. Based on the teaching practice of "Soil Mechanics" course for graduate students in the major of traffic engineering， this paper discusses the featuredcontents， teaching methods， teacher-student interaction and measures around the fundamental task of foster virtue.The discussions included in this paper consider the needs for the development situations of AI and graduate student education， and meanwhile focusing on the cultivation of people and education development goals in the new era.

Keywords： transportation geotechnics; dynamic behaviors; multiple scales; no-stereotype exercise; individualized teaching

近百年来，土力学与人类基础设施发展协同共进，逐步形成了庞大的知识体系和诸多分支。受限于课时，不同学科方向在开展土力学教学时往往结合自身专业特点进行适应性调整以更好地纳入前沿科学问题[1-2]。同时，关于教育教学方法的创新性实践不断涌现，例如课堂演示实验[3]，以高等教育国际化发展为目的的双语课堂[4]，可精细掌握学生学习大数据的线上-线下混合课程[2]，与课程思政的有机混合式[5]等。近年来，随着人工智能技术的不断发展，基于OpenAI的模型越来越多地介入到个人日常使用场景。特别是ChatGPT、文心一言等基于开放式人工智能的大语言模型，使得未来对于知识信息部分的获取和利用更加容易，在一定程度上释放了人类的智力资源的同时，也给课程的传统教学设计带来挑战。例如，学生获取海量学习资源可能导致知识结构的平面化，甚至出现学习失焦和低效率。又如，在开放式测评场景下，以往基于内容和知识点的考核，答案可能千篇一律。青年学生对大语言模型这类新技术的使用意愿高、适应快，与此同时，专业课程也需要适度地考虑与新技术进行适应融合。学习和实践知识的方法发生转变，必然要求教学方法和目标的系统性更新。并且，在知识获取更容易的时代，教育和学习需要更注重意义引导，因此立德树人将更为重要。由于大语言模型等人工智能技术方兴，针对上述方面的教学改革目前仍处于探索阶段。

土力学涉及交通基础设施的填料设计、土工结构设计、健康监测等诸多方面，是道路工程、轨道交通工程、机场工程等诸多交通工程方向专业课的前序基础课之一。通常，针对本科生的土力学课程教学重基本概念、基本原理、基础试验方法。相较于本科生，研究生需要面向工程前沿，指向学术前沿，其培养目标更侧重于对知识的综合运用，更接近于实际应用场景，培养方式也具有相对更高的开放性。因此，可以从研究生教学着手探索人工智能新技术趋势下土力学的教学改革思路和方法。例如，结合知识的讲授进行更多逻辑性思维训练，以更好地培养学生认识问题、凝练问题、判断结论的能力，从而更好地适应未来人-机协同的新场景。积极响应《中国教育现代化2035》中提出的“培养学生创新精神和实践能力”。

《交通强国建设纲要》指出，要培育高水平交通科技人才。《关于加快建设发展新工科实施卓越工程师教育培养计划2.0的意见》在总体思路中提到，人才培养要面向工业界、面向世界、面向未来。为此，本文立足时代背景，基于交通工程方向研究生土力学课程教学实践，探讨了课程内容特点、教学挑战及应对策略。首先，结合交通工程发展所面临的基础和前沿问题，探讨了土力学课程教学内容的特点；其次，探索适应交通工程专业研究生培养的土力学课程特色内容；再次，通过创新习题模式，增强对学生开放式思维的训练，同时以师生互动为抓手强化因材施教；最后，围绕立德树人根本任务，探讨了课程思政教育建设。

一  交通工程方向土力学课程内容的特点

交通工程涉及的土力学问题在荷载、填料、构筑型式等方面都有其鲜明特点。近年来，随着交通工程规模的不断增大，“交通岩土”这一主题方向在国内外已形成广泛的影响力。为适应未来交通发展趋势，交通土工基础不仅要满足更高速、更大轴重的功能性需求，还要越来越多地兼顾韧性、低碳、智能发展。

（一）  离散性岩土颗粒材料复杂力学行为

岩土颗粒材料是天然材料，可回收再利用，具有经济、绿色、低碳的特点。经级配设计的土石混合料具有易填筑和压实的特点，便于填筑，广泛用于交通土工基础的长线性结构。同时，我国西部及“一带一路”沿线的中亚、中东国家广泛分布有高离散性岩土颗粒材料。因此，更好地掌握岩土颗粒材料的力学行为及基于此的性能优化设计符合交通工程的高质量发展需求和区域平衡发展趋势。为此，课程教学需要重点突出现有土力学框架在土的物理力学指标、变形、强度等多个方面对土的离散性的考虑及其局限性。

（二）  复杂动力环境下土的力学行为

交通土工基础在服役期主要承受载运工具的长期动力荷载作用，动变形控制和长期动力稳定性是其主要考虑的方面，特别是交通荷载日益复杂的趋势下。例如，随着车速的不断提高，土中动荷载的频率也在不断增加[6]，会诱发岩土颗粒材料新的响应[7-8]；多层次、立体化交通线路也使得土体所受应力路径越加复杂。土力学教学需要兼顾交通工程建设和服役期的需求，因此需要同时考虑静、动力两方面的内容。

（三）  长期沉降和不均匀沉降

交通土工基础长线性结构在跨越不同地层时，由于地基土压缩性的差异，线路会出现不均匀沉降。除此之外，地基高程与线路高程设计引起的填料厚度差异，以及路基-桥涵等不同基础结构型式之间的过渡，都是不均匀沉降产生的客观前提。当不均匀沉降过大时，不仅会影响行车舒适度，还会改变基础的受力状态，进而诱发其他病害。因此，课程教学需要加强土的压缩性原理、测试方法、沉降计算方面的内容。

二  探索适应交通工程专业研究生培养的特色内容

研究生阶段随着学习深度的增加，在有限的课时下，适度聚焦是必然趋势。与此同时，随着知识的累积，也具备了从更大的视角下重新构建知识框架的时机。为此，结合交通工程所涉土力学问题的特点，设计相应的特色内容和课程运行方案，包含两部分：一是针对岩土颗粒材料及其复杂动力行为的内容设计，在本节展开；二是针对相对传统的沉降计算部分，主要以习题创新的方式，旨在训练学生的全局思维和知识的立体化架构能力，具体见第3节。

（一）  增加颗粒材料细观力学量化分析

岩土颗粒材料最大的特点是不符合连续性假设，也很难满足均匀性和各向同性条件。现有土力学理论体系中，在描述土的物理力学性质时充分考虑了离散性的影响，但在应力、变形、强度等计算过程中对离散性影响的考量仍不足。围绕土的离散性，国内外学者开展了大量试验和数值模拟研究，可用于辅助讲解岩土颗粒材料宏观力学行为背后的过程和机理，直观展现土力学假设的影响。例如，多个单元体试验所得应力应变曲线、剪切带形位等均有所差异，从细观力链角度能够更好地辅助理解这些宏观现象[9]。地基中附加应力通常采用连续介质力学方法进行计算，但岩土颗粒材料不符合连续性假设，结合细观力链的空间分布和应力分级，可以直观展示出外荷载在颗粒材料中的分布特点，即总体上表现为类似于“应力泡”的分布型式，但局部分布非常不均匀[10]。

（二）  增加张量的基本运算及应用

土中一点的力学状态是复杂的，直观表示为三维空间中的不同分量，也可更简洁地表示为应力、应变等的张量。张量的信息密度更高，在国际学术界的使用日益广泛。因此，实际授课过程中结合学生的实际接受情况，适度加入张量部分内容，有助于提高土力学与弹塑性力学、颗粒物质细观力学等的融合，也符合国际学术交流的实际诉求。例如，介绍张量的定义、基本变换、运算法则，基于张量的土中一点的主应力、应力不变量的求解，本构关系的张量表示等。

（三）  以研促教，激发思考

创新能力是研究生培养的核心要求和关键目标之一。因此，及时展现本学科与土力学交叉领域的前沿成果，有助于激发学生思考、提升学习热情，为新思路的萌发创造条件。例如，以往针对行车荷载下土体动力特性的分析中考虑的荷载频率较低，而随着行车速度的不断提升，研究人员发现轨下土工基础中存在高频荷载分量[6]，可能给工程结构稳定带来不确定性风险。为此，国内外学者研制了可实现高频低幅加载的三轴仪[7]，并发现在一定的静偏应力状态下，附加高频低幅循环荷载会引起土样变形明显增大[7]；土-结构界面也存在类似的现象[8]。现行的土力学理论尚未纳入对这一现象的考虑，仍处于持续研究中，因此是青年学者可为之努力的一个研究方向。

三  创新习题模式，增强师生互动

基于人工智能的语言模型虽然提高了知识获取的便利性，但也存在弊端，例如不利于系统性思维和独立思考，可能改变科研成果的写作模式，也会增加课后习题、考核等的评价难度。特别是以往基于内容和知识点的考核，答案可能千篇一律，会凸显人工智能语言模型在育人过程中的弊端。为此，提出“开放式习题”的策略，尝试开展更多的逻辑性思维训练，从源头上提供深层思考和构建个性化知识框架的必要条件。

（一）  开放式“知识点”命题，侧重全局思维培养

课后作业或开卷考试中，可采用已知条件不足的方式，如缺失前提假设或边界条件或参数等，需要学生意识到条件不足，并合理假设所需条件后进行解答。开放式“知识点”命题有助于训练并考查学生对知识点整体的掌握情况，包含原理、假设或前提、典型土体主要参数的一般取值范围，这对于实践性强的土力学学习至关重要。