陳志雄 仉文崗 丁選明 周航 肖楊

摘要：針對土木工程專業(yè)工程教育專業(yè)認證要求，以重慶大學(xué)土力學(xué)課程為例，采用大數(shù)據(jù)技術(shù)分析土力學(xué)課程目標(biāo)達成情況，并根據(jù)評價結(jié)果提出教學(xué)改進建議。實踐證明，大數(shù)據(jù)技術(shù)能夠為科學(xué)評價專業(yè)課程目標(biāo)達成情況，以及推動本科工程教育的高質(zhì)量發(fā)展提供新的思路。

關(guān)鍵詞：目標(biāo)達成情況;土力學(xué);大數(shù)據(jù);機器學(xué)習(xí)方法;課程建設(shè)

中圖分類號：G6420;TU43 ? 文獻標(biāo)志碼：A ? 文章編號：1005-2909（2021）06-0137-07

2016年，我國正式加入國際工程教育《華盛頓協(xié)議》組織，標(biāo)志著工程教育質(zhì)量認證體系實現(xiàn)了國際實質(zhì)等效，工程專業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)得到國際認可，成為我國高等教育的一項重大突破[1]。重慶大學(xué)作為“雙一流”建設(shè)高校，積極貫徹“學(xué)生中心、產(chǎn)出導(dǎo)向、持續(xù)改進”三大理念，主動對標(biāo)《華盛頓協(xié)議》和中國工程教育認證標(biāo)準(zhǔn)要求，修訂培養(yǎng)目標(biāo)、重組課程體系、深化課堂改革、明晰教師責(zé)任、健全評價機制、完善條件保障，著力建設(shè)持續(xù)改進的質(zhì)量文化，人才培養(yǎng)質(zhì)量明顯提升[2]。

開展工程教育專業(yè)認證，其中一個重要環(huán)節(jié)是課程目標(biāo)達成情況評價，及其支撐的畢業(yè)要求達成情況評價。土力學(xué)課程是重慶大學(xué)土木工程專業(yè)的必修專業(yè)基礎(chǔ)課，該課程主要研究工程土體的強度、變形、滲流，主要內(nèi)容有：土體的物理性質(zhì)和三相比例指標(biāo);土體的工程類別和主要特性;水在土體中滲流引發(fā)的工程問題和對策;地基中應(yīng)力的理論解和分析方法;地基沉降的分析計算方法;有效應(yīng)力原理和一維固結(jié)理論;土體強度的影響因素;土壓力的分類和計算;土坡穩(wěn)定性的分析方法;地基承載力的確定等。在土木工程領(lǐng)域，土力學(xué)理論知識主要用于保證地基、邊坡和基坑的安全穩(wěn)定。

通過該課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠掌握工程土體的強度、變形和滲透特性，進而分析地基基礎(chǔ)和邊坡穩(wěn)定方面的工程問題，為后續(xù)基礎(chǔ)工程等專業(yè)課程學(xué)習(xí)打下堅實基礎(chǔ)。當(dāng)前，隨著信息化浪潮的到來和計算機技術(shù)的突飛猛進，我國已正式步入大數(shù)據(jù)時代[3-6]。本文結(jié)合工程教育認證理念，采用大數(shù)據(jù)技術(shù)中的機器學(xué)習(xí)模型，分析土力學(xué)課程目標(biāo)達成情況，為根據(jù)評價結(jié)果給出教學(xué)改進建議提供思路。

一、土力學(xué)課程對畢業(yè)要求的支撐關(guān)系設(shè)計

（一） 土力學(xué)課程支撐的畢業(yè)要求指標(biāo)點

根據(jù)工程認證的畢業(yè)要求通用標(biāo)準(zhǔn)，考慮到土木工程專業(yè)的特色和定位，制定了10條畢業(yè)生應(yīng)在知識、能力、素質(zhì)方面達到的基本要求，主要包括：（1）工程知識;（2）問題分析;（3）設(shè)計（開發(fā)）解決方案;（4）研究;（5）使用現(xiàn)代工具;（6）工程與社會;（7）環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展及職業(yè)規(guī)范;（8）團隊合作及溝通能力;（9）項目管理;（10）終身學(xué)習(xí)等。土力學(xué)課程主要支撐以下4個分指標(biāo)點。

指標(biāo)點（1）（2）：掌握土木工程專業(yè)必須具有的工程基礎(chǔ)知識，能夠針對具體的對象建立力學(xué)、數(shù)學(xué)模型并求解。

指標(biāo)點（2）（3）：能應(yīng)用專業(yè)基本原理，分析土木工程專業(yè)復(fù)雜工程問題及其影響因素，結(jié)合文獻研究獲得合理結(jié)論。

指標(biāo)點（4）（3）：能對實驗結(jié)果進行分析和解釋，并通過信息綜合得到合理結(jié)論。

指標(biāo)點（8）（1）：能夠獨立承擔(dān)專項任務(wù)，并能在團隊中承擔(dān)成員或領(lǐng)導(dǎo)角色，具有良好的合作意識和協(xié)作精神，能夠參與、組織和協(xié)調(diào)團隊開展工作。

（二） 土力學(xué)課程的課程目標(biāo)設(shè)計

針對土力學(xué)課程支撐的上述畢業(yè)要求分指標(biāo)點，土力學(xué)課程負責(zé)人、教學(xué)小組在課群組組長、學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)和工程認證專家的指導(dǎo)下初步設(shè)計課程目標(biāo)。

課程目標(biāo)1：能夠完成常見土工實驗，通過實驗和信息綜合，識別常見工程土類別，獲得和合理選用常見土體性能指標(biāo)，能指出常見土類的工程性能特征。

課程目標(biāo)2：掌握土力學(xué)基本理論和相關(guān)工程基礎(chǔ)知識，能針對土體的強度、變形和滲流等相關(guān)工程問題，建立土力學(xué)模型并求解。

課程目標(biāo)3：能夠應(yīng)用土力學(xué)原理，結(jié)合文獻研究，在常規(guī)地基、邊坡等相關(guān)土體工程中，識別、分析與土相關(guān)的復(fù)雜工程問題，并能夠獲得合理的結(jié)論。

課程目標(biāo)4：開展土工實驗和小組合作，能夠承擔(dān)成員和組長角色，具備職業(yè)精神與責(zé)任，能夠與他人合作完成土工實驗和研討報告。

（三） 土力學(xué)課程的支撐關(guān)系分析

課程目標(biāo)1主要用于支撐畢業(yè)要求指標(biāo)點（4）（3），使學(xué)生能夠基于科學(xué)原理、采用科學(xué)方法對土木工程專業(yè)土力學(xué)的復(fù)雜工程問題進行研究，包括設(shè)計土力學(xué)實驗，以及采集、處理、分析與解釋數(shù)據(jù)，通過信息綜合提出合理有效的結(jié)論。課程目標(biāo)2主要用于支撐畢業(yè)要求指標(biāo)點（1）（2），讓學(xué)生具有數(shù)學(xué)、自然科學(xué)、土木工程專業(yè)基礎(chǔ)和專業(yè)知識，并能用于解決土木工程專業(yè)特別是有關(guān)土力學(xué)的復(fù)雜工程問題。課程目標(biāo)3主要用于支撐畢業(yè)要求指標(biāo)點（2）（3），要求學(xué)生能夠應(yīng)用數(shù)學(xué)、自然科學(xué)原理和土木工程專業(yè)基礎(chǔ)理論及專業(yè)知識，結(jié)合文獻研究，正確識別、表達和分析土木工程專業(yè)中的復(fù)雜工程問題，獲得合理結(jié)論。課程目標(biāo)4主要用來支撐畢業(yè)要求指標(biāo)點（8）（1），使學(xué)生能夠在多學(xué)科背景的團隊中擔(dān)當(dāng)個體、隊員和負責(zé)人的角色，能就復(fù)雜工程問題與同行和社會公眾進行有效的溝通和交流;具備一定的國際視野，能夠在跨文化背景下進行溝通和交流。

二、基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的課程目標(biāo)達成情況評價

大數(shù)據(jù)是信息化發(fā)展的新階段。通過系統(tǒng)地測量、收集、處理數(shù)據(jù)，再對這些數(shù)據(jù)進行嚴格的統(tǒng)計、分析和檢驗，就有可能發(fā)現(xiàn)一些現(xiàn)象背后隱藏的規(guī)律。在土力學(xué)課程建設(shè)中，嘗試結(jié)合大數(shù)據(jù)技術(shù)，將數(shù)據(jù)科學(xué)中最流行的機器學(xué)習(xí)模型，例如Lasso模型、RF模型、XGBoost模型等引入土力學(xué)課程教學(xué)目標(biāo)達成情況的評價中。Lasso模型（Least absolute shrinkage and selection operator） [7]能夠自動進行變量篩選和模型復(fù)雜度調(diào)整，從而應(yīng)對“過度擬合”的問題。RF模型（Random Forest，隨機森林）[8]采用的是以隨機構(gòu)建的決策樹為基學(xué)習(xí)器的集成學(xué)習(xí)算法，具有精度高、計算速度快、泛化性能好，能夠處理高維數(shù)據(jù)的優(yōu)點。XGBoost模型（eXtreme Gradient Boosting）[9]保留了隨機采樣、隨機屬性選擇、自適應(yīng)學(xué)習(xí)率等算法，能夠解決數(shù)據(jù)缺失和大規(guī)模并行計算問題。研究成果可以用于分析教學(xué)過程對目標(biāo)達成情況的影響，指導(dǎo)教學(xué)團隊有針對性地加強薄弱環(huán)節(jié)。

土力學(xué)課程目標(biāo)達成情況評價采用平時考核和期末考核得分作綜合分析的方法，計算公式為：課程目標(biāo)達成情況=平時考核30%+期末考核70%，若達成情況高于 0.6，則評價結(jié)果為達成，否則為未達成。其中，平時考核包含：作業(yè)（42%）+實驗考核（38%）+課堂研討匯報（20%）。期末考核為閉卷考試，包括選擇題（15%）+判斷題（15%）+名詞解釋（5%）+簡答題（25%）+計算題（40%）。使用大數(shù)據(jù)技術(shù)中的三種機器學(xué)習(xí)模型，對2019—2020學(xué)年第一學(xué)期全年級土力學(xué)課程教學(xué)目標(biāo)達成情況進行分析。數(shù)據(jù)集來自全年級354名學(xué)生的記錄，每位學(xué)生包括20個輸入變量和1個輸出變量（總目標(biāo)達成情況），如表1所示?？倲?shù)據(jù)集中隨機選擇80%的數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練集，其余20%的數(shù)據(jù)作為測試集。根據(jù)對考試及平時考核的分析，將最后成績（包括考試、作業(yè)、研討、實驗）按照教學(xué)章節(jié)進行匯總，分別為：第1章土的物理性質(zhì)和工程特征、第2章土的滲流模型與應(yīng)用、第3章土中應(yīng)力分析模型和求解、第4章土的壓縮特性和沉降計算模型、第5章土的抗剪強度模型與應(yīng)用、第6章土壓力的分析與計算、第7章土坡穩(wěn)定性的分析、第8章地基承載力的分析確定。土力學(xué)課程教學(xué)目標(biāo)達成情況的大數(shù)據(jù)分析輸入、輸出變量如表 1所示。分別計算出目標(biāo)1—目標(biāo)4在平時考核和期末考核的得分，加權(quán)得到“得分總和”（平時考核占30%，期末考核占70%，滿分為100分），則總目標(biāo)達成情況=“得分總和”/100.0。

圖1顯示了各輸入變量統(tǒng)計之后的相關(guān)性矩陣熱力圖。圖中顏色越深的部分其數(shù)值越大，表示對應(yīng)的兩個輸入變量的相關(guān)性越大?？梢钥吹接休^多的變量之間相關(guān)性系數(shù)超過0.6，說明輸入變量之間存在多重共線性問題。在這種情況下，不能簡單地使用常規(guī)的線性回歸來分析數(shù)據(jù)。多重共線性問題是指線性回歸模型中的解釋變量之間，由于存在精確相關(guān)關(guān)系或高度相關(guān)關(guān)系而使模型估計失真或難以估計準(zhǔn)確。如果各個自變量x之間有很強的線性關(guān)系，就無法固定其他變量，難以找到x和y之間真實的關(guān)系。當(dāng)出現(xiàn)共線性問題時，可能導(dǎo)致回歸系數(shù)的符號與實際情況完全相反，本應(yīng)該顯著的自變量不顯著，本不顯著的自變量卻呈現(xiàn)出顯著性。共線性問題會導(dǎo)致數(shù)據(jù)研究出現(xiàn)嚴重偏差甚至完全相反的結(jié)論。

通過對建立的Lasso模型、RF模型、XGBoost模型進行參數(shù)調(diào)試，訓(xùn)練得到具有最優(yōu)參數(shù)的模型。圖 2為使用調(diào)試獲得的最優(yōu)參數(shù)時，XGBoost模型在訓(xùn)練集和測試集上面的總目標(biāo)達成情況預(yù)測值和真實值對比圖。因為文章篇幅原因，文中只給出了XGBoost模型的結(jié)果?？梢钥吹酱蟛糠值狞c都落在了對角線附近，只有少數(shù)幾個點超出了正負誤差10%的范圍。對于訓(xùn)練集和測試集，可決系數(shù)R2分別達到了0.995和0.983（R2=1.0為完美值）。圖 3 為XGBoost模型在訓(xùn)練集和測試集上面的相對誤差，可以看出，絕大多數(shù)的點都落在了誤差正負10%的范圍之內(nèi)。說明訓(xùn)練完成的XGBoost模型對本次研究的問題具有較好的性能。

圖4給出了訓(xùn)練好的XGBoost模型分析得到的各輸入變量對總目標(biāo)達成情況影響的重要性排序，篩選了排名前10的變量進行繪圖，以百分比來表示，最重要的參數(shù)具有100%的重要性。可以看到各變量之中T4的重要性最高，T1（79%）和T5（78%）的重要性分別排在第二和第三，接下來重要性遞減的分別為T6、T7、E1、T2、D1、T8、T3，其重要性程度從70%遞減到25%。

表2給出了使用Lasso、RF、XGBoost模型各輸入變量對總目標(biāo)達成情況影響的重要性，并且給出了三個模型計算結(jié)果的平均值。圖 5給出了各輸入變量對總目標(biāo)達成情況影響重要性的平均值排序，從左到右重要性依次降低。從表2和圖5可以看出，T4（第四章在試卷中的得分匯總）對課程總體目標(biāo)影響的重要性最大，達到83%，T5（第五章在試卷中的得分匯總）對課程總體目標(biāo)的影響重要性次之，達到49%。重要性排在第三、第四名的是T1（第一章在試卷中的得分匯總）和T6（第六章在試卷中的得分匯總），分別為45%和44%。其對應(yīng)的章節(jié)分別為：第4章土的壓縮特性和沉降計算模型、第5章土的抗剪強度模型與應(yīng)用、第1章土的物理性質(zhì)和工程特征、第6章土壓力的分析與計算。從分析結(jié)果可以看到，為了進一步提高教學(xué)目標(biāo)達成情況的影響力，首先需要把第4章、第5章、第1章、第6章作為改進的重點。另外可以看出，排名緊隨其后的E4（第四章在實驗中的得分匯總）重要性為39%、H5（第五章在作業(yè)中的得分匯總）重要性為36%。這與排名第一的T4、T5一起再次證明第四章、第五章對總體目標(biāo)達成情況的影響十分重要。結(jié)合實際內(nèi)容發(fā)現(xiàn)，這部分內(nèi)容屬于教學(xué)的難點，但是又是工程上經(jīng)常會遇到的較為常見的計算。因此建議在以后的教學(xué)工作中結(jié)合實際工程案例，讓學(xué)生明白此部分知識的重要性和實用性，并且參考實際的計算來提高學(xué)生對此知識的掌握程度。

三、結(jié)語

工程教育專業(yè)認證是國際通行的工程教育質(zhì)量保證制度和國際互認的重要基礎(chǔ)。課程目標(biāo)達成情況評價是工程教育專業(yè)認證對教學(xué)實施效果的質(zhì)量分析。隨著大數(shù)據(jù)技術(shù)的飛速發(fā)展，大數(shù)據(jù)已經(jīng)融入高等教育的各環(huán)節(jié)。本文將重慶大學(xué)土力學(xué)課程與大數(shù)據(jù)技術(shù)相結(jié)合，對課程達成情況的評價機制、評價方法、數(shù)據(jù)來源、評價結(jié)果與教學(xué)改進反饋等進行了分析，為建立工程教育認證的目標(biāo)達成情況評價體系提供科學(xué)支撐。

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Abstract： According to the requirements of engineering education certification， the achievement of curriculum objectives of Soil Mechanics in Chongqing University was analyzed using big data method. The suggestions for teaching improvement are provided based on the evaluation results. It is proved that big data analysis can provide new perspective for scientifically evaluating the achievement of curriculum objectives and promoting the high-quality development of undergraduate engineering education.

Key words： achievement of curriculum objectives; soil mechanics; big data; machine learning method; course construction

（責(zé)任編輯 王 宣）

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