傅旭東 司馬軍 劉芙蓉 鄒勇

摘要：新一輪科技革命和產業(yè)變革對工程教育的改革與發(fā)展提出了新的挑戰(zhàn)，新工科正是對這一挑戰(zhàn)和要求的積極回應，在實踐教育過程中培養(yǎng)大學生的工程創(chuàng)新能力是土木工程專業(yè)新工科建設的重點。以武漢大學為例，針對目前普遍存在的重理論和輕實踐、不重視創(chuàng)新能力培養(yǎng)的現(xiàn)狀，探索土力學課程的實踐教學改革。構建第一課堂、第二課堂和課堂外實踐教學的“三課堂”協(xié)同育人體系，提出“三課堂”的具體建設內容，探討構建實踐教學體系的關鍵問題，介紹具體保障措施和教學改革經驗與效果。

關鍵詞：新工科;土力學課程;實踐創(chuàng)新能力;實踐教學體系

中圖分類號：G642.0;TU43 ? 文獻標志碼：A ? 文章編號：1005-2909（2021）06-0168-07

為了應對產業(yè)轉型升級與新舊動能轉換，以及未來全球競爭力的提升等一系列挑戰(zhàn)，我國開始推進“中國制造2025”“互聯(lián)網(wǎng)+”和“一帶一路”倡議，要求面向產業(yè)、面向世界、面向未來培養(yǎng)工程人才。新工科建設正是對這一挑戰(zhàn)與要求的積極回應[1]，新工科的建設與發(fā)展成為推動我國工程教育改革創(chuàng)新的迫切需要。

土木工程學科在我國經濟建設中一直發(fā)揮著重要作用，但目前面對行業(yè)轉型升級、新業(yè)態(tài)發(fā)展需求和激烈的國際競爭，特別是互聯(lián)網(wǎng)和人工智能對其產生了顛覆性影響，急需面向未來發(fā)展對傳統(tǒng)土木工程學科進行轉型改造，使其成為新工科。土木工程新工科人才培養(yǎng)目標可概述為[2]：面向行業(yè)需求和未來發(fā)展，培養(yǎng)具有實踐創(chuàng)新能力、跨界整合能力的高素質交叉復合型人才;工程創(chuàng)新能力是新工科人才的首要能力要求[3]，也是新工科創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的重要任務。工程創(chuàng)新能力是實踐創(chuàng)新能力和工程整體觀的綜合體現(xiàn)，高校已普遍意識到實踐教學對新工科建設的重要性，正在深化實踐教學改革和構建科學的實踐教學體系。

目前，我國高校土木工程人才培養(yǎng)不注重從頂層構建實踐教學體系，實踐教學體系建設滯后于新工科的發(fā)展，實踐創(chuàng)新能力的培養(yǎng)未能得到充分體現(xiàn);學術研究型人才培養(yǎng)中普遍存在重理論和輕實踐，以及忽視工程整體觀等弊端;實踐教學沒有落實到具體的課程中去，實效性不高。因此，將以課堂傳授知識為主轉變?yōu)橐耘囵B(yǎng)實踐創(chuàng)新能力為主，推進新工科背景下土木工程實踐教學的改革是十分必要的。

為適應形勢發(fā)展的需要，更好地發(fā)揮綜合性大學的優(yōu)勢，武漢大學土力學課程組遵循“創(chuàng)造、創(chuàng)新、創(chuàng)業(yè)”的教育理念，針對目前普遍存在的重理論和輕實踐、不重視創(chuàng)新能力培養(yǎng)的現(xiàn)狀，積極探索實踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)的有效途徑。在1項省部級教學研究項目和5項校級教學研究項目的資助下，經過近5年時間完成了土力學課程實踐教學的改革與實踐。教學中基于新工科理念明確課程實踐教學的人才培養(yǎng)目標和定位，利用多種不同教學環(huán)境和教學資源在人才培養(yǎng)方面的各自優(yōu)勢，構建第一課堂（課堂內）、第二課堂和課堂外實踐教學的“三維一體”實踐教學體系;完善實踐教學的管理制度，提出實踐教學質量的保障措施。本文介紹了新工科背景下武漢大學土力學課程實踐性教學體系的構建與實踐效果，為相關的實踐教學改革提供借鑒與參考。

一、土力學課程實踐教學體系的構建

土力學課程是土木類、水利類專業(yè)的核心課程，也是交通、環(huán)境和礦山專業(yè)的重要專業(yè)基礎課程[4]。土力學課程與多門學科交叉，具有理論性、綜合性、實踐性均很強的特點，是培養(yǎng)學生實踐創(chuàng)新能力的理想課程及平臺。

武漢大學土力學課程主要服務于土木類、水利類和工程力學各專業(yè)，每年約600人選修土力學理論課和土力學試驗課，具有較重要的地位。實踐教學體系是新工科人才培養(yǎng)目標得以落實的主要載體，因此，選取具有代表性的土力學課程進行實踐教學的改革與實踐，綜合多種不同的教學環(huán)境和教學資源，構建 “三維一體”實踐教學體系，以解決學生的實踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)和個性化培養(yǎng)問題。

“三維一體”多層次的實踐教學體系如圖1所示[5]。在構建土力學課程實踐教學體系時，著力推進第一課堂（課堂教學）、第二課堂（講座、競賽等）和第三課堂（課外實習、實踐）的協(xié)同育人，即以第一課堂為主體，以第二課堂和第三課堂為輔進行實踐教學模式的改革，并做好三個課堂的教學銜接，為實踐創(chuàng)新能力的培養(yǎng)提供更好的課堂教學支撐。

（一） 第一課堂

第一課堂即課堂內實踐教學，根據(jù)土力學課程特點[6]和教學經驗，總結出如下三大課程教學難點。

（1）土力學課程的理論性和實踐性均很強，初學者總感到難以掌握，認為理論不夠嚴密而予以輕視，往往重理論、輕實踐[7]，因此，如何做到理論聯(lián)系實際，增強學生的感性認識，提高學生學習興趣是教學的重點。

（2）在土力學課程教學中引入新工科元素，需要解決課程內容增多與課時減少之間的矛盾，教學中應按照教學大綱的要求，堅持“少而精”的原則，著重解決課程教學的重點和難點，提高學生學習效果。

（3）土力學是與工程實踐緊密聯(lián)系的學科，應著力思考如何培養(yǎng)學生的實踐創(chuàng)新能力。首先要確立科學的課程教學理念，融入新工科元素和課程思政要素，對課程內容進行重構，明確課程教學難點;以學生為中心，堅持以問題為導向來構建實踐教學體系，并對實踐教學模式進行改革。

一是以觀念轉變來推動人才培養(yǎng)質量的提升，提出“精講多練，理論與實踐并重，注重創(chuàng)新能力培養(yǎng)，面向一流水準”的理念。

二是基于CDIO模式對教學內容進行設計，根據(jù)學生的認知、學習規(guī)律來進行教學內容的結構編排，以學生自主學習為中心來設計呈現(xiàn)形式和思維訓練方式，如圖2所示[5]。

三是采用研究性、啟發(fā)式和引導式教學方法，以及微助教和多媒體教學手段，強化形象化教學，力求理論與實踐并重，解決學時不足的難題。

四是采用微格教學法，融入導言、學習目標、前測、參與式學習、后測、總結等六要素，強化學生的自主性和互動性學習。

第一課堂是專業(yè)教學的主陣地和實踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)的主要途徑，第一課堂由理論教學和實驗教學組成。土力學是一門理論性和實踐性均很強的學科，土力學理論離開了土工試驗和測試就無法發(fā)展，土工試驗如果離開了土力學理論的指導也就失去了意義，因此理論教學和實驗教學這兩者是相輔相成的。理論教學為2.5學分40學時，實驗教學為0.5學分12學時。

實踐教育的重要性體現(xiàn)在人才培養(yǎng)的各方面和全過程，它不僅是指具體的實踐，而且還包括理論闡述與實踐的緊密結合，要盡可能地縮短理論教學與實際應用的距離。因此，在理論教學時應采用案例教學、演示實驗和企業(yè)導師講解典型案例等多種形式的互動教學模式。

實驗課由基本試驗、綜合性實驗和創(chuàng)新性實驗組成?；驹囼灠ㄈ齻€基本物理性質指標的測定、界限含水率試驗、直接剪切試驗、擊實試驗和滲透試驗。這些試驗屬于單項試驗，綜合程度不夠。綜合性實驗為“擋土墻土壓力的測試與研究”，該實驗綜合程度高，針對部分基礎較扎實、求知欲較強的大三學生開設，旨在強化其實驗動手能力，加強工程實踐方面的訓練。學生通過自行設計試驗和試驗過程，對試驗成果進行整理和分析，促使學生將理論與實踐相結合，培養(yǎng)其實踐創(chuàng)新能力。創(chuàng)新性實驗是結合實際科研項目來進行，通過把科研和學科帶頭人等優(yōu)質師資引入實踐教學，引導學生主動參與這些教師的科研項目，旨在把最新科研成果轉化為實踐教學內容，形成實踐教學與科研平臺“共享式”的開放模式。

（二）第二課堂

第二課堂是課堂教學的延伸，它作為大學生創(chuàng)新能力培養(yǎng)和素質拓展的重要載體，在培養(yǎng)創(chuàng)新意識、科學精神、團隊合作等方面有著重要的作用。第二課堂具有靈活、廣泛、新穎的特質，其育人作用是第一課堂無法替代的，因而第二課堂越來越受到廣泛重視，是實踐創(chuàng)新人才培養(yǎng)的重要教育教學環(huán)節(jié)。武漢大學土力學課程第二課堂主要由專家講座、全國大學生巖土工程競賽和大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計劃項目等組成，具體內容及要求如下。

1.定期聘請企業(yè)導師開展專題講座

新工科工程教育模式與傳統(tǒng)教學模式的區(qū)別在于：前者更加注重對學生工程創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，要求建立和完善校內外實訓基地。目前，武漢大學已形成國家工程實踐教育中心（武漢大學—中鐵十一局集團有限公司國家工程實踐教育中心）、省級示范實習實訓基地（武漢大學—中鐵大橋局集團有限公司湖北高校省級示范實習實訓基地、武漢大學—中國建筑第三工程局有限公司湖北高校省級實習實訓基地）和院級創(chuàng)新訓練中心的三層次實踐教學平臺，聘請校外企業(yè)實訓基地的工程師作為企業(yè)導師，定期給大學生舉辦專題講座，拓寬學生的知識面。

2.以學科競賽促進實踐創(chuàng)新能力的培養(yǎng)

全國大學生巖土工程競賽由高等學校土木工程學科教學指導委員會和中國土木工程學會土力學及巖土工程分會共同舉辦，每兩年一屆，旨在強化青年學生的創(chuàng)新意識，提高對巖土工程及相關學科的學習興趣，鍛煉學生的動手實踐能力，培養(yǎng)學生的協(xié)作精神，促進不同高校學生間的溝通交流。該競賽在土木工程領域有較廣泛的影響力，被武漢大學列入大學生學科競賽立項項目，組織大學生參加了第2-4屆競賽。在參加歷屆競賽的過程中，形成“以課程教學為基礎、競賽項目為載體和技術訓練為手段”的競賽培養(yǎng)模式，以夯實實踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)的基礎。具體舉措如下。

（1）全國大學生巖土工程競賽是以土力學理論為基礎的學科競賽，通過該項競賽整合課內外的實踐教學環(huán)節(jié)，增強競賽內容與課堂教學深層次的融合，提高學生的自主學習能力。

（2）深化學科競賽機制的改革，充分利用學校和學院的綜合實踐實訓平臺，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神、團隊意識和實踐能力，強化個性化培養(yǎng)。

3.開展創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練項目

創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目由國家級、省級和校級三個層次組成，旨在加強對大學生實踐創(chuàng)新能力的訓練，增強其創(chuàng)新能力，以及在創(chuàng)新基礎上的創(chuàng)業(yè)能力，培養(yǎng)適應創(chuàng)新型國家建設需要的高水平創(chuàng)新人才。武漢大學最早提出“創(chuàng)造、創(chuàng)新、創(chuàng)業(yè)”教育理念，十分重視大學生實踐創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，并形成國家、學校和學院三級大學生實踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)體系，具體舉措如下。

（1）在土力學課程教學中，通過布置綜合性題目，以及從工程問題或試驗現(xiàn)象引出問題，引導學生查閱資料和文獻并形成科研課題，申報國家級、省級和校級的大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練項目。

（2）通過開展創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練項目，促使學生較早掌握基本科研技能，具備一定的科研動手能力和善于分析問題、解決問題的能力，培養(yǎng)學生的實踐創(chuàng)新能力。

（三）課堂外實踐教學

課堂外實踐教學是理論聯(lián)系實際的重要環(huán)節(jié)，它對學生的科研能力、創(chuàng)新意識和綜合能力的培養(yǎng)十分重要，課堂外實踐教學由現(xiàn)場教學與參觀、研究型學習訓練和課程設計組成。

1.現(xiàn)場教學與參觀

實踐教學改革后的突出變化是：減少學生觀看教師操作的演示性實驗，增加學生親自參與現(xiàn)場試驗的內容。土力學課程教學中對土的工程性質的認識，最直觀的方法就是進行原位測試。近年來課程組申請購買了扁鏟式側脹儀、原位土體孔內剪切儀、T-bar與ball-bar貫入儀等原位測試設備進行現(xiàn)場教學，為學生開展創(chuàng)新型實驗和研究型學習提供了條件，取得了學以致用、融會貫通的良好效果，有利于為“一帶一路”倡議和海洋強國戰(zhàn)略培養(yǎng)更多優(yōu)秀的新工科人才。

2.研究型學習

將指導學生開展研究型學習作為課程教學任務，指導教師可將教師科研項目中的前沿性內容轉化為大學生的科研項目，也可以精心選擇與課程密切相關的典型工程實例和工程現(xiàn)象，經過簡化及抽象后引出相關課題，如按應力比與沉降比確定的地基沉降計算深度課題、負超孔隙水壓力引起的固結課題、非極限土壓力課題等，然后設定所要學習掌握的目標并提出問題，要求學生課后完成。

3.課程設計

傳統(tǒng)的課程設計由房屋建筑學設計、鋼筋混凝土結構設計、鋼結構設計、基礎工程設計、施工組織設計等組成，這一安排不利于學生建立全局的工程視角和系統(tǒng)的知識體系?；凇按蠊こ逃^”[8]將上述課程設計融合為一門課程設計，針對大三第二學期的本科生開設，學生分組開展課程設計，其中包含地基土體力學參數(shù)取值、承載力和沉降計算等與土力學課程密切相關的課程設計內容，由土力學課群組教師負責指導，這樣更有利于培養(yǎng)學生建立全局的工程視角和系統(tǒng)的知識體系。

與其他課程交叉融合，搭建智能實訓平臺，與企業(yè)合作制作典型工程案例庫，供學生課后學習。實訓內容包括工程技術方案演示和施工管理方法操作，前者以動畫演示的方式幫助學生了解工藝過程，如地基處理中的排水固結法、基坑支護技術等;后者以場景模擬的方式，提升學生的工程實踐能力，引導學生建立工程整體觀。

二、 實踐教學體系的保障措施

（一）實踐教學改革與實踐的關鍵舉措

為了凸顯實踐教學的地位與作用，采取了如下舉措。

（1）重視教師的主導作用，切實抓好課堂教學、實驗教學、現(xiàn)場參觀、課程設計、學生課外研究訓練等實踐教學“五環(huán)節(jié)”[9]，讓學生親歷完整的實踐過程。

（2）融入課程思政，重視職業(yè)素養(yǎng)的培育，堅持立德樹人。努力做到實踐教學與國家需求和生產實踐相結合，與思想品德教育相結合，與大學文化建設相結合，與教師隊伍建設相結合，切實培養(yǎng)學生的職業(yè)道德和愛國情懷，堅持傳承實踐教學的良好傳統(tǒng)。

（3）重視第二課堂建設，采取以課程教學為基礎、競賽項目為載體、技術訓練為手段的“三位一體”培養(yǎng)模式，將相關的多學科理論知識進行融合并創(chuàng)新應用，以解決競賽難題。

（4）依托國家級工程實踐教育中心、省級示范實習實訓基地和院級創(chuàng)新訓練中心，搭建三層次實踐教學平臺;把科研骨干和學科帶頭人等優(yōu)質師資引入實踐教學中，把最新科研成果轉化為實踐教學內容，形成實踐教學與科研平臺“共享式”的開放模式;自行研發(fā)數(shù)臺創(chuàng)新性土工儀器，用于學生研究訓練項目。

（5）實踐教學與育人過程緊密結合。自始至終、一點一滴向學生灌輸勇于擔當、追求卓越的專業(yè)思想，培養(yǎng)學生嚴謹?shù)目茖W態(tài)度、無私的奉獻精神和高度的責任感。

（二）高水平的師資隊伍是實踐教育質量的根本保障

新工科建設需要一支工程經驗豐富、教學水平高、綜合素質高的教師隊伍，實踐教育的成效依賴于教師隊伍的實踐教育能力，因此，除了聘請經驗豐富的企業(yè)導師外，始終把提高教師隊伍自身的通識教育和實踐教育能力，作為培養(yǎng)學生實踐創(chuàng)新能力的關鍵抓手做實做好。

1.提高教師隊伍的課程思政能力和實踐教育能力

加強教師隊伍建設是培養(yǎng)土木工程新工科人才的關鍵所在，采取的措施：一是提高教師隊伍的“課程思政”能力，抓好“課程思政”教學設計，做到課程門門有思政，教師人人講育人。同時培養(yǎng)教師的敬業(yè)精神和職業(yè)道德，讓教師成為學生道德品質修養(yǎng)的榜樣、精神文明的典范和言行舉止的楷模。二是提高教師的實踐教育能力，繼承和發(fā)揚課程實踐教育中長期形成的“傳幫帶、走出去”等傳統(tǒng)，尤其要重視青年教師實踐教育能力的培養(yǎng)，這是一項具有長期性和艱巨性的工作，要為他們創(chuàng)造條件、制定措施，形成相應的考核和評價制度，要收到切實的綜合效果。

“傳幫帶”具體做法：第一步，幫助青年教師進入教學角色，擔任輔導教師，協(xié)助指導學生的試驗;第二步，統(tǒng)一安排教學研討，青年教師隨班聽課，協(xié)助為學生答疑、批改作業(yè)等;第三步，要求青年教師進行教學試講，參加講課競賽，經過2～3年訓練后才能完整承擔一門課程的教學。

“走出去”具體做法：建立激勵制度，鼓勵青年教師到生產單位和相關施工現(xiàn)場參與工程實踐至少6～12個月;組織青年教師參加全國性教學研討會，積累國內先進教學經驗。

2.提高教師隊伍的雙語教學能力

武漢大學的辦學目標是世界一流大學，國際化是必由之路。開設土力學課程雙語教學，可以開闊學生視野，提高學生的國際交流能力。具體措施是：選派部分青年教師到國外一流大學做訪問學者，對有較高英語水平和較好成績的學生開設土力學課程雙語教學，形成“基本概念和方法用中文講授，部分內容用英語講授，提供課外英文參考資料”的教學模式。

采取主講教師負責制，組成一個雙語教學小組。主講教師有十幾年的教學經驗，在美國密西根大學做訪問學者一年，用英文發(fā)表了教學論文[10]，能熟練用英語進行教學。

3.提高青年教師的高等教育教學技巧

鼓勵青年教師努力學習和掌握國內外先進高等教育教學技巧，如參加ISW教學技巧工作坊學習并獲得資格認證等，在教學團隊內不斷進行教學演練，以達到最佳的教學效果，在競賽及生產實踐中既要保證學生的高參與度，又要注重培養(yǎng)學生的創(chuàng)新性、批判性思維等。

三、改革成效

武漢大學土力學課群組在1項省級和5項校級教學改革項目的資助下，經過近5年實踐取得較好的成效：土力學課程獲批國家級一流本科線下課程（2020年）;入選土木工程專業(yè)核心課程湖北省高等學校教學團隊（2019年）;獲第二屆湖北省高等學校自制實驗教學儀器設備成果一等獎（2018年），校級教學成果二等獎2項（2019年、2016年）;指導大學生獲第三屆全國大學生巖土工程競賽一等獎（2019年）、第二屆全國大學生巖土工程競賽二等獎（2017年）;指導大學生獲批7項國家大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練項目（2020年1項，2019年2項，2017年1項，2015年3項）。所培養(yǎng)的學生知識面寬、綜合素質好、實踐創(chuàng)新能力強。

四、 結語

新一輪的科技革命和產業(yè)變革對工程教育的改革與發(fā)展提出了新的挑戰(zhàn)，工程教育“回歸工程”“工程教育范式轉移”是工程教育創(chuàng)新發(fā)展的趨勢，結合新工科大背景下土力學課程的實踐教學改革與實踐，本文介紹了土力學課程實踐教學體系的構建、保障措施和具體成效，今后應更加重視學生實踐能力的培養(yǎng)，持續(xù)開展大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實踐與競賽，著力提高學生的整體專業(yè)實踐能力。

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[10] Furong Liu， Raj V. Siddharthan. The Differences between Undergraduate Education in Civil Engineering in China and America[J]. American Journal of Educational Research. 2016， 4（10）：711-719.

Abstract： The new round of scientific and industrial revolution challenges the reform and development of engineering education. Emerging engineering education is just a positive response to the challenges and requirements. The key point of emerging engineering education in civil engineering is to cultivate the engineering innovation ability of college students in practical education. In view of the prevailing practice of emphasizing theory and neglecting practice， and the current situation of not paying attention to cultivating innovation ability， the practical teaching reform of soil mechanics course is carried out. The “Three Classrooms” cooperative education system and the specific construction content of the first class， the second class and extracurricular practice are constructed. The key problems of practical teaching system are summarized， the safeguard measures， experience and effects of teaching reform are introduced.

Key words： emerging engineering education; soil mechanics course; practical and creative abilities; practical teaching system

（責任編輯 王 宣）

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