師文豪　吳靜紅

[摘 要]巖土工程是應(yīng)用學科，對實踐教學的需求非常迫切。文章從實踐教學必要性的角度闡述了巖土工程行業(yè)的特殊性，分析了傳統(tǒng)巖土工程實踐教學模式存在的主要問題，認為傳統(tǒng)實踐教學模式不能適應(yīng)現(xiàn)代化的教學需要。以順應(yīng)科技、行業(yè)發(fā)展趨勢為指導，針對巖土工程行業(yè)的特殊性，基于仿真技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)平臺，課題組創(chuàng)新了巖土工程實踐教學理念，探討了從教學內(nèi)容、教學方法、教學過程和考評機制等方面進行全方位改革的巖土工程實踐教學的模式和策略，為巖土工程教學工作者提供參考，以期提高現(xiàn)代化實踐教學效率和教學質(zhì)量。

[關(guān)鍵詞]巖土工程;虛擬仿真;案例教學;網(wǎng)絡(luò)教學;教學模式

[中圖分類號] G642 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2021）08-0009-04

巖土工程專業(yè)是土木工程的學科分支，是運用工程地質(zhì)學、土力學、巖石力學等學科理論解決各類工程中關(guān)于巖石和土的工程技術(shù)問題的科學。巖土工程是一門實踐性很強的學科，現(xiàn)代工程教育導向下的巖土專業(yè)人才不僅僅需要有寬廣的基礎(chǔ)理論知識，更應(yīng)該具備較強的實踐能力，實踐教學正是培養(yǎng)學生分析和解決實際問題能力和創(chuàng)新能力的重要環(huán)節(jié)。因此，巖土工程實踐教學應(yīng)該較理論教學具有同等重要，甚至更重要的地位[1-3]。

巖土工程的發(fā)展與人類改造自然的發(fā)展史息息相關(guān)，具有強烈的時代性。隨著我國“一帶一路”全方位對外開放倡議的逐步實施，開辟跨境多式聯(lián)運的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)規(guī)模不斷擴大，為巖土工程的快速發(fā)展提供了歷史性舞臺。作為巖土工程專業(yè)教師，理應(yīng)以此為契機，針對巖土工程行業(yè)的特殊性，對巖土工程實踐教學模式進行深入探索，突破傳統(tǒng)的巖土工程實踐教學模式，將信息化、數(shù)字化、智能化融入巖土工程實踐教學中，構(gòu)建適合新形勢下巖土行業(yè)發(fā)展需求的綜合素質(zhì)教學模式，為新時代國家基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)事業(yè)培養(yǎng)更優(yōu)秀的巖土工程專門人才，這也是當今“以本為本”要求下巖土工程實踐教學改革需要深入研究的課題之一。

一、巖土工程行業(yè)的特殊性

巖土工程實際問題非常復雜，存在一定的特殊性，僅通過理論教學不能使學生深刻認識和理解巖土工程的特殊性，不能滿足培養(yǎng)復合應(yīng)用型巖土工程人才的社會需求[1-2]。巖土工程行業(yè)特殊性主要表現(xiàn)在以下方面。

（一）巖土材料的復雜性

巖土工程的研究對象巖土體為天然地質(zhì)材料，是長期地質(zhì)歷史的產(chǎn)物，賦存于形態(tài)各異的地質(zhì)構(gòu)造和豐富多變的地質(zhì)環(huán)境之中，其在形成過程中經(jīng)受了各種復雜的地質(zhì)作用和復雜多變的自然條件，導致其的礦物組成、宏細觀結(jié)構(gòu)、物理力學性質(zhì)和地應(yīng)力場環(huán)境均具有復雜性特征。

（二）巖土參數(shù)的不確定性

受地質(zhì)成因和年代的影響，不同區(qū)域、不同種類的巖土體性質(zhì)差異很大，是非均勻的。即使同一地區(qū)，同一土體，受礦物顆粒粒徑、形狀、大小和組構(gòu)的影響也會存在較明顯的空間差異性，導致巖土體參數(shù)具有空間變異性特征。此外，一年四季不同溫度、濕度等也會影響巖土的物理力學性質(zhì)，這決定了巖土體參數(shù)同時具有時間變異性特征。

（三）巖土工程的不可重復性

巖土體為天然地質(zhì)體，正如萊布尼茨所說“世界上沒有完全相同的兩片葉子”，同樣也沒有完全相同的兩塊地質(zhì)體。即使鐵路、公路、隧道、堤壩、地下管道等巖土工程的選址有人為因素的影響，也常常局限于非常有限的備選方案。無論選址如何，巖土工程勘察、設(shè)計、施工和監(jiān)測都必須與地質(zhì)體的特有屬性相匹配，但是，受應(yīng)力歷史的影響，任何工程施工擾動都會誘發(fā)巖土體性質(zhì)發(fā)生變化，因此巖土工程不存在“從頭再來”。

（四）巖土工程的多場耦合特性

巖土體一般由固相、液相和氣相三相組成，該三相介質(zhì)融合為一個整體存在于巖土工程的地質(zhì)環(huán)境中。地應(yīng)力、地下水、溫度、化學、微生物等環(huán)境作為影響地質(zhì)環(huán)境的幾個主要因素是同時存在的，它們之間相互聯(lián)系、相互作用又相互制約，造成了巖土體的應(yīng)力場、滲流場、溫度場、化學場和微生物場等多場耦合效應(yīng)。

二、傳統(tǒng)巖土工程實踐教學存在的主要問題

實踐教學對于教師來說是一個教學相長的過程，但是傳統(tǒng)巖土工程教學始終存在著重理論、輕實踐的現(xiàn)象，實踐教學經(jīng)費投入不足，學生的實踐機會較少。這一定程度上造成了教師教學的積極性和激情不高，對學生吸引力不足，導致學生的學習興趣和好奇心缺失，嚴重影響了對學生分析、解決巖土工程實際問題能力的培養(yǎng)，不能滿足巖土行業(yè)對復合應(yīng)用型人才的需求，同時也制約了教育教學質(zhì)量的提升[4]。究其原因，主要表現(xiàn)在以下幾個方面。

（一）實踐教學與理論教學相互脫節(jié)

目前大多數(shù)高校的課程設(shè)置中理論教學與實踐教學是分開的，理論教學中將傳授知識作為第一要務(wù)，在講述基本概念、定理、公式及其應(yīng)用時往往忽略了實際工程背景，導致學生對理論源自工程實際的簡化、提煉過程缺乏認知，這無疑增加了學生學習抽象理論知識的難度，學生即使學會了知識點，卻往往是知其然而不知其所以然，在實際工程中遇到相應(yīng)的問題仍會束手無策。而實踐教學課時量普遍偏少，有限的課時內(nèi)教師通常是對部分關(guān)鍵知識點進行講解，很難再系統(tǒng)地對理論知識逐一進行分解、剖析;學生往往只重復實驗（實習）中的幾個步驟，缺乏對整個過程的理解和把握，不能將知識內(nèi)化為個體經(jīng)驗，導致實踐教學停留在學生的認知和感知層面上，遠遠達不到掌握技能、技巧，更不用說達到理論聯(lián)系實際和獨立工作的要求。

（二）實踐教學內(nèi)容局限于實踐基地

實踐基地是傳統(tǒng)實踐教學的主要場所，其對于巖土工程實踐教學的重要性是毋庸置疑的。由于工程建設(shè)的時效性特征，巖土工程實踐教學內(nèi)容會隨著工程建設(shè)本身和工程建設(shè)進度不斷變化。因此，實踐教學的時間安排、教學內(nèi)容基本取決于實踐基地的工程進度，這無疑加大了實踐教學的實施和管理難度。工程完工后，雖然一些工程可以轉(zhuǎn)為固定的實踐基地用于重復性的基礎(chǔ)實踐教學，如水電站、河堤大壩、邊坡、隧道等工程，但是另一些巖土工程會隨著工程的竣工而失去實踐教學價值，如地基處理、基坑工程、基礎(chǔ)工程等。此外，受地域、經(jīng)費投入的限制，高校的實踐教學基地往往非常有限，并非所有高校都能為學生提供類似水庫邊坡、海底隧道、多年凍土、超深基礎(chǔ)等復雜特殊巖土工程問題的實踐條件，這勢必會導致實踐教學內(nèi)容的完整性和系統(tǒng)性大打折扣。

（三）實踐教學形式與現(xiàn)代化教學手段不匹配

傳統(tǒng)的實踐教學形式主要包括課程實習、教學實習、畢業(yè)實習等多種類型[5]，這些實踐教學目的各有側(cè)重，且相互聯(lián)系，整體上涵蓋了基礎(chǔ)知識、基本方法、專業(yè)技能等多種內(nèi)容，學生通過野外或現(xiàn)場實踐考察，一定程度上促進了學生認識水平和實踐能力的提升。但是，在學科經(jīng)費的限制下，很多學校儀器設(shè)備陳舊、不足，一些實踐基地隨著工程的竣工而面臨退役的窘境，致使實踐教學雖然走出了教室，但是教學模式并未發(fā)生實質(zhì)性變化，在較高的師生比例下，仍然維持著以教師講授為中心，學生觀摩認知為主的模式，學生對巖土工程行業(yè)特殊性缺乏深入認識，尤其是對直觀認知難度較大的多物理場耦合特性，學生的實際參與辨識度非常低。從現(xiàn)代教學角度看，我們的教學手段仍舊單一，豐富的數(shù)字化、信息化和智能化教學資源利用率不高，教學形式與現(xiàn)代化教學手段（如虛擬仿真技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)教學）不匹配[6]，實踐教學效率依然較低，不能滿足新時代下學生學以致用能力的培養(yǎng)要求。

三、基于仿真技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)平臺的巖土工程實踐教學模式探討

巖土工程作為一門應(yīng)用學科，是為工程建設(shè)服務(wù)的。工程教育認證明確要求學生能夠?qū)W以致用，能夠?qū)?shù)學、自然科學、工程基礎(chǔ)和專業(yè)知識用于解決復雜工程問題[7]。因此，巖土工程實踐教學既要從工程中來又要回歸到工程中去。在高標準、嚴要求的工程教育環(huán)境下，課題組充分考慮到巖土工程行業(yè)的特殊性，基于目前實踐教學過程中存在的主要問題，不拘泥于實踐形式，在現(xiàn)代化實踐教學理念的指導下，提出基于仿真技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)平臺的巖土工程實踐教學新模式。

（一）以工程案例為導向豐富實踐教學內(nèi)容

土力學的奠基人Terzaghi曾說過：“一個記載完善的工程實錄應(yīng)當受到與十個具有獨創(chuàng)性的理論一樣的重視?！币怨こ贪咐秊閷虻膶嵺`教學內(nèi)容豐富多彩，而且不受時間、地域限制，可以實現(xiàn)專業(yè)理論和工程實踐的有機結(jié)合。教師講授內(nèi)容應(yīng)相對具體、明確，通過引導學生進行案例研討，增加教師和學生之間雙向交流的機會。把完善的工程案例作為實踐教學的素材，可以實現(xiàn)從工程地質(zhì)勘察、巖土力學實驗、設(shè)計分析、工程施工、質(zhì)量檢驗到監(jiān)測預(yù)警等各個環(huán)節(jié)的系統(tǒng)性教學，從教學角度再現(xiàn)巖土工程建設(shè)過程，讓巖土工程“從頭再來”。

以工程案例為導向的實踐教學改革重點是案例庫的建設(shè)和完善，強調(diào)理論與實踐的緊密聯(lián)系。這對教師提出了更高的要求，不僅要求教師具有豐富的工程經(jīng)驗，能夠充分消化吸收案例的各個環(huán)節(jié)，還要能熟練進行案例啟發(fā)、問題探索、理論剖析和專題討論等實踐教學。以工程案例為導向的實踐教學既可以調(diào)動教師的教學積極性，達到以教學促進科研的目的，也能更好地激發(fā)學生的學習興趣，提高實踐教學效果。

對于案例庫的建設(shè)，應(yīng)當以系或教研室為單位，首先可按照巖土工程的性質(zhì)、類別等原則對大類巖土工程進行合理分類，劃分為若干個小的類別，比如邊坡穩(wěn)定性下分土坡穩(wěn)定性、巖石邊坡穩(wěn)定性，土坡穩(wěn)定性進一步分為天然土坡穩(wěn)定性、路塹土坡穩(wěn)定性、堆土壩穩(wěn)定性等。然后教師通過自身參與企業(yè)委托科研項目，到在建工程一線調(diào)研、走訪建設(shè)單位，進行網(wǎng)絡(luò)查證等多渠道有目的地獲取巖土工程實際案例的詳盡資料，確保每個最小類別的巖土工程至少有三到四個工程案例。要實行教師專項負責制度，每個教師負責一個類別，類別等級取決于教師人數(shù)，教師對每個小類別的掌握程度盡可能做到精細深入，避免每個教師都要熟悉所有的案例。

（二）以虛擬仿真為手段優(yōu)化實踐教學方法

虛擬仿真是虛擬現(xiàn)實技術(shù)與仿真技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是一種更高級的仿真技術(shù)。以虛擬仿真為手段的實踐教學中，虛擬現(xiàn)實和仿真分析是相輔相成的，二者缺一不可。構(gòu)建巖土工程案例的虛擬仿真環(huán)境，可以實現(xiàn)巖土工程的全方位分解和進度把控，學生可以通過視覺、聽覺、觸覺、運動感覺等多途徑感知工程案例的各個環(huán)節(jié)，自主與巖土工程進行交互，達到對巖土工程的全空間、全過程認知的目的[8]。在此基礎(chǔ)上，進一步開展工程案例仿真分析的實踐教學，從仿真軟件確定、工程幾何模型構(gòu)建、材料參數(shù)賦值、物理場識別、力學模型選擇與計算等方面逐一對工程案例的設(shè)計分析進行深度解析。對于同一工程案例，通過假設(shè)振動、暴雨、高溫等特殊環(huán)境或者改變巖土結(jié)構(gòu)、巖土材料等條件，分析其對巖土工程仿真結(jié)果的影響，加深學生對巖土工程特殊性的認知和理解，培養(yǎng)學生解決巖土工程問題時的思維嚴謹性。這種實踐教學方法把以教師為主體轉(zhuǎn)變?yōu)橐詫W生為主體、教師為輔，充分發(fā)揮學生的主觀能動性和現(xiàn)代化交互式教學的優(yōu)越性，大大降低了實踐教學的時間成本和經(jīng)濟成本的同時，確保了實踐教學的廣度和深度雙重效果，提高了實踐教學效率和教學質(zhì)量。

虛擬仿真與案例庫建設(shè)相結(jié)合，要求教師至少要掌握一門仿真和計算軟件，如VRP、BIM等建模軟件，ANSYS、FLAC、COMSOL、PFC等計算軟件。此類教學包括兩個方面：其一，感性認知實踐教學。以系或教研室為單位，教師通過資料整合將案例庫轉(zhuǎn)化為可編輯的虛擬模型，將實際巖土工程建設(shè)過程進行可視化分解，通過人機交互操作演示巖土工程建設(shè)過程，加強學生對巖土工程的概念性認識。其二，理性探索實踐教學。教師根據(jù)教學需要，可從案例庫中截取部分模型，導入數(shù)值計算軟件中，通過設(shè)置等效施工條件，融入降雨、地震、高溫、爆破、車輛荷載等進行巖土力學仿真，深層次解讀巖土工程施工與自然、社會環(huán)境的相互作用，促使學生透過現(xiàn)象看本質(zhì)。

（三）以網(wǎng)絡(luò)教學為平臺創(chuàng)新實踐教學過程

充分利用現(xiàn)代信息技術(shù)，創(chuàng)建現(xiàn)代化網(wǎng)絡(luò)教學平臺用于巖土工程實踐教學，不僅僅局限于巖土工程案例的虛擬仿真動態(tài)演示，還可以利用最先進的5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，進行跨空間跟蹤式實踐教學。可以以類似于“專家寶”APP、抖音直播等的形式進行實踐教學與巖土工程現(xiàn)場的在線連接，以巖土工程師的視角進行遠程實踐教學，每位參與實踐的學生既是觀眾也是記者，可以實時與巖土工程師在線交流互動。整個實踐教學過程中學生無須到工程現(xiàn)場，僅需要一部手機或者一臺電腦就可以完成實踐學習，確保學生人身安全。建設(shè)完善的網(wǎng)絡(luò)教學平臺，全國范圍內(nèi)甚至全球范圍內(nèi)完工的、在建的巖土工程項目都有可能成為巖土工程實踐教學的資源，而且這些豐富的教學資源可同時服務(wù)于多所高校的實踐教學，充分發(fā)揮教學資源的利用率。學生可以自由選擇實踐時間和實踐內(nèi)容，進行跟蹤式實踐學習，實踐教學不局限于某個學期，能充分調(diào)動學生自主實踐的積極性，提高實踐教學效率。

實踐教學的實現(xiàn)可以從兩方面著手：其一充分利用傳統(tǒng)巖土工程實踐教學基地的優(yōu)勢資源，搭建網(wǎng)絡(luò)實踐教學平臺，實踐教學過程中可組織學生或選一兩個學生代表前往實踐基地，以教師為核心進行遠程在線視頻教學。其二是短期聘用代表性巖土工程實施中經(jīng)驗豐富的一線工程師等技術(shù)人員擔任網(wǎng)絡(luò)教學平臺教師，專業(yè)教師引導學生與工程師在線溝通、學習，達到實踐教學的目的。

（四）以解決工程問題為目標健全考評機制

合理制訂考評機制能夠有效調(diào)動學生學習的積極性，建立以解決工程問題為目標的實踐教學考評機制，客觀真實地反映學生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力，有利于培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維。

對于復雜的巖土工程問題，實踐教學考核應(yīng)在注重結(jié)果的同時也不能忽視對過程的考核，每個學生分析解決一個工程問題，學生彼此之間互不重復，避免了抄襲現(xiàn)象。學生根據(jù)實際情況把復雜的工程問題分解為若干個小問題，教師引導學生將所有小問題按照由易到難的原則進行合理排序，有針對性地提出階段性考核要求。每個小問題的解決即視為一次階段考核，以考核的方式監(jiān)控學生實踐學習的實際效果，并及時反饋給學生，指導學生進一步完善和優(yōu)化解決方案，以考評—反饋—優(yōu)化的模式促進學生學以致用能力的提高，增強實踐教學成效。

四、結(jié)語

工程教育認證背景下高等教育中學生的實踐能力培養(yǎng)和素質(zhì)教育越來越受到重視，培養(yǎng)學生的綜合能力成了新形勢下高等教育追求的目標。如何通過實踐教學更有效地培養(yǎng)學生分析和解決工程實際問題的能力，是所有巖土工程專業(yè)教師應(yīng)該積極思考和探索的問題。巖土工程專業(yè)具有很強的應(yīng)用性，對實踐教學的需求更加迫切。巖土工程實踐教學必須轉(zhuǎn)變實踐教學理念，順應(yīng)科技和現(xiàn)代化教育教學的發(fā)展趨勢，不拘泥于傳統(tǒng)實踐教學模式，充分發(fā)揮現(xiàn)代化數(shù)字教學、信息教學和網(wǎng)絡(luò)教學的優(yōu)勢，從教學內(nèi)容、教學方法、教學過程和考評機制等方面深入進行巖土工程實踐教學模式改革，提高實踐教學效率和教學質(zhì)量，為“一帶一路”國家倡議下基礎(chǔ)工程建設(shè)培養(yǎng)更多高素質(zhì)的專業(yè)技術(shù)人才。

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[責任編輯：鐘 嵐]