基于教育目标分类学的《土力学与地基基础》课程教学研究

路 平，张天龙，张宏斌，杜 娟

(海南大学 土木建筑工程学院，海南 海口 570228)

2018年教育部提出了要坚持“以人为本”，推进“四个回归”，逐步淘汰“水课”，打造“金课”，切实提高本科课程的教学质量.为此，各地高校也纷纷出台了改革方案，其中不乏强化教学过程管理、取消清考制度等具体措施.大学教师肩负着实现教育强国的重任与使命，因此，只有努力地拓展课堂信息量，增加课程深度，才能使大学生合理地“增负”.但是，目前工科教学的现状不容乐观，部分学生在课堂中对计算推导产生了畏难情绪，课后只会机械地记忆理论，缺乏灵活运用理论的能力；部分教师在课堂中只倾向于专业教育，这在一定程度上扼杀了学生的兴趣和创造力.在此背景下，如何扭转这种不利局面，如何有效地提高本科生的培养质量，这就成为必须面对的问题.解决之道就在于持续推进课程内容的更新，推动课堂革命[1].海南大学提出要将每门课程逐步打造成“金课”的目标，其第一步就是要将每一堂课打造成“一堂好课”.

《土力学与地基基础》是土木工程学科高年级本科课程中的难点课，其教学内容覆盖面广，涵盖了工程地质、土力学、基础工程等多门专业课的知识，其理论分析的难度大，如荷载、强度、变形等计算需要综合运用多门力学基础课的理论，在32学时中需要讲授51个知识点，因此如何在有限的学时内帮助学生理解大量抽象的设计原理，增强学生对实际工程的感性认识，这是亟需解决的问题.鉴于此，本研究基于教育目标分类学，采用“六环节一循环”的模式，将“高阶认知”融入到每“一堂好课”中，探索性地进行了教学改革，同时将改进后的模式与传统模式的教学效果进行了对比与分析，以期为工科本科教学的改革提供参考.

1 课堂教学的改革思路

1.1 基于“教育目标分类学”的教学理念世界著名教育家Bloom在其创立的“教育目标分类学”中将认知过程分成了“记忆、理解、应用、分析、评价与创造”等六个维度，其中后三个维度属于认知的高阶模式[2].然而，传统的专业教育模式基本上是停留在前三个维度上，即教师在课堂上将知识灌输给学生，学生记住概念和理解方法后去完成课后习题，这种模式往往很难达成“举一反三”的效果.显然，这种“单向静态”的低阶教学模式已不符合“四个回归”的要求，如图1(a).打造“一堂好课”，首先要让学生从生活中发现与专业知识相关的问题，使他们对知识本身产生好奇，从而使他们产生学习的动力，这才是更顺应时代要求的教学方向.为此，本研究基于“教育目标分类学”[3]，尝试对传统专业教育模式融入了“高阶”认知的过程，提出了“六环节一循环”的改革思路，如图1(b).

施教之功，贵在引路.故本改革注重引题环节，用学生感兴趣的现实生活话题吸引其注意力，通过设计与教学内容相关联的具有趣味性和参与度的案例，将知识点“调配”出来，降低学生的畏难情绪，即通过趣味式教学—“吊起胃口”来代替“喂食”.

对于记忆与理解两环节，本改革跳出了原有的教材内容，重新调整和组合了碎片化的知识，使课堂所讲授的内容有了一个较完整的知识结构，既突出了基本概念的教学，又强调了不同学科、不同章节、不同理论的知识间的内在联系，同时还适时地加入了与生活元素的类比，使学生能将多维度的知识融为一体，即运用通识教育理念来帮助学生构建一套完整的知识框架，让知识升华为学生树立科学世界观的基石，从而促进学生的全面发展.

在应用(巩固)环节，本改革激励学生去“疑”去“问”，这种“疑问”绝不是仅凭记忆就可以回答的简单提问，而是存在于社会生活中的与专业知识相关的问题，这类问题是有生命力的.通过这种蕴含生活经验的问题式教学，可使学生有效思考，跳出“疑问”的误区，从而使他们准确地掌握新知识，练就真本领.

在分析与评价环节，本改革贯穿了“立德树人”的思想，引导学生学会知识迁移，让他们具有将已知知识转变为目标知识的能力，同时使他们具有会学习、会思维以及会辨别的能力[4].该环节将课程思考与专业教育相结合，让学生去解决生活中更复杂的问题、任务或需求，使他们获取升华的隐性知识，从而使其达到认知的更“高阶”境界.

(a)传统模式 (b)“六环节一循环”改进模式

图1 两种教学模的对比

在发散创造环节，本改革体现了“以学生为本”的思想，将传统思路中的“教师课堂传授知识、学生课下练习”转变为“学生在课下自主完成生活中相关知识前沿的探索，然后在课堂中通过与教师的共同探讨与辩论来完成知识的升华”，这种过程不仅可使学生从“记忆知识”转变成“运用知识来发展创新思维”，而且还可使学生获得实践能力，更重要的是，这一过程将使学生进入认知模式中新的“循环”.

1.2 运用“六环节一循环”的教学模式打造“金课”，其内容既要让学生学以致用，会解决生活、工作和行业中所遇到的专业问题，具有主动学习的积极性，又要训练学生在学会知识后能主动去“觅食”，以发现更“高阶”的“菜品”.

用“六环节一循环”模式提升教学内容的广度，实质上就是要践行“成果导向教育(Outcome-based Education，简称OBE)”的理念[5].也就是说，教学内容要以行业和社会需求为出发点，需求决定培养目标，培养目标决定了毕业要求，毕业要求又决定了学生要“学什么”，即从传统的“教什么”向“学什么”转变，且这一过程要通过反馈和反思而持续优化；要启发学生去领悟来源于生活的知识，而不拘泥于专业教材；要引导学生学会知识迁移，培养学生能对知识“举一反三、触类旁通”，能将知识再现到生活中，去解决实际问题和行业需求，从而形成“学”与”用”的螺旋式上升，使学生逐渐成为社会中“通融识见”的人.

用“六环节一循环” 模式挖掘教学内容的深度.一方面教师要持续地画出“问号”，引导学生去主动思考，鼓励学生自发地将“问号”变成“句号”；另一方面教师要鼓励学生去探索知识前沿，引导他们将“句号”延伸为“省略号”或“惊叹号”，鼓励他们去发现知识中尚未解决或尚未很好解决的学科关键问题，让他们能利用实验室和图书馆等资源去形成新的疑问和新的观点，从而使他们提高认知的水平和开拓其视野，并使他们逐步具有能够适应不同社会局势和管理各种复杂人类机构的智慧.

2 课堂教学设计改革应用

本研究以海南大学2018—2020学年工程管理专业的114名学生作为研究对象，对其开展了将“高阶”认知融入专业教育的教学改革实践，并以《土力学与地基基础》课程中“地基承载力特征值”的相关内容为例[6]来进行阐述.

2.1 引题—以热度话题吸引学生的眼球地基承载力本身是一个抽象的概念，是地基土单位面积上所能承受荷载的能力.由于学生缺乏相关的工程经验，因此对此他们难于形成感性认知，所以，如何将此抽象概念形象化以便于学生接受，并将其引题到教学内容中，这是此环节的关键.

首先，肢体的调动.让看过影片《流浪地球》的学生举手，调动学生的肢体；然后向学生提问道：“是否记得影片中那个将地球推向木星的工具—行星发动机?”，借助此热门话题来调动学生的思想.

其次，视觉的吸引.通过多媒体图片的巧妙结合，向学生展示几十公里宽的行星发动机相比于半径为六千多公里的地球仍然非常渺小，而且地壳虽较坚硬，但其内层却是熔融状态的软流圈.而在现实中，在我国沿海地区的三角洲冲积土地基中亦存在类似的情况，表面虽为硬壳层，但其下方却是广袤的淤泥且厚度大.

最后，悬念的埋设.引导学生去猜想这种状态下的地壳是否会被行星发动机压碎，并阐明这种压碎与否的问题就是“地基承载力”的“强度问题”.通过埋设这一悬念，一方面可以成功地吸引学生的注意力，另一方面又可以将工程问题生活化，同时也有利于将其引向此次教学的内容——“地基承载力特征值”.

2.2 记忆与理解——用发散的类比带动学生的大脑本次教学的重点内容为地基承载力特征值的修正计算，但由于公式和变量较多，学生较难记忆.因此，在这两个环节中，可将其类比成生活元素，以此来引导学生记忆，并使他们真正地理解地基承载力修正的本质原因，让他们的大脑转动起来，使他们既懂专业，又懂生活，同时也求得真正的学问.

2.2.1 跨专业地思考钢结构和混凝土结构概念国家体育场鸟巢钢结构中的“钢材强度”不会随着场馆跨度的改变而变化；哈利法塔混凝土结构中的“混凝土强度”也不会随着大厦高度的改变而变化.由“钢材或混凝土的强度是定值”而提出“土体强度”是否为定值的疑问，以此跨专业的知识点类比来调动学生思考.

2.2.2 跨教材章节思考土体附加应力和抗剪强度继续引导学生去分析土体强度不是定值的原因.根据教材[6]4.1节“土体强度是随土体深度不断变大的”，可启发学生将土体类比成堆成一摞的书籍，其表层书籍可以轻易地被抽出(抗剪强度低)，而在底部深层的书籍就较难被抽出(抗剪强度高)了.以此来加深学生对“土体强度”这一基本概念的理解.

以“书籍”这一生活元素的规律再反观工程.根据教材[6]3.3节“地基附加应力的传递规律”，实际基础影响范围更宽更深，可以利用到更多的好土体(底部的书籍).因此，测试设备所得到的结果会低于实际地基承载力，故需修正.这就通过生活元素的类比，深入浅出地阐述了对“承载力修正”的必要性.

通过与引题案例类比来提升教学内容的广度和深度.对于引题中的行星发动机，提出以下疑问：“在对其地基承载力修正时能否无限制地增大？”然后给出否定回答并进行解释：“当行星发动机基础宽度越大时，越深的“豆腐”状土体受附加应力的影响而被压缩，从而导致其不满足承载力变形设计的要求，所以要采取限制修正基础宽度在6 m之内的措施”.这样既强调了与引题呼应的“地基承载力”的概念设计，又通过生活元素“豆腐”的类比加深了学生对“基础宽度修正”的准确理解.

2.2.3 跨计算方法的类比—测试修正法、理论分析法世界是普遍联系的，不同的计算方法之间也是互通而不孤立的.用于承载力计算的测试修正法与理论分析法公式中分别有7个和8个参数，但若采用类比方法则能让学生高效地记忆公式.两公式均由三项组成，第一项为土质项，表明土体黏聚力的贡献，第二项为宽度项，表明基础宽度范围的土体自重的贡献，第三项为深度项，表明基础两侧的超载的贡献.如此一来，学生对参数的记忆就达到事半功倍的效果，理解更为清晰，也使教学内容更为立体，更符合教学的“回归常识”.

2.3 应用巩固—用真实案例擦亮学生的双眼疑是“思之始，学之端”，只有经过疑惑之后，才能学得扎实，故要将 “句号”课堂转变为“问号”课堂.例如：在讲授测试修正法时，测试修正法中存在两种土体重度的参数，一个是基础底面以上的，一个是基础底面以下的，对此学生容易混淆，以往通过多媒体动画演示其机理也未收到很好的效果，故借助生活中的天气变化，采用融入“高阶”认知的问题式教学来对该知识点进行巩固—“暴雨后的大水法”.北京圆明园大水法景区，地基土为粉质黏土，地下水位低，但突发一场暴雨后，会使得地下水位暴涨至大水法基础底面，此时让学生去“猜”去“疑”，“猜”暴雨前后大水法下的土体承载力是否一样，“疑”地下水位上涨后会发生什么改变.通过“问”与“答”的不断互动，引导学生主动思考，最终使他们得出：地下水中的土体要受浮力的影响，暴雨会使地基土从原来的天然重度变为浮重度.这样，就用天气变化解释了两种土体重度概念容易被混淆的误区，使学生对知识的运用更灵活，并使他们练就了解决问题的能力，使他们能将“问号”变成“句号”，这才是满足高水平教学标准的“一堂好课”.

2.4 分析评价—用“立德树人”指明学习的方向尽管“教”的方式千变万化，但“学”的本质则是一以贯之，即学会做人与做事.要做到这一点，这就要基于通识的理念，要融合东西方教育的优势—东方的教育严格且标准，而西方的教育则灵活而实用[7]，学以致用，切实解决生活中的需求，为社会的和谐和发展做出贡献.

2.4.1 解决工程问题：围海造陆基于以上环节的巩固，引导学生逆向思维而得出以下结论：地下水位的下降有利于提高地基承载力.学生面对衍生出来的工程问题，比如：沿海城市进行围海造陆时，由于吹填土的含水量高、承载能力差，故需要提高吹填土的承载能力.学生在经过逆向思维后，通过分析与评价，他们就很容易将所学到的知识用于解决这一实际问题，这也可使学生逐步形成逻辑性与关联性的思维，并使他们认识到书本知识的实用价值.

2.4.2 预防工程事故：上海工业展览馆基于生活中所发生的工程事故，引导学生去分析和评价事故发生的原因，并让他们运用所学知识去预防和解决此问题.比如，在上海工业展览馆建造的过程中，中央大厅开工后的第1年其基础就沉降了0.6 m.利用这一现实中的事故，启发学生认识到这样一个事实：尽管其土体没被“压碎”，但仍产生了巨大的压缩，因而满足不了承载力的变形要求，如此将不能保证施工安全和构建一个和谐的社会.这就从专业教学延伸到了社会责任感的培养，它是学生学习的升华，亦是教育的“回归初心”.

2.5 发散创造—以学科前沿引导学生探索“对大学生要合理增负”，在此有三个维度上的发散：在时间上要向课外发散，在空间上要向图书馆发散，在内容上要向参考资料发散.可利用“翻转课堂”等方式让学生去生活中探索—“觅食”，使他们变被动学习为主动学习，同时要鼓励学生敢于向经典理论和传统观点提出质疑，甚至是批判，要敢于提出新观点，这样才能培养学生的创造力[8].

在日常生活中，如将筷子竖直压向同一块鲜豆腐，那么当压力相同而压力作用的位置不同时，豆腐所呈现出的压缩变形也会各异.透过这一生活现象，教师可从专业知识的角度去启发学生，即使在同一场地进行承载力测试，所得到的地基承载力的标准值仍会带有主观色彩，教师可以此来引导学生课后通过文献检索等手段尝试获取解答，然后再与学生在课堂中共同讨论，甚至辩论，从而使学生的知识得到升华.关于此问题，学生在通过查阅文献后，可从中学习到华南理工大学杨光华提出的“切线模量法”和“双控原则”等[9]方法，其角色亦从课堂的“群演”变成了“主角”.让学生主动去探索知识点，寻求本领域前沿知识的内在联系，甚至是寻求其他领域的知识，鼓励他们大胆地去质疑或去改造，这样学生才能开启新的认知大门，进入新的认知循环，事实证明，“六环节一循环”可使教学“回归梦想”.

3 课堂教学模式改革效果

“教得如何”，要通过“学得如何”来评价.本研究中同一任课教师在2015—2018学年采用了传统教学模式，2018—2020学年采用了改进的教学模式，在两种模式下相关知识单元与知识点的教学时长相同，以下是对两种模式下教学效果的对比与分析.

3.1 作业与试题反馈首先，对两种模式下学生的作业完成情况进行对比，学生样本数分别为202人和114人.在传统模式教学后，共有152名学生正确完成作业，正确率为75.2%，错误集中在土体重度的选取方面；改进模式教学后，共有103名学生正确完成作业，正确率为90.4%，提升了15.2%，可见，融入“高阶”认知—“暴雨后的大水法”案例后，学生对知识点误区的辨别能力大有提高.

其次，对两种模式下学生在期末考试中的计算题得分情况进行了对比，如图2.在两种模式中，计算题的总分均为10分，主要考察的是“地基承载力特征值的修正”这一重点计算内容，且在改进教学模式后的试题中还额外考核了“地基上的荷载计算”这一难点内容，其试题难度相对更大.从图2中可以得出，采用改进教学模式后，学生在计算题得分方面，其标准差波动为1.60～1.63，标准差变化不大，这也反映出在两种模式下学生对知识点的掌握情况基本持平；学生在计算题中的平均得分从5.71分提升至6.65分，得分率提高了16.5%，这说明“六环节一循环”的教改模式使学生对知识点的灵活运用能力有了显著提高.

3.2 “一体化平台”的测评反馈海南大学教务系统采用“教学一体化服务平台”来对《土力学与地基基础》课程的教学情况进行测评，并在两种教学模式下，将近五年学生对同一任课教师的测评结果进行了对比，见表1.

表1 两种教学模式教学评测得分情况对比(得分率单位：%)

第一项至第三项测评指标的得分很接近，说明学生对两种课堂教学模式的认可程度大致相当，在传统教学模式中不存在消极授课的情况；第四项“注重引导学生思考”的测评得分在改进教学模式后提高了3.1%，说明在改进的教学模式中融入“高阶”认知的案例，并以此来调动学生的思考，这种课堂环节的设计是更得到学生认可的；第五项“上课效率高、传授的信息量可接受”的测评得分在改进教学模式后提高了3.5%，说明在课堂环节的设计中融入“高阶”认知的案例更能引导学生主动听课，并且更能使他们理解和巩固知识；第六项“系统掌握本课程的内容”的测评得分在改进教学模式后提高了2.0%，说明用“立德树人”指明学习方向和以学科前沿引导学生进行探索等教学设计更能调动学生积极性，使他们更愿意利用知识去分析、评价和发现问题，并使他们在此过程中掌握教学内容和获得知识的升华；第七项“你对该老师教学水平的总体印象”的测评得分在改进教学模式后提高了1.4%，说明通过改进教学模式后，教师的教学能力也得到了一定的提升，同时也获得了学生的认可.教学相长，这亦是教师“回归本分”的具体表现.可见，“六环节一循环”的教学改革效果显著，将“高阶认知”融入课堂教学对于推进“四个回归”的本科教改实践有着积极的意义.

4 小 结

将“六环节一循环”这一模式融入《土力学与地基基础》的专业课教学中，这是以学生为本、以需求为导向的教学.“六环节一循环”的教改思路可显著提高学生的学习效率与独立思考的能力，可使学生乐于解决实际问题，同时也使他们易于形成逻辑性和关联性的思维方式，从而使本科人才的培养“回归常识”与“回归初心”.“一体化平台”的反馈结果也表明，将“高阶”认知融入专业课堂的教改模式能使课堂教学的含金量和教师的教学水平不断提升，从而实现本科教育的“回归本分”和“回归梦想”.