多学科交叉融合背景下环境岩土工程课程建设与教学模式探索

朱 锐，周 峰，张 宁

（南京工业大学交通运输工程学院 江苏 南京 211816）

当今世界，各国之间的科技竞争日趋激烈。要进一步推进中国工业向前发展，需有针对性地培养富有创新精神、具有创新能力、拥有创新潜力的新时代复合型工科人才。习近平总书记强调，要用好学科交叉融合的“催化剂”，加强基础学科培养能力，打破学科专业壁垒，对现有学科专业体系进行调整升级，瞄准科技前沿和关键领域，推进新工科建设，加快培养紧缺人才。由此可见，新工科建设担负着提升综合国力、坚定文化自信、培养时代新人、建设高等教育强国、推动文科教育融合发展等重大使命，承担着推进工科专业数字化改造、主动服务国家软实力提升和文化繁荣发展等时代任务。在此背景下，各级教育主管部门启动了新工科建设，进一步推动传统工科专业教育教学改革。当前，科技的创新、突破与发展越来越依赖于多学科的交叉、融合，这就对复合型人才的培养提出了更高的要求。

鉴于此，本文对环境岩土课程建设与教学模式开展了探索研究，结合环境岩土工程课程的特点，系统总结环境岩土工程中多学科交叉融合的特征，从网络平台、虚拟仿真、室内试验、工程实践四个方面提出环境岩土工程课程的建设要点，从教学目标、教学内容、教学方法以及教学评价四个角度优化课程教学体系，为新工科背景下高等学校环境岩土工程教育教学改革提供参考。

1 环境岩土工程课程特点

1.1 环境岩土中的材料学

材料学是指研究材料组成、结构、工艺、性质等问题的学科。岩土工程领域常用材料包括水泥、石灰等无机材料，沥青、聚乙烯等热塑性有机材料以及脲甲醛、聚酯等热固性有机材料。目前，岩土工程领域已开展了大量新材料改性岩土体的理化特性与工程应用研究，典型如：通过渗透试验研究改性土渗透性能与材料掺入量的比例关系；通过扫描电镜试验探索掺入材料在岩土体中的赋存形态及改性岩土体性能提升机理。

1.2 环境岩土中的生物学

生物学是指研究生物的结构、功能、发生和发展规律等问题的学科。基于微生物诱导碳酸钙沉淀技术（MICP）的微生物土力学是当下的研究热点与新兴方向，其原理在于：运用环境中普遍存在的微生物，在细胞表面吸附胶结液中的Ca2+，通过脲酶将尿素分解生成CO32-、NH4+等离子，Ca2+与CO32-结合便会在细胞表面生成大量碳酸钙晶体，能够有效胶结并填充岩土体内部孔隙和裂隙，最终可改善岩土体的物理力学性能。在此背景下，学术界与工程界已开展了多尺度递进的理论、试验与工程应用研究，探索了微生物加固岩土体的理化性能指标与动力响应特性。

1.3 环境岩土中的信息学

信息学是研究信息的产生、处理、识别、存储等问题的学科，尤以计算机科学最具代表性。目前，在信息学、土力学、地质工程等交叉融合下，部分高等院校已将计算机科学广泛应用于地质与岩土工程实际案例虚拟仿真教学等课程建设中，以详尽的文字、丰富的图片和形象的动画相结合的方式，建立了系列虚拟仿真试验平台。以南京工业大学为例，学校已完成单桩竖向抗压静载虚拟仿真实验等虚拟仿真平台搭建工作，学生通过虚拟实景的主观感受促进对客观理论知识的深入理解，不仅有助于培养学生的工科思维，还为岩土工程领域的课程教学与科学研究提供了新技术、新手段。

1.4 环境岩土中的水文学

水文学是地面水与地下水的特性、循环及分布的地质学分支学科。在岩土工程领域，水文地质特征往往是岩土工程安全问题的重要诱因，而地下水污染问题则是水文学在环境岩土工程中的具象体现，如重金属、有机物污染场地造成的地下水污染问题日趋加剧。目前，水文学、土力学、地质学的交叉融合已促成了大量探索性研究与工程实践，深度体现了环境岩土工程的多学科交叉融合属性。典型如：采用高性能复合材料设置地下污染屏障，阻隔污染元素并抑制由地下水渗流导致的污染面积扩大等问题，相关成果丰富了城市生活垃圾卫生填埋等环境岩土工程课程的教学内容。

2 环境岩土工程课程建设

2.1 基于网络平台的课程建设

网络平台的课程建设，即通过线上虚拟教学充实环境岩土工程课程的教学，形成新颖的师生互动教学模式，实现教学深度与广度的延伸与扩展。各高校与学院应积极响应并共同推动软硬件升级，如设立公众号平台、墨客平台、学习通等软件，更新大量的环境岩土工程案例与教学资源，教师通过提前录课、网络实时授课、定时布置作业、定位点名、线上测试等方法，使环境岩土工程课程的教学摆脱时间与空间的束缚，学生可利用课余时间巩固专业知识、激发课业兴趣。

2.2 基于虚拟仿真的课程建设

虚拟仿真的课程建设即借助虚拟仿真平台，开展系列环境岩土工程实验教学，将传统线下课堂授课与线上虚拟仿真实验有机融合。教师首先通过虚拟仿真平台将电子版材料分发给学生，学生在虚拟场景中根据现实的操作步骤完成实验的云操作，锻炼学生的动手能力以及加深其对实验的理解；接着将学生转入线下土工室内试验室，凭照自己在虚拟场景中的操作记忆，在脱离操作手册的前提下进行现场实操，以增强学生做实验的专心度与熟练度，巩固完善学生的综合试验能力，同时通过上述方法也可检验虚拟仿真实验的教学效果。

2.3 基于室内试验的课程建设

要深入理解多学科交叉融合背景下的环境岩土工程课程内容，室内试验的课程建设是必不可少的一个重要环节，然而由于交叉学科的特性，往往需要涉及其余专业的试验资源。例如，利用MICP 技术加固土体，细菌是生物试验室常规的实验试剂。在做单元体室内试验时，可让一组学生先行前往生物试验室培育菌种，并将菌种带到土工试验室内，继而进行土体加固，以探索土样经加固后的各项性能指标变化规律。这种室内试验教学方式，不仅在空间转化上给学生带来新奇的体验，激发其学习兴趣，与此同时也培养了学生的动手能力，让其切身体会到环境的变化对土壤结构所带来的改变。

2.4 基于工程实践的课程建设

实践是推进学科交叉融合，推动科技创新的重要途径。环境岩土工程课程教学应结合本地区的实际情况，努力促进校企合作，为学生提供更多的实践锻炼机会。以南京为例，随着城市化的进展，地铁以及隧道开挖易造成地表塌陷、地面建筑物结构受损等问题，通常其沿线均毗邻重要建筑物，如医院、学校等，在这类基坑开挖中往往会影响老旧建筑物的结构性及安全性。因此，在条件允许的情况下，学院或教师应多组织学生去工程现场进行实地考察，培养学生的观察能力，让学生真正深入了解什么是环境岩土工程、环境的变化会给岩土工程带来哪些实质性影响、造成怎样的规模性危害等。

3 环境岩土课程教学改革

3.1 课程教学目标改革

针对经济发展新常态下高校人才培养与产业需求衔接不足的现状，升级改造传统课程教学目标，培养适应当今社会发展的综合性人才，已成为当前高等教育领域亟待解决的关键问题。传统的环境岩土工程教学目标主要以学生掌握基本理论、熟悉课程内容、培养工科思维、理解重点难点为主，忽略了该课程学科交叉的特殊性，仍以旧式目标冠以新式方向。因此，环境岩土工程课程教学目标应以交叉学科建设为基础，注重学生创新思维和实践能力的培养，以达到多样化人才培养的目标。

3.2 课程教学内容改革

从环境岩土工程课程的形成与发展现状来看，该课程内容应紧密结合国内外典型实例进行专题教学，并且由于其学科交叉的特殊性，应及时更新多领域的课程知识并加以融会贯通。温室效应、城市热岛效应等所引发的岩土工程实例正是环境岩土工程课程内容中应着重阐述的问题。例如：我国北方寒冷地区冬夏温差导致建筑物地基失稳、边坡滑塌等问题频发。多学科交叉融合是解决目前社会发展对于复合型人才需求的重要举措，因此环境岩土工程课程教学内容改革刻不容缓。

3.3 课程教学方法改革

环境岩土工程是以需求为导向的交叉学科，对学生实践能力的要求已上升到一个新的高度。教师应注重交叉学科课程的教学方法，探索多样化的新兴人才培养模式，基于环境岩土工程研究领域的特点，教师可通过课程讲述、专题演讲、自主讨论、现场实操等环节，实施任务驱动型教学方式。传统教学方法仅仅依靠课堂的传道授业解惑已远远不够，交叉学科人才培养的新模式，要基于产学研融合，协同各方组织协议，明确各方工作职责、责任范围以及人才培养效果的检验标准，将课堂知识转化为现场实操，从工程实践中给予学生接触新形势、培养创新思维的机会。

3.4 课程教学评价改革

环境岩土工程课程的教学考核方式应突破“一考定全局”的评价方式，学生自主阅读文献并将所学所想转化为课堂汇报、专题讨论，将实践内容以工程报告的形式提交，让每一个教学要素在考核评价中占据合理比重，建立与教学、实践相适应的评价体系。如：在课堂汇报环节，根据文献内容将学生进行分组，组织学生自主概括、讨论文中所重点阐述的环境岩土工程问题及解决方式，对小组汇报的内容进行逐一评价；后续可让学生结合工程实践的所见所感，再重新对文献中的知识点进行拓展讨论，以培养学生理论联系实际的能力，最终教师再给出上述环节的综合评分。

4 结语

新工科背景下，环境岩土工程课程具有很强的创新性与实践性。在此背景下，环境岩土工程课程建设与教学改革首先应该以学科交叉融合为突破口，从材料学、生物学、信息学、水文学这四个方面揭示环境岩土工程多学科交叉融合的特点，明确环境岩土工程课程的教学要素。其次，基于网络平台、虚拟仿真、室内试验以及工程实践提出多维度环境岩土工程课程建设思路，重点突出多学科交叉融合在课程建设中的定位。最后，融入环境岩土工程的多元性特征，从教学目标、教学内容、教学方法以及教学评价四个角度创新优化环境岩土工程课程教学体系，切实提升教学质量。融合多学科特点的环境岩土工程课程建设与教学改革符合新工科背景下高等院校复合型人才的培养要求，为环境岩土工程教育教学探索提供参考。