朱丽萍， 邹白涛， 潘耀森， 李明东， 张海洋， 林铭欣
(1.东华理工大学 水资源与环境学院，江西 南昌 330013；
2.东华理工大学 土木与建筑工程学院，江西 南昌 330013；
3.云浮市交通运输事务服务中心，广东 云浮 527300)
在土木工程专业基础必修课“土力学”和“工程地质”教学中，识土教学是重要的基础性环节。当前，绝大多数高校通过教学课件上的图片进行识土教学，学生缺乏对实物土的感知，印象浅薄，学习后续知识点时难以与相应土样建立关联性想象，成为课程教学效果提高的瓶颈[1，2]。为了解决上述问题通常可以采取以下措施进行教学改进：一是建立岩土样本实验室、增加土体试样类型，将图片教学升级为实物教学，提高学习效果[3，4]；
二是开展工程现场观摩，既能强化学生对土样的认知[5]，同时有利于衔接后续知识点，深刻理解土性对工程的重要影响[6，7]；
三是引入模拟仿真系统，利用“物联网+”技术丰富教学内容，探究工程案例，激发学生解决问题的成就感[8，9]。
本研究收集全国代表性土样制作了样本盒，采用物联网技术将土样的工程特性、现场案例和相关课程思政素材融合到土样教学盒中，开发了基于“物联网+”的识土教学系统，在本科生和研究生教学中进行试点应用，并开展了应用效果调查。
1.1 整体设计
基于“物联网+”的识土教学系统最终集成为土盒样态。完整的识土系统包含A、B两盒，A盒为基础土样，是“土力学”和“工程地质”知识点“土的分类”中的土样，如图1(a)所示；
B盒是特殊性土和区域性土，主要涉及研究生课程“高等土力学”，如图1(b)所示。A、B土盒内各装15个土样瓶，每瓶土样分别来自我国不同的省市自治区，不仅土样覆盖面广，而且代表性强，能够很好地满足“土力学”“工程地质”以及“高等土力学”课程的教学需要。测试所有土样的基本土力学性质后，将土样性质、相关工程案例、相关课程思政元素导入到云端，制作相应的关联二维码，如图1(c)所示，印制或粘贴到装置土样的玻璃瓶盖上。在教学过程中，学生既可以观察各类土的形态，也可以通过触觉感受不同土的差异，还可以使用手机扫码，即可获得土类介绍、土性特点、相关工程案例以及与之相关的课程思政元素等，如图1(d)所示。
图1 基于“物联网+”的识土教学系统
基于“物联网+”的识土教学系统还采用了土样知识语音讲解系统，同时具有专属文案添加功能即学生学习完后可以提出修改意见，系统通过审核后进行增补或修改，学生还可以备注自己的学习体会，这又为识土教学系统进一步丰富和改善教学内容提供了素材。
1.2 基于物联网技术的土样信息融合
本系统共包括30个土样(表1所示)，融入课程思政元素10个(表2所示)。每种土的基本性质、工程案例以及与之相关的课程思政元素存放在云端。在教学过程中，学生可以通过扫描土样瓶盖上的二维码获取。以湿陷性黄土为例，学生扫码后可获得以下信息。
表1 各区域典型土样汇总表
表2 土样及课程思政素材
1.2.1 土样性质
湿陷性黄土是指在上覆土层自重应力作用下，或在自重应力和附加应力共同作用下，因浸水后土的结构破坏而发生显著附加变形的土，属于特殊土。湿陷性黄土广泛分布于我国东北、西北、华中和华东部分地区，其在竖向剖面上孔隙比随深度增加逐渐减少，含水量随深度增加逐渐增加。湿陷性黄土土质均匀，以粉土颗粒为主，粒径介于0.005—0.075 mm之间。粉土颗粒中最多的为粗粉土颗粒，约占40%；
其次为粘土颗粒，占总重10%—20%；
此外还含有5%以内的细砂颗粒，几乎不存在中砂颗粒及更大的颗粒。在我国湿陷性黄土分布区，年平均降雨量一般介于250—500 mm之间，明显小于蒸发量，所以湿陷性黄土的天然湿度较低。湿陷性黄土结构较为疏松且内部含有较为发育的孔隙，因此在无水的环境下具有较高的强度和较低的压缩性。但在遇水后，黄土在一定压力下，结构遭到破坏，导致沉降的发生和强度的迅速降低。
1.2.2 工程案例
我国在湿陷性黄土分布区取得了许多基建成就。银西铁路的上阁村隧道就处于湿陷性黄土区，全长6.78公里，最大埋深102米，出口处最浅，仅6米，纵坡25‰，沿途围岩90%以上为五级、六级围岩。上阁村隧道是国内穿越最湿黄土稀泥的高铁隧道，施工地质条件极其复杂，被形象地称为“雨里挖掘，泥里支护”，在隧道路径上有很大的施工风险，施工时极易发生沉降、变形、突水、涌泥、塌方等工程灾害，因此该隧道被定为全线I级风险隧道。在该隧道建设过程中，我国自行设计并采用了新型排水系统，以及地表垂直注浆等新技术，具有“防结晶、可维护”的优势，新技术的开发与运用有效促进了上阁村隧道顺利贯通，标志着银西铁路主体工程的完工。
1.2.3 思政素材
地处黄河中游的黄土高原地区是我国黄土分布的中心，分布面积占全国黄土面积的70%以上，且大部分黄土具有湿陷性。陕西省米脂县杨家沟村坐落在陕北黄土高原上，登高望去，村里一座座窑洞四合院尽收眼底。毛泽东、周恩来旧居就位于这里。1947年12月，转战陕北的中共中央在米脂县杨家沟村召开了扩大会议(十二月会议)，这次会议是在人民解放军转入战略进攻，中国革命进入新的高潮时期召开的，任务是制定党的行动纲领，从各方面准备夺取全国胜利。会议讨论并通过了毛泽东同志的书面报告《目前形势和我们的任务》[10]124-126。毛泽东同志在报告中对局势进行了判断：“这是一个历史的转折点。这是蒋介石的二十年反革命统治由发展到消灭的转折点。这是一百多年以来帝国主义在中国的统治由发展到消灭的转折点。”[11]1244“中国人民的解放战争由防御转到进攻，不能不引起这些被压迫民族的欢欣鼓舞。”[11]1244“曙光就在前面”的号召声从这里传向全国。
学生学习之后，还可以运用文案添加功能备注自己的学习心得，同时还可以根据自己的学习感受提出修改意见或建议，系统根据学生的建议完善功能和内容，进一步改善学生的学习效果和学习体验。
2.1 识土教学系统在教学中的应用
在东华理工大学土木与建筑工程学院本科生课程“土力学”和研究生课程“高等土力学”教学中对“物联网+”识土教学系统进行了应用试点。课前，学生可以扫描图1(c)所示的二维码，提前了解本识土教学系统的功能和使用方法。在教学中，教师将课堂时间分成两部分，一半时间由教师进行讲授，教师负责向学生介绍“土的分类”相关知识，并重点选取2—3个样品进行详细讲解，包括土样的土性特征、相关工程案例等。另一半时间由学生以讨论的形式进行交互式学习。学生在这过程中可直接触摸土，获取实物土的感知，同时可通过手机自行扫描土样瓶盖上的二维码，获取存储在云端的土样性质、工程案例、思政元素等。该流程符合学生学习的认知规律，讲授与讨论相得益彰，自主学习和讨论过程不仅可以提高学生的学习兴趣，也能够培养学生的沟通及合作能力。
2.2 识土教学系统教学效果评价
2.2.1 调查问卷的设计
本研究对相关本科生以及研究生共计300人进行了使用情况问卷调查。问卷主要用于调查基于“物联网+”的识土教学系统在实验课的使用效果和用户体验。本科生只做课后问卷调查，研究生有课前问卷和课后问卷两部分。课前问卷主要涉及特殊土的类型、工程性质、工程案例、不良地基土的工程性质、不良地基土可能造成的破坏形式以及在工程中遇到不良地基土的处理办法，主要目的在于收集学生对特殊土的了解情况，促进学生对知识盲区的探索，激发学习兴趣。课后问卷目的在于重点分析学生在应用识土系统之后的收获及感受，并对“物联网+”识土系统做出相应评价。学生的评价和反馈可作为后期进一步优化系统的参考。
2.2.2 本科生对识土教学系统的应用效果评价
本次问卷调查共收集本科生问卷150份。对本科生的课后调查显示，学生通过观察识土教学系统中的土样，并与书本知识相联系，拓展了土样知识的界限，激发了学生对“土力学”知识学习的兴趣，提高了学生的学习自主性。95%的本科生认为，使用该系统对提升“土力学”学习效果非常显著。91%的本科生认为在“土力学”教学及学习过程中需要这样一套识土教学系统来直观获取专业知识、感受工匠文化、拓展对特殊土的了解。同时，他们也建议识土教学系统应囊括祖国各地更多的土样，以满足他们今后学习以及从事相关工作的需要。
2.2.3 研究生对识土教学系统的应用效果评价
本次问卷调查共收集到研究生问卷150份。课前问卷调查显示：40%的研究生在本科阶段“土力学”学习中只见过砂土、粉土和黏土，60%的学生只见过1—2种特殊性土样；
49%的学生只知道砂土、粉土与黏土的工程性质，对特殊土和区域性土类了解不多，典型工程案例知之甚少。在使用该系统后，学生通过对实际工程的阅读和学习，更容易掌握各类土的强度、压缩性、地基液化、不均匀沉降等知识点的理解。调查显示，利用本识土教学系统后，72%的研究生对不良地基土的工程性质有了更深层次的认识，60%的研究生对由不良地基土引起的破坏形式有了更深刻的了解，特别是通过墙体开裂，学习到了冻胀、融沉的破坏状况。更重要的是，在应用本识土系统过程中，研究生转变了机械式的学习方式，注重自主学习，通过扫描瓶盖上的二维码主动获取土样的相关信息，弥补自己专业知识上的不足，提高了学习和科研的兴趣。系统中融入的基建成就、大国工匠、科技进步等思政元素对培养学生的爱国主义情怀、工匠精神、科学精神等具有潜移默化的作用。学生高度认可该系统的整体应用效果，普遍期望增加采用该系统的识土教学环节。
2.2.4 教学成效的形成机制分析
基于有效教学“3E模型”的要素包括教学目标、资源与工具、时间与空间、教学行为和教学结果。教学优化调节可以分为对学生的调节、对资源与工具的调节和对教学时空的调节[12]。其中，资源和工具是教师与学生相互作用的中介因素，也可以在没有教师参与的情况下直接与学生发生相互作用。利用本系统开展教学，教学目标并没有变化，仍然是实现对土体的高效认知，主要变化首先体现在通过构建基于“物联网+”的识土教学系统完成了教学资源与工具的优化，这就使得学生可以在教师的指导下自主学习，实现间接教学，也就是教学行为由灌输式的直接教学转化为互动式的间接教学，提升了学生的学习兴趣，获得了更好的教学效果。其次，利用本系统教学实现了教学空间由教室到实验室的转移，学生的新鲜感提升，学习兴趣更加浓厚，进一步促进了教学效果的提升。
本研究设计制作了基于“物联网+”的识土教学系统，在本科生课程“土力学”和研究生课程“高等土力学”中进行了试用，并对使用者进行了调研。调查发现，“物联网+”的识土教学系统便于学生观察和接触土样，通过扫码获得存储在云端的信息，能够大大扩展学生的知识面，并且使知识变得更加生动形象，能够显著提升学生学习的积极性，大幅提升教学效果；
系统中基建成就、大国工匠、科技进步等思政元素的融入，可以使学生在自主学习的过程中获得良好的思政教育。