大语言模型背景下土力学课程教学方法探讨

付龙龙 周顺华 王炳龙 陕耀

摘  要：基于开放式人工智能的大语言模型在提升知识获取效率方面表现出巨大潜力，同时也给传统的教学方法、学习及考核方式带来挑战。相较于本科生，研究生需要面向工程前沿，指向学术前沿，其培养目标更侧重于对知识的综合运用，培养方式也具有相对更高的开放性。综合以上两方面的发展需要，该文基于交通工程方向研究生的土力学课程教学实践，围绕新时代的育人和教育发展目标，探讨土力学课程教学的专业特色内容、教学方法、师生互动和围绕立德树人根本任务的举措。

关键词：交通岩土；动力特性；多尺度；开放式习题；因材施教

中图分类号：G642        文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2024）11-0028-04

Abstract： The large language models established based on open AI have shown great potential in improving the efficiency of knowledge acquisition， which also brings challenges to traditional teaching， learning and assessment methods. Compared with undergraduates， graduate students need to face the frontier of engineering and aim to the academic frontier. Consequently， their training goals are more focused on the comprehensive application of knowledge， and the training method is relatively moreopen. Based on the teaching practice of "Soil Mechanics" course for graduate students in the major of traffic engineering， this paper discusses the featuredcontents， teaching methods， teacher-student interaction and measures around the fundamental task of foster virtue.The discussions included in this paper consider the needs for the development situations of AI and graduate student education， and meanwhile focusing on the cultivation of people and education development goals in the new era.

Keywords： transportation geotechnics; dynamic behaviors; multiple scales; no-stereotype exercise; individualized teaching

近百年來，土力学与人类基础设施发展协同共进，逐步形成了庞大的知识体系和诸多分支。受限于课时，不同学科方向在开展土力学教学时往往结合自身专业特点进行适应性调整以更好地纳入前沿科学问题[1-2]。同时，关于教育教学方法的创新性实践不断涌现，例如课堂演示实验[3]，以高等教育国际化发展为目的的双语课堂[4]，可精细掌握学生学习大数据的线上-线下混合课程[2]，与课程思政的有机混合式[5]等。近年来，随着人工智能技术的不断发展，基于OpenAI的模型越来越多地介入到个人日常使用场景。特别是ChatGPT、文心一言等基于开放式人工智能的大语言模型，使得未来对于知识信息部分的获取和利用更加容易，在一定程度上释放了人类的智力资源的同时，也给课程的传统教学设计带来挑战。例如，学生获取海量学习资源可能导致知识结构的平面化，甚至出现学习失焦和低效率。又如，在开放式测评场景下，以往基于内容和知识点的考核，答案可能千篇一律。青年学生对大语言模型这类新技术的使用意愿高、适应快，与此同时，专业课程也需要适度地考虑与新技术进行适应融合。学习和实践知识的方法发生转变，必然要求教学方法和目标的系统性更新。并且，在知识获取更容易的时代，教育和学习需要更注重意义引导，因此立德树人将更为重要。由于大语言模型等人工智能技术方兴，针对上述方面的教学改革目前仍处于探索阶段。

土力学涉及交通基础设施的填料设计、土工结构设计、健康监测等诸多方面，是道路工程、轨道交通工程、机场工程等诸多交通工程方向专业课的前序基础课之一。通常，针对本科生的土力学课程教学重基本概念、基本原理、基础试验方法。相较于本科生，研究生需要面向工程前沿，指向学术前沿，其培养目标更侧重于对知识的综合运用，更接近于实际应用场景，培养方式也具有相对更高的开放性。因此，可以从研究生教学着手探索人工智能新技术趋势下土力学的教学改革思路和方法。例如，结合知识的讲授进行更多逻辑性思维训练，以更好地培养学生认识问题、凝练问题、判断结论的能力，从而更好地适应未来人-机协同的新场景。积极响应《中国教育现代化2035》中提出的“培养学生创新精神和实践能力”。

《交通强国建设纲要》指出，要培育高水平交通科技人才。《关于加快建设发展新工科实施卓越工程师教育培养计划2.0的意见》在总体思路中提到，人才培养要面向工业界、面向世界、面向未来。为此，本文立足时代背景，基于交通工程方向研究生土力学课程教学实践，探讨了课程内容特点、教学挑战及应对策略。首先，结合交通工程发展所面临的基础和前沿问题，探讨了土力学课程教学内容的特点；其次，探索适应交通工程专业研究生培养的土力学课程特色内容；再次，通过创新习题模式，增强对学生开放式思维的训练，同时以师生互动为抓手强化因材施教；最后，围绕立德树人根本任务，探讨了课程思政教育建设。

一  交通工程方向土力学课程内容的特点

交通工程涉及的土力学问题在荷载、填料、构筑型式等方面都有其鲜明特点。近年来，随着交通工程规模的不断增大，“交通岩土”这一主题方向在国内外已形成广泛的影响力。为适应未来交通发展趋势，交通土工基础不仅要满足更高速、更大轴重的功能性需求，还要越来越多地兼顾韧性、低碳、智能发展。

（一）  离散性岩土颗粒材料复杂力学行为

岩土颗粒材料是天然材料，可回收再利用，具有经济、绿色、低碳的特点。经级配设计的土石混合料具有易填筑和压实的特点，便于填筑，广泛用于交通土工基础的长线性结构。同时，我国西部及“一带一路”沿线的中亚、中东国家广泛分布有高离散性岩土颗粒材料。因此，更好地掌握岩土颗粒材料的力学行为及基于此的性能优化设计符合交通工程的高质量发展需求和区域平衡发展趋势。为此，课程教学需要重点突出现有土力学框架在土的物理力学指标、变形、强度等多个方面对土的离散性的考虑及其局限性。

（二）  复杂动力环境下土的力学行为

交通土工基础在服役期主要承受载运工具的长期动力荷载作用，动变形控制和长期动力稳定性是其主要考虑的方面，特别是交通荷载日益复杂的趋势下。例如，随着车速的不断提高，土中动荷载的频率也在不断增加[6]，会诱发岩土颗粒材料新的响应[7-8]；多层次、立体化交通线路也使得土体所受应力路径越加复杂。土力学教学需要兼顾交通工程建设和服役期的需求，因此需要同时考虑静、动力两方面的内容。

（三）  长期沉降和不均匀沉降

交通土工基础长线性结构在跨越不同地层时，由于地基土压缩性的差异，线路会出现不均匀沉降。除此之外，地基高程与线路高程设计引起的填料厚度差异，以及路基-桥涵等不同基础结构型式之间的过渡，都是不均匀沉降产生的客观前提。当不均匀沉降过大时，不仅会影响行车舒适度，还会改变基础的受力状态，进而诱发其他病害。因此，课程教学需要加强土的压缩性原理、测试方法、沉降计算方面的内容。

二  探索适应交通工程专业研究生培养的特色内容

研究生阶段随着学习深度的增加，在有限的课时下，适度聚焦是必然趋势。与此同时，随着知识的累积，也具备了从更大的视角下重新构建知识框架的时机。为此，结合交通工程所涉土力学问题的特点，设计相应的特色内容和课程运行方案，包含两部分：一是针对岩土颗粒材料及其复杂动力行为的内容设计，在本节展开；二是针对相对传统的沉降计算部分，主要以习题创新的方式，旨在训练学生的全局思维和知识的立体化架构能力，具体见第3节。

（一）  增加颗粒材料细观力学量化分析

岩土颗粒材料最大的特点是不符合连续性假设，也很难满足均匀性和各向同性条件。现有土力学理论体系中，在描述土的物理力学性质时充分考虑了离散性的影响，但在应力、变形、强度等计算过程中对离散性影响的考量仍不足。围绕土的离散性，国内外学者开展了大量试验和数值模拟研究，可用于辅助讲解岩土颗粒材料宏观力学行为背后的过程和机理，直观展现土力学假设的影响。例如，多个单元体试验所得应力应变曲线、剪切带形位等均有所差异，从细观力链角度能够更好地辅助理解这些宏观现象[9]。地基中附加应力通常采用连续介质力学方法进行计算，但岩土颗粒材料不符合连续性假设，结合细观力链的空间分布和应力分级，可以直观展示出外荷载在颗粒材料中的分布特点，即总体上表现为类似于“应力泡”的分布型式，但局部分布非常不均匀[10]。

（二）  增加张量的基本运算及应用

土中一点的力学状态是复杂的，直观表示为三维空间中的不同分量，也可更简洁地表示为应力、应变等的张量。张量的信息密度更高，在国际学术界的使用日益广泛。因此，实际授课过程中结合学生的实际接受情况，适度加入张量部分内容，有助于提高土力学与弹塑性力学、颗粒物质细观力学等的融合，也符合国际学術交流的实际诉求。例如，介绍张量的定义、基本变换、运算法则，基于张量的土中一点的主应力、应力不变量的求解，本构关系的张量表示等。

（三）  以研促教，激发思考

创新能力是研究生培养的核心要求和关键目标之一。因此，及时展现本学科与土力学交叉领域的前沿成果，有助于激发学生思考、提升学习热情，为新思路的萌发创造条件。例如，以往针对行车荷载下土体动力特性的分析中考虑的荷载频率较低，而随着行车速度的不断提升，研究人员发现轨下土工基础中存在高频荷载分量[6]，可能给工程结构稳定带来不确定性风险。为此，国内外学者研制了可实现高频低幅加载的三轴仪[7]，并发现在一定的静偏应力状态下，附加高频低幅循环荷载会引起土样变形明显增大[7]；土-结构界面也存在类似的现象[8]。现行的土力学理论尚未纳入对这一现象的考虑，仍处于持续研究中，因此是青年学者可为之努力的一个研究方向。

三  创新习题模式，增强师生互动

基于人工智能的语言模型虽然提高了知识获取的便利性，但也存在弊端，例如不利于系统性思维和独立思考，可能改变科研成果的写作模式，也会增加课后习题、考核等的评价难度。特别是以往基于内容和知识点的考核，答案可能千篇一律，会凸显人工智能语言模型在育人过程中的弊端。为此，提出“开放式习题”的策略，尝试开展更多的逻辑性思维训练，从源头上提供深层思考和构建个性化知识框架的必要条件。

（一）  开放式“知识点”命题，侧重全局思维培养

课后作业或开卷考试中，可采用已知条件不足的方式，如缺失前提假设或边界条件或参数等，需要学生意识到条件不足，并合理假设所需条件后进行解答。开放式“知识点”命题有助于训练并考查学生对知识点整体的掌握情况，包含原理、假设或前提、典型土体主要参数的一般取值范围，这对于实践性强的土力学学习至关重要。

例如，拟设计一铁路路基，路基顶面宽10 m，高4.5 m，边坡坡率为1∶1.5，路基下部地基为正常固结黏土，层厚6 m，黏土以下考虑为基岩。地下水位与地面齐平。路基填料重度为γ=20 kN/m3，饱和黏土的重度为γsat=19.5 kN/m3，弹性模量E=1.1 MPa，孔压系数A=0.55。试采用考虑三向变形效应的单向压缩沉降计算法计算该路基中心的固结沉降。

该题目无法直接计算地基固结沉降，缺少必要参数（如泊松比），需要先引入参数（待定系数或经验取值），然后进行计算。这不仅评估了学生对沉降计算方法的掌握情况，也纳入了对弹性模量、压缩模量概念的考察。在不同批次的测试中，将弹性模量当作压缩模量进行计算的学生占比在20%～40%范围内波动，有部分学生虽然意识到应采用压缩模量，但出于“题目本身可能存在文字错误”的原因进行“惯性答题”，而未指明参数的不足并采取进一步措施。

（二）  围绕“问题点”命题，进行立体化考查

围绕“知识点”的考查，就解决“知识点”背后的问题而言，这一考查可能有失公平。例如土力学涉及的假设较多，基于不同的假设发展出多种解法。因此，一个问题可能存在多个求解方法，涉及不同的知识点。围绕“问题点”进行开放式命题，可促使学生对问题进行个性化思考。

例如，在（一）中习题的基础上，补充如下条件：该地区压缩模量Es的范围一般为0.9～1.3 MPa，e-p曲线如图１（ａ）所示。同时，实测路基工后沉降时程曲线如图1（b）所示。不考虑路基填料的压缩变形，试计算路基中心的固结沉降。

在已知条件富余情形下，最基本的是能够主动选择合适的方法及必要参数条件，不同学生可能采用不同方法和参数进行求解。大部分学生直接选定一种方法解答：如结合e-p曲线直接按照单向固结计算沉降；或先基于e-p曲线求得土体压缩性参数，然后计算固结沉降；或直接基于实测数据预测固结沉降。极少数学生会给出两种以上计算方法和结果，并从计算方法、参数获取试验等方面的假设出发，尝试解释不同方法计算结果的差异性。多样的答案体现出学生思维差异，有助于因材施教。

结合（一）、（二）两方面训练，加强了学生对“实际工程问题从来没有现成的方法和参数”的认识，建立“首先需要凝练土力学问题，其次确定合适的方法，最后匹配参数进行求解”的基本思考框架。长期训练有助于强化学生对问题、同类方法及其差异的认识和理解，旨在搭建立体化知识框架。解答开放式习题的过程，是分析实际交通工程所涉土力学问题的过程雏形。同时，开放性习题能够减少现阶段人工智能语言模型对考核评价的影响。需要指出的是，开放式习题由于不设标准答案，会面临多样的个性化解答，评阅习题的时间和精力投入往往较高，因此适用于小班教学。

（三）  线上-线下混合式教学，丰富课程教学管理

大语言模型这类具有超强人机交互功能的人工智能技术在未来可能用于课程学习。机器作为一个高效的助手，其加入改變了传统的师-生交流方式，而转变为师-机-生、师-机、师-生和生-机等多个交互场景；届时，教学理念、方法等将需要配套更新。线上课程是人-机交互的初级阶段，可在内容设计、教学设计、课程运行和教学管理等多个方面为未来师-机-生交互场景积累经验。现阶段的线上-线下混合式教学有助于提高学生对不同学习阶段时间配置的自主权，也有助于学生将时间更多地用于凝练问题、解析分析、判断结论等思维能力训练方面。此外，线上-线下混合式教学可高效获取学生学习状态的多维信息，便于在课后开展教学管理[2]。

四  关于立德树人的思考

科学在不断发展，技术在迭代进步，教育的内容、方式、方法也需要不断更新以适应人才培养的时代需求，但不变的是立德树人的根本任务。特别是人工智能语言模型的加入，势必会压缩以往师生直接传帮带和情感交流的时间，因此对立德树人的举措提出了更高要求。

土力学是与交通基础设施密切相关的理论基础课程之一。因此，课程背景中可加入交通基础设施发展过程中典型工程背后的土力学问题，将学习土力学知识与服务国家安全、国民经济、外交等方面相关联，提升学生学习的意义感。例如，从中国人自己设计和建造的第一条铁路京张铁路到新中国第一条援外的坦赞铁路，再到青藏铁路、京沪高铁；从抗日战争期间作为中国与外部世界联络的运输线路的滇缅公路到青藏公路，再到墨脱公路，这一发展进步过程伴随着对多种土体（粗粒土、软土、冻土等）力学性质认识的不断精细化，以及对土体开挖应力、多源附加应力、变形和破坏等诸多方面计算方法的优化。在此基础上，充分发挥“一带一路”倡议和《交通强国建设纲要》的强大时代感召力，鼓励学生明史知责，立足国情，放眼世界，勇于承担当代青年的责任与使命，努力学习以更好地抓住历史机遇，在服务自己国家交通基础设施快速发展中迅速成长。

此外还需要强调，虽然人机协同有助于提升学习效率，但在课程考核环节乃至后续工程应用中，人始终是责任主体，需要始终遵守相应的职业伦理。

五  结束语

本文围绕新时代人才教育需求，基于交通工程方向研究生的土力学课程教学实践，对新技术趋势下的教学内容和方法进行了探讨，主要结论如下。①交通工程涉及的土力学问题在荷载、填料、构筑等方面都有其鲜明特点，纳入岩土颗粒材料高频动力响应和宏-细观多尺度分析方面的内容是交通工程方向研究生土力学教学的基本特色和发展需要。同时，适度开展以研促教，为培养具有国际化理论基础和前沿视野的人才探索行之有效的教学举措。②结合创新习题模式和线上-线下混合式教学，不仅能够强化研究生聚焦问题和发散突破的思维，训练其解决问题的能力，还能够有效增强师生互动。通过学生参与课程习题的多维信息，高效掌握每个学生的学习状态画像，以进行针对性引导，为落实因材施教提供了有利的先决条件。同时，开放性习题能够减小现阶段人工智能语言模型对考核评价的影响。③人工智能语言模型的加入，减少了师生直接传帮带和情感交流的时间，但人的责任主体地位不变，立德树人举措需要更加有力。结合交通基础设施发展中的标志性工程和重要政策性导向、规划，讲述土力学与国家安全、国民经济、外交等方面的密切关联，从多个方面丰富学习的意义感，有助于提升学习动力。

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（同濟大学 交通运输工程学院/上海市轨道交通结构耐久与系统安全重点实验室，上海 201804）