土力學教學中幾組關系的辨析

摘要：根據土力學研究對象的特殊性、多學科交叉性，以及學科體系的不成熟和不完善性等特點，結合教學體會及經驗，文章辨析了土力學教學過程中理論與實踐的關系，還原論與系統(tǒng)論的關系，土力學課程與其他課程的關系，教材知識與創(chuàng)新能力培養(yǎng)的關系，教材內容與最新科研成果的關系，傳統(tǒng)教學手段與現(xiàn)代教學手段的關系，師生關系，新舊教學內容關系，以及教學過程與教學結果的關系等。

關鍵詞：課程教學；土力學；還原論與系統(tǒng)論

中圖分類號：G6420；TU43文獻標志碼：A文章編號：10052909（2012）06010705土力學是研究土的組成、特性、應力、滲流、變形、強度、土壓力和土坡穩(wěn)定性以及與此相關內容的學科，是進一步學習基礎工程、地基處理、地下結構、深基坑支護等諸多后續(xù)專業(yè)課程的重要基礎。土力學是土木工程專業(yè)一門重要的核心課程，又是樹立學生開放思維方法的重要載體，因此對培養(yǎng)學生處理未來各類工程問題具有重要意義［1-2］。

土力學涉及力學和工程地質等較多前期課程知識，課程涉及面廣，理論性強，基本知識抽象、不成系統(tǒng)，而且，有些內容缺少必要的預備知識。比如，塑性區(qū)的確定等多處知識點涉及彈性力學中的平面應變問題，而彈性力學一般為本科四年級的選修課；因此，不少學生甚至在畢業(yè)后也沒有真正理解某些基本原理，沒有抓住土力學分析問題和解決問題的精神實質和基本思路。

土力學教學必須堅持以三大理論為主線，以基礎知識和基本理論為教學重點，以素質和能力培養(yǎng)為目標，以工程應用為最終目的。由于課程的特殊性，在教學過程中，存在著各種復雜的關系，處理好這些關系是取得良好教學效果的必要條件。

文章從土力學的研究對象和服務對象出發(fā)，結合教學實踐和學科發(fā)展趨勢，分析了土力學課程的特點。在此基礎上，針對土力學課程理論性與實踐性強等特點，建議在土力學課程教學中應處理好幾種關系，以期對土力學教學有所幫助。

一、土力學的課程特點

土力學從工程力學發(fā)展而來，與其他力學分支相比，具有明顯的特殊性。（一）研究對象的特殊性

理論力學的研究對象是剛體，材料力學和彈性力學的研究對象一般是線彈性體，結構力學的研究對象是桿件組成的結構，塑性力學的研究對象是彈塑性體，流體力學是研究流體機械運動及其應用的科學。而土力學的研究對象是地殼巖石經過漫長的風化后所產生的碎散礦物集合體。由于不同地區(qū)、不同深度、不同地點土的工程性質千差萬別，導致土力學的研究對象具有顯著的區(qū)域性、明顯的個性、不可忽視的時間效應和空間效應等特點。另外，土是多孔、多相、不連續(xù)介質，其骨架孔隙由水和空氣充填（有時還有冰）。隨時代變遷，不同地質條件下形成的土，其固、液、氣三相之間不同的比例關系及其相互作用導致土的物理、力學性質進一步復雜化。因此可以說，土的碎散性、多相性和地質歷史形成的變異性是土區(qū)別于其他材料的三個顯著特征。

土的固相包括顆粒的大小和級配、化學礦物成分、電化學性質、松密狀態(tài)等；液相涵蓋水的形態(tài)、化學成分和雜質、冰水狀態(tài)等；氣相涵蓋氣體的形態(tài)、成份、連通情況等。另外，固、液相之間存在雙電層作用，氣、液相之間存在收縮膜作用。因此，特定土表現(xiàn)出特有的物理狀態(tài)、化學性質和電學性質。當與不同的邊界條件、荷載條件和溫度條件相耦合時，土的雙電層特性、收縮膜特性以及結構性發(fā)生相應變化，從而引發(fā)十分復雜的力學和工程性質。

（二）依托理論的多樣性

有效應力原理、一維固結理論、Mohr-Coulomb強度準則構成了土力學的基本骨架，是目前解決土工問題的理論基礎，也是土力學的教學重點。在土力學中，常常出現(xiàn)不同的研究對象依托的理論全然不同的現(xiàn)象。比如有效應力原理、擋土墻和土坡穩(wěn)定性驗算等均假設土體為剛體，采用的是理論力學的研究方法；一維固結理論、彈性地基梁計算等則將土體視為線彈性體，采用材料力學的研究方法；在確定地基承載力時又將土體當作剛-塑性體，采用塑性力學的研究方法；在研究黃土的濕陷性時又可以將其視為彈塑性材料。

12高等建筑教育2012年第21卷第6期

李順群，等土力學教學中幾組關系的辨析

（三）多學科交叉性

如前所述，土力學課程學習應在掌握理論力學、材料力學、彈性力學、塑性力學、流體力學、水力學、工程地質等知識的基礎之上，采用不同學科的研究成果，綜合分析才能合理解決相關問題。而在研究環(huán)境巖土工程問題時，甚至涉及化學和生物學方面的知識，充分體現(xiàn)了土力學的多學科交叉特性。

（四）對相關學科的反促進作用

土力學是一門實用性很強的學科。由于研究對象的特殊性，在其發(fā)展過程中，對相關學科的發(fā)展起到重要的反促進作用。比如，傳統(tǒng)塑性力學以鋼材等材料為研究對象，認為球應力只引起體應變，偏應力只引起偏應變。因此，傳統(tǒng)塑性力學無法考慮材料在剪切變形過程中的體變。對巖土類材料，球應力既可以引起體應變，又可以引起偏應變；偏應力既可以引起偏應變，又可以引起體應變。為了反映諸如此類與鋼材等傳統(tǒng)材料截然不同的特性，國內外巖土工程專家開展了廣泛研究。在對傳統(tǒng)塑性力學提升和改造的基礎上，誕生了塑性力學的一個重要分支——土塑性力學或廣義塑性力學［3］。

（五）學科體系的不成熟和不完善性

土力學中涉及的基本概念、計算理論和計算公式很多，而且各部分內容之間的連貫性較差。與前面提到的幾個力學分支相比，土力學具有明顯的不成熟性和不完善性。土力學發(fā)展至今，其理論基礎仍不完善，處于半理論、半經驗的發(fā)展階段。在土力學中還不能用一種模型概括土的全部力學性質，經驗公式和經驗方法隨處可見并在實際工作中發(fā)揮著重要作用。土力學的不完善性還表現(xiàn)在土力學中公式的假設條件過多，且有些假設自相矛盾。比如，在推導地基塑性區(qū)過程中，計算地基中的附加應力時假設地基處于彈性狀態(tài)，然后根據計算出的應力條件和Mohr-Coulomb準則可以得出塑性區(qū)范圍。這種前后不協(xié)調現(xiàn)象在土力學中并不少見，在教學過程中務必給學生講解清楚。

二、土力學教學過程中的幾組關系

（一）理論與實踐的關系

土力學隨工程實踐的發(fā)展而發(fā)展，因此，土力學的最終目的必然是為工程實踐服務。土力學理論與日常生活和工程實踐息息相關，日常生活和工程實踐是學生掌握土力學理論、培養(yǎng)學習興趣和創(chuàng)新能力的重要途徑。在教學過程中，應該將已學理論與工程實踐緊密結合，但在現(xiàn)有土力學教材中，一般只在緒論中有少量工程案例介紹，學生在學習過程中時常不知學為何用，學習目的不明確，缺少應有的學習動力和興趣。若在教學過程中將理論知識和工程實際緊密結合，不僅可以激發(fā)學生的學習興趣，也能提高學生分析、解決實際工程問題的能力，從而加深對土力學理論的理解。

例如，在學習有效應力原理后，教師可以讓學生對過度抽取地下水引起地面沉降進行解釋，對地基液化引起建筑物沉降進行分析。通過工程實例，開闊學生眼界，激發(fā)其學習興趣，并使其充分認識到土力學課程的重要性。工程實例教學有利于培養(yǎng)學生解決問題能力，使學生逐步形成創(chuàng)新性思維。

教師也可以結合科研課題，向學生介紹土力學理論的實際應用。在講解土的壓縮性和一維固結理論后，筆者結合自己的一個堆島項目，詳細講解了堆島最終沉降量和沉降量隨時間發(fā)展的計算過程。隨后，介紹最終沉降量計算對島上建筑物的重要意義，并進一步強調沉降過程對建設工期的經濟意義和社會意義。

（二）還原論與系統(tǒng)論的關系

近代科學技術起源于西方，其核心研究思想為分解，即人體—系統(tǒng)—器官—組織—細胞—基因—蛋白質—分子—原子—量子……東方科學強調萬物間的相生相克，即把研究對象作為一個整體，即人體—經絡—穴位。

與其他學科不同，土力學中的多數(shù)問題難以精確解析、認知和預測。這主要源于巖土材料的復雜性、影響因素的多樣性和初邊條件的不確定性，主要表現(xiàn)在一因多果、一果多因或因素的相互關聯(lián)和轉化。在土力學教學中，一定要向學生灌輸土力學的不確定性這一重要思想，即并不是計算得越精確就越完美。顧寶和曾提出，在巖土工程中“不求計算精確，只求判斷正確”，強調定性分析和定量分析相結合，強調綜合判斷［4］。新奧法隧道施工方法實際上是系統(tǒng)論在土力學中的具體運用，因此，應不斷向學生強調工程監(jiān)測和工程經驗在巖土工程中的重要作用。

（三）土力學課程與其他課程的關系

土力學是土木工程中聯(lián)系基礎課程和專業(yè)課程的重要橋梁，其基本概念、基本方法和結論是諸多后續(xù)課程的基礎，如基礎工程、地下結構、深基坑支護、地基處理等。土力學教學過程既體現(xiàn)理論知識的傳授，又離不開基本土力學實驗等實踐性教學環(huán)節(jié)的指導。同時，在學習土力學過程中，學生還應該學會分析、處理工程實踐問題常用的方法，提高自己在未來畢業(yè)設計或實際工作中必須具備的分析、綜合、判斷能力。

（四）講授教材知識與培養(yǎng)創(chuàng)新能力的關系

掌握土力學基礎知識，培養(yǎng)繼續(xù)學習能力及創(chuàng)新能力是教學過程中應注重的兩個方面，不可偏廢。基礎知識的良好掌握是培養(yǎng)學生繼續(xù)學習及創(chuàng)新能力的前提和基礎，而學生學習能力和創(chuàng)新能力的提高又有助于其掌握更多的土力學知識。二者互為補充，互相促進。教材知識是學生勝任未來工作的基礎，而創(chuàng)新能力則是學生成長發(fā)展的源泉?，F(xiàn)代教育觀念注重培養(yǎng)學生學習能力和創(chuàng)新能力，因此，土力學教學也應圍繞培養(yǎng)創(chuàng)新型人才展開。事實上，教材知識與培養(yǎng)創(chuàng)新能力是一致的，如果教學過程中一味傾向于培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力而忽略了基礎知識的傳授，那么創(chuàng)新能力的培養(yǎng)也只能是海市蜃樓。如果教師在課堂上針對堆島的最終沉降量和沉降過程提出了若干問題，而學生沒有掌握分層總和法與一維固結理論，那么學生肯定無從下手，創(chuàng)新性能力的培養(yǎng)就會成為一句空話。

學習能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)在于扎實的基礎知識，因此，在教學過程中，必須加強基礎知識、基本理論的講解。當然，在教學過程中也不能滿堂灌，應該結合切身的工程實踐或科研課題闡述相關土力學理論，讓學生針對實際工程勤思考、多動手，這是培養(yǎng)他們創(chuàng)新能力的必要手段。

為了讓學生對學科前沿和發(fā)展動向有所了解，在時間允許的條件下，可以邀請與學生共同語言較多的新近畢業(yè)博士或在讀博士生以各自的研究方向介紹相關領域的國內外最新研究成果，以激發(fā)學生參與科學研究的興趣。比如，依托重點實驗室學術年會，學校土木工程專業(yè)每年都組織學生聽取多名國內外知名專家的學術報告。另外，還應大力提倡學生參加各類大學生科技活動。比如，教研室每年都積極組織學生申報“科技活動資助項目”。由于事先作了充分準備，每年都有3—5名學生獲得了2000元資助。獲得資助的學生，其學習積極性明顯提高，對其他學生也起到示范帶動作用。

（五）既有教材內容與最新科研成果的關系

土力學是一門實踐性很強的學科，同時又是一門很不完善的學科。這就決定了土力學教學必須與最新科研成果相聯(lián)系，才能實時修正更新理論、公式和計算方法。與理論力學、材料力學等“嚴密”學科不同，土力學是一門逐步發(fā)展完善的學科。比如，在講解條形荷載作用下塑性區(qū)的計算方法時，除講解教材中的方法外，可以比較分析國內外近幾年關于該課題的研究成果。國內確定條形均布荷載作用下臨塑荷載pcr和臨界荷載p1/4、p1/3以及地基塑性區(qū)的方法，在推導過程中假設土體自重應力如同靜水應力——在同一深度各個方向上應力均相等且無剪應力。這明顯有悖于實際情況，只有理想液體才能滿足這個條件。筆者將塑性區(qū)研究成果穿插于地基承載力的確定進行講解，取得了良好的教學效果［5］。

（六）傳統(tǒng)教學法與現(xiàn)代教學法的關系

現(xiàn)代教學手段和技術包括電視錄像、投影、多媒體、網絡等，教師若能恰當?shù)剡\用這些教學手段，通過圖像、聲音、文字的巧妙結合，把土力學內容展現(xiàn)在學生面前，顯然可以起到節(jié)約時間、增加信息量、體現(xiàn)形象性和生動性等作用。如果再結合形形色色的工程實例照片，對深化學生土力學知識無疑具有積極意義［6］。

在教學中對各種教學方法進行最佳組合，針對不同的教學內容采用不同的教學方法。在土力學教學中，值得推薦的是案例教學法與研討教學法相結合的教學方法。最有效的方法是將傳統(tǒng)教學手段與現(xiàn)代化教學手段結合，以傳統(tǒng)教學方法為主，多媒體教學為輔。例如，在土坡和地基的穩(wěn)定性章節(jié)中，假設多、公式多、推導過程復雜，這時可以將推導過程和結果以幻燈片的形式向學生講解，教師在黑板上強調步驟和關鍵點。

在傳統(tǒng)教學過程中，有些教師強調記筆記的重要性，但是在多媒體教學手段廣泛應用的今天，每節(jié)課的信息量非常大，完整記錄所有內容已不現(xiàn)實。而且，在聽課過程中記筆記，勢必影響對課堂內容的理解，其結果反而得不償失。因此，在教學過程中，筆者一般不要求學生記筆記，取而代之的是學生在教材上勾畫或在章節(jié)的適當位置批注。

（七）學生與教師的關系

教學過程是教與學的過程，是人才培養(yǎng)的重要渠道，其重心應落在“學”上。教師的教與學生的學是以課程為平臺，平等、民主的交往過程，二者均是主體。通過教，教師實現(xiàn)傳道、授業(yè)、解惑；通過學，學生增長知識、提高能力、養(yǎng)成素質，并逐步成長為專業(yè)人才。教學是一種師生雙向互動的實踐活動，教學過程的出發(fā)點和歸屬點都是“學”，因此，教學絕不是教師單向傳授知識的過程，而是學生主動學習的過程，是師生相互交流與合作、相互啟發(fā)與提高的過程［7-8］。

教學不應局限于課堂教師講授，而更重要的是給學生充分的空間和自由度，讓學生有機會思考、體驗、總結、提高。另外，還需要一個必不可少的鍛煉過程，包括各種習題、實驗、報告、參觀考察、工程實踐等。

在教學過程中一定要注重調動師生雙方的積極性。教學質量歸根結底要靠學生的學習成績和學生未來的發(fā)展成敗來評判。學生的發(fā)展質量是教育質量的具體體現(xiàn)，其內核和實質是學生主體性的提高程度。在教學過程中，教師應不斷學習，調動自己的主觀能動性，不斷完善自己的專業(yè)知識。同時，也要充分調動學生的主動性、積極性和創(chuàng)造性。只有學生的主體能動性和教師的主體能動性都充分調動，才能互相促進，共同發(fā)展。

（八）新舊教學內容的關系

在知識經濟與信息化時代，知識量驟增，信息傳播速度也越來越快，知識高度分化、新學科不斷涌現(xiàn)，新技術層出不窮。據統(tǒng)計，近30年人類積累的知識相當于過去2000年積累的總和。研究表明，現(xiàn)在大學生一出校門，所學知識60%左右已經陳舊。土力學是一門新興學科，在信息化的今天，其發(fā)展速度也十分迅速。在中國，土力學專業(yè)每年發(fā)表在EI期刊上的研究論文多達2000篇左右。這些研究論文刊載了大量研究成果和工程實錄，從不同側面展示了學科的最新研究成果，因此，在教學過程中，一定要使用版本新、質量高的教材，以防止教材內容滯后。同時，在教學過程中，要及時把學科前沿的新成果融入相關章節(jié)。

土力學中的經典內容，如有效應力原理、一維固結理論等是土力學的基礎，任何時候都是土力學的核心和需要重點講解的內容。地基沉降、抗剪強度等內容是不斷發(fā)展完善的理論，在教學過程中應該實時引入相關內容。比如，在講完飽和土的Mohr-Coulomb強度理論后，可以簡要介紹非飽和土的強度理論研究進展，并說明飽和土的強度理論是非飽和土強度理論的特例。在講完分層總和法后，可以列舉鄧肯-張等非線性彈性模型、反映彈塑性的劍橋模型等，以開闊學生視野。

（九）教學過程與教學結果的關系

教學過程是學生在教師指導下認識世界，接受知識的過程。同時，學生和教師的創(chuàng)新意識往往在教學過程中萌發(fā)，創(chuàng)新能力在教學過程中強化和提升［9］。教學最終目的是培養(yǎng)學生的繼續(xù)學習能力、解決問題能力和創(chuàng)新能力，包括思想道德、身體素質、審美能力、勞動技能、創(chuàng)新意識和能力、綜合素質等方面。教學是手段和途徑，培養(yǎng)高素質人才是最終目的和評價教學活動成敗的唯一標準。

因此，教學結果絕對不能僅根據考試成績、考取的研究生數(shù)量、獲獎多少等指標評價，而應以教學過程在學生人生成長過程中所起的作用對教學效果進行評價?？v觀國內外著名科學家的成長歷程，不乏孩童時期不是“好學生”的例子。因此，教師在教學過程中且不可對自己看不慣的現(xiàn)象妄下結論。給學生講授巖土工程的工作思路、工作方法，激發(fā)他們興趣，可能比講清楚某一個知識點更為有效。

三、結語

土力學是一門半理論、半經驗的學科，其最大特點是不成熟性。文章從土力學課程的這一特點著手，根據培養(yǎng)計劃和教學大綱要求，結合自己在教學過程中的體會和積累的經驗教訓，闡述了土力學教學過程中應該正確處理好的幾組關系。當然，要想獲得較好的教學效果，還需要處理好其他一些關系，如學生之間的協(xié)作關系等，限于篇幅，此處不再展開。

參考文獻：

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［5］李順群，王英紅，柴壽喜，等.二次曲線作為Mohr包線時的地基塑性區(qū)［J］.廣西大學學報，2009，34（3）：297－300.

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［8］侯煦光.怎樣進行啟發(fā)式教學［J］.高等教育研究，1997（5）：72-76.

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編輯 周沫