土力學(xué)課程教學(xué)中學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)

黎春林 陳 靜

一、引言

創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)是大學(xué)生素質(zhì)教育的核心，是實(shí)現(xiàn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人類(lèi)進(jìn)步的源泉。創(chuàng)新意識(shí)指善于聯(lián)想，觸類(lèi)旁通，不墨守成規(guī)；創(chuàng)新能力指提出問(wèn)題，解決問(wèn)題的能力。當(dāng)今社會(huì)，知識(shí)呈爆炸性增長(zhǎng)，知識(shí)更新?lián)Q代很快，為適應(yīng)這一形式的轉(zhuǎn)變，對(duì)大學(xué)生的要求不僅僅是學(xué)會(huì)已有的知識(shí)，更重要的是培養(yǎng)學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)進(jìn)行選擇、整合、創(chuàng)新的能力。在這一培養(yǎng)目標(biāo)指引下，大學(xué)生才有能力在踏入社會(huì)后，根據(jù)工作實(shí)際和社會(huì)要求，不斷完善調(diào)整自身的知識(shí)結(jié)構(gòu)，更好地適應(yīng)用人單位和社會(huì)的需要。而這種能力并非老師言語(yǔ)所能傳授的，它需要激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新潛能，也需要大學(xué)生的積極參與。

《土力學(xué)》是應(yīng)用型本科院校土木工程相關(guān)專(zhuān)業(yè)的重要專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程，對(duì)培養(yǎng)合格的應(yīng)用型人才起著非常重要的作用[1]。土力學(xué)理論的發(fā)展一般是通過(guò)試驗(yàn)、觀測(cè)、計(jì)算發(fā)現(xiàn)規(guī)律，隨后總結(jié)和表述這些規(guī)律，并上升到理論。從其發(fā)展過(guò)程可以看出土力學(xué)的發(fā)展離不開(kāi)創(chuàng)新，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力已成為《土力學(xué)》教學(xué)的重要目標(biāo)?；趯W(xué)科特點(diǎn)，在《土力學(xué)》教學(xué)過(guò)程中，我們從理論教學(xué)、實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐等方面進(jìn)行了改革，加強(qiáng)對(duì)學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，在傳授基礎(chǔ)知識(shí)、培養(yǎng)基本能力的同時(shí)，更注重啟迪學(xué)生的創(chuàng)新思維，引導(dǎo)學(xué)生去思考，去探索，去創(chuàng)新。

二、教學(xué)改革內(nèi)容與實(shí)施

1.以數(shù)學(xué)和經(jīng)典力學(xué)引導(dǎo)學(xué)生思維創(chuàng)新

土力學(xué)理論的發(fā)展離不開(kāi)數(shù)學(xué)和經(jīng)典力學(xué)。土力學(xué)理論中除了有效應(yīng)力原理和固結(jié)理論，其他理論都可以用經(jīng)典力學(xué)進(jìn)行推導(dǎo)[2]。但由于土的性質(zhì)和實(shí)際土工問(wèn)題條件的復(fù)雜性，數(shù)學(xué)和經(jīng)典力學(xué)用于土?xí)r，常常附加很多假設(shè)，所以土力學(xué)的計(jì)算極少與實(shí)際精確地符合。正因?yàn)橥亮W(xué)中充滿(mǎn)了經(jīng)驗(yàn)和假定，所以我們不能用數(shù)學(xué)和經(jīng)典力學(xué)的“精準(zhǔn)”來(lái)要求它。但另一方面，盡管土力學(xué)是充滿(mǎn)經(jīng)驗(yàn)的學(xué)科，但是土性的復(fù)雜性和土工問(wèn)題的近似性并不表示其中應(yīng)用的數(shù)學(xué)和力學(xué)方法可以不遵守基本的規(guī)則；反而，在教學(xué)中，應(yīng)強(qiáng)化運(yùn)用數(shù)學(xué)和力學(xué)的思想方法，為學(xué)生發(fā)現(xiàn)、分析和解決問(wèn)題提供思維起點(diǎn)、終點(diǎn)和路徑。例如太沙基固結(jié)理論做了多方面的假定，概括起來(lái)包括：（1）土完全飽和；（2）土粒和水不可壓縮；（3）壓縮和滲流是豎向的；（4）變形是線(xiàn)性的；（5）滲流符合達(dá)西定律；（6）荷載一次突然施加；（7）土均質(zhì)；（8）各向同性。在此假定基礎(chǔ)上，根據(jù)飽和土體固結(jié)的力學(xué)機(jī)理，利用高數(shù)微分方程進(jìn)行了嚴(yán)密的求解。雖然作了如此多的假定，但并沒(méi)有影響太沙基固結(jié)理論在工程中的廣泛應(yīng)用。又如，布辛奈斯克假定土體為連續(xù)的、各向同性彈性體、半無(wú)限體，在此基礎(chǔ)上應(yīng)用彈性力學(xué)理論推導(dǎo)了在地表集中荷載作用下地基中任意一點(diǎn)的附加應(yīng)力；在布辛奈斯克公式基礎(chǔ)上又進(jìn)一步利用高等數(shù)學(xué)面積積分推導(dǎo)了均布荷載作用下、基礎(chǔ)角點(diǎn)下土體中任意一點(diǎn)的附加應(yīng)力。這一方法同樣在工程中被廣泛應(yīng)用。通過(guò)這些實(shí)例，告訴學(xué)生數(shù)學(xué)和經(jīng)典力學(xué)方法在土力學(xué)課程中的重要性。因土體性質(zhì)復(fù)雜，為簡(jiǎn)化分析，在理論推導(dǎo)過(guò)程中往往作了較多的假定，但只要我們抓住了事物的主要矛盾照樣能推導(dǎo)出較精確的結(jié)果。

由此可見(jiàn)，數(shù)學(xué)和經(jīng)典力學(xué)是推動(dòng)土力學(xué)理論發(fā)展的有力工具，學(xué)習(xí)借鑒其思維方法，無(wú)疑有助于培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新思維能力。同時(shí)，老師在教授土力學(xué)相關(guān)理論時(shí)，必須強(qiáng)調(diào)其適用條件和局限，否則將會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的后果。例如：膨脹土邊坡，如用條分法設(shè)計(jì)，會(huì)發(fā)生滑坡現(xiàn)象。典型案例有：安徽省淠史杭灌區(qū)膨脹土上渠道，50年代建成，到80年代發(fā)生滑坡195處。同樣的事故還有：南水北調(diào)中線(xiàn)渠首2公里渠段上，完工1年后出現(xiàn)13處滑坡。事故原因是條分法沒(méi)有考慮膨脹土特點(diǎn)。又如，經(jīng)典土力學(xué)理論假定土體處于完全壓剪應(yīng)力狀態(tài)，而邊坡工程土體內(nèi)部一般是存在拉張應(yīng)力分量，基于壓剪這一假定建立的現(xiàn)代邊坡穩(wěn)定分析理論，因沒(méi)有合理考慮斜坡土體所受到的拉應(yīng)力分量，導(dǎo)致部分達(dá)到安全設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的工程斜坡，在營(yíng)運(yùn)過(guò)程中因降雨、場(chǎng)地和環(huán)境變化較大等原因發(fā)生滑垮，產(chǎn)生災(zāi)難性后果[3]。

2.重視試驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力

土力學(xué)許多理論的提出基于試驗(yàn)和工程實(shí)踐，通過(guò)對(duì)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)的計(jì)算分析、類(lèi)比別人成果，得出規(guī)律。沒(méi)有大量的實(shí)踐資料和堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)，是很難取得成就的[4]。因此，要學(xué)好土力學(xué)，必須重視實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。

為激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新精神，我們對(duì)傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行了改革，具體改革內(nèi)容包括：開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室，增加綜合性和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)比例，改革實(shí)驗(yàn)成績(jī)的評(píng)定方式等。通過(guò)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室，使學(xué)生在空余時(shí)間可以更主動(dòng)地從事實(shí)驗(yàn)和科研工作，提高學(xué)生的實(shí)踐和創(chuàng)新能力；通過(guò)綜合性實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)學(xué)生綜合素質(zhì)；通過(guò)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，提高學(xué)生應(yīng)用專(zhuān)業(yè)知識(shí)解決工程問(wèn)題的能力；在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中鼓勵(lì)學(xué)生大膽質(zhì)疑，提出問(wèn)題，并尋求解決問(wèn)題的最佳方法。在實(shí)驗(yàn)成績(jī)?cè)u(píng)定上既考查學(xué)生的專(zhuān)業(yè)知識(shí)，又評(píng)價(jià)學(xué)生的實(shí)踐能力和設(shè)計(jì)創(chuàng)新能力，重視學(xué)生實(shí)驗(yàn)過(guò)程表現(xiàn)。

實(shí)驗(yàn)后要求學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)或現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行合理的、客觀的分析，尋找內(nèi)在的規(guī)律。尋找規(guī)律應(yīng)從分析試驗(yàn)、觀測(cè)、計(jì)算等方面著手，分析有哪些影響因素，如何影響，是正相關(guān)還是負(fù)相關(guān)？并且應(yīng)分析哪些現(xiàn)象是誤差或偶然因素引起的，要知道去偽存真。并積極引導(dǎo)學(xué)生對(duì)同一試驗(yàn)結(jié)果從不同角度分析，得出不同的規(guī)律。例如滲透試驗(yàn)，通過(guò)試驗(yàn)觀測(cè)得出以下規(guī)律：滲透速度與水頭差成正比，與滲透路徑長(zhǎng)度成反比。這就是著名的達(dá)西定律。又如直剪試驗(yàn)，由試驗(yàn)結(jié)果可知土的抗剪強(qiáng)度不是一定值，而是與法向應(yīng)力成線(xiàn)性關(guān)系。

規(guī)律是必然的，而理論則是客觀規(guī)律的總結(jié)和表述。規(guī)律的揭示要與機(jī)理分析結(jié)合，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果總結(jié)規(guī)律，并從機(jī)理上分析原因，弄清了規(guī)律的實(shí)質(zhì)，再上升到理論就是創(chuàng)新。

3.改進(jìn)教學(xué)方法，創(chuàng)設(shè)土力學(xué)應(yīng)用情景

培養(yǎng)創(chuàng)新能力的目的，是培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用土力學(xué)知識(shí)、方法解決實(shí)際問(wèn)題的能力。《土力學(xué)》課程的許多章節(jié)都是與工程實(shí)際緊密聯(lián)系的，其理論也是為解決工程實(shí)際問(wèn)題而提出的，如“土的應(yīng)力與變形、土壓力、土坡穩(wěn)定、地基承載力”等內(nèi)容。因此，在這些內(nèi)容的教學(xué)中，應(yīng)注重創(chuàng)設(shè)土力學(xué)的應(yīng)用情景，營(yíng)造學(xué)生積極參與氛圍，讓學(xué)生感受到“工程就在我身邊”，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力。如：介紹附加應(yīng)力后，提示學(xué)生附加應(yīng)力不一定都是荷載引起的，引導(dǎo)學(xué)生去思考在日常土木工程中還有哪些因素會(huì)產(chǎn)生附加應(yīng)力，將附加應(yīng)力與基坑開(kāi)挖、人工降水、滲透變形、地震等現(xiàn)象結(jié)合起來(lái)，啟發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維。又如：介紹土壓力理論計(jì)算公式時(shí)，結(jié)合實(shí)際工程中擋土墻的設(shè)置方法和種類(lèi)，分析在實(shí)際工程中減少擋土墻土壓力的常用措施，從而加深學(xué)生對(duì)土壓力理論公式的理解。隨后引導(dǎo)學(xué)生自己去思考當(dāng)前這些工程措施的優(yōu)缺點(diǎn)，有沒(méi)有更合適的改進(jìn)方法。這樣利用工程實(shí)際組織教學(xué)，無(wú)疑對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識(shí)起到了積極的作用。

4.與時(shí)俱進(jìn)，關(guān)注土力學(xué)的發(fā)展前沿

隨著經(jīng)濟(jì)與科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，土木工程規(guī)模越來(lái)越大，對(duì)地基的承載力和變形、擋土墻背土壓力等課題提出了更高的要求，人們?cè)诠こ探ㄔO(shè)中也面臨越來(lái)越多的問(wèn)題需要去解決。而土力學(xué)重大的工程中問(wèn)題的解決往往涉及學(xué)術(shù)上的創(chuàng)新，是非常好的教學(xué)素材和資源。在教學(xué)中應(yīng)結(jié)合實(shí)際工程結(jié)構(gòu)型式、新工藝、新處理方法、新施工方法、新儀器等，與課程理論相聯(lián)系，針對(duì)具體問(wèn)題分析得出的規(guī)律，避免紙上談兵。如：在介紹真空預(yù)壓法加固軟土地基這一工藝時(shí)，告訴學(xué)生其涉及固結(jié)、沉降理論，引導(dǎo)學(xué)生去思考其工藝原理。又如：對(duì)于地基的變形，在教材中介紹的分層總和法和規(guī)范法都只考慮了土體的豎向變形（即沉降），忽略了土體的側(cè)向變形。在建筑物規(guī)模較小、建筑物高度不高的情況下，這種簡(jiǎn)化帶來(lái)的誤差很小。但如今隨著建筑技術(shù)的飛速發(fā)展，建筑物呈多樣化、大型化發(fā)展的態(tài)勢(shì)，涉及的地基問(wèn)題也越來(lái)越復(fù)雜，在這種情況下如果設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)不考慮土體的側(cè)向變形，將會(huì)帶來(lái)較大的誤差，從而影響到建筑物的安全。因此，在介紹土體變形相關(guān)知識(shí)時(shí)，可結(jié)合當(dāng)前高層建筑和深基坑工程中涉及的土力學(xué)問(wèn)題及具體工程措施進(jìn)行講解，從而提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加深對(duì)理論知識(shí)的認(rèn)識(shí)和理解。

5.重視土力學(xué)的研究規(guī)律，強(qiáng)化創(chuàng)新能力培養(yǎng)

為了培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，土力學(xué)教學(xué)不但要傳授土力學(xué)知識(shí)，還要培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力，將重點(diǎn)放在土力學(xué)思維方法的傳授和培養(yǎng)上，具體做法如下：

(1)啟發(fā)學(xué)生運(yùn)用歸納和類(lèi)比思維方法

在教學(xué)過(guò)程中，啟發(fā)學(xué)生運(yùn)用歸納和類(lèi)比的思維方法，比較新知識(shí)與已有知識(shí)的差異與聯(lián)系，既有助于接受、理解和掌握新知識(shí)，又有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。對(duì)比分析包括理論方法對(duì)比，實(shí)驗(yàn)條件對(duì)比，理論適用情況對(duì)比對(duì)比等等。如：在介紹庫(kù)侖土壓力理論和朗肯土壓力理論、直剪儀和三軸剪切儀等這些相近的知識(shí)點(diǎn)時(shí)引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行類(lèi)比，通過(guò)類(lèi)比發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，從而進(jìn)一步探尋內(nèi)在的規(guī)律。

(2)發(fā)展學(xué)生的直覺(jué)思維能力和猜想能力

直覺(jué)思維是科學(xué)發(fā)現(xiàn)的一種重要思維方式，一些直覺(jué)推斷和猜想常常是某些理論和實(shí)踐創(chuàng)新的萌芽，因此，在土力學(xué)教學(xué)中，可以通過(guò)案例教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生猜想，培養(yǎng)學(xué)生的直覺(jué)思維能力和猜想能力。例如：e－logp曲線(xiàn)后半段是直線(xiàn)，前半段為什么不是？在這里作一設(shè)問(wèn)，籍此引導(dǎo)學(xué)生思考取土所產(chǎn)生的應(yīng)力擾動(dòng)，以及應(yīng)力擾動(dòng)對(duì)土樣e－logp曲線(xiàn)的影響。當(dāng)然猜測(cè)必須合理，提出新理論必須有根有據(jù)。也即要求學(xué)生在試驗(yàn)結(jié)果或計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上，利用已有的成熟理論，進(jìn)行合乎邏輯的推理。

(3)突破思維定勢(shì)，嘗試運(yùn)用逆向思維

在實(shí)際生活中，人們往往習(xí)慣于沿著事物發(fā)展的方向思考問(wèn)題并尋求解決辦法，但是，對(duì)于某些問(wèn)題尤其是一些特殊問(wèn)題，根據(jù)結(jié)論思考其成立的條件，往往能使問(wèn)題簡(jiǎn)化。在教學(xué)過(guò)程中，可以根據(jù)教材內(nèi)容，設(shè)計(jì)一些逆向思維的例子，既有助于學(xué)生掌握知識(shí)，又有助于培養(yǎng)學(xué)生的探索精神和逆向思維能力。比如，自重應(yīng)力可分為總自重應(yīng)力與有效自重應(yīng)力，在介紹此知識(shí)點(diǎn)時(shí)讓同學(xué)們思考為什么現(xiàn)在很多城市因過(guò)度抽取地下水出現(xiàn)了地面沉降這一現(xiàn)象，利用土力學(xué)知識(shí)，在現(xiàn)實(shí)生活中怎么解決這一問(wèn)題。

三、結(jié)語(yǔ)

創(chuàng)新是民族進(jìn)步的靈魂，是社會(huì)發(fā)展的動(dòng)力。在土力學(xué)的教學(xué)中，要以數(shù)學(xué)和力學(xué)知識(shí)為工具，以培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維能力為導(dǎo)向，把創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)融入土力學(xué)課程教學(xué)的全過(guò)程，同時(shí)，要轉(zhuǎn)變觀念，在教學(xué)中從多方面培養(yǎng)學(xué)生的思維能力，激勵(lì)學(xué)生創(chuàng)新，充分挖掘?qū)W生學(xué)習(xí)潛能，培養(yǎng)符合時(shí)代要求的、具創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力的高素質(zhì)人才。

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