面向不同力學基礎學生的土力學教學改革與實踐

摘要：改變傳統(tǒng)土力學教學統(tǒng)一大綱、統(tǒng)一教學內容、統(tǒng)一教學模式的現(xiàn)狀，將課程內容分為三大模塊。對不同工程力學基礎的學生，制定不同模塊的教學大綱，按照“因人施教、分類培養(yǎng)”的原則，有選擇地講授不同模塊的內容，最大限度地調動學生學習土力學的積極性，培養(yǎng)學生的學習興趣，切實掌握土力學的核心內容，增強學生的獨立思考能力與工程實踐能力。實施結果表明，所提出的教學改革措施合理有效。

關鍵詞：土力學；教學內容；教學改革

中圖分類號：G6420；TU4文獻標志碼：A文章編號：10052909（2015）01005405土力學是一門研究土的物理、力學性質及其與工程問題有關的學科，根據(jù)土的應力、應變、強度關系提出力學計算模型，用數(shù)學、力學方法求解土的應力分布、變形、滲透性、土壓力、地基承載力以及邊坡穩(wěn)定等課題，是土木工程、水利工程、市政工程等多學科的專業(yè)基礎課，也是從事工業(yè)與民用建筑工程、道路與橋梁工程、地下空間工程、水利水電樞紐工程以及巖土環(huán)境治理等必備的基礎理論知識。作為土木工程專業(yè)的一門專業(yè)基礎課，土力學具有極其重要的學科地位。

工程力學課程在高等數(shù)學、大學物理等課程的基礎上開設，其主要內容包括理論力學和材料力學兩部分。理論力學主要研究物體的受力分析、力系簡化和物體及物體系統(tǒng)的平衡，點和剛體的運動學分析，質點與質點系的動力學分析等。材料力學的主要任務是在滿足強度、剛度、穩(wěn)定性的要求下，為工程設計提供必要的理論基礎和計算方法。

土力學是用數(shù)學、力學方法求解土在各種條件下的應力分布、變形、滲透性、土壓力、地基承載力以及土坡穩(wěn)定等課題。由此可見，土力學課程學習的效果在很大程度上取決于學生對工程力學相關知識掌握與運用的熟練程度。即學生的工程力學知識水平對土力學課程的學習有較大影響。

一、 教學中面臨的問題

為滿足建筑行業(yè)對安全技術與管理類人才的需求，徐州工程學院自2013年起開始招收土木工程（安全技術與管理）專升本學生，當年招收的70余名學生分別來自江蘇建筑職業(yè)技術學院、揚州工業(yè)職業(yè)技術學院以及常州工業(yè)職業(yè)技術學院等省內20余所高校，涵蓋了工程造價、建筑技術以及工程監(jiān)理等10余個不同專業(yè)。因此，學生的物理、數(shù)學以及工程力學基礎差異較大。甚至有少部分學生來自于計算機網(wǎng)絡技術、礦山機電等與土建類關聯(lián)度較低的專業(yè)，數(shù)學及力學知識基礎相對較差。即使原來在高職院校所學的專業(yè)為土建類或與土建類相關，但由于不同學校的師資水平以及對力學和數(shù)學的重視程度不同，學生的工程力學知識水平也存在著較大差別。由此可見，在學生工程力學知識水平差異較大的情況下，應合理地組織土力學的理論與實踐教學，將土力學這門集物理、化學、數(shù)學以及力學等多學科于一體的專業(yè)基礎課講得通俗易懂，從而激發(fā)學生的學習興趣，提高學生的學習積極性，使學生切實掌握土力學的基本概念、基本理論與基本技能，并具有一定的解決實際問題的能力。

對于如何提高土力學課程的教學效果，國內的專家學者進行了大量研究，并發(fā)表文章百余篇，概括起來基本可分為以下幾個方面。

（1）在理論教學方面，主要是對課程中的一些基本概念及公式推導等進行討論。如，李棟偉、汪仁和[1]對一維固結滲流理論公式、土粒顆粒級配以及最優(yōu)含水量與塑限關系等進行了探討，王仕傳[2]、楊雪強等[3]對有效應力原理的理解進行了較為詳細的闡述，朱建群、高文華[4]對土的三相比例指標之間的換算、有效應力原理以及擋土結構上的土壓力和水壓力等問題分別進行了較為詳盡的分析。

（2）在實踐教學方面，主要是對目前土力學實驗教學中存在的問題進行分析，并提出了不同的改進措施與建議。如，王俊杰[5]在大量調查研究的基礎上，分析了土力學在實驗教學中存在的不足，并有針對性地提出了改進土力學實驗教學的措施；李廣信[6]認為在課堂上向本科生引入實踐教學環(huán)節(jié)非常重要，重點介紹了清華大學土力學實踐教學環(huán)節(jié)中富有特色的方面；鄭運桃[7]從青海大學土力學實驗教學的特點出發(fā)，通過對土力學實驗教學的現(xiàn)狀分析，對土力學教學內容、實驗成績考核方法以及拓寬實驗內容等改革提出了一些思考及建議；趙志峰、王海波等[8]對當前土力學實驗教學在制度和管理等方面存在的問題進行了分析，并提出了實驗課單獨開設、單獨考核以及建立開放型實驗室等措施。

高等建筑教育2015年第24卷第1期

夏紅春面向不同力學基礎學生的土力學教學改革與實踐

（3）在創(chuàng)新性能力培養(yǎng)方面，張緒濤[9]從土力學教師的基本素質、課堂教學的質量、教學的手段與方法等幾方面闡述了培養(yǎng)大學生創(chuàng)造性思維能力的問題；費康、許朝陽[9]對研究性學習模式在土力學教學中的應用進行了設計，并介紹了教學設計思路、教學內容和課堂討論問題設計等。

（4）在教學方法方面，璩繼立、李陳財?shù)萚10]在土力學的教學中引入了PBL（即“以問題為基礎的學習”）教學法，提高了學生的學習興趣和自主學習能力；王偉、陶菲菲等[11]介紹了啟發(fā)式教學在土力學中的應用，并論述了應用啟發(fā)式教學應注意的問題；馬時強[12]則提出，在土力學的教學中，對一些屬于重難點的概念和原理（如砂土液化、土的抗剪強度、有效應力原理、變形模量等）進行恰當有趣的比喻，將有助于學生深刻理解，同時對激發(fā)學生學習興趣、活躍課堂氛圍、和諧師生關系大有裨益；丁樹云[13]在土力學教學過程中，以數(shù)學知識作為切入點，結合土力學基本問題，啟發(fā)學生的思維。

由此可見，盡管對土力學教學方面進行了大量研究，取得了比較豐碩的研究成果，但上述研究均基于一個前提，即學生在學習土力學課程之前，都學習過高等數(shù)學、工程力學等課程，具有一定的工程力學基礎。對于專升本的學生，在同一班級中，工程力學基礎存在明顯差異，如何針對不同力學基礎學生的接受能力和學習特點，在有限的課時內，使學生切實掌握這門基本概念、計算理論及計算公式均較多的專業(yè)基礎課，高質量地完成教學任務，是一個值得研究的課題。

二、 教學改革

（一） 分模塊制定教學大綱

土力學主要講授有關土的基本概念、土的強度問題、變形問題、滲流問題以及土的動力特性等。按照其內容將土力學分為三個模塊，如圖1所示。

模塊一為土的基本概念，主要講述土的形成及分類和物理性質兩大部分內容，該部分為土力學的基礎，包括土的形成、組成、結構和構造、土的三相比例指標、土的水理性質、土的擊實性以及土的工程分類和特殊土的工程地質特征。該部分繁雜的計算公式較少，大部分為敘述性內容或基本概念，學生理解基本沒有困難。

模塊二為土的強度特性及變形特性，主要講述土的強度和變形的理論計算和試驗。包括土的自重應力及附加應力計算、基底壓力及基底附加壓力計算、有效應力原理、地基最終沉降量計算、土的抗剪強度理論及抗剪強度測定方法、地基的破壞模式和極限承載力以及土壓力理論和土坡穩(wěn)定分析等內容。該部分內容是土力學的核心內容。

圖1土力學課程核心內容模塊劃分模塊三主要是土的滲流特性與動力特性。主要包括達西定律、土中的二維滲流及流網(wǎng)、滲透破壞、飽和土的單向固結理論、地基沉降與時間關系計算以及動荷載作用下土的力學特性等內容。該部分內容為整個土力學的難點，尤其是二維滲流、飽和土的單向固結理論以及土的動力特性等內容，其理論性均較強。

（二） 因人施教、分類培養(yǎng)

對于不同工程力學基礎的學生，模塊一的內容較容易理解與掌握。模塊二中的實驗部分，其實驗方法與相關參數(shù)的獲取均比較容易，而理論計算中，由于涉及組合變形時的應力計算（如基底壓力的計算）、應力狀態(tài)理論（如土的抗剪強度計算）以及彈性力學中的相關知識（如地基的自重應力及附加應力計算），故該部分內容對于大多數(shù)學生來說，理解與掌握均有一定的難度。在講解該部分內容時，應根據(jù)學生的具體情況合理取舍，而不應拘泥于對所有公式的繁瑣推導，如豎向集中力作用下地基中某點附加應力的計算（即布辛奈斯克解答），由于學生沒有學習過彈性力學，故只需將計算結果告訴學生即可，而沒必要講述公式的推導過程。對于偏心荷載作用下基底壓力的計算，則應讓學生理解其實質類似于桿件在壓彎組合變形下橫截面上任意一點的應力計算。對于土的抗剪強度理論公式的推導，實質是平面應力狀態(tài)下，任意截面上的正應力和切應力的求解問題。這樣，有利于一定工程力學基礎的學生，對問題的理解和掌握。而對沒有工程力學基礎的學生，在講解上述問題之前，則應簡單介紹應力和應力狀態(tài)的概念，以及桿件在壓彎組合變形條件下，橫截面上任一點的正應力計算方法，以利于他們對相關問題的理解。模塊三的內容由于涉及流體力學、土的動力學等內容，而這兩部分內容，大部分學生幾乎沒有接觸過，所以相對較難，故只需對達西定律、飽和土的單向固結理論等內容簡單講解即可。主要是讓學生會利用固結度與時間因數(shù)的關系曲線，對地基沉降與時間關系進行計算。

由此可見，對不同工程力學基礎的學生，講課的內容及側重點應有所區(qū)別。

對于力學基礎好而且以后有考研意向的學生，在理解并掌握土力學基本內容的同時，開設第二課堂，主要包括以下三個方面內容。

第一，補充講解與土力學課程內容有關的部分彈性力學以及流體力學知識、土動力學等，從而提高學生的理論水平，即在講授模塊一和模塊二的基礎上，同時講授模塊三的內容。

第二，設立土力學課程學習興趣小組，引導學生進行設計性、創(chuàng)新型實驗，鼓勵學生積極參加教師的科研項目，加強對學生科研能力的訓練。

第三，對于計算機水平較高的學生，鼓勵其利用Matlab、Abaqus以及Ansys等軟件編寫程序，通過對軟件的二次開發(fā)，對土的一維固結過程、三軸試驗過程、荷載作用下地基中的應力分布等進行模擬與分析，從而加深學生對理論知識的理解，提高學生的創(chuàng)新能力，激發(fā)學生對數(shù)值計算軟件知識的學習興趣。

對于力學基礎相對較弱且以后準備就業(yè)的學生，主要講授模塊一和模塊二的內容，對模塊三的內容只做簡單介紹。對該部分學生，除了要求其掌握土力學的基本概念、基本理論外，應重點培養(yǎng)其實踐動手能力，在完成學校規(guī)定的必修實驗的基礎上，增設土的分類及定名、土的壓縮固結以及土的承載力等工程實踐性較強的實驗，培養(yǎng)學生的工程意識，提高學生獨立分析問題、解決問題的能力。

（三）采用合理的成績考核辦法

為改變過去土力學課程考試“重理論輕實踐”的弊端，土力學課程的總成績由試卷成績和實驗課（或第二課堂）成績兩部分組成，試卷成績（占總成績的70%）主要考核模塊一和模塊二中的部分內容，主要評價學生對土力學基本概念以及基本理論的掌握和運用能力，為全體學生的必考內容。將土力學實驗課（或第二課堂）成績在土力學總成績中的比例由原來的10%調整為30%，使學生的成績考核更加合理，同時，學生對實驗課（或第二課堂）的重視程度顯著提高。學生的實驗課成績主要由實驗預習、出勤、紀律、操作、記錄以及結果分析與討論等綜合評定。而第二課堂成績則由創(chuàng)新性實驗能力、軟件應用及二次開發(fā)能力以及科研小論文撰寫等幾方面綜合評定。

三、實施效果

（1）改革后，學生的學習態(tài)度發(fā)生了明顯轉變，曠課、遲到及早退現(xiàn)象很少出現(xiàn)。之前，大部分學生認為土力學晦澀難懂，且所學的知識在工程中應用性不強。改革后，學生改變了此種錯誤觀點，消除了學習中的畏難情緒。

（2）無論是基本理論考核，還是實驗操作或創(chuàng)新能力考核，學生的成績均有較大的提高。

圖2為土木工程（安全技術與管理）專業(yè)學生成績分布圖。從圖中可以看出，全班77名學生中僅有2名學生的綜合考核成績在60分以下，成績在90分以上的有8名學生，說明絕大部分學生對土力學課程的相關知識掌握較好。

（3）學生對授課教師的教學滿意度明顯提高，教師的教學綜合評價均為優(yōu)秀。通過問卷調查，90%以上的學生對改革后的教學方法比較滿意。

（4）改變了過去理論課教學和實驗課教學分別由不同教師擔任的做法，采用基礎性實驗由實驗室教師指導，而設計性及創(chuàng)新型實驗項目則由理論教學教師或有土力學相關科研項目的教師指導，基本解決了實驗室?guī)熧Y不足的問題。

（5）學生的綜合素質明顯提高，其自主設計能力顯著增強，對教師的依賴性明顯減小，從而為后續(xù)課程（如基礎工程）的學習打下了良好的基礎。

四、結語

雖然土力學的研究對象復雜，實踐性強，內容的連貫性相對較差，具有理論繁多、應用公式多、推導公式的假設條件多等特點，但通過對課程內容的合理組織，采用全新的模塊教學法，制定不同模塊的教學大綱，按照“因人施教、分類培養(yǎng)”的原則，有選擇地講授不同模塊的內容，增設工程實踐性較強的土力學實驗，開展豐富多彩的第二課堂，采用相對合理的成績考核辦法，激發(fā)學生對土力學產(chǎn)生濃厚的興趣，切實理解并掌握土力學的核心內容。

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