土木工程專業(yè)學(xué)生實(shí)踐與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)——以土的滲透特性綜合性試驗(yàn)教學(xué)為例

土木工程專業(yè)學(xué)生實(shí)踐與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)——以土的滲透特性綜合性試驗(yàn)教學(xué)為例

何俊，陶高梁，莊心善

（湖北工業(yè)大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，湖北武漢430068）

摘要：土工試驗(yàn)是提高土木工程專業(yè)學(xué)生實(shí)踐與創(chuàng)新能力的重要教學(xué)環(huán)節(jié)。針對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)模式存在的內(nèi)容分散、指導(dǎo)教師不足和學(xué)生積極性差等特點(diǎn)，提出了新型教學(xué)模式的改革設(shè)想，即在土工試驗(yàn)必修課中設(shè)置常規(guī)指標(biāo)測試和綜合性試驗(yàn)、集中開展試驗(yàn)的方式。以土的滲透特性綜合性試驗(yàn)教學(xué)為例，闡述了綜合性試驗(yàn)的實(shí)施措施。采用綜合性試驗(yàn)教學(xué)方式，可發(fā)揮學(xué)生的主動(dòng)性，增強(qiáng)對(duì)土力學(xué)概念的整體認(rèn)識(shí)，起到培養(yǎng)實(shí)踐與創(chuàng)新能力的作用。

關(guān)鍵詞：實(shí)踐與創(chuàng)新能力；教學(xué)模式；綜合性試驗(yàn)

一、引言

2006年以來，“加強(qiáng)自主創(chuàng)新、建設(shè)創(chuàng)新型國家”已成為中國社會(huì)主義現(xiàn)代化建設(shè)的國家戰(zhàn)略，對(duì)培養(yǎng)高水平創(chuàng)新人才提出了更高的要求。隨著土木工程建設(shè)的發(fā)展，企事業(yè)單位對(duì)土木工程專業(yè)畢業(yè)生的要求也越來越高，不僅要求畢業(yè)生有扎實(shí)的理論知識(shí)，更要求有較強(qiáng)的動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力。同時(shí)，實(shí)踐與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)對(duì)于學(xué)生的繼續(xù)深造也意義深遠(yuǎn)。如何培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐與創(chuàng)新能力，成為高校迫切需要解決的問題。

土力學(xué)是土木工程、水利水電工程、交通工程、港口工程、環(huán)境和礦山等工程門類中非常重要的技術(shù)基礎(chǔ)課。[1]土工試驗(yàn)是土力學(xué)中的基本內(nèi)容，是工程實(shí)踐中不可缺少的一部分。[2]在土力學(xué)教學(xué)過程中，重視土工試驗(yàn)教學(xué)，是增強(qiáng)學(xué)生理解和掌握理論知識(shí)、提高學(xué)生實(shí)踐與創(chuàng)新能力的重要手段。

然而，傳統(tǒng)的土工試驗(yàn)教學(xué)形式難以適應(yīng)社會(huì)對(duì)人才培養(yǎng)的要求。很多學(xué)者提出“綜合性試驗(yàn)”模式[3-6]的設(shè)想，但如何提高效果、真正達(dá)到預(yù)期目標(biāo)卻還有待于深入研究。本文首先簡要分析傳統(tǒng)土工試驗(yàn)教學(xué)模式的特點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上提出土工試驗(yàn)新型教學(xué)模式，并以土力學(xué)中一個(gè)綜合性試驗(yàn)項(xiàng)目-土的滲透特性綜合性試驗(yàn)為例，探討其實(shí)施措施，努力為學(xué)生營造開拓和創(chuàng)新的實(shí)驗(yàn)氛圍，擴(kuò)大學(xué)生獨(dú)立思考和探索的空間。

二、傳統(tǒng)教學(xué)模式的特點(diǎn)

傳統(tǒng)的土工試驗(yàn)采用分散教學(xué)的方法，一般分散在理論教學(xué)過程中，內(nèi)容主要包括密度、含水率、液塑限、固結(jié)、直剪試驗(yàn)等，一般為8個(gè)學(xué)時(shí)。傳統(tǒng)教學(xué)模式主要特點(diǎn)有：

（一）內(nèi)容有限且分散

除清華大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)等高校開設(shè)自選實(shí)驗(yàn)和演示現(xiàn)場測試實(shí)驗(yàn)外，一般高校只開設(shè)以上必選試驗(yàn)項(xiàng)目，內(nèi)容有限且分散。傳統(tǒng)的教學(xué)模式屬于“灌輸式”教學(xué)，強(qiáng)調(diào)教會(huì)學(xué)生各個(gè)指標(biāo)的測定方法，而分散的教學(xué)模式割裂了各個(gè)指標(biāo)之間的聯(lián)系，不利于學(xué)生對(duì)基本概念的理解；傳統(tǒng)模式過于注重“是什么”和“怎么做”，忽略了“為什么”的引導(dǎo)，缺乏對(duì)指標(biāo)的物理意義、作用等方面的分析和總結(jié)，沒有給學(xué)生發(fā)揮創(chuàng)造性的空間。

（二）實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師不足

由于學(xué)生人數(shù)較多，而實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師有限，一般每個(gè)指導(dǎo)教師同時(shí)指導(dǎo)30名左右的學(xué)生完成試驗(yàn)。有的學(xué)校要求理論授課老師參與到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，但指導(dǎo)教師仍相對(duì)不足，教學(xué)效果得不到保障。

（三）學(xué)生參與積極性差

傳統(tǒng)的教學(xué)模式中，土工試驗(yàn)只是土力學(xué)課程的一部分，學(xué)生對(duì)土工試驗(yàn)的重視程度嚴(yán)重不足，很多學(xué)生并沒有親自動(dòng)手操作；試驗(yàn)完成后只是按照老師教的方法完成試驗(yàn)報(bào)告，沒有總結(jié)和思考。從實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備、實(shí)施到分析總結(jié)，學(xué)生的主動(dòng)性和積極性都沒有得到發(fā)揮。因此，這樣的土工試驗(yàn)僅僅只是完成任務(wù)，無法達(dá)到預(yù)期的鞏固理論知識(shí)、鍛煉動(dòng)手能力的效果，更不用說實(shí)踐與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

三、新型教學(xué)模式

針對(duì)以上傳統(tǒng)土工試驗(yàn)教學(xué)模式的特點(diǎn)，提出以下教學(xué)模式。

（一）將土工試驗(yàn)作為單獨(dú)必修課

改變傳統(tǒng)土工試驗(yàn)為土力學(xué)課程組成部分的現(xiàn)狀，將土工試驗(yàn)設(shè)置為單獨(dú)的必修課，以此增強(qiáng)學(xué)生對(duì)土工試驗(yàn)的重視程度。必修課分為兩部分，即常規(guī)指標(biāo)測試和綜合性試驗(yàn)。

常規(guī)指標(biāo)即前述必選試驗(yàn)，采用視頻演示和實(shí)驗(yàn)室內(nèi)操作等相結(jié)合的方式，讓學(xué)生熟悉各常規(guī)指標(biāo)的測試方法。實(shí)驗(yàn)室內(nèi)操作時(shí)，將學(xué)生分為5個(gè)一組，每組配至少1名老師或研究生指導(dǎo)。

土的滲透特性、強(qiáng)度特性、變形特性并稱為土的三大特性。將三大特性分解為若干個(gè)專題，形成綜合性試驗(yàn)。土木工程相關(guān)專業(yè)的科研項(xiàng)目一般都以土力學(xué)為基礎(chǔ)，因此這些專題還可結(jié)合教師的科研項(xiàng)目進(jìn)行設(shè)置，讓教師和所指導(dǎo)的研究生都參與到土工試驗(yàn)教學(xué)中來，以此增強(qiáng)土工試驗(yàn)教學(xué)師資。將研究生作為土工試驗(yàn)輔助教師，還可對(duì)鍛煉研究生的綜合素質(zhì)起到積極作用。還可將大的綜合性試驗(yàn)分解為若干個(gè)子題，供學(xué)生選擇。

（二）集中時(shí)間開展綜合性試驗(yàn)

為避免土工試驗(yàn)分散的不利影響，采用集中時(shí)間開展綜合性試驗(yàn)的方法。每個(gè)班以3周為一個(gè)周期錯(cuò)開開課，以免造

成設(shè)備和人員緊張的現(xiàn)象。在一個(gè)周期內(nèi)，集中在上午、下午或晚上的時(shí)間開展試驗(yàn)。將一個(gè)班分為若干組，每組5人左右，每組選定一個(gè)子題。

綜合性試驗(yàn)周期分為三個(gè)階段完成工作：第一段3～4天為試驗(yàn)準(zhǔn)備階段，主要任務(wù)是小組選定子題并初步確定試驗(yàn)方案；第二段10天左右為試驗(yàn)實(shí)施階段，包括完善試驗(yàn)方案、按照試驗(yàn)方案開展試驗(yàn)；第三段7天左右為試驗(yàn)結(jié)果分析階段，主要任務(wù)是將試驗(yàn)成果總結(jié)為試驗(yàn)報(bào)告，并匯報(bào)展示。

（三）注重研究成果的整理

針對(duì)每個(gè)周期結(jié)束時(shí)的各小組的匯報(bào)情況和指導(dǎo)老師的意見與建議，每組對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步分析，對(duì)試驗(yàn)報(bào)告進(jìn)行完善。學(xué)期結(jié)束時(shí)，將所有學(xué)習(xí)土工試驗(yàn)課程的小組集中在一起再次匯報(bào)，根據(jù)研究成果和匯報(bào)情況集體評(píng)分。

將專題試驗(yàn)周期內(nèi)的成績作為平時(shí)成績，將學(xué)期末集中匯報(bào)的成績作為期末成績。按平時(shí)成績和期末成績給出總評(píng)成績。

（四）后期實(shí)踐活動(dòng)

除了土工試驗(yàn)實(shí)踐環(huán)節(jié)以外，學(xué)生大四下學(xué)期還設(shè)有畢業(yè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)。另外，很多高校還設(shè)置有大學(xué)生科研項(xiàng)目等活動(dòng)，鼓勵(lì)學(xué)生參加開展科學(xué)研究。這些活動(dòng)都是土工試驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)的有益補(bǔ)充。通過土工試驗(yàn)課程中綜合性試驗(yàn)的學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠初步具備一定的科研能力，為畢業(yè)設(shè)計(jì)和其他科研活動(dòng)打下了良好的基礎(chǔ)。同時(shí)，教師在指導(dǎo)綜合性試驗(yàn)的過程中，還可發(fā)掘表現(xiàn)優(yōu)秀、有潛質(zhì)的學(xué)生，在畢業(yè)設(shè)計(jì)和其他科研活動(dòng)中加強(qiáng)指導(dǎo)，進(jìn)一步提高學(xué)生的實(shí)踐和創(chuàng)新能力。

以湖北工業(yè)大學(xué)為例，我校開展了大學(xué)生科研基金項(xiàng)目、“凌云計(jì)劃”項(xiàng)目等，鼓勵(lì)大學(xué)生參與課外學(xué)術(shù)科技活動(dòng)。單“凌云計(jì)劃“項(xiàng)目，全校每年就有400多名學(xué)生參與到老師的科研項(xiàng)目中。在土工實(shí)驗(yàn)課程中，通過綜合性試驗(yàn)的完成，可增強(qiáng)學(xué)生和老師之間學(xué)術(shù)上的了解。在后期畢業(yè)設(shè)計(jì)和科研活動(dòng)等實(shí)踐時(shí)，老師可以根據(jù)學(xué)生的特點(diǎn)進(jìn)行針對(duì)性地指導(dǎo)，而學(xué)生在后期實(shí)踐活動(dòng)選題時(shí)方向性也會(huì)更加明確。

四、以“土的滲透特性”綜合性試驗(yàn)為例

（一）子題設(shè)定

假設(shè)一個(gè)班30人，初步指定3大組分別進(jìn)行土的強(qiáng)度、變形和滲透三大綜合性試驗(yàn)專題，每個(gè)綜合性試驗(yàn)專題大約有10人參加。首先將所有學(xué)生集中，講解三大試驗(yàn)專題的主要內(nèi)容；然后劃分小組，針對(duì)某一專題講解子題的主要內(nèi)容。

滲透特性是土體非常重要的工程性質(zhì)，滲透系數(shù)的影響因素包括土粒特性（粒徑大小及級(jí)配、孔隙比、礦物成分、結(jié)構(gòu)構(gòu)造）和流體特性（水的動(dòng)力粘滯系數(shù)，飽和度）等。結(jié)合筆者的國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“滲濾液與土相互作用機(jī)理及裂隙襯墊材料防滲性能研究”和“固結(jié)過程非飽和黏性土孔隙結(jié)構(gòu)演化規(guī)律及其對(duì)水力特性影響機(jī)制”等，設(shè)置“土的滲透特性”綜合性試驗(yàn)專題。根據(jù)滲透系數(shù)的影響因素，該綜合性試驗(yàn)專題下設(shè)“礦物成分對(duì)黏土滲透性的影響”、“土樣含水率及干密度對(duì)黏土滲透性的影響”、“流體特性對(duì)黏土滲透性的影響”和“非飽和黏性土滲透性”等子題。將專題、子題及相應(yīng)的試驗(yàn)任務(wù)書告知學(xué)生，供學(xué)生選擇。

（二）試驗(yàn)準(zhǔn)備

試驗(yàn)準(zhǔn)備階段的主要任務(wù)是小組選定子課題并初步確定試驗(yàn)方案。將滲透特性綜合性試驗(yàn)專題的學(xué)生分為若干小組，分別完成該專題下的子題。學(xué)生完成選題后，首要的任務(wù)是讓學(xué)生弄清楚相關(guān)概念，并布置初步確定試驗(yàn)方案的任務(wù)。

為弄清楚滲透特性相關(guān)的基本概念，采用提問的方法。例如：什么是土的滲透系數(shù)？為什么要研究土的滲透系數(shù)？滲透性能與變形和強(qiáng)度有什么關(guān)系？如何得到土的滲透系數(shù)？各種滲透系數(shù)測量方法有什么優(yōu)缺點(diǎn)？同時(shí)，鼓勵(lì)學(xué)生自己提問，發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性。

提出問題并布置任務(wù)后，要求學(xué)生自己尋找答案、確定試驗(yàn)方案。給學(xué)生詳細(xì)講解查閱文獻(xiàn)及相關(guān)規(guī)范的方法，以及確定試驗(yàn)方案的方法。

（三）試驗(yàn)實(shí)施

完善學(xué)生給出的初步試驗(yàn)方案，指導(dǎo)學(xué)生制定詳細(xì)的試驗(yàn)方案。要求學(xué)生遵循《土工試驗(yàn)規(guī)程》等規(guī)范的規(guī)定，嚴(yán)格操作，完成試驗(yàn)。

以“礦物成分對(duì)黏土滲透性的影響”子題為例，要完成這個(gè)子題，學(xué)生需要開展的試驗(yàn)主要有：擊實(shí)試驗(yàn)、含水率和干密度測試、變水頭滲透試驗(yàn)等。每一種試驗(yàn)都有老師或研究生指導(dǎo)，隨時(shí)答疑。

（四）試驗(yàn)結(jié)果分析

要求學(xué)生按照規(guī)范的方法及時(shí)整理試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)的問題。

對(duì)于“礦物成分對(duì)黏土滲透性的影響”子題，要求學(xué)生給出礦物成分與黏土滲透性的定量關(guān)系，并能初步分析滲透性變化規(guī)律的機(jī)理。還可以給出引申分析的主題，如基于試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步分析“如何利用黏土的低滲透性進(jìn)行防滲”等，進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生思考。

最后，將分析和討論得到的結(jié)果整理成完整的研究報(bào)告，并做出PPT展示。

五、教學(xué)效果

通過綜合性試驗(yàn)的實(shí)施，最大的優(yōu)勢是發(fā)揮學(xué)生的主動(dòng)性，讓學(xué)生對(duì)土力學(xué)知識(shí)形成整體、感性的認(rèn)識(shí)，起到培養(yǎng)實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的作用。仍以“礦物成分對(duì)黏土滲透性的影響”子題為例，采用在天然黏土中摻入膨潤土等方法改變黏土的粒度組成和礦物成分，可讓學(xué)生加深理解粒度組成、礦物成分等概念，以及顆分和液塑限等相關(guān)試驗(yàn)方法；試驗(yàn)土樣屬于重塑土，滲透試驗(yàn)制樣時(shí)要控制土樣的含水率和干密度，可讓學(xué)生熟悉含水率和干密度的概念及測量方法，以及最優(yōu)含水率、最大干密度的概念及擊實(shí)試驗(yàn)方法；滲透試驗(yàn)時(shí)土樣需要飽和，可讓學(xué)生熟悉土樣飽和方法，以及飽和度的概念和計(jì)算方法；黏土滲透試驗(yàn)采用變水頭試驗(yàn)方法，可讓學(xué)生學(xué)習(xí)變水頭試驗(yàn)原理和試驗(yàn)方法；滲透試驗(yàn)完成后，要得到滲透系數(shù)與礦物成分的定量關(guān)系，可讓學(xué)生學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)分析方法等等。因此，一個(gè)子題試驗(yàn)的實(shí)施不是得到無聯(lián)系的獨(dú)立指標(biāo)，而是一個(gè)相互關(guān)聯(lián)的指標(biāo)體系；能夠讓學(xué)生分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，提升學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。

以上土工試驗(yàn)教學(xué)模式只是初步的改革設(shè)想。目前，筆者基于湖北工業(yè)大學(xué)大學(xué)生科研基金項(xiàng)目、“凌云計(jì)劃”項(xiàng)目等，提出“垃圾滲濾液對(duì)黏土力學(xué)性質(zhì)的影響”綜合性試驗(yàn)專題，指導(dǎo)土木工程與建筑學(xué)院11交通1班的5名學(xué)生完成了該試驗(yàn)項(xiàng)目。學(xué)生利用一個(gè)多月的課余時(shí)間，在老師與研究生的

（注：本文系湖北工業(yè)大學(xué)2014年校級(jí)教學(xué)研究項(xiàng)目“基于獨(dú)立思考能力培養(yǎng)的土工試驗(yàn)教學(xué)改革研究”（無項(xiàng)目編號(hào)）的階段性成果）

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