基于室內(nèi)工程模型案例的土力學(xué)實驗教學(xué)模式研究

劉小文　耿小牧

摘要：本文針對目前土力學(xué)實驗教學(xué)中實驗?zāi)康牟幻鞔_、創(chuàng)新實驗少、學(xué)生創(chuàng)新能力難以發(fā)揮的現(xiàn)實，提出將實際工程用室內(nèi)模型再現(xiàn)，通過將室內(nèi)模型提煉出工程問題，編寫出解決問題所需的實驗方案，再按實驗方案完成土力學(xué)實驗教學(xué)任務(wù)。該實驗教學(xué)模式可以培養(yǎng)學(xué)生的思維和創(chuàng)新能力，也能調(diào)動學(xué)生對實驗過程的參與性和主動性。

關(guān)鍵詞：室內(nèi)模型；工程問題；實驗方案；教學(xué)模式

中圖分類號：TU43 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）03-0261-02

土力學(xué)是一門重要的專業(yè)技術(shù)課，具有理論性、實踐性強(qiáng)的特點。在學(xué)習(xí)過程中要求學(xué)生掌握土力學(xué)基本原理，能夠分析土的特性，計算地基變形、承載力、土壓力等基本方法和規(guī)范要求，能夠解決有關(guān)工程實際問題；但土力學(xué)的一些基本原理及理論，如達(dá)西定律、抗剪強(qiáng)度理論等大都是通過試驗建立的。所以，實驗教學(xué)是土力學(xué)教學(xué)的重要組成部分。通過實驗環(huán)節(jié)，可以增強(qiáng)學(xué)生的感性認(rèn)識、動手能力、鞏固所學(xué)的理論知識，了解土力學(xué)相關(guān)指標(biāo)參數(shù)測試的基本原理和技能，同時還可以增強(qiáng)學(xué)生思考問題、解決問題的能力。但長期以來，土力學(xué)實驗教學(xué)內(nèi)容主要以驗證型實驗為主，學(xué)生按照實驗教師擬定的實驗步驟執(zhí)行；這種實驗教學(xué)方法存在諸多不足，如學(xué)生對實驗過程中的一些現(xiàn)象、問題不會主動思考，對實驗的目的也不太明確具體，實驗完成后學(xué)生對概念原理理解也不透，非常容易忘記；這種實驗教學(xué)方式也很難發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，不能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣及熱情。因此，對土力學(xué)實驗教學(xué)方式進(jìn)行改革創(chuàng)新，以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、培養(yǎng)創(chuàng)新能力是實驗教學(xué)改革的重要任務(wù)。

一、土力學(xué)實驗教學(xué)現(xiàn)狀

巖土工程問題主要與巖土性質(zhì)有很大關(guān)系。而土力學(xué)實驗就是要獲得巖土的物理力學(xué)性質(zhì)。所以如果能將巖土物理力學(xué)性質(zhì)與巖土工程問題聯(lián)系起來，對增強(qiáng)學(xué)生的感性認(rèn)識有很多益處。但目前土力學(xué)實驗教學(xué)還很單一，學(xué)生積極性不太高，目標(biāo)也不明確，教學(xué)往往沒有得到預(yù)期的效果。主要存在的問題。

1.實驗?zāi)康男圆粡?qiáng)。從我校講，土力學(xué)課程安排的實驗項目主要有6個，分別含水率、密度、液塑限、固結(jié)、直剪及滲透實驗，共計8～10個學(xué)時。實驗教學(xué)還是按照傳統(tǒng)的教學(xué)模式將實驗安排在課內(nèi)進(jìn)行，隨課程進(jìn)度分別安排相應(yīng)的實驗。實驗順序一般按密度、含水率、液塑限、滲透、固結(jié)及直剪進(jìn)行。前面的實驗一般要等后面內(nèi)容講了后才能了解其實驗?zāi)康?，學(xué)生在實驗中對其工程意義不太明確。所以，目前的實驗教學(xué)中學(xué)生還是按照實驗教學(xué)指導(dǎo)書的步驟進(jìn)行，實驗完成后其結(jié)果正確與否學(xué)生缺乏正確判斷，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣也不高，也不利于其對土力學(xué)的基本概念及原理的掌握。這種脫離工程背景、對實驗指標(biāo)在工程中應(yīng)用的作用缺乏了解的實驗教學(xué)，無法發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，也不能很好地培養(yǎng)學(xué)生的工程能力。

2.實驗以單個驗證性為主，缺乏項目之間相互聯(lián)系，知識掌握不牢。目前開設(shè)的試驗大多以單個的獨立試驗為主，各個試驗之間相互獨立，而反映土的物理力學(xué)性質(zhì)的綜合性試驗較少。如密度試驗、含水率試驗，其試驗結(jié)果就可以反映土的抗剪強(qiáng)度及壓縮性的大小，但由于試驗是獨立完成，學(xué)生對影響抗剪強(qiáng)度及壓縮性的因素就不太理解。如果能夠在一個項目中把這些指標(biāo)全部完成，更能夠反映學(xué)生綜合運(yùn)用知識的能力。

3.學(xué)生主動學(xué)習(xí)熱情不高。由于實驗項目設(shè)置、教學(xué)方法比較單調(diào)，學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情不高。隨著各高校對本科教學(xué)實驗環(huán)節(jié)的重視，各高校也對土力學(xué)實驗教學(xué)進(jìn)行了探討，如實驗設(shè)置及教學(xué)中加強(qiáng)了實驗教學(xué)設(shè)計性、綜合性實驗的比重；開展了創(chuàng)新性實驗的探索；采用階段式、多媒體教學(xué)等多種手段及方法。但上述教學(xué)改革均未突破現(xiàn)有傳統(tǒng)填鴨式教學(xué)的觀念，不能使學(xué)生主動學(xué)習(xí)知識。因此，如何真正形成設(shè)計性、綜合性乃至創(chuàng)新性的實驗內(nèi)容，讓學(xué)生從發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的角度去找實驗項目，真正參與到實驗項目中，目前仍然是困惑實驗教師和教學(xué)管理者的難題。

二、室內(nèi)工程模型案例的土力學(xué)實驗教學(xué)

1.室內(nèi)工程模型案例的土力學(xué)實驗教學(xué)必要性。為了改變目前的教學(xué)現(xiàn)狀，有些學(xué)校開展了“結(jié)合實際工程課題組織實驗教學(xué)”的改革嘗試，讓學(xué)生直接參與課題或者實際工程實驗，取得了較好的效果，學(xué)生積極性很高，通過實驗培養(yǎng)了學(xué)生良好的工程意識、加深對理論理解。采用實際工程課題直接作為實驗課程效果好，但前提條件是在實驗課程的時間段內(nèi)恰好有滿足需要的工程課題，且工程課題的實驗環(huán)節(jié)還必須滿足課程教學(xué)大綱與實驗大綱的要求，這限制了該方法的推廣。因此，將現(xiàn)場的實際工程概化為室內(nèi)模型，以室內(nèi)工程模型案例開展土力學(xué)實驗，通過對室內(nèi)模型案例提煉，編制基于工程問題的實驗課題目錄，學(xué)生通過完成工程問題自主完成相關(guān)實驗任務(wù)。此方法既吸收了采用實際工程案例直接做實驗的優(yōu)點，又在一定程度上改善了直接采用實際課題或者現(xiàn)場實際工程開展實驗對工程課題任務(wù)合同的依賴性。

2.室內(nèi)模型案例制作。擋土墻、邊坡、地基及基坑支護(hù)工程在工程中最常見?？梢灾谱髂Ｐ拖?，在箱內(nèi)填土完成室內(nèi)模型案例。模型箱尺寸（長×寬×高）為75cm×50cm×50cm，由1個底板和3個固定立面板構(gòu)成，底板與立面板以及立面板之間用鐵釘釘牢。第4個立面板是可移動板。該模型箱內(nèi)可以填砂，也可以填筑土。如果加立面板，就成為擋土墻模型；在填土面加荷載，就成為地基承載力模型；不加立面板，就成為邊坡模型。

3.模型案例實驗教學(xué)——以擋土墻模型為例。案例模型應(yīng)凝練出工程問題，學(xué)生在解答工程問題的過程中需要完成一定的實驗，否則問題就不能得到解決。凝練出的工程問題應(yīng)該包括土力學(xué)實驗中需要進(jìn)行的常規(guī)性實驗，如密度、含水率、液塑限、固結(jié)、直剪等。還可以凝練出其他具有一定創(chuàng)新性的實驗項目。以擋土墻模型進(jìn)行土力學(xué)實驗教學(xué)為例。擋土墻模型凝練的工程問題為擋土墻上的土壓力。要求學(xué)生利用擋土墻模型計算出作用在擋土墻上的土壓力，并將結(jié)果與實測的結(jié)果進(jìn)行對比。學(xué)生根據(jù)課題模型要求，編寫實驗方案及實驗步驟。學(xué)生要進(jìn)行墻后土壓力的計算，就必須得到填筑土的密度及含水率，還必須進(jìn)行抗剪強(qiáng)度實驗，只有得到這些指標(biāo)才能計算墻后的土壓力。還可以把計算的土壓力與測量的結(jié)果進(jìn)行對比，找出計算值與測量值的誤差，通過測量的土壓力，還可以得到土壓力沿墻高的分布規(guī)律。如果計算土壓力較大，還可以要求學(xué)生采取措施，讓學(xué)生主動去學(xué)習(xí)、去找答案，反過來還可以提高理論水平。要減小墻后的土壓力，同學(xué)們還可以想出一些辦法，所以，設(shè)置一些問題，同學(xué)們通過完成問題就必須進(jìn)行相關(guān)實驗。在工程實踐中去完成實驗，帶著問題去實驗，同學(xué)們的學(xué)習(xí)熱情、學(xué)習(xí)目的及創(chuàng)新能力可以得到大大的提高。加筋材料在擋土墻中應(yīng)用也很廣泛。在實驗中還可以給同學(xué)們一些牛皮紙作為加筋材料，將加筋材料放入土中，并且與面板連接。由于各人設(shè)置加筋方法不一樣，導(dǎo)致?lián)跬翂Τ休d能力不一樣。通過在墻頂施加荷載后擋墻是否倒塌判別加筋材料設(shè)置的優(yōu)劣。實驗中每組給相同數(shù)量的加筋材料（牛皮紙），最后看那個方案在墻頂施加荷載最大即該方案最優(yōu)。所以，通過小組實驗比賽，還可以調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，更好發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性及創(chuàng)新能力。

4.擋土墻模型案例實驗教學(xué)考核。傳統(tǒng)的考核方法主要看實驗報告完成情況，考核內(nèi)容單一。模型案例教學(xué)考核通常是全過程的考核，包括實驗方案的制定、實驗設(shè)備選擇、實驗數(shù)據(jù)整理分析、實驗報告的填寫、實驗誤差分析，等等。最后還通過小組的比賽成績綜合確定實驗的成績。

5.模型案例教學(xué)對促進(jìn)教學(xué)工作，提高教學(xué)質(zhì)量的作用。①基于室內(nèi)工程模型案例實驗教學(xué)，可以促進(jìn)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。傳統(tǒng)實驗教學(xué)方法的目的主要是向?qū)W生強(qiáng)行傳授知識，老師是主角，學(xué)生被動學(xué)習(xí)，缺乏學(xué)習(xí)熱情；而基于室內(nèi)工程模型案例實驗教學(xué)則從解決某一工程問題中發(fā)現(xiàn)實驗項目，使學(xué)生在解決工程問題中完成實驗項目，學(xué)生是主角，教師實際上更多地從講臺前站到了學(xué)生的背后。這既調(diào)動了學(xué)生的積極性，也可使學(xué)生有展示自己能力的機(jī)會。②基于室內(nèi)工程模型案例實驗教學(xué)，可以更好培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力，促進(jìn)素質(zhì)教育和創(chuàng)新型人才培養(yǎng)?；谑覂?nèi)工程模型案例實驗教學(xué)則更著眼于學(xué)生創(chuàng)造能力以及實際解決問題能力的發(fā)展，而不僅僅是獲得那些固定的原理、規(guī)則。通過工程問題把握如何以更有效的方式獲得知識?；诠こ虇栴}的實驗教學(xué)把培養(yǎng)能力放在比獲得知識更重要的位置，學(xué)生在學(xué)校獲得的知識會隨著時間的推移而過時，而針對實際情況學(xué)習(xí)的能力則能讓學(xué)生終身受益。③基于室內(nèi)工程模型案例實驗教學(xué)，可以提高實驗教學(xué)效果。基于室內(nèi)工程模型案例實驗教學(xué)，是對一個真實工程問題的室內(nèi)縮小，這個情境中包含一定的思考題，并要求學(xué)生思考、分析、消化、吸收。學(xué)生完成相關(guān)問題后，也就掌握了相關(guān)的實驗項目。④基于室內(nèi)工程模型案例實驗教學(xué)，可以促進(jìn)教學(xué)管理制度的改革與創(chuàng)新?；谑覂?nèi)工程模型案例實驗教學(xué)改革必然要求相關(guān)的教學(xué)管理制度與之相適應(yīng)和配套。從考核管理而言，一方面要主動適應(yīng)改革的需要，出臺相關(guān)政策；另一方面需要對與改革相關(guān)制度進(jìn)行改革，促進(jìn)教學(xué)管理水平的提高，如更新管理理念，樹立以教師和學(xué)生為中心的服務(wù)意識。

基于室內(nèi)工程模型，學(xué)生根據(jù)工程模型獨立設(shè)計實驗方案，讓學(xué)生在完成相關(guān)工程問題中去發(fā)現(xiàn)實驗，然后自行設(shè)計實驗實施方案，不僅培養(yǎng)了學(xué)生的思維和創(chuàng)新能力，更調(diào)動了他們在實驗過程中的參與性和主動性，室內(nèi)工程模型實驗教學(xué)的研究對提高土力學(xué)實驗教學(xué)效果意義巨大。

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