《土力學(xué)與基礎(chǔ)工程》課程教學(xué)思考與探索

萬旭升+胡啟軍+王作文

摘要：土力學(xué)與基礎(chǔ)工程主要內(nèi)容為土的應(yīng)力應(yīng)變、強(qiáng)度理論與基礎(chǔ)工程，通過土的力學(xué)性質(zhì)與工程實(shí)踐去分析解決實(shí)際工程問題。針對(duì)該課程中存在的問題，提出本課程的改革思路。基于實(shí)際工程背景，從理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)兩方面內(nèi)容入手，整合理論教學(xué)內(nèi)容，加強(qiáng)實(shí)踐以提高自主思考、創(chuàng)新能力。最后從教學(xué)手段出發(fā)，通過網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的多樣化應(yīng)用及科研為教學(xué)服務(wù)的理念，將抽象概念及科研成果靈活運(yùn)用到教學(xué)中，引發(fā)學(xué)生積極思考，提升教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：土力學(xué)與基礎(chǔ)工程；考核機(jī)制；巖土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；改革創(chuàng)新

中圖分類號(hào)：G42 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

《土力學(xué)與基礎(chǔ)工程》包括土力學(xué)與基礎(chǔ)工程，是土木工程專業(yè)的一門主干課程。其涉及工程地質(zhì)、流體力學(xué)、材料力學(xué)、彈塑性力學(xué)和工程施工等學(xué)科領(lǐng)域，內(nèi)容廣泛，綜合性、理論性和實(shí)踐性很強(qiáng)。高等學(xué)校開設(shè)此課程的目的是為土木工程專業(yè)的學(xué)生構(gòu)筑工程基礎(chǔ)理論框架，以提高分析與解決實(shí)際工程問題的能力。而本課程教學(xué)效果的優(yōu)劣直接影響大學(xué)生理論素養(yǎng)與實(shí)踐能力。因此，分析研究《土力學(xué)與基礎(chǔ)工程》課程中存在的問題，探究課程的改革與建設(shè)的具體方法是專業(yè)基礎(chǔ)課程建設(shè)的關(guān)鍵所在。本論文針對(duì)該課程在教學(xué)中出現(xiàn)的問題，結(jié)合專業(yè)特點(diǎn)，以分析解決實(shí)際工程問題為導(dǎo)向，改革教學(xué)內(nèi)容，注重實(shí)踐教學(xué)過程，提出創(chuàng)新性教學(xué)改革思路。

一、《土力學(xué)與基礎(chǔ)工程》課程教學(xué)中存在的主要問題

（一）現(xiàn)有教學(xué)效果讓學(xué)生對(duì)土的基本性質(zhì)理解不夠深入

土作為該課程的主要研究對(duì)象，其自身特性決定了力學(xué)性能的好壞而影響基礎(chǔ)工程的穩(wěn)定性與耐久性。由于學(xué)生缺乏對(duì)土基本構(gòu)成的空間結(jié)構(gòu)及時(shí)間演變的理解，教學(xué)過程中又以課本教條式講解為主，土的宏觀微觀結(jié)構(gòu)很難做到形象化、具體化。且土中水的存在狀態(tài)僅從理論抽象層次講解很難剖析清楚而讓學(xué)生深刻理解，故學(xué)生在學(xué)習(xí)土中水分物理化學(xué)性質(zhì)中存在很大疑惑。

除了教師板書授課外，網(wǎng)絡(luò)教學(xué)手段也大范圍應(yīng)用到該課程的教學(xué)中，但是現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)手段單一，大多由簡(jiǎn)要文字和靜態(tài)圖片組成，缺乏動(dòng)態(tài)感。師生缺乏互動(dòng)交流意識(shí)，學(xué)生感覺課堂教學(xué)枯燥，導(dǎo)致學(xué)習(xí)中缺乏積極性，從而課堂教學(xué)質(zhì)量得不到保證。

（二）重視理論基礎(chǔ)學(xué)習(xí)而輕視實(shí)踐課教學(xué)環(huán)節(jié)

本課程是一門以實(shí)踐應(yīng)用學(xué)科，理論教學(xué)學(xué)時(shí)一般為64學(xué)時(shí)，而試驗(yàn)課學(xué)時(shí)只有8-12學(xué)時(shí)。教學(xué)過程主要以教師講解為主，學(xué)生動(dòng)手做試驗(yàn)時(shí)間非常有限，造成實(shí)踐環(huán)節(jié)與理論學(xué)習(xí)脫節(jié)，進(jìn)而造成教學(xué)效果差。

土力學(xué)中土的基本物理試驗(yàn)與力學(xué)試驗(yàn)較多，而且室內(nèi)試驗(yàn)的首要條件是試樣制做。土樣的制作是一個(gè)相對(duì)漫長(zhǎng)的過程，包括烘干、碾碎、過篩、攪拌、密封、壓樣等環(huán)節(jié)，而少學(xué)時(shí)的實(shí)踐環(huán)節(jié)很難讓學(xué)生系統(tǒng)學(xué)習(xí)制樣過程。僅從教師講解或課本學(xué)習(xí)去了解制樣過程是完全掌握不了制樣技能的，這也從一個(gè)側(cè)面反應(yīng)了該課程實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的尷尬情況。從本人所帶該課程實(shí)踐考核與理論考核兩方面的成績(jī)對(duì)比分析可以發(fā)現(xiàn)，理論環(huán)節(jié)的學(xué)習(xí)成績(jī)明顯好于實(shí)踐環(huán)節(jié)。在實(shí)踐考核中高于80分的人數(shù)遠(yuǎn)小于理論考核的人數(shù)（圖1）。所以現(xiàn)有實(shí)踐環(huán)節(jié)所占比例小反應(yīng)出了學(xué)生動(dòng)手能力差，試驗(yàn)分析報(bào)告質(zhì)量低的問題。

（三）教學(xué)內(nèi)容更新慢，缺乏針對(duì)性，不能適應(yīng)專業(yè)人才的培養(yǎng)要求

近些年，我國(guó)在工程地質(zhì)勘察，室內(nèi)試驗(yàn)以及現(xiàn)場(chǎng)土工試驗(yàn)、地基處理、新設(shè)備、新材料及工藝的研究和應(yīng)用取得了重大進(jìn)展。而教學(xué)課程內(nèi)容的更新與學(xué)科的發(fā)展速度相比存在滯后性，現(xiàn)有課本的教學(xué)內(nèi)容很難讓學(xué)生了解到基礎(chǔ)工程領(lǐng)域的新理論、新技術(shù)。還有大多教材編寫注重理論，缺乏基礎(chǔ)理論與工程實(shí)踐的具體結(jié)合。諸如課本中工程實(shí)例大多都是幾十年以前的工程基礎(chǔ)事故或地基處理技術(shù)，故現(xiàn)有先進(jìn)的處理方法或技術(shù)很難以具體工程呈現(xiàn)出來。

（四）學(xué)生成績(jī)考核機(jī)制存在不合理性

學(xué)生最終成績(jī)一般由期末成績(jī)、平時(shí)成績(jī)、實(shí)踐成績(jī)?nèi)?xiàng)組成。對(duì)于期末考試中存在的問題是試題過于死板，沒有一定比例的主觀思考題。除了理論計(jì)算外，其余的都是客觀簡(jiǎn)單題，答案就是課本中陳列的。這樣不會(huì)激發(fā)學(xué)生思考問題的能力，過于教條。平時(shí)成績(jī)由考勤和平時(shí)作業(yè)組成，而沒有體現(xiàn)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力的考察的作業(yè)。

二、教學(xué)內(nèi)容的整合

（一）理論教學(xué)內(nèi)容

理論學(xué)習(xí)是該門課程的基礎(chǔ)，但是內(nèi)容眾多讓不同土木工程專業(yè)的學(xué)習(xí)缺乏針對(duì)性，故對(duì)知識(shí)結(jié)構(gòu)體系部分應(yīng)該整合為主要增加前沿性理論成果，針對(duì)具體專業(yè)方向有不同側(cè)重點(diǎn)，減除陳舊、現(xiàn)代工程問題中很難出現(xiàn)的內(nèi)容。故對(duì)現(xiàn)有內(nèi)容進(jìn)行調(diào)整，土的基本性質(zhì)與工程分類該章不變。將土滲透、壓密、固結(jié)、有效應(yīng)力原理與抗剪強(qiáng)度整合為土的基本力學(xué)性質(zhì)，將土的應(yīng)力、土壓力、變形計(jì)算內(nèi)容統(tǒng)歸納為土的彈性本構(gòu)，因?yàn)橥翍?yīng)力與土壓力均為應(yīng)力問題，對(duì)于本科生教學(xué)，應(yīng)力應(yīng)變歸屬土的彈性本構(gòu)范疇。將地基沉降、承載力與邊坡穩(wěn)定性分析合并為地基與邊坡穩(wěn)定性分析一章，淺基礎(chǔ)設(shè)計(jì)作為一章，將樁基礎(chǔ)與沉井基礎(chǔ)合并為深基礎(chǔ)一章，基坑工程與支護(hù)工程作為一章、區(qū)域性地基與地基處理合并為特殊土及地基處理一章。這樣將原有內(nèi)容從12章整合為9章。刪減整合會(huì)使該課程的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)一步系統(tǒng)化，讓學(xué)生更加易于理解和掌握。

（二）實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容

目前實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容主要體現(xiàn)在以室內(nèi)試驗(yàn)為主，通過學(xué)生做實(shí)驗(yàn)的方式掌握土的相關(guān)力學(xué)性質(zhì)。應(yīng)在試驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)中加入工程背景介紹與討論部分，讓學(xué)生更加清楚試驗(yàn)內(nèi)容可以分析哪些實(shí)際工程問題。討論環(huán)節(jié)應(yīng)著重分析力學(xué)參數(shù)變化的影響因素，以及通過室內(nèi)試驗(yàn)如何更好的反應(yīng)土的天然性質(zhì)。

除了試驗(yàn)部分，教師可提供某個(gè)問題較為具體的研究?jī)?nèi)容，讓學(xué)生參與討論，培養(yǎng)其解決問題的能力，并鼓勵(lì)學(xué)生通過自主試驗(yàn)的方式拓闊思維，提高實(shí)踐能力。

三、教學(xué)手段的創(chuàng)新

（一）網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的靈活應(yīng)用

隨著我國(guó)土力學(xué)與基礎(chǔ)工程的發(fā)展，課堂教學(xué)內(nèi)容不斷增加，非常有必要借助多媒體和網(wǎng)絡(luò)改革傳統(tǒng)的教學(xué)方法。網(wǎng)絡(luò)的形象性、趣味性、直觀性和廣泛性等特點(diǎn)能夠讓學(xué)生更全面的了解土的相關(guān)特性。就工程應(yīng)用來說，大量工程案例用圖片或動(dòng)畫形式呈現(xiàn)在課堂上會(huì)讓學(xué)生影響深刻，并能展現(xiàn)工程修筑或破壞的動(dòng)態(tài)過程。

還有，對(duì)于土的滲透特性，口頭講解水分的流動(dòng)狀態(tài)很難讓學(xué)生建立空間模型，但用flash制作動(dòng)畫，通過動(dòng)畫演示，水分在孔隙中怎么流動(dòng)會(huì)非常形象地呈現(xiàn)在學(xué)生面前。乃至滲透破壞、土的固結(jié)等過程網(wǎng)絡(luò)都能夠幫助學(xué)生在感覺與思維之間建立其橋梁來實(shí)現(xiàn)他們從直接感覺到抽象思維的過度，不僅讓教學(xué)內(nèi)容呈現(xiàn)豐富多彩，還讓學(xué)生興趣倍增，教學(xué)效果大大提高。

（二）利用科研成果提高教學(xué)質(zhì)量

作為高校教師，不僅要做好教學(xué)工作，還要做好科學(xué)研究?？蒲泄ぷ骺梢源龠M(jìn)教學(xué)發(fā)展。筆者從事凍土工程研究，通過對(duì)土中水分相變過程研究，探究了土中水分凍結(jié)機(jī)理。可將此研究成果應(yīng)用到土的三相組成中作為拓展內(nèi)容，讓學(xué)生對(duì)土中水的存在狀態(tài)理解更為深刻。

圖2為土中水分凍結(jié)研究。圖2a是在降溫環(huán)境中土中溫度曲線，可以看出當(dāng)土體溫度達(dá)到零度時(shí)，水分不會(huì)凍結(jié)，只有達(dá)到結(jié)晶中心時(shí)才會(huì)形成冰核。此階段為水分冷縮階段（圖2b）。當(dāng)水分開始凍結(jié)時(shí)，先是重力水凍結(jié)，此時(shí)會(huì)發(fā)生大量冰水相變，溫度主要集中在0—-4℃。其次為毛細(xì)水凍結(jié)主要發(fā)生在-4℃—-15℃溫度階段，毛細(xì)水含水量變化明顯小于重力水含量變化。由于毛細(xì)水主要存在小孔隙中，而相比存在大孔隙中的重力水而言，本身含量要小很多。最后為弱結(jié)合水的凍結(jié)，主要發(fā)生在-15℃以下，該階段含水量變化非常小。而強(qiáng)結(jié)合水的凍結(jié)現(xiàn)有降溫設(shè)備很難實(shí)現(xiàn)，因?yàn)槠湫再|(zhì)非常穩(wěn)定。

（三）注重學(xué)生思考問題及學(xué)習(xí)方法的培養(yǎng)

本教學(xué)課程除了傳授學(xué)生專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)以及試驗(yàn)操作技能，更重要的是要培養(yǎng)學(xué)生思考分析問題的方法，乃至解決問題的能力。教師主要作用就是引導(dǎo)學(xué)生多思考。例如“管涌現(xiàn)象”，結(jié)合實(shí)際工程，采用啟發(fā)式的教學(xué)方法。引導(dǎo)學(xué)生思考什么類型的土?xí)l(fā)生此現(xiàn)象，為什么？從管涌現(xiàn)象出發(fā)總結(jié)出其特點(diǎn)，然后針對(duì)土體自身特點(diǎn)進(jìn)行分析，引出管涌易發(fā)生的土類及條件。

四、總結(jié)

土力學(xué)與基礎(chǔ)工程的教學(xué)既離不開理論基礎(chǔ)知識(shí)，也離不開工程實(shí)踐。土力學(xué)基礎(chǔ)理論的夯實(shí)可為工程問題提供數(shù)學(xué)模型，讓問題簡(jiǎn)單化和清晰化，呈現(xiàn)出規(guī)律性。但是實(shí)際工程往往存在復(fù)雜性，理論模型往往不能夠準(zhǔn)確反應(yīng)實(shí)際情況，故在教學(xué)過程中要注重工程實(shí)踐環(huán)節(jié)。在該課程中適當(dāng)加入工程實(shí)踐活動(dòng)或課外工程設(shè)計(jì)活動(dòng)，開拓學(xué)生視野并為其提供創(chuàng)新平臺(tái)。

在改革創(chuàng)新的新時(shí)代，教師作為教學(xué)的主體要提高自身素質(zhì)，要具備系統(tǒng)的理論和實(shí)踐素質(zhì)，并能夠?qū)⒆陨砜蒲谐晒`活運(yùn)用到教學(xué)中，引發(fā)學(xué)生積極思考，提升創(chuàng)新意識(shí)，以培養(yǎng)出符合新時(shí)期國(guó)家需要的專業(yè)技術(shù)人才。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙明華.土力學(xué)與基礎(chǔ)工程[M]. 武漢：武漢理工大學(xué)，2014.

作者簡(jiǎn)介：萬旭升（1987-），男，甘肅靜寧人，講師，主要從事寒區(qū)工程研究與教學(xué)。