巖土原位測試技術(shù)實驗教學(xué)模式初探

李玲玲， 蔣建群， 黃 博， 王奎華

(浙江大學(xué) 建筑工程學(xué)院， 杭州 310058)

巖土原位測試技術(shù)實驗教學(xué)模式初探

李玲玲， 蔣建群， 黃 博， 王奎華

(浙江大學(xué) 建筑工程學(xué)院， 杭州 310058)

針對巖土原位測試技術(shù)實驗教學(xué)的課程特點和改革難點，提出了地基和基礎(chǔ)原位試驗的階段遞進式教學(xué)模式。從巖土原位測試技術(shù)實驗教學(xué)的現(xiàn)狀出發(fā)，提出了新型教學(xué)模式以及創(chuàng)新實驗題目，并進行了教學(xué)實踐和探索。這種新型教學(xué)模式和創(chuàng)新實驗題目的實施，能充分發(fā)揮學(xué)生的主動性與好奇性，使教學(xué)效果得到大幅提升，為巖土工程原位測試技術(shù)教學(xué)體系形式和模式的探索提供良好的基礎(chǔ)。

巖土； 原位測試； 探究性實驗教學(xué)； 教學(xué)模式

0 引 言

巖土工程測試技術(shù)不僅在巖土工程建設(shè)實踐中十分重要，而且在巖土工程的理論形成和發(fā)展過程中也起著決定性的作用。巖土工程測試技術(shù)一般可以分為室內(nèi)試驗、原位測試和原型監(jiān)測三大類，還有各種模型試驗，極其多樣，各有各的特點和用途。

巖土工程勘測及原位測試技術(shù)是一門實踐性很強的課程[1-4]，對學(xué)生實際的參與度要求較高，同時其不確定性對實驗教學(xué)帶來一定的難度。課程的特點使得該課程的建設(shè)面臨著以下問題：① 巖土工程勘測及測試技術(shù)是一門實踐性很強的課程。目前，該課程的實驗部分多為現(xiàn)場參觀，學(xué)生實際的參與度并不高。② 技術(shù)發(fā)展迅速，先進的巖土工程勘察及測試技術(shù)都在發(fā)展變化，在教學(xué)中必須隨時更新教學(xué)內(nèi)容。③ 課程實驗性強，但學(xué)生缺乏實踐的積累，很難把握課程的精銳。

本課程與其他課程關(guān)系密切(如與土力學(xué)、基礎(chǔ)工程、工程地質(zhì)等課程有密切關(guān)聯(lián))，如何與這些課程一體化建設(shè)，一體化教學(xué)，提高教學(xué)效果也是需要繼續(xù)探索的。因此，如何從教學(xué)模式上改革構(gòu)建新的實驗教學(xué)體系，如何從學(xué)生學(xué)習(xí)的環(huán)節(jié)提高學(xué)生的興趣和參與度，增強學(xué)生動手和分析問題的能力，如何從實驗實踐的環(huán)節(jié)進一步深入理解相關(guān)的理論知識點，更好地掌握測試技術(shù)，是開展巖土工程測試技術(shù)實驗教學(xué)改革的主要內(nèi)容和目標(biāo)。實驗課程是從理論到實踐的重要環(huán)節(jié)，學(xué)生可以從中學(xué)習(xí)到很多知識，得到多方面的鍛煉和提高，它不同于一般的課堂教學(xué)，有可能涉及到新儀器，實驗的隨機性、不確定性，實驗數(shù)據(jù)處理的嚴(yán)謹(jǐn)性，數(shù)據(jù)分析的綜合性等，這些特點都會影響到實驗教學(xué)的進行。

實驗課的教學(xué)改革主要核心問題之一，就是在實驗課里怎樣培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神、實踐能力和創(chuàng)新能力[5-10]。而探究性實驗教學(xué)是以學(xué)生為主體，通過一系列研究性教學(xué)方法與手段、以培養(yǎng)學(xué)生實踐能力和創(chuàng)新精神為目標(biāo)的實驗教學(xué)。本文通過探究性實驗環(huán)節(jié)的開展，提高學(xué)生的興趣和參與度，增強學(xué)生動手和分析問題的能力，還可以通過實驗進一步深入理解相關(guān)的理論知識點，更好地掌握測試技術(shù)。

1 巖土工程測試技術(shù)的階段遞進式實驗教學(xué)模式實踐與探索

通過探究性實驗環(huán)節(jié)的開展，提高學(xué)生的興趣和參與度，增強學(xué)生動手和分析問題的能力，還可以通過實驗進一步深入理解相關(guān)的理論知識點，更好的掌握測試技術(shù)。階段遞進性實驗教學(xué)主要內(nèi)容有：① 提高性的綜合類試驗，設(shè)計一些綜合類的試驗題目，鞏固常規(guī)的試驗和測試方法的同時，有助于學(xué)生更深刻的理解土力學(xué)與基礎(chǔ)工程的理論。② 自主性的模型類試驗。設(shè)計自主性的模型類試驗題目，比如制作不同模型箱，模擬不同的地基(黏土或砂土)，測定其沉降、側(cè)向變形以及強度等。

第一階段提高性綜合類測試小組的試驗項目是在室外(野外)選一塊場地(見圖1)，讓學(xué)生自主完成密度、滲透性、強度測試等地基基本特性，進而作出一個綜合性評價。創(chuàng)新是多方面的，可以試驗本身是創(chuàng)新的，或者試驗手段是創(chuàng)新的，或者兩者皆是創(chuàng)新的。該項目的特色主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

圖1 試驗場地的選擇

(1) 從內(nèi)容上講，綜合類測試試驗小組要完成兩個主項目和兩個拓展項目。通過主項目的設(shè)計和實施，強化學(xué)生對理論知識點的深度掌握；通過拓展項目的開展和參與，提高學(xué)生對現(xiàn)場測試技術(shù)的廣度理解。

(2) 具體實施形式。自主設(shè)計主試驗項目的方案和詳細(xì)的實施步驟，全面培養(yǎng)綜合試驗?zāi)芰?，小組成員合作性完成試驗項目。表1所示為創(chuàng)新項目及內(nèi)容更多的學(xué)生和后兩類試驗項目將在后續(xù)的土力學(xué)創(chuàng)新實驗課程開展。

表1 已開展創(chuàng)新試驗項目及內(nèi)容

(3) 從教學(xué)模式上講，以學(xué)生為主、指導(dǎo)老師為輔。全面調(diào)動學(xué)生的參與感和積極性。即使試驗結(jié)果可能沒有到達預(yù)期的要求，也不影響創(chuàng)新性實驗教學(xué)的效果。比如在進行拓展性試驗時，原試驗場地由于強度過高，微型十字板試驗量程偏低，試驗很難進行，學(xué)生就換到啟真湖畔強度較低的淤泥土中進行(見圖2)；通過試驗過程中出現(xiàn)的各種問題的解決，創(chuàng)新思維和創(chuàng)新實施得以實現(xiàn)。

從試驗前期準(zhǔn)備、試驗實施以及試驗數(shù)據(jù)處理與分析來看，前兩個內(nèi)容完成達到要求，而基于試驗結(jié)果對這個試驗場地的性能評定缺少系統(tǒng)性。這需要學(xué)生進一步深入分析試驗結(jié)果并開展討論。

從整個試驗的設(shè)計思路來看，原位試驗具有非常大的隨機性，包括原位試驗場地的不確定性、土體和地基本身的不均勻性、實驗操作等會造成實驗結(jié)果的誤差。

2 第2階段實驗教學(xué)改革的難點

無論是在土力學(xué)教學(xué)還是在巖土工程科研中，土體的強度都是很重要的科學(xué)問題。在土力學(xué)及試驗課程教學(xué)中，介紹了3種土體強度的室內(nèi)測試方法：直剪試驗、無側(cè)限試驗以及三軸剪切試驗。該項目內(nèi)容屬于土體原位強度測試手段的室內(nèi)試驗研究，對學(xué)生掌握這一關(guān)鍵知識點是良好的拓展和有益的補充。

另一方面隨著海洋工程建設(shè)的發(fā)展，海洋巖土工程逐漸成為學(xué)術(shù)研究和工程實踐的熱點[11-12]。其中，對海床性質(zhì)的認(rèn)識和測試則是海洋巖土工程中平臺基礎(chǔ)或管道設(shè)計的前提。T-bar是西澳大利亞大學(xué)Steward等[13]發(fā)明的一種新型土工測試設(shè)備，隨著其不斷發(fā)展和完善，目前已經(jīng)成熟應(yīng)用于室內(nèi)土體強度測試和現(xiàn)場試驗，成為海洋巖土工程原位試驗中的主要手段之一。T-bar測試過程中，土體會完全流過T型觸探頭，這種“滿流”的特點可以最大限度消除地應(yīng)力對土體強度測試造成的影響[13-15]。

這一階段試驗的對象是模型槽(長寬高：15 m×1.2 m×1.5 m)內(nèi)約50 cm海床，利用T-bar測試海床土體的強度(見圖3)，考察應(yīng)變率、含水量、循環(huán)次數(shù)對海床強度的耦合影響，為海洋結(jié)構(gòu)的設(shè)計和動力分析提供科學(xué)依據(jù)。分4組學(xué)生，每周2個課外學(xué)時，測試不同固結(jié)時間的土體強度，以期得到含水量、擾動和應(yīng)變率對土體不排水強度的影響。

(a) 制備土樣

(b) 取土示意圖

(c) Tbar示意圖

3 探究性實驗教學(xué)模式實踐的分析和總結(jié)

常規(guī)的土力學(xué)實驗大多關(guān)注于室內(nèi)的土工試驗，原位測試技術(shù)甚少涉及，本科生課程《巖土工程勘察和原位測試技術(shù)》這門課之前也以參觀和觀摩為主，缺少學(xué)生動手環(huán)節(jié)。而對于探究性實驗“巖土工程地基與基礎(chǔ)測試技術(shù)創(chuàng)新實驗”則是一次全新的嘗試，經(jīng)過本次探究性實驗，教學(xué)組獲得了一些常規(guī)實驗教學(xué)中無法得到的經(jīng)驗，主要包括以下幾個方面：

(1) 實驗項目的選取。探究性實驗項目的選取是成功開展實驗的前提條件，探究性實驗是課堂實驗的升級版，必須具備以下基本特征：① 應(yīng)與本課程的前沿科技相銜接，只有這樣才能激發(fā)學(xué)生的參與積極性；隨著工程建設(shè)的不斷推進，巖土工程的復(fù)雜性日益增加，在這種情況下，原位測試技術(shù)越來越受到重視，當(dāng)學(xué)生了解其發(fā)展趨勢，開展這樣一項探究性試驗是很有吸引力的。② 應(yīng)契合傳統(tǒng)土力學(xué)與巖土工程中的理論要點；選取土體強度的原位測試技術(shù)為重點，對學(xué)生掌握這一關(guān)鍵知識點是良好的拓展和有益的補充。③ 應(yīng)具有一定的設(shè)計性和創(chuàng)新性，需要學(xué)生自己發(fā)揮主觀能動性，探究性實驗也具備了這樣的特征。本次探究性實驗項目不同階段不同重點的選題，為項目的順利開展奠定了良好的基礎(chǔ)。

(2) 學(xué)生的選擇激勵與考核。除了探究性實驗項目的選擇至關(guān)重要外，學(xué)生作為實驗的主體也是很關(guān)鍵的因素，在探究性實驗的實施過程，為了保證足夠的生源，實際上采取的方法是將探究性實驗列為有相應(yīng)獎勵措施的選做實驗項目之一，成績作為課程總成績的一部分，并給予一定的加分獎勵。事實證明，這樣的做法是可行的，能充分激發(fā)學(xué)生的積極性。

探究性實驗采取的是全過程考核方式，從學(xué)生查閱資料開始，到完善試驗方案，小組各成員間的分工，各實驗工況的操作，實驗數(shù)據(jù)的處理，完成實驗報告。學(xué)生的每個實踐環(huán)節(jié)的表現(xiàn)均會體現(xiàn)在最終的成績中，雖然探究性實驗在整個實驗課程中的比重并不是很大，但這對于學(xué)生在整個過程中認(rèn)真對待，真正融入到實驗中是有好處的。

(3) 不足與展望。由于初次嘗試，在探究性試驗的開展中存在些不足：① 第1階段中原位場地的不確定性和復(fù)雜性影響了試驗結(jié)果和綜合分析，第2階段創(chuàng)新試驗的主體更改為模型槽內(nèi)均勻的海床土體，情況得到很大改善。② 在后續(xù)課程的創(chuàng)新試驗開展中，如何協(xié)調(diào)大綱原有試驗與創(chuàng)新試驗的關(guān)系，尤其是時間上的分配至關(guān)重要。試驗中，由于創(chuàng)新試驗內(nèi)容多，工況多，數(shù)據(jù)多，但分配的時間相對偏少，嚴(yán)重影響了學(xué)生后期的實驗報告質(zhì)量。③ 學(xué)生的參與積極性得到保障后，如何公平、公正和公開的確定參與學(xué)生是下次探究性試驗開展中將面臨的問題。④ 考核如何更加規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化和客觀化，也是待提高的問題之一。⑤ 從學(xué)生上交的心得來看，建議增加題目的趣味性以及提高參與的比例。歸納的以上幾點，在下次的創(chuàng)新試驗教學(xué)中將給予重視和完善。總體來說，本次探究性實驗取得了相當(dāng)大的突破，在今后的探究性實驗教學(xué)中，爭取讓本科生參與基礎(chǔ)性的科研課題，真正讓科研反哺教學(xué)。

4 結(jié) 語

從巖土工程原位測試技術(shù)實驗教學(xué)的現(xiàn)狀出發(fā)，針對課程特點，提出了巖土工程原位測試技術(shù)的階段遞進式教學(xué)模式和自主式創(chuàng)新實驗題目設(shè)置并進行了實踐。這種新型教學(xué)模式和創(chuàng)新實驗題目的實施，能充分發(fā)揮學(xué)生的主動性以及好奇性，使教學(xué)的效果得到大幅提升。同時也為巖土工程原位測試技術(shù)成熟的教學(xué)體系形式和模式探尋提供良好的基礎(chǔ)。

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Research and Practice of the Teaching Mode for Geotechnical in-situ Testing

LILingling,JIANGJianqun,HUANGBo,WANGKuihua

(College of Civil Engineering and Architecture, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China)

According to the course characteristics and difficulties of the experimental teaching of the geotechnical in-situ testing technology, the progressive teaching mode of different stage was put forward in the investigating experiment teaching. Starting from the present situation, a new teaching mode was proposed and the implementation of this new teaching mode and innovative experimental subject were carried on. Thus, the initiative and curiosity of students have been mobilized and teaching effect has been significantly improved. These provide a good foundation for exploring new mature teaching system and mode for geotechnical in- situ testing technology.

geotechnics; in-situ testing; investigating experiment teaching; teaching modes

2016-03-24

浙江省自然科學(xué)基金(E091005)；國家國際科技合作專項(2015DFE72830)；浙江大學(xué)建筑工程學(xué)院重點資助教改項目

李玲玲(1978-)，女，河南鹿邑人，博士，助理研究員，主要從事土力學(xué)實驗、巖土工程測試和檢測技術(shù)教學(xué)與研究。

Tel.: 0571-88206229; E-mail: lingli@zju.edu.cn

G 642.0

A

1006-7167(2017)03-0189-04