土力學教學方法的思考★

楊國香 徐能雄 張 彬

(中國地質(zhì)大學(北京)，北京 100083)

0 引言

相比土木工程、巖土工程及地質(zhì)工程專業(yè)其他專業(yè)基礎(chǔ)課程，土力學課程概念性內(nèi)容比較多，知識點比較分散，公式比較多、內(nèi)容連貫性較差，學生學習起來頭緒繁多，不具備材料力學的嚴謹性，不像《基礎(chǔ)工程》類似課程具備較強的操作性，因此學習難度較大，學生學習的興趣較低，給教師教學增加了難度，同時也給學生的學習增加了難度。

土力學教學中普遍存在的問題是，基本理論知識的學習與工程應(yīng)用結(jié)合不緊密，教學過度注重于教材，缺乏向工程實踐方面的延伸，這就容易給學生造成誤解，認為課堂學習不重要，在將來工作中不會用到，從而缺乏學習的動力。而工程建設(shè)的對象也就是被我們稱之為工程體的對象有三類，包括土體、巖體以及工程結(jié)構(gòu)物。而工程建設(shè)中所遇到的關(guān)于土的問題基本可以歸結(jié)為土的強度問題、土的變形問題以及土中的滲流問題。通過土力學課程的學習，學生對土力學基本概念以及基本原理的掌握不應(yīng)僅僅作為課程學習的目標，而應(yīng)使學生具備利用土力學基本原理及知識去分析、解決土力學問題的能力。隨著工程技術(shù)、計算技術(shù)以及測試技術(shù)的飛速發(fā)展，土力學教學內(nèi)容及方法也應(yīng)隨之進行創(chuàng)新和發(fā)展。下面結(jié)合作者的實際教學經(jīng)驗，談一點教學體會和思考。

1 明確土力學研究對象的普遍性和特殊性

與其他經(jīng)典力學相比，土力學以人們非常熟悉的土作為主要研究對象，它以力學基本理論知識為基礎(chǔ)來研究不同應(yīng)力狀態(tài)下土的強度、變形以及滲流問題，當土體本身作為一種工程結(jié)構(gòu)物時還要研究它的長期穩(wěn)定性[1]。

1.1 土的成因決定了土的特性，在系統(tǒng)教學中應(yīng)該貫穿始終

土的普遍性體現(xiàn)在它在我們的生活中隨處可見，《說文解字》里說過：“土”者，是地之吐生萬物者也，彼時，土的重要性來源于它是萬物生長的土壤，是為人們提供衣食住行的溫床。然而隨著人類社會和文明的發(fā)展，土已經(jīng)不僅僅作為供萬物生長的土壤，可以說現(xiàn)代社會的生產(chǎn)、生活以及工程建設(shè)都離不開土。自1773年Coulomb首開先河提出極大極小準則在若干靜力學問題中的應(yīng)用以來，土作為一種工程體或工程研究的對象，它的工程特性開始被關(guān)注，這也為土力學的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)[1]。土力學理論的發(fā)展經(jīng)歷了最開始的土體破壞理論，土體變形理論以及現(xiàn)代土力學的一個模型、三個理論和四個分支，隨著理論的發(fā)展土工測試技術(shù)特別是原位測試技術(shù)和模型試驗技術(shù)也有了很大的進展。近年來，隨著大型工程建設(shè)的發(fā)展土力學理論分析和工程應(yīng)用在我國取得了突飛猛進的發(fā)展，隨著工程應(yīng)用越來越廣，測試技術(shù)越來越高我們對土的力學特性的認識愈加深入。

土的普遍性和特殊性是由土的成因決定的，土是巖石風化的產(chǎn)物這一成因即決定了土具有碎散性、三相性以及自然歷史性的特點。而這些特性造成了土體在物理力學特性上的復雜性，因此與經(jīng)典力學課程相比土力學這門課程內(nèi)容比較多，連貫性和系統(tǒng)性比較差。另外，土的這些特性導致了當我們采用土力學理論解決實際工程問題時容易出現(xiàn)多解的情況，即對同一問題的分析可能會出現(xiàn)多個答案，因此土力學的目的是解決實際工程問題，工程實用性是土力學有別于其他力學的一個特點，因此，土力學的創(chuàng)始人太沙基晚年強調(diào)“土力學與其說是科學不如說是藝術(shù)”是對這門學科特點的闡述[2]。這就要求我們在教學過程中除了要注重概念的理解及基本原理的掌握，還應(yīng)更注重工程經(jīng)驗、試驗測試及分析技術(shù)以及各種適用條件。

1.2 土的特殊性與土的工程特性密切相關(guān)

當土作為一種工程體或工程對象時，我們更關(guān)注的是土的工程特性，雖然土都是巖石風化的產(chǎn)物，但不同地質(zhì)環(huán)境及地質(zhì)歷史年代形成的土其物理力學特性具有顯著的差異。一個很典型的問題就是當我們課堂上講土的物理力學特性時，首先讓大家說出直覺上想到的土，很顯然西北地區(qū)的同學說的是黃土、江贛地區(qū)的同學首先想到的是紅黏土，東北地區(qū)的同學提到的是黑土，此外還有淤泥土，膨脹土等等。而在工程應(yīng)用中這些土由于工程特殊性比較大因此歸類于工程上的特殊土，因此，我們在土力學教學過程中對于土體基本概念和性質(zhì)的講解應(yīng)該從土的成因出發(fā)，基于其物理力學特性并最終落腳于特殊土的工程特性。這也是土的工程應(yīng)用最為關(guān)注的問題。因此，作者在土力學授課過程中，第一章土的物理力學性質(zhì)講解完畢增加了一部分課外拓展知識，即特殊土的工程性質(zhì)，著重講解了黃土、紅黏土、膨脹土、凍土以及淤泥土等的工程特性，以及作為不同工程體時的處理方法。這也是土力學側(cè)重工程應(yīng)用的一個重要體現(xiàn)。

2 教學方法的改革是激發(fā)學生學習興趣的必經(jīng)之路

科技技術(shù)的發(fā)展以及工程建設(shè)的規(guī)模和難度的提高，帶來了很多新的土力學問題，出現(xiàn)了許多應(yīng)用傳統(tǒng)土力學基本知識和原理無法解釋的現(xiàn)象，這就要求對土的力學特性以及工程特性的講解應(yīng)結(jié)合土力學的一些新發(fā)現(xiàn)和新認識，需要我們在已有的土力學知識教學的基礎(chǔ)上，探索新的方法思路激發(fā)學生的學習興趣。

2.1 教學過程中增加學生動手實踐的機會

合理利用教學方法是提高學生學習興趣的重要途徑，土力學教學授課知識密度大，強度高，長時間的理論分析和講解容易引起學生的疲勞和厭學心理[3]。土工試驗及測試技術(shù)是土力學學習的基礎(chǔ)，也是鍛煉學生動手能力的重要途徑，在土力學課堂教學過程中有效整合巖土工程原位測試技術(shù)以及土工試驗技術(shù)教學資源，引導學生動手，掌握這些測試技術(shù)尤其是原位測試技術(shù)的目的、原理、操作流程以及數(shù)據(jù)處理和分析方法。土的碎散性和三相組成決定了土在變形、強度等特性上與連續(xù)介質(zhì)都大為不同，僅靠基本的力學知識不能完全解決問題，這就需要采用必要的試驗技術(shù)和手段去發(fā)現(xiàn)問題、解決問題[4]。隨著科技的不斷進步，新的測試技術(shù)層出不窮，教學過程應(yīng)適時增加一些新的測試技術(shù)的講解，例如光纖測試技術(shù)、三維激光掃描技術(shù)等，以此不斷更新和拓寬學生的知識面，同時也能顯著激發(fā)學生的學習興趣。

2.2 課堂知識的講解應(yīng)與重大工程建設(shè)相聯(lián)系

許多教師在土力學緒論講解過程中通過介紹一些著名的重大工程事故來引出土力學三大問題，如加拿大的特朗斯康谷倉、蘇州的虎丘塔等等。而自課本第二章開始的理論知識和原理的講解和學習往往比較枯燥，多種形式相結(jié)合的教學方式以及重大工程建設(shè)實例的引用能夠有效提高教學效率。本人在教學過程中有效利用重大工程建設(shè)實例，搜索并利用相關(guān)資源，例如在講解地基土的強度、地基沉降及變形問題時，穿插為同學們播放了央視紀錄片《超級工程》中的路橋篇，結(jié)合這些路橋工程為同學們講解了工程建設(shè)中經(jīng)常遇到的地基強度和沉降變形問題。另外，相關(guān)學科知識點的交叉融合有利于學生舉一反三，將專業(yè)相關(guān)知識進行串聯(lián)并掌握，例如，課堂講解第四章土的變形特性和地基沉降計算，第五章土的抗剪強度以及第六章?lián)跬两Y(jié)構(gòu)物上土壓力的計算等時，滲透了后續(xù)基礎(chǔ)工程課程中的地基處理問題的知識點，對于缺乏現(xiàn)場工作經(jīng)歷的本科生來說，這不僅能夠增加學生對知識點的理解，同時也使他們對今后工作中要面對和解決的工程問題有新的認識。

3 土力學教學目的和內(nèi)容也應(yīng)該注重發(fā)展和創(chuàng)新

與《理論力學》《彈性力學》以及《材料力學》等課程相比，土力學研究對象更加復雜多變，而隨著土木工程功能化、城市立體化和交通高速化的發(fā)展，新現(xiàn)象和新問題屢見不鮮，這就要求我們在課堂教學過程中，要結(jié)合工程建設(shè)的新發(fā)現(xiàn)和新問題對教學內(nèi)容進行發(fā)展和創(chuàng)新。而人類生活不斷向城市地下空間以及海洋空間的拓展帶來了很多新的問題和挑戰(zhàn)，需要我們在土力學教學過程中時刻做到概念、原理等的學習要與工程實際相聯(lián)系，應(yīng)該思考如何將土力學教學內(nèi)容與分析新的工程問題，解決工程問題掛鉤[5]。這就要求授課教師除了依據(jù)教材備課以外，還要有大量的關(guān)于工程實例的分析和積累，同時也應(yīng)該注意實時把握相關(guān)的工程熱點，抓住時機啟發(fā)學生的學習興趣和創(chuàng)造力。2018年12月世界最長的跨海大橋港珠澳大橋經(jīng)歷七年的建設(shè)終于順利通車，它不僅為兩岸三地的貿(mào)易往來與感情交流建立起來紐帶，同時也為土木工程、巖土工程等相關(guān)專業(yè)的學生帶來了新的思考，為土力學、基礎(chǔ)工程以及材料工程課程的學習創(chuàng)造了良好的素材。作者在授課前做了大量的課堂準備，查閱了相關(guān)文獻，會議記錄并全程觀看了央視關(guān)于港珠澳大橋施工過程的紀錄片，結(jié)合筆者的心得體會在課堂上為同學們講解了如何應(yīng)用土力學知識和原理解決實際工程問題，顯著提高了學生的學習興趣，提高了教學效率。

實際上，不僅僅是土力學，我們土木工程、巖土工程等學科課程的教學內(nèi)容與工程建設(shè)的發(fā)展程度密切相關(guān)，同時各門課程之間是相互聯(lián)系和發(fā)展的，一個港珠澳大橋的建設(shè)所產(chǎn)生的新的問題以及解決辦法可能會為土力學、基礎(chǔ)工程以及材料力學等相關(guān)課程帶來挑戰(zhàn)，沒有一個大型工程的建設(shè)問題是可以用單獨的一門課程的知識理論來分析和解決的，因此教學過程中我們應(yīng)該更加注重與多門相關(guān)課程內(nèi)容的交叉融合和滲透。例如土力學授課可以視為是基礎(chǔ)工程這門課的前導性課程，而基礎(chǔ)工程這門課又是土力學這門課的延伸，二者是自成體系的。教授在授課過程中應(yīng)該進行發(fā)展和聯(lián)系，以提高學生對知識的理解和運用能力。

4 結(jié)語

土力學是以土為主要研究對象，以力學理論為基礎(chǔ)的一門課程，土力學這門課程的特殊性是由土的工程特性決定的，因此，土力學教學過程中，土作為工程體具有的普遍性和特殊性是貫穿始終的。土力學內(nèi)容與土木工程建設(shè)息息相關(guān)，土力學的發(fā)展受工程建設(shè)水平以及科技水平發(fā)展的影響，這就要求土力學授課教師需要實時把握工程建設(shè)的前沿和熱點，儲備大量的實際工程經(jīng)驗，不斷的在課堂中充實課本的教學內(nèi)容，不斷的拓寬學生的知識面。依據(jù)工程建設(shè)的需要土力學教學方法應(yīng)該有創(chuàng)新和改革，傳統(tǒng)的土力學授課以課堂教學為主，而土工試驗及原位測試技術(shù)，尤其是新型測試技術(shù)如遙感技術(shù)、光纖以及三維激光掃描技術(shù)應(yīng)該越來越多的受到重視和應(yīng)用，同時教學內(nèi)容應(yīng)該更多的結(jié)合多種資源，如網(wǎng)絡(luò)、電視等多媒體資源，讓學生除了課本之外能夠從多渠道多手段獲得相關(guān)知識和經(jīng)驗，從而提高教學質(zhì)量使學生奠定扎實的專業(yè)基礎(chǔ)。