土力學(xué)“三性”實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的探索與實(shí)踐

曾召田 莫紅艷 顏榮濤 牟春梅 朱銀紅 張芹

摘? 要：從工程教育專業(yè)論證對(duì)土力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的要求出發(fā)，對(duì)我校土木工程專業(yè)的土力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀進(jìn)行了深入分析，從實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、師資隊(duì)伍、教學(xué)手段、管理模式、考核標(biāo)準(zhǔn)等方面對(duì)土力學(xué)“三性”實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式進(jìn)行了有益探索，旨在通過“三性”實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的實(shí)踐，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和科研能力，實(shí)現(xiàn)“工程教育專業(yè)認(rèn)證合格人才”的培養(yǎng)目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：土力學(xué);“三性”實(shí)驗(yàn);教學(xué)模式;工程教育專業(yè)論證

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2096-000X（2019）05-0095-03

Abstract： Starting from the requirements of engineering education majors for the experimental teaching of soil mechanics， the author analyzes the current situation of soil mechanics experiment teaching in civil engineering majors in our school. From the experimental content， the teaching staff， teaching methods， management mode， assessment criteria， etc.， the "three features" experimental teaching mode of mechanics is carried out useful exploration. It aims to cultivate students' innovative consciousness and scientific research ability through the practice of "three features" experimental teaching mode， and realize the training goal of "engineering education professional certification qualified talents".

Keywords： soil mechanics; the "three features" experiment; teaching mode; engineering education professional argumentation

隨著高校教育體制改革的不斷深入和工程教育專業(yè)論證工作的開展，大學(xué)生素質(zhì)教育已被提到一個(gè)新的高度。而實(shí)驗(yàn)教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力和提高學(xué)生綜合素質(zhì)的重要課堂，是為學(xué)生打開研究殿堂的重要環(huán)節(jié)，時(shí)代的發(fā)展需要我們改革落后陳舊的教育觀念和傳統(tǒng)的教學(xué)模式，需要我們構(gòu)建更合理的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，用新的理念來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)，是高校教育改革發(fā)展的需要，是社會(huì)進(jìn)步的需要。

《土力學(xué)》作為土木工程專業(yè)學(xué)生必修的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程，具有非常強(qiáng)的實(shí)踐性，其實(shí)驗(yàn)是必不可少的教學(xué)環(huán)節(jié)。在目前日新月異的時(shí)代發(fā)展面前，巖土實(shí)驗(yàn)教學(xué)已經(jīng)不僅僅要求是對(duì)理論課程知識(shí)的重現(xiàn)、驗(yàn)證，更重要的是，通過實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生把所學(xué)習(xí)的理論知識(shí)進(jìn)一步的理解并掌握，以此來認(rèn)識(shí)巖土材料的自然規(guī)律和性質(zhì)，并培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新精神，養(yǎng)成學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的良好習(xí)慣。因此，對(duì)原有實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式進(jìn)行變革，探索和實(shí)踐一種能夠促進(jìn)學(xué)生能力培養(yǎng)和技能提高的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，已成為了目前各高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的重點(diǎn)內(nèi)容。

本文基于桂林理工大學(xué)土木工程專業(yè)的土力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀，剖析了當(dāng)前教學(xué)模式的弊端，提出了一種土力學(xué)“三性”實(shí)驗(yàn)教學(xué)新模式，并進(jìn)行了有益探索和實(shí)踐，旨在全面地提高學(xué)生土工實(shí)驗(yàn)技能，進(jìn)一步提高學(xué)生的創(chuàng)新性思維，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，為巖土工程“三性”實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的實(shí)施提供指導(dǎo)性意見。

一、土木工程專業(yè)土力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀剖析

我校土木類專業(yè)成立于1995年，目前土木工程專業(yè)三個(gè)方向（巖土工程、工民建、交通土建）均開設(shè)了土力學(xué)實(shí)驗(yàn)。在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系中，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，老師課堂演示實(shí)驗(yàn)，學(xué)生被動(dòng)接收知識(shí)、消極實(shí)驗(yàn)、缺乏創(chuàng)新意識(shí)，目前土力學(xué)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)現(xiàn)狀主要表現(xiàn)為以下幾個(gè)方面。

（一）實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容簡(jiǎn)單陳舊

由于課時(shí)限制，目前我校土木工程專業(yè)開設(shè)的土力學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目主要有：1. 土的密度、含水率及土粒相對(duì)密度等物理性質(zhì)指標(biāo)的測(cè)定;2. 土體抗剪強(qiáng)度、壓縮系數(shù)等力學(xué)指標(biāo)的測(cè)定。這些實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的優(yōu)點(diǎn)是可操作性好、實(shí)驗(yàn)時(shí)間短，缺點(diǎn)是內(nèi)容簡(jiǎn)單、陳舊，脫離了工程實(shí)踐，未反映科技發(fā)展，因此，不利于全面培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手操作、綜合分析、解決問題的能力。

更有甚者，為了縮短實(shí)驗(yàn)時(shí)間滿足課時(shí)偏少的需要，大部分實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目縮短了觀測(cè)時(shí)間、簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)步驟或由實(shí)驗(yàn)教師課前先完成幾個(gè)環(huán)節(jié)的操作。譬如，黏性土的固結(jié)實(shí)驗(yàn)過程中，采用施加一級(jí)荷載，觀測(cè)時(shí)間由標(biāo)準(zhǔn)的24h縮減為5min;土體直剪、壓縮等實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)教師提前做了大量的備樣工作。課堂上，學(xué)生只能進(jìn)行幾個(gè)簡(jiǎn)單環(huán)節(jié)的操作，不能參與實(shí)驗(yàn)的全過程，割裂了實(shí)驗(yàn)各環(huán)節(jié)之間的聯(lián)系，因此學(xué)生對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)感到很抽象，實(shí)驗(yàn)技能也得不到提高。

由于實(shí)驗(yàn)內(nèi)容簡(jiǎn)單，學(xué)生只要按照老師的講解內(nèi)容進(jìn)行模擬操作，同時(shí)由于學(xué)生人數(shù)多、儀器設(shè)備數(shù)量不夠等條件限制，有些實(shí)驗(yàn)只能分組進(jìn)行，不能人人都能動(dòng)手操作，因此學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣銳減，積極性受到打擊，主觀能動(dòng)性得不到充分發(fā)揮。

（二）實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式單一枯燥

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教學(xué)方法具有舉足輕重的作用，可稱之為“教學(xué)的靈魂”。在課堂上，教師采用合適的教學(xué)方法和手段，能夠激發(fā)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣，達(dá)到事半功倍的效果。然而現(xiàn)階段，由于各種客觀因素的限制，土力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)一直沿襲“課前準(zhǔn)備-課堂授課-學(xué)生實(shí)驗(yàn)-數(shù)據(jù)處理”四階段的傳統(tǒng)教學(xué)模式。在這四個(gè)階段中，實(shí)驗(yàn)教師準(zhǔn)備儀器設(shè)備、課堂講解示范實(shí)驗(yàn)過程、巡回指導(dǎo)學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)，因此，教師在整個(gè)教學(xué)模式中處于主導(dǎo)地位;而學(xué)生課前預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、課堂聽老師講解、分組實(shí)驗(yàn)、處理數(shù)據(jù)、撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告，被動(dòng)地接收相關(guān)知識(shí)。

上述教學(xué)模式的優(yōu)點(diǎn)：1. 有利于培養(yǎng)學(xué)生處理數(shù)據(jù)、操作儀器、撰寫報(bào)告等基本實(shí)驗(yàn)素質(zhì);2. 促進(jìn)學(xué)生對(duì)土力學(xué)基本理論的理解與消化。缺點(diǎn)在于：1. 不利于調(diào)動(dòng)學(xué)生獨(dú)立思考和發(fā)揮學(xué)生的主動(dòng)性;2. 不利于培養(yǎng)動(dòng)手能力;3. 許多學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中不知所措，實(shí)驗(yàn)效果不好。

（三）實(shí)驗(yàn)考核評(píng)價(jià)體系不合理

目前，學(xué)生根據(jù)分組實(shí)驗(yàn)撰寫的實(shí)驗(yàn)報(bào)告是我校教師對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)水平評(píng)判的基本依據(jù)。這種實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)方式反映不了學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中的具體表現(xiàn)，學(xué)生個(gè)體的實(shí)驗(yàn)水準(zhǔn)得不到真實(shí)的反映;另一方面，這種簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)模式也容易造成學(xué)生相互抄襲、篡改數(shù)據(jù)的現(xiàn)象，不利于學(xué)生實(shí)驗(yàn)技能和科學(xué)素質(zhì)的培養(yǎng)。

二、土力學(xué)“三性”實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的構(gòu)建

一般地，綜合性、設(shè)計(jì)性和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)統(tǒng)稱為“三性”實(shí)驗(yàn)，它是一種設(shè)計(jì)內(nèi)容廣、教學(xué)要求高、以自我訓(xùn)練為主的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。我校土木工程專業(yè)于2017年5月順利通過了教育部的“工程教育專業(yè)論證”，再次強(qiáng)調(diào)了《土力學(xué)》作為土木工程專業(yè)基礎(chǔ)課的核心地位。以此為契機(jī)，課題組提出了土力學(xué)“三性”實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的構(gòu)建方案。

（一）設(shè)置合理的土力學(xué)“三性”實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目及內(nèi)容

選擇合適的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，是搞好實(shí)驗(yàn)教學(xué)的首要條件。因此，為提高學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)課的興趣，讓學(xué)生具有發(fā)揮的空間性和實(shí)際的應(yīng)用性。因此，課題組經(jīng)過調(diào)研、討論，對(duì)土力學(xué)的巖土實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目及內(nèi)容進(jìn)行合理設(shè)置：

1. 保留基本的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，全部設(shè)置為“必做”項(xiàng)目，如土的密度、含水率、土粒相對(duì)密度等物理性質(zhì)指標(biāo)測(cè)試。這些實(shí)驗(yàn)是學(xué)生進(jìn)行土工實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)，能有效培養(yǎng)學(xué)生基本的實(shí)驗(yàn)技能;同時(shí)，這些實(shí)驗(yàn)內(nèi)容源于理論教學(xué)，可以促進(jìn)學(xué)生對(duì)土力學(xué)基本理論的掌握。

2. 開設(shè)一些綜合性實(shí)驗(yàn)，全部設(shè)置為“必做”項(xiàng)目。如混合土的顆粒分析實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)過程中，需要采用不同的實(shí)驗(yàn)方法和儀器：粗顆粒采用篩分法、細(xì)顆粒采用比重計(jì)法分別進(jìn)行顆粒分析實(shí)驗(yàn)，綜合兩部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行顆粒分析，繪出混合土的顆粒級(jí)配曲線。在這些綜合性實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生需要運(yùn)用綜合的實(shí)驗(yàn)知識(shí)或?qū)嶒?yàn)手段，有效提高學(xué)生的知識(shí)-能力-素質(zhì)的綜合能力。

3. 開設(shè)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，全部設(shè)置為“選做”項(xiàng)目。實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)和分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，學(xué)生作為了實(shí)驗(yàn)的主體，根據(jù)自己的興趣或特長，利用現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行簡(jiǎn)單的科研活動(dòng)。這些實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目包括實(shí)驗(yàn)方法對(duì)抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的影響、排水條件對(duì)三軸剪切強(qiáng)度的影響等。

4. 開設(shè)創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)，主要分2類：第1類，大學(xué)生課余相關(guān)的科技活動(dòng)，如“大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)”、“互聯(lián)網(wǎng)+”、“挑戰(zhàn)杯”等;第2類，一線教師邀請(qǐng)學(xué)生參加的部分課題實(shí)驗(yàn)工作。這類實(shí)驗(yàn)對(duì)學(xué)生的要求相對(duì)較高，需要學(xué)生具有一定的專業(yè)理論知識(shí)、基本實(shí)驗(yàn)技能和綜合分析能力。同時(shí)，指導(dǎo)教師對(duì)參與項(xiàng)目的學(xué)生進(jìn)行全過程指導(dǎo)，幫助學(xué)生確定正確的實(shí)驗(yàn)方案和步驟，并對(duì)實(shí)驗(yàn)過程和結(jié)果進(jìn)行嚴(yán)格把關(guān)，培養(yǎng)學(xué)生開展科學(xué)研究的意識(shí)。

（二）優(yōu)化土力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)師資隊(duì)伍

針對(duì)“三性”實(shí)驗(yàn)的“自主、創(chuàng)新、實(shí)踐”等特點(diǎn)，土力學(xué)實(shí)驗(yàn)教師必須具備4個(gè)特征：1. 專業(yè)理論功底扎實(shí);2. 工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)豐富;3. 關(guān)注巖土學(xué)科的發(fā)展動(dòng)態(tài);4. 擁有一定的科學(xué)思維能力。

根據(jù)以上目標(biāo)，現(xiàn)有的土力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)師資隊(duì)伍需要采取以下3方面的措施進(jìn)行優(yōu)化：1. 安排實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有教師走出去，進(jìn)行有關(guān)的專業(yè)培訓(xùn)，鼓勵(lì)實(shí)驗(yàn)教師積極參加工程實(shí)踐;2. 鼓勵(lì)教研室理論教師參與實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作，結(jié)合自己的科研課題和工程項(xiàng)目，設(shè)置設(shè)計(jì)性、創(chuàng)新性的巖土實(shí)驗(yàn);3. 從校外土木工程單位聘請(qǐng)經(jīng)驗(yàn)豐富的高級(jí)工程師指導(dǎo)巖土實(shí)驗(yàn)的相關(guān)教學(xué)活動(dòng)。

（三）完善實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法和手段

為了提高教學(xué)質(zhì)量，達(dá)到土力學(xué)“三性”實(shí)驗(yàn)教學(xué)的培養(yǎng)目的，實(shí)驗(yàn)教師在教學(xué)過程中必須運(yùn)多種教學(xué)方法，合理利用多媒體、視頻、圖片、互聯(lián)網(wǎng)等現(xiàn)代化教學(xué)手段，激發(fā)學(xué)生對(duì)巖土實(shí)驗(yàn)的興趣。讓學(xué)生作為實(shí)驗(yàn)的主體，教師只需給予必要的指導(dǎo)和建議，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中獲得成就感和滿足感，從而提高學(xué)習(xí)的積極性和創(chuàng)造性。

（四）改革實(shí)驗(yàn)室開放模式

“三性”實(shí)驗(yàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)室管理提出新要求，即具有開放性的實(shí)驗(yàn)室管理制度，實(shí)驗(yàn)設(shè)備的使用、流動(dòng)更為靈活。為了適應(yīng)“三性”實(shí)驗(yàn)的要求，實(shí)驗(yàn)室對(duì)管理模式進(jìn)行相應(yīng)改革：1. 定時(shí)定期開放實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ剑?0：00～20：00）——學(xué)生自主安排實(shí)驗(yàn)時(shí)間，采取實(shí)驗(yàn)預(yù)約制度，每組人數(shù)為1～2人，大大增加了學(xué)生的動(dòng)手機(jī)會(huì);主要針對(duì)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)和綜合性實(shí)驗(yàn);2. 自主式實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ健芍笇?dǎo)老師審核實(shí)驗(yàn)方案，辦理實(shí)驗(yàn)室門禁卡，學(xué)生可自己安排時(shí)間進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，具有更大的靈活度;主要針對(duì)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)。

（五）健全實(shí)驗(yàn)考核方式

與傳統(tǒng)的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)相比較，“三性”實(shí)驗(yàn)具有更大的難度，實(shí)驗(yàn)過程中需要學(xué)生認(rèn)真思考、積極探索、有效解決相關(guān)問題，這是一系列的主觀能動(dòng)性表現(xiàn);實(shí)驗(yàn)結(jié)果并不是最終的考核評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，允許學(xué)生在科研探索中出現(xiàn)實(shí)驗(yàn)失敗。因此，改變以往“基于學(xué)生實(shí)驗(yàn)報(bào)告”進(jìn)行評(píng)價(jià)的實(shí)驗(yàn)核評(píng)價(jià)模式，教師對(duì)學(xué)生考核成績(jī)應(yīng)來源于實(shí)驗(yàn)前的準(zhǔn)備、過程中的表現(xiàn)以及試驗(yàn)后的結(jié)果分析等進(jìn)行綜合考慮，鼓勵(lì)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行創(chuàng)新性設(shè)計(jì)、合理大膽嘗試新的實(shí)驗(yàn)方法，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的主觀能動(dòng)性和積極性。

三、實(shí)踐成效

土力學(xué)“三性”巖土實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式在我校土木工程專業(yè)學(xué)生中實(shí)施近2年，取得了以下實(shí)踐成效：

1. 綜合性、設(shè)計(jì)性、創(chuàng)新性等巖土實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的開設(shè)，提高了實(shí)驗(yàn)難度，增加了選擇自由度。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生作為了實(shí)驗(yàn)的主體，具有更大的自主性，分析問題、解決問題的能力不斷提高。

2. 部分學(xué)生在教師指導(dǎo)下，根據(jù)自身興趣和特長，成立實(shí)驗(yàn)興趣小組，在課余時(shí)間很好地完成設(shè)計(jì)性巖土實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。學(xué)生通過查閱文獻(xiàn)，自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，通過溝通、交流，激發(fā)了學(xué)生探索新知的欲望。

3. 部分同學(xué)參與了巖土專業(yè)教師承接的橫向工程實(shí)踐課題，運(yùn)用專業(yè)知識(shí)解決工程實(shí)際問題，有效提高自己的工程實(shí)踐能力。

4. 通過“三性”巖土實(shí)驗(yàn)的訓(xùn)練，學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力、創(chuàng)新思維能力、科研探索精神等得到了培養(yǎng)與提升，有效促進(jìn)了大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)活動(dòng)的開展。譬如，我校2016級(jí)土木工程專業(yè)學(xué)生呂玉輝主持申報(bào)的“三軸試驗(yàn)中飽和黏性土剪破角的測(cè)試與分析”，獲得2017年大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目（國家級(jí)）資助并于2018年6月順利結(jié)題，本文第一、第二作者共同為該項(xiàng)目的指導(dǎo)教師。

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